（电气工程专业论文）基于dcs控制技术的加热炉控制系统研究与实践.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t h e a t i n gf u r n a c e sa r em a j o re n e r g yc o n s u m p t i o ne q u i p m e n ti nt h e m e t a l l u r g i c a le n t e r p r i s e s t h i st h e s i s ，t a k i n gt h et e c h n i c a lr e f o r m so f t h eh e a v y p l a t eh e a t i n gf u r n a c e so fj i n a ns t e e lg r o u pa st h er e s e a r c h b a c k g r o u n d ，g i v e sa no v e r v i e wo nt h ed e v e l o p m e n ta sw e l la st h ec u r r e n t s i t u a t i o n so ft h ec o n t r o lt e c h n i q u e so ft h eh e a t i n gf u r n a c e sh o m ea n d a b r o a d ，i n t r o d u c e st h em a j o rc o m p o n e n t s ，s y s t e mc o n f i g u r a t i o n sa n d f u n c t i o n so fi n d u s t r i a lc o n t r o lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei nt h e d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m so ft h em e d i u ma n dh e a v y p l a t e h e a t i n g f u r n a c e so fj i n a ns t e e lg r o u p ，a n dh a sad e e pa n a l y s iso nm a c sd i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m s a u t o m a t i cc o n t r o lt h e o r yo v e rt h eb u r n i n go ft h e w a l k i n gb e a mf u r n a c e s ，r e a l i z i n gd o u b l ec r o s sl i m i tc o m b u s t i o nc o n t r o l ， f l o wc o n t r o l ，t e m p e r a t u r ec o n t r o lo fh e a t i n gf u r n a c e ，f u r n a c ep r e s s u r e c o n t r o l ，g a sm a i na n da i rm a i np r e s s u r ec o n t r o la sw e l la ss t e a md r u m f l u i dp o s i t i o nc o n t r o la n de l e c t r i ci n t e r l o c k i n g l o g i cc o n t r o l ，e t c p r a c t i c es h o w st h a tt h e s y s t e m i sr e l i a b l ea n ds t a b l ei n o p e r a t i o na n di s c o n v e n i e n tt ob eo p e r a t e d t h i s s y s t e mc a nb ee f f e c t i v e l yc o n t r o l l e di fr e l a t e d p a r a m e t e r sa r ec o r r e c t l ya d j u s t e d ，w h i c hi so fg r e a tp o p u l a r i z a t i o nv a l u e k e yw ords ：h e a t i n gf u r n a c e ；d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ；a u t o m a t i cc o n t r o l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责 任由本人承担。 论文作者签名： e l期：砂皤乒加 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大 学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：燃导师签名： 山东大学硕士学位论文 1 绪论 作为冶金企业最主要的耗能设备，在轧钢等热加工生产中，加热炉的能耗 量占了主要的比例，占全线能耗量的7 0 以上。另外，目前我国轧钢加热炉的热 效率较低，据统计，步进式的加热炉的热效率只有3 5 ，因此，如何提高加热炉 的自动控制水平，提高加热炉的热效率，降低能耗，实现加热炉的优化控制是 当前加热炉的技术改造以及节能工作中具有深远意义的课题。 1 1 加热炉的发展和现状 连续式加热炉是轧钢行业中重要的工艺生产设备之一。钢坯由炉尾装入， 边前进边加热，被加热到所需要的温度后，经过出钢口出炉，再沿着辊道送往 轧钢机。连续式加热炉的工作是连续性的，钢坯在炉内靠推钢机的推力沿着炉 底的滑道不断地向前移动，加热后不断地排出。 加热炉在保证安全运行及完成加热钢坯任务的同时，还要考虑高效及经济 地燃烧。如何采用合理有效的控制策略，当加热炉控制系统的负荷及煤气的质 量等因素发生波动时，仍然能使加热炉内的炉膛温度、炉膛压力、排烟温度等 参数稳定在控制范围之内，并且能够使加热炉工作在最佳燃烧区内，提高产品 质量且能节约能耗、减少加热钢坯的氧化铁皮、降低对环境造成的污染等等， 是提高企业竞争力的主要措施，也是企业界和科技界对加热技术改进一直关注 的热门课题。现代化的高产量热轧带钢轧机，由于对轧制带钢的厚度尺寸公差、 带钢表面质量和板型控制的要求日益严格，因而对板坯加热温度均匀性和热板 坯表面的质量要求也不断提高，加热炉是热轧中厚板轧机必须配备的热处理设 备。随着工业自动化技术的不断发展，现代化的热连轧机应该配置大型化的、 高度自动化的步进梁式加热炉，其生产应符合高产、优质、低耗、节能、无公 害以及生产操作自动化的工艺要求，以提高其产品的质量，增强产品的市场竞 争力。我国轧钢工业的加热炉型有推钢式炉和步进式炉两种，但推钢式炉有长 度短、产量低、烧损大等缺陷，操作不当时会粘钢，造成生产上的问题，钢坯 断面温差较大，板坯背面滑轨擦痕多，难以实现管理自动化。由于推钢式炉有 难以克服的缺点，而步进梁式炉是靠专用的步进机构，在炉内做矩形运动来移 送板坯，板坯之间可以留出空隙，板坯和步进梁之间没有摩擦，出炉板坯通过 托出装置出炉，完全消除了滑轨擦痕，又有适合加热断面较大的坯料、钢坯加 1 山东大学硕士学位论文 热断面温差小、加热均匀以及可出空炉料、炉长不受限制、产量高、生产操作 灵活等特点，其生产符合高产、优质、低耗、节能、无公害以及生产操作自动 化的工艺要求。 从6 0 年代开始，随着自动化技术及计算机应用的飞速发展，加热炉控制技 术也在高产、优质、多品种和节能降耗方面有了很大提高。加热炉采用计算机 控制系统，一般能节能5 左右，减少氧化烧损o 2 左右，在频繁改变生产计划、 坯料钢种和规格的情况下，其节能和减少板坯氧化烧损的效果将更加显著。我 国在7 0 8 0 年代建的轧钢生产线大多存在能耗高、产量低、产品质量差、生产自 动化水平低等问题。1 9 7 9 年12 月召开的全国轧钢会议，对我国轧钢工业现状与 其后的发展方向进行了全面深入的讨论，提出应用连铸逐步代替初轧，用连续 式冷热宽带钢轧机代替劳特式中板轧机和迭轧薄板轧机，用冷轧硅钢片代替热 轧硅钢片，用连续式棒材、型材轧机代替横列式轧机，用步进式加热炉代替推 一 钢式加热炉等改进措施，取得很大成效。 我国轧机在装备水平上与国外的差距很大，一是规模小，装机水平较低：二 是我国的轧机加热炉大多数是推钢式加热炉，小时产量为6 0 - 8 0 吨时，国外发 达国家基本是采用步进式加热炉，加热能力为2 5 0 吨时。8 0 年代后期开始，我 国经济发达的省份和各大钢铁( 集团) 公司相继引进或改建成了具有国际水平的 全连续、全自动化步进式加热炉。这种生产线都具有以下特点： ( 1 ) 生产能耗大幅度降低，从炼钢连铸后开始全连续的直接生产。 ( 2 ) 产量大幅度提高，现在都在1 0 0 万吨年以上。 ( 3 ) 生产自动化水平非常高，原加热炉的控制系统大多是采用单回路仪表和 继电逻辑控制系统，传动系统也大多是模拟量控制式的供电装置，现在的加热 炉的控制系统都是p l c 或d c s 系统，而且大多还具有二级过程控制系统和三级生 产管理系统，传动系统都是全数字化的直流或交流供电装置。 1 2 加热炉控制技术发展和现状 目前加热炉生产控制系统广泛应用有以下主要技术： ( 1 ) p l c 及d c s 控制技术 目前加热炉生产控制系统已经从常规仪表和继电逻辑控制系统发展到了 p l c 和d c s 控制系统，在现场控制级普遍采用f ie l db u s 现场总线技术，在基础 自动化级和过程控制管理级普遍采用计算机网络技术，基础自动化硬件的选择， 2 山东大学硕士学位论文 传统的方法是使用p l c 或d c s 。对于大规模的系统，往往其电控系统部分采用 p l c ，而回路控制即过程量控制采用d c s 。分散型计算机控制系统又名分布式计算 机控制系统，简称分散型控制系统( d is t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 即d c s ) 。 分散型控制系统综合了计算机( c o m p u t e r ) 、控制( c o n t r 0 1 ) 技术、通信 ( c o m m u n ic a tio n ) 技术、c r t 技术即4 c 技术，集中了连续控制、批量控制、逻辑 顺序控制、数据采集等功能。先进的分散型控制系统将以计算机集成制造系统 ( c i m s ) 为目标，以新的控制方法、现场总线智能化仪表、专家系统、局域网 络等新技术，为用户实现过程控制自动化与信息管理自动化相结合的管控一体 化的综合集成系统。 d c s 的体系结构通常为三级。第一级为分散过程控制级，直接与生产过程现 场的传感器( 热电偶、热电阻) 、变送器( 温度、压力、液位、流量变送器等) 、 执行机构( 调节阀、电磁阀等) 、电气开关( 触点输入输出) 相连接，完成生 产过程控制，并能与集中操作监控级进行数据通信，接收显示操作站下传加载 的参数和作业命令，以及将现场工作情况信息整理后向显示操作站报告；第二 级为集中操作监控级，主要是显示工作站，它完成显示、操作、记录、报警等 功能，它把过程参量的信息集中化，把各个现场配置的控制站的数据进行收集， 并通过简单的操作，进行过程量的显示、各种工艺流程图的显示、趋势曲线的 显示以及改变过程参数，如设定值、控制参数、报警状态等信息，这就是它的 显示操作功能，显示操作站的另一功能是系统组态，因此可进行控制系统的生 成、组态。第三级为综合信息管理级，用来实现整个企业的综合信息管理，主 要执行生产管理和经营管理功能，d c s 的综合信息管理级实际上是一个管理信息 系统( m a n a g e m e n ti n f o r m a tio ns y s t e m ，简称m i s ) ，m i s 是借助于自动化数据 处理手段进行管理的系统。近年来由于p l c 增强了回路控制的功能，同样d c s 也加强了逻辑控制的功能，而且彼此能互相覆盖。加热炉仪表系统的控制比较 复杂，开关量控制相对简单，因此就仪表控制而言，一般选择d c s 。为保证步进 梁的检测控制精度，减少坯料从入炉到出炉的跟踪误差，电气控制系统对p l c 的开环模拟量循环控制周期、模拟量分辨、采样刷新周期有严格的要求，一般 采用高速p l c 优化软件设计，确保系统正常运行。 d c s 控制功能强，可实现复杂的控制规律，如串级、前馈、解耦、自适应、 最优和非线性控制等，也可实现顺序控制；系统可靠性高；采用c r t 操作站 3 山东大学硕士学位论文 有良好的人机交互接口；软硬件采用模块化积木式结构；系统容易开发；用组 态软件，编程简单，操作方便；具有良好的性价比。d c s 也存在一些缺点，采 用三层结构模式，线路多，维护管理麻烦，且各开发商的d c s 遵循各自的标准， 不能互联，以及难于实现设备之间和系统与外界之间的信息交换等，严重制约 了系统本身的发展。随着计算机网络及通信技术的迅速发展，现场有越来越多 的信息需要往上传，通信技术越来越往下延伸到现场，信息沟通联络的范围不 断扩大。为实现企业的信息集成，实施综合自动化，使模拟仪表向智能化仪表 发展、工业控制分立设备向共享设备发展、计算机网络从t o p 、m a p 向现场级 网络发展，最终用户需要一种适应工业现场环境运行、可靠性高、实时性强、 造价低廉、结构简单、维护方便的控制系统，以形成工厂的底层网络，完成现 场自动化设备之间的多点数字通信、以及自动化系统与外界的信息交换。现场 总线就是在这种实际需求的驱动下产生的。它是以自动控制、自动化仪表、计 一 ， 算机、通信、微电子为主要内容的一门综合技术，是当今技术发展的结果。现 场总线把专用微处理器植入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有独立承担 某些控制、数字计算和数字通信能力。提高了信号的测量、控制、传输精度和 速度，同时丰富信息的内容。现场总线可采用多种传输介质，如用普通电缆、 双绞线、光纤、红外线、甚至电力传输线等，把多个测量控制仪表、计算机等 作为节点连接成的网络系统，在现场总线的环境下，借助现场总线网段以及与 之有通信连接的其它网段，实现数据传输与信息共享，实现异地远程控制。现 场总线设备与传统自控设备相比，拓宽了信息内容，提供传统仪表所不能提供 的如阀门开关动作次数、故障诊断等信息，便于操作管理人员更好、更深入地 了解生产现场和自控设备的运行状态。现场总线是工业过程控制技术的发展主 流，可以说现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) f c s 的发展应用是 自动化领域的一场革命，它既要“革”传统仪表的命，同时也向传统d c s 发出了 挑战。对于d c s 的发展过程，因为受计算机系统早期存在的一些缺陷影响，造 成各生产开发商的产品自成一体，较难实现互换和互操作，系统也难于与外界 进行信息交换，这样对用户来说，使企业的信息集成存在一定的困难；另外， d c s 的控制分散也并不是彻底的分散，控制功能是通过各个集中的过程控制站 如p l c 来完成，许多方面的性能与f c s 相比有较大差距。但是，d c s 在当前 情况下仍具有较强的生命力，其理由为：a 近年来d c s 技术的成熟以及广泛应 4 山东大学硕士学位论文 用，d c s 在可靠性、开放性、标准化方面大大前进了一步。b d c s 的价格大幅 度下降。c d c s 能够满足目前的生产控制要求，用户习惯容易接受。d f c s 正 在发展过程之中，某些方面还不是十分完美。比如说现场总线的线状结构，一 旦总线某支路的电缆断了，这条支路的运行就瘫痪了。又如系统组态较复杂， 不易将系统设置到最佳状态等。e 目前现场总线仪表与常规仪表相比价格仍然较 贵，硬要去追求潮流，将企业现有的运行良好的传统仪器仪表更新成智能仪器 仪表，以及将d c s 改换成f c s 也不是很现实的。基于上述原因，d c s 现在仍 是大多数用户选择的主流控制系统。f c s 作为一个完整的控制系统，也需要具 有类似于d c s 那样的监控管理系统，f c s 的发展不是对d c s 的绝对否定，既 有在它们基础上对优点的继承，又具有自己特色的变革部分。虽然传统d c s 属 非开放式专用网络，但根据目前的实际情况，将出现通过特殊的网关将d c s 挂 接在现场总线网段上，或作为企业网络中的一个特殊的子网，形成现场总线与 d c s 并存的局面。传统的d c s 在一个过渡阶段内，仍会在一个很长的时期内在 工业控制领域发挥重要作用，而且，d c s 如果能融合f c s 的优势技术，将会是 “柳暗花明又一春”。 ( 2 ) 全数字式传动技术的应用 随着电子信息技术的发展，全数字直流调速技术已日趋完善。近几年，全 数字直流调速装置已广泛地应用于各工业生产环节。它具有模拟系统无法比拟 的优点，数字系统的高智能化，使其具有优良的静、动态特性，可靠性高，调 试方便，免维护，体积小等特点。全数字化的可控硅整流装置和全数字化的交 流逆变装置己经彻底替代了原来的模拟控制的交直流供电装置。 ( 3 ) 现场总线技术的应用 什么是现场总线? 有人把现场总线定义为应用在生产现场、在微机化测量控 制设备之间实现双向串行数字通信的系统，也有人把它称为开放式、数字化、 多点通信技术。现场总线既是通信网络，又是自控系统。它作为通信网络，不 同于日常用于声音、图像、文字传送的网络，它所传送的是接通、关断电源、 开关阀门的指令与数据，直接关系到处于运行操作过程之中的设备、人身的安 全，要求信号在粉尘、噪声、电磁干扰等较为恶劣的环境下能够准确、及时到 位，同时具有节点分散、报文简短等特征，它作为自动化系统，在系统结构上 发生了较大变化，其显著特征是通过网络信号的传送联络，可由单个节点、也 5 山东大学硕士学位论文 可由多个节点共同完成所要求的控制功能，是一种由网络集成的自动化系统。 ( 4 ) 计算机网络技术的应用 凡将地理位置不同、具有独立功能的多个计算机系统用通信设备和线路连 接起来，由功能完善的网络软件( 网络协议、信息交换控制程序和网络操作系统) 实现网络资源共享称为计算机网络。计算机网络既可以用通信线路将几台计算 机系统连成简单的网络，实现信息的收集、分配、传输和处理，也可以将数百 台计算机系统，用数千公里的通信线路连成全国或全球通信网，以实现资源共 享。网络建立的目的： 资源共享：让网络上的用户，无论他处于什么地方，也无论资源的物理 位置在哪里，都能使用网络中的程序、设备、尤其是数据。 高可靠性：多处理机的出现，意味着如果其中一台出现了故障，其余的 处理机仍然可以分担它的任务，尽管性能可能下降，但工作不会中断。 节约经费：小型计算机比大型计算机有更高的性能价格比。 可扩充性：即当工作负荷加大时，只要增加更多的处理器，就能逐步改 善系统的性能。 及时性：计算机网络可以为分布在各地的雇员提供强大的通信手段。通 过网络生活在不同地方的人可以一起工作，利用网络来增强人际沟通可能比它 的技术目的( 如增加可靠性) 更重要。 用于工业生产过程的控制和管理所采用的通信网络与一般的办公室自动化 采用的局域网不同，它应具有下列特点： 1 ) 实时性好，动态响应快。 2 ) 可靠性高。 3 ) 适应恶劣的工业现场环境。 4 ) 开放系统互连和互操作性。 在加热炉自动控制方面，早期的加热炉控制主要集中在常规燃烧控制上， 其直接的目标是获得较为稳定的炉子工况及追求最佳燃烧，其基本任务是：提高 加热炉各段炉温的控制精度，获得满足开轧所要求的钢坯温度，同时保证经济 地燃烧和安全地运行7 0 年代以后，国际上对加热炉的最优控制进行了广泛的 研究，并且随着计算机技术的深入和发展，加热炉的计算机控制技术进入实用 化阶段。但与工业发达的国家相比，我国国内的加热炉计算机控制技术起步较 6 山东大学硕士学位论文 晚，并且发展很不平衡。据统计，目前我国拥有的加热炉中，很多的钢铁企业 中的加热炉还没有实现计算机控制，大量存在着人工操作的现象。有些企业虽 然配有较先进的计算机，但只是用计算机代替常规的仪表，做一些简单的p i d 调 节，计算机的功能并没有得到充分的利用，控制效果并不理想，效益也不明显： 另外一个普遍存在的问题是由于受到一些干扰因素的影响，控制系统运行不稳 ，工 疋。 另外，在燃烧系统的自动控制上，目前大多采用温度、流量的串级比值控 制系统或双交叉燃烧控制，这两种控制在加热炉工况稳定的条件下基本能实现 炉温的自动控制，但是，当工况不稳或燃料热值不稳时，这两种方法就都无能 为力了，不能保证最佳燃烧控制。目前有些工业炉在尾气中安装了氧化锆测氧 浓度仪表，利用尾气中的氧浓度来修正空燃比。但是，由于氧化锆的监测受温 度、压力等因素的影响比较大，而且由于尾气中的杂质较多，所以检测起来比 较困难，而且其维修量也很大。因此，在我国的众多钢铁企业中，大多数的加 热炉都没有安装氧化锆，对燃料热值的漂移只能通过现场调火工人的实际经验 手动修正。 总之，在国内的众多加热炉控制系统中，大部分不能投入自动控制或是仅 仅代替调节仪表使用，难以发挥计算机高速运算和逻辑判断的优势，究其原因， 主要存在以下几个方面的问题： ( 1 ) 系统的控制特性与对象特性不相符合。因为加热炉大多属于非线性、大 惯性系统，所以采用常规控制理论中的控制方法以及模拟仪表进行简单的单回 路控制都是不合适的。 ( 2 ) 部分参数检测比较困难。例如烟气残氧量，由于氧化锆的使用寿命较短， 维护比较困难等原因，烟气残氧量这一参数便很难检测，这样系统就无法形成 闭环自动控制。另外，燃料热值、重油流量、炉膛热效率等参数的在线检测也 存在着一定的困难。 ( 3 ) 系统难以建立精确的数学模型。由于炉内气氛、热工状况，温度场等均 属于难知参数，而且工艺参数波动频繁，干扰因素较多，所以很难建立起精确 的数学模型来对系统进行控制。 ( 4 ) 自动控制与工艺脱节。加热炉控制是一种综合控制，它与工艺、热工仪 表、计算机、炉体结构等专业都是紧密结合密不可分的，如果只考虑某一方面， 7 山东大学硕士学位论文 是无法取得理想控制效果的。 提高加热炉的整体控制水平不应该仅仅着眼于对工艺的改造、更新以及计 算机系统资源的先进性上，更应该充分重视从加热炉生产过程的具体实际出发， 采用合理的控制策略和先进的控制技术，设计能够更好地适应加热炉复杂多变 工况的控制系统，使加热炉安全、稳定、高效、节能的运行。 近年来，国内应用现代控制理论进行控制的加热炉正在逐步增加，出现了 一些自校正、专家系统、自适应控制、模糊控制和智能控制等新型的加热炉控 制系统，也取得了许多应用成果。 1 3 基于d c s 控制技术的加热炉控制系统研究的背景 济钢中厚板加热炉，其仪表系统采用的是传统的d d z i l l 型仪表，经过多 年的应用，原有的仪表系统年久失修，很难给出正确的运行参数来控制生产， 现场操作人员只能凭经验到现场手动操作机械阀门来对燃料进行控制，以致于 空气和煤气的空燃比严重失调，大量的热量在炉气中被烟囱抽走，损耗了大量 的能量，炉内过量的氧气对加热的钢坯进行氧化，造成加热不均匀，影响了轧 制质量。对炉压的控制也比较困难，很难达到理想的微正压操作，如果炉压过 高，将造成火焰喷出炉外，烧坏加热炉的设备，影响人身的安全，污染环境， 同时也损失大量的能源：如果炉压过低，会使加热炉吸入大量的空气，使空燃比 严重失调，同时降低了加热炉内的温度，氧化钢坯，浪费大量的能源。所以， 原有的仪表系统在可靠性和控制精度方面都是比较落后的，很难适应现代化生 产的要求。随着计算机和自动化技术的不断发展，在生产过程中发挥日益重要 的作用，其应用程度已成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志。因此， 为使蓄热烧嘴系统能够稳定、安全、高效的运行，并提高加热炉整体监控和运 行水平，必须对原有系统进行升级改造。改造中加热炉集散控制系统( d c s ， d is t r ib u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 拟采用m a c s 系统硬件及软件构成的d c s 系统， 对加热炉加热过程进行自动控制和现代化管理，能很好地解决以上问题，可获 得巨大的经济效益和社会效益。 1 4 加热工艺简介及控制要求 1 4 1 加热工艺简介 济钢中厚板厂的生产工艺是板坯经连铸辊道送来，在运输辊道入口处进行 8 山东大学硕士学位论文 核对、称量和确认，合格的板坯按照要求通过装钢机进入加热炉。在加热炉内 加热到1 2 0 0 1 2 8 0 ( 2 后，在出钢机操作室，操作人员根据轧制节奏和轧制计划及 先进先出表操作出钢机将板坯送到出炉辊道上。加热炉出炉的板坯，首先经粗 轧高压水除鳞箱清除氧化铁皮，然后送入粗轧机进行轧制，粗轧成3 0 1 4 0 m m 厚 的中日j 带坯，中间带坯经中间辊道运送，进入精轧机组，精轧成6 - 1 0 0 m m 要求厚 度的成品钢板。成品钢板经精轧机组轧制后，进入a c c ( 加速冷却装置) 进行冷却， 将钢板温度冷却到规定的温度，以保证钢板具有良好的力学性能。冷却后的钢 板再进入强力矫直机进行矫直，矫直后的钢板进入冷床区域的剪机进行纵剪和 横剪，称量，喷印，部分用汽车运送出厂，销往各地。部分铡板经运输链直接运 往热处理进行进一步的加工处理。中厚板厂生产工艺流程如图1i 所示。 图1 1 中厚板厂生产工艺流程 1 4 2加热炉生产工艺控制要求 待轧钢坯根据计划被排列在加热炉内的滑轨上，用燃料和空气混合燃烧产 生的热量进行加热，钢坯被加热到合适的温度后送给轧机进行轧制。燃料的燃 烧需要适当配比的空气，空气量不足会造成燃料燃烧不充分从而浪费能源并污 染大气而空气过景时多余的空气会带走炉内热量，同时过量的空气会造成钢坯 9 山东大学硕士学位论文 的氧化烧损，高效燃烧控制的重点就是空燃比的控制。考虑燃料和空气混合的 实际情况，通常空气量要多于燃烧所需的理论值即理论空气量，空气过剩系数 一般控制在1 0 5 一1 1 之间。 加热炉沿长度方向设置多个温度可控制段，各段的温度设定值不同并应和生 产率之间实现动态平衡。为了充分利用燃烧产生的热量，保证钢坯按适当的速 度升温，加热炉沿入料端至出料端分成加热一段、加热二段、均热三个温度段。 加热一段为缓慢加热区，炉膛温度稍低：加热二段为快速加热区，温度在炉内最 高：为保证轧制要求的温度和坯料表面与中心的温度差尽量小，坯料在加热段 的停留时间要足够长。均热段主要是消除钢坯表面和芯部的温度差，使整个钢 坯的温度适合于轧制要求。对于不同规格种类的钢坯三段温度的控制要求不同。 钢坯在炉内随着温度场的变化逐渐被加热到轧制温度。在保证均热段停留时间 的前提下，如果生产率变化则需要在均热段之前就改变炉温的设定值。在加热 过程中，坯料外部的辐射、对流传热及钢坯内部传导传热的强度受坯料热应力 的限制，使炉温设定值变化速度受到限制。炉膛温度在正常生产情况下与投入 到炉内的燃料量是相对应的，在满足轧机生产要求的前提下适当降低加热强度， 可以降低燃料的消耗量。炉膛压力影响炉内温度场的分布，一般微正压即在 + 卜2 0 p a 左右。炉压低时炉体将吸入冷空气造成炉温下降，加重钢坯氧化烧损。 各可控制段的坯料燃烧采用低空燃比的方式以利节能，同时还可降低氧化铁 皮生成及氮氧化合物( n o ) 对环境的污染。烟气中氧浓度降低2 ，n o 可降低 2 0 一3 0 ，燃料可节约4 一9 。从而要求低空燃烧比的燃烧控制应力图准确，控 制系统需考虑诸多干扰因素，例如煤气热值变化，流量测量装置运行在低流量 运行范围，控制阀特性畸变等。控制系统还应适合装冷坯和装热坯的差别。 由于蓄热式加热炉的长度较长，均热段炉膛为微正压时炉尾负压较重，在稳 定炉膛压力的系统中需考虑开启入、出料门的外部干扰。 本章小结 本文介绍了加热炉及其控制技术的发展和现状。分析研究了基于d c s 控制技 术的加热炉控制系统研究的背景，然后，对济钢中厚板厂步进梁式加热炉生产 工艺进行了简单的介绍并对加热炉控制系统提出了要求。 1 0 山东大学硕士学位论文 2 基于d c s 控制技术的济钢中厚板厂 加热炉控制系统简介 济钢中厚板厂加热炉采用了和利时m a c s 系统，下面简单介绍该系统的主要 设备和系统配置的构成及功能。 2 1m a c s 系统概述 2 1 1m a c s ( m e e tal ic u s t o m e r ss a tis f a c tio n ) 技术新特点 一、结构的开放性和合理性 ( 1 ) “域 的概念 在许多实际的大型控制系统中，被控对象按流程特点常常要分成多个相对 独立的部分，例如，在核电站控制系统中，核岛部分的要求与常规岛的控制要 求和安全要求不同，常规岛控制和k t t k p s ( 数据检测和保护) 数据量都很大， 数据处理的内容也大不相同，既相互独立又相互联系；在大型钢铁冶炼过程中， 整个过程又可分为几个相互连接的过程。在这种过程中，我们一方面希望集中操 作和管理，同时又希望系统的几个部分相对独立便于实施和确保实时性与安全 性。为此，我们在m a c s 系统中采用“域 的概念把整个大型控制系统用高速实 时冗余网络分成若干相对独立的分系统，一个分系统构成一个域，各域共享管 理和操作数据，而每个域内又是一个功能完整的d c s 系统，以便更好地满足用 户的使用。对于大多数的中小型控制，只需一个域即可满足所有的控制和操作 管理功能。 ( 2 ) 网络结构的可靠性、开放性及先进性 在m a c s 系统中，网络结构兼顾了开放性、可靠性及先进性 在企业管理层采用标准的1o o m b p s 以太网( t c p i p 协议) ，可以与企业原 有的管理网直接连接； 在系统操作层，采用冗余的1o o m b p s 以太网，保证系统的开放性；支持光 缆、同轴电缆和双绞线，支持交换器工作方式和普通方式； 在控制层，采用冗余的5 l o m b p s 工业令牌网，保证系统的可靠性；支持光 缆、同轴电缆。 在现场信号处理层，1 m b p s 的c a n 总线连接中央控制单元和各现场信号处理 模块。此外，系统还提供标准的r s 4 8 5 ，r s 2 3 2 通信协议( m o d b u s 协议) 以便同 1 1 山东大学硕士学位论文 其他智能单元如p l c 、智能仪表等连接； ( 3 ) 标准的c 1 i e n t s e r v e r 结构 为了保持操作数据( 特别是历史数据) 的一致性和保持系统数据的安全性与 大容量的要求，m a c s 系统的操作层采用c 1ie n t s e r v e r 结构。双冗余的系统服 务器用来存储系统所有的实时数据、历史数据、操作记录、事件记录、日志记 录等。而各种功能的单元如操作站、工作师站、先进控制计算站、分析站、现 场控制站等构成不同功能的客户机，真正地实现功能分散。 ( 4 ) 控制站的f c s 结构 为适应f c s 的发展，m a c s 系统的控制站采用标准的现场p r o f i b u s 或c a n 或 其他总线，将高性能的冗余主控单元与可分布在现场的信号处理模块、回路控 制模块、其他智能设备连接起来共同构成系统。 ( 5 ) 开放并且可靠的操作系统 系统的操作层采用w i n d o w sn t 操作系统，并提供o d b c 和o p c 接口，保证 系统软件的开放性和高性能的人机界面要求； 系统的控制站采用成熟的实时多任务操作系统q n x 一确保控制系统的实时 性、安全性和可靠性。控制站的软件固化在半导体盘中，而实时数据存储带掉 电保护的s r a m 中，满足控制系统可靠、安全、实时性要求。 ( 6 ) 标准的控制组态工具 系统采用i e c l31 3 标准的控制组态工具，可为用户提供s f c ( 顺序流程 图) 、f b d ( 功能块图) 、l d ( 梯形图) 、s t ( 结构文本) 等方式进行控制组态。 系统本身提供绝大部分常用的控制算法，此外，系统还提供方便的用户自定义 模块功能，用户可以自己根据需要采用以上四种语言编制自己特殊需要的复杂 控制模块并嵌入系统。 二、性能先进性和应用方便性 m a c s 系统以其强大的网络体系和处理硬件支持非常强大的软件功能，达到所 有用户满意： 1 ) 高速的网络体系： 管理网络和系统操作层速率为io o m b p s ； 控制层网络速率为1o m b p s ； 现场信号处理网络速率为i m b p s 。 1 2 山东大学硕士学位论文 2 ) 强大的硬件处理能力： 操作员站和工程师站：c p u 采用p e n t i u mi v1 6 g 以上芯片，内存大于1 2 8 m ， 硬盘大于4 0 g ，显示器分辨率1 2 8 0 x1 0 2 4 ； 控制站主控单元：c p up e n ti u mii 以上，带3 4 m 内存，其他有2 m 为s r a m ； 各i o 信号处理单元全部为智能结构。 3 ) 系统处理能力： 一套系统可支持8 个域，每个域的处理能力物理i o 点达1 0 0 0 0 点，控制 回路数量达1 0 0 0 个。 4 ) 用户满意的系统性能 模入处理：每16 路或8 路1 个a d 转换器，12 位分辨率。信号处理精度： 大信号：0 1 ，小信号：0 2 ；巡检周期可调，最小5 0 m s 。 模出处理：每路一个12 位d a 转换器，精度：0 2 ； 开关量输入输出处理：s o e 分辨率为l m s ，带s o e 信号消抖处理； 系统控制回路周期：一般模拟回路1 2 5 m s ，采用回路控制模拟可达2 0m s ， 逻辑回路为5 0m s ； 系统图形画面分辨率为l6 0 0x1 2 8 0 ，响应时间1s ，数据刷新时间1s 。 5 ) 软件应用方便性： m a c s 系统强大的组态软件功能和方便的汉字界面，可以做到“识汉字的人 就会m a c s 系统”，可以实现任何检测、控制要求： ? ，丰富的全汉字图形组态，可以实现复杂漂亮的图形界面，并支持动画技术、 图形缩放技术、多级窗口技术、各种数据、曲线、棒图、各种仪表盘等的实时 显示； 功能强大的控制组态可实现各种批处理流程、p i d 回路、复杂回路、逻辑回 路、混合回路以及先进控制算法和特殊的配方控制等； 报表组态与e x c e l 相互转换，可以支持各种报表和图形打印功能； 丰富的历史记录分析和处理、日志记录处理、报警记录的统计报告、事故 追忆的统计分析报告等； 强大的系统逐级自诊断功能与故障报警功能； 支持s q la n y w h e r eo r a c l e 数据库等。 三、系统的可靠性 ， 山东大学硕士学位论文 除在电路设计、器件的选择、单元级冗余设计、网络冗余等方面的可靠性 措施外，还增加了一种控制回路模块，包含4 路a i ，2 路a 0 ，6 路d i ，2 路d o ， 可实现两路p i d 控制，串级控制，补偿控制，快速动作回路等； 每路信号在接口处都增加了多重过压和过流保护措施，使得各板在大信号 干扰下不损坏； 每个模块都可以带电拔插，更换方便； 模块和底座之间采用欧式针型连接器，保证连接可靠； 模块结构和工业化设计，适应一2 0 8 5 的工业环境； m a c s 系统在软件可靠性方面参照核电安全计算机系统实际标准，采取了大 量的措施确保软件可靠性，包括： 操作站w in d o w sn t 操作系统，控制站则采用嵌入式实时多任务系统q n x 以确保控制站的可靠性和实时性； 整个软件系统设计完全采用模块化结构，层次清晰，应用面向目标的技术 编程；系统提供丰富的自诊断显示信息； 网络通信协议和接口驱动程序采用国际标准协议，如t c p i p ，p r o f i b u s 等。 四、用户经济性 m a c s 系统在体系结构、硬件功能、软件功能和性能等方面都有很大的提高， 可以达到当今国际先进水平。在设计该系统时，由于采取了各种措施和最新技 术以降低成本，该系统不仅本身价格没有提高，而且可保证使用户在以下方面 降低费用： 公司提供多种工业系统的控制设计模式和基础组态，可以缩短工程周期和 费用； 、 系统提供强大的e r p 管理功能，可以方便的实现控制，管理一体化系统方 案，节省二次投资。 系统扩充极其灵活，在系统扩充和修改功能时，投资很少。 2 1 2m a c s 的硬件体系 一、m a c s 系统构成 从层次结构来看，m a c s 系统从上到下可分为企业管理层、系统操作层、控 制层和现场信号处理层四个层次。 ( 1 ) 企业管理层 1 4 山东大学硕士学位论文 企业管理层通过一套大型c 1ie n t s e r v e r 结构的网络系统与m e s 企业资源计 划系统软件构成供应、计划生产和销售综合管理系统。+ ( 2 ) 系统操作层 系统操作层通过一条冗余的主干网络将多个“域 连在一起，构成一个大 型的按功能分工协作的综合d c s 系统。系统操作层级可以将多域的操作功能集 中在一起实现集中操作，同时也可以将各自的操作功能放在各自的分d c s 系统 上保持相对独立和实时性。系统操作层由工程师站、操作站和系统服务器( 冗 余) 构成，对于中小系统，系统的服务器可以由冗余的操作站代替。 ( 3 ) 控制层 系统控制层有多台现场控制站组成。控制站由中央处理单元、电源系统和 由现场总线连接的现场处理单元组成。系统控制层主要完成各种信号的综合处 理( 物理转换、报警检查等) 、回路的计算和处理、逻辑回路处理、先进控制算 法的处理等。 ( 4 ) 现场信号处理层 m a c s 系统的所有i o 处理都是通过现场总线( p r o f ib u s c a n 等) 连接的 现场处理模块实现。各个处理模块级可以与中央处理单元、电源等安装在机柜 内，也可以分散安装在现场的信号箱内以便节省信号电缆、减少施工费用。 m a c s 系统的开发充分考虑了流程行业企业管理控制一体化的需求，融合了 现场总线技术和开放性计算机与网络处理技术。m a c s 系统的结构示意图如图2 1 所示。 1 5 山东大学硕士学位论文 域1域n 图2 1m a c s 系统结构示意图 从图2 1 中可以看到，m a c s 系统是有多个“域 连接而成的大型分布式控 制系统。每个域以系统服务器对为中心，构成一个c iie n t s e r v e r 结构的中型 系统，完成相对独立的控制或采集处理功能。每个域具有一定的独立性，域有 域名，可以通过指定域名来定义各站所属的域。每个域可以通过网络连在一起， 形成一体化系统。m a c s 系统最多可以配置8 个域。 m a c s 的一个域由与系统网络连接的工程师站、操作员站、系统服务器、高 级计算站、现场控制站、通信控制站等组成，m a c s 系统一个域的容量如下： 服务器：2 台( 1 对) 工程师站：1 台 操作员站( 含高级计算站等) ：19 台 现场控制站( 含通信控制站) ：4 0 台 控制回路：10 0 0 个 物理i o 点数：10 0 0 0 点 工程师站可与任何一个操作员站共用一个硬件平台。 m a c s 系统的主干网，简称系统网络，可由lo m b p s 高速令牌网构成，可冗余 配置。用于连接系统服务器、现场控制站( 单域时还要连接工程师站、操作员 站、高级计算站) 等，完成各站的通讯和数据交换。 1 6 山东大学硕士学位论文 m a c s 系统网络的特性如下： 1 ) 传输速率1 0 m b p s ： 2 ) 通讯介质采用双绞线或化纤； 3 ) 最大距离：与选用的介质有关。光纤每段最大距离为2 公里，双绞线每段最 大距离为1 0 0 米，最多允许两级级连； 4 ) 允许的最大h u b 数为4 个，每个h u b 有16 个端口。 m a c s 系统工程师站由高档微机和组态工具软件组成，主要完成数据库、图 形、控制算法、报表的组态和简化历史库、事故追忆、变量组态等参数配置组 态及组态数据的打印、下载，并完成在线运行监视和管理等功能。 组态工具为全方位的汉化软件，运行在中文w in d o w sn t 4 0w o r k s t a ti o n 或以上版本的操作系统下。为用户提供了一个灵活、方便、全面的工程平台， 以实现用户的各种控制策略。 m a c s 系统操作员站采用开放结构，由高可靠工业微机及专用工业键盘、轨迹 球或触摸屏设备和人机对话、画面显示等软件组成，操作员站主要完成操作和 监视功能，包括接受来自操作员的键盘、鼠标或触摸屏信息，进行画面的显示 切换，或输入操作员的命令和参数，修改系统的运行参数，实现对系统的人工 干预，如在线参数修改、控制调节等。 打印控制站接收系统服务器打印命令和数字，将相应内容打印到打印机上。 其中字符打印机负责各种信息，表格打印，如日志、s0e 、事故追忆、数字 及其各种一览表，图形打印机负责各种图形和曲线的打印。 系统服务器是系统处理的中心，它完成数据的采集和管理，报警、日志等 各种表格的管理，打印任务系统处理和打印机切换，数据库管理和维护，操作 员站的数据申请和传递，系统机设备的管理等，它是m a c s 系统重要的一部分。 通讯控制站作为m a c s 与其他计算机系统或智能装置( r t u 、p l c 、智能仪表 等) 的数据通讯接口，接收来自其它系统的通信数据，进行校验、分解数据包， 并将数据发送到系统服务器；从系统服务器取得数据，按照协议组织数据包发 送到其它计算机系统或进行远程发送，在接收和发送的数据处理中可以加入各 种组态的算法进行数据加工。可支持r s 一2 3 2 ，r s - 4 2 2 ，r s 一4 8 5 等通信线路， 也可支持以太网，令牌网等数据通讯协议。 m