焦炉加热控制系统设计论文

1、.毕业设计说明焦炉加热控制系统的设计摘要焦炉的加热过程是单个燃烧室间断的，全炉是连续的，热过程受各种因素的干扰。其控制系统是典型的大惯性、非线性、时变复杂系统。因此，如何优化焦炉加热过程控制，降低焦化能耗，保证焦炭成熟度均匀稳定，延长焦炉使用寿命，仍是焦化行业面临的一大难题。 .本文在深入分析焦炉加热燃烧过程的基础上，根据控制系统的设计要求，提出了控制系统的总体结构。系统采用西门子S7-300 PLC实现对各种参数（温度、压力、流量等）的在线检测，并利用MCGS组态平台完成对工艺过程的实时监控。由于直火温度难以直接测量，根据蓄热室顶部温度建立了直火温度软测量模型，间接测量了直火温度。该控制系统

2、符合实际应用的需要，对提高焦炉生产率和焦炭质量、降低能耗和延长焦炉寿命、减少焦化生产中的环境污染和改善劳动条件具有重要意义。可为企业创造显着的经济效益和社会效益。关键词：焦炉，软测量， MCGS配置， PLC ；焦炉加热控制系统设计摘 要焦炉为单室间歇式和连续式炉膛，其加热过程受多种因素干扰，其控制系统是典型的大惯性、非线性、时变复杂系统。那么如何优化焦炉加热控制工艺，降低焦炭消耗量，保证焦炭均匀成熟的稳定性，延长焦炭的使用寿命，仍是一大难题。本篇文章是在深入分析焦炉加热燃烧过程的基础上，按照控制系统的要求，对整体结构进行了控制。系统采用西门子S7-300 PLC对各种参数（温度、压力、流量等

3、）进行在线测试，并采用MCGS过程实时监控完成平台配置。由于直接测量烟道温度比较困难，根据蓄热室顶部烟道温度建立立法软传感器模型，完成对烟道温度立法的间接测量。该控制系统满足实际应用的需要，提高了焦炉焦炭生产质量，降低了能源消耗，延长了焦炉的使用寿命，减少了焦炭生产中的环境污染，改善了劳动条件。意义重大。它可以创造显着的经济和社会效益。关键词：焦炭，软测量，MCGS配置，PLC；目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc232848738 摘要 PAGEREF _Toc232848738 h 我 HYPERLINK l _Toc232848739 摘要 PAGERE

4、F _Toc232848739 h 二 HYPERLINK l _Toc232848740 第 1 章 引言 PAGEREF _Toc232848740 h 1 HYPERLINK l _Toc232848741 1.1研究背景与目标 PAGEREF _Toc232848741 h 1 HYPERLINK l _Toc232848742 1.2焦炉加热控制系统发展现状 PAGEREF _Toc232848742 h 2 HYPERLINK l _Toc232848743 1.3焦炉加热控制方案介绍 PAGEREF _Toc232848743 h 3 HYPERLINK l _Toc232848

5、744 1.4焦炉加热控制系统的设计思路 PAGEREF _Toc232848744 h 4 HYPERLINK l _Toc232848745 第二章焦炉加热控制系统总体结构设计 PAGEREF _Toc232848745 h 6 HYPERLINK l _Toc232848746 2.1焦炉加热和燃烧过程 PAGEREF _Toc232848746 h 6 HYPERLINK l _Toc232848747 2.2焦炉加热控制难点分析 PAGEREF _Toc232848747 h 8 HYPERLINK l _Toc232848748 2.3控制系统整体结构及工艺参数检测 PAGEREF

6、 _Toc232848748 h 9 HYPERLINK l _Toc232848749 2.3.1控制系统的总体结构 PAGEREF _Toc232848749 h 9 HYPERLINK l _Toc232848750 2.3.2温度控制策略设计 PAGEREF _Toc232848750 h 10 HYPERLINK l _Toc232848751 2.3.3工艺参数检测 PAGEREF _Toc232848751 h 11 HYPERLINK l _Toc232848752 2.3.4垂直火道实际温度检测方法的确定 PAGEREF _Toc232848752 h 11 HYPERLIN

7、K l _Toc232848753 2.4垂直火温的软测量 PAGEREF _Toc232848753 h 12 HYPERLINK l _Toc232848754 2.4.1垂直火道温度软传感模型的建立 PAGEREF _Toc232848754 h 1 3 HYPERLINK l _Toc232848755 2.4.2屋顶储藏温度检测点设置 PAGEREF _Toc232848755 h 16 HYPERLINK l _Toc232848756 第 3 章 硬件系统设计 PAGEREF _Toc232848756 h 20 HYPERLINK l _Toc232848757 功能 PAGE

8、REF _Toc232848757 h 介绍与选型20 HYPERLINK l _Toc232848758 3.1.1 PLC 特性介绍 PAGEREF _Toc232848758 h 20 HYPERLINK l _Toc232848759 3.1.2 PLC选择 PAGEREF _Toc232848759 h 20 HYPERLINK l _Toc232848760 3.2主机选择 PAGEREF _Toc232848760 h 22 HYPERLINK l _Toc232848761 3.3热电偶选择 PAGEREF _Toc232848761 h 22 HYPERLINK l _Toc

9、232848762 3.4控制器 PAGEREF _Toc232848762 h 24 HYPERLINK l _Toc232848763 3.4.1温度控制器 PAGEREF _Toc232848763 h 24 HYPERLINK l _Toc232848764 3.4.2混煤压力控制器和吸煤控制器 PAGEREF _Toc232848764 h 25 HYPERLINK l _Toc232848765 3.5压力检测仪表、流量计、变送器和执行器 PAGEREF _Toc232848765 h 25 HYPERLINK l _Toc232848766 3.5.1压力检测仪表 PAGEREF

10、 _Toc232848766 h 25 HYPERLINK l _Toc232848767 3.5.2流量计 PAGEREF _Toc232848767 h 26 HYPERLINK l _Toc232848768 3.5.3发射机 PAGEREF _Toc232848768 h 27 HYPERLINK l _Toc232848769 3.5.4执行器 PAGEREF _Toc232848769 h 28 HYPERLINK l _Toc232848770 第 4 章 软件系统设计 PAGEREF _Toc232848770 h 29 HYPERLINK l _Toc232848771 4.

11、1 PC软件系统设计 PAGEREF _Toc232848771 h 29 HYPERLINK l _Toc232848772 4.1.1焦炉加热控制系统监控画面 PAGEREF _Toc232848772 h 30 HYPERLINK l _Toc232848773 4.1.2数据显示画面 PAGEREF _Toc232848773 h 31 HYPERLINK l _Toc232848774 4.2下位机系统主程序流程图 PAGEREF _Toc232848774 h 33 HYPERLINK l _Toc232848775 4.3混合气体压力控制回路子程序流程图 PAGEREF _Toc

12、232848775 h 34 HYPERLINK l _Toc232848776 4.4吸气控制回路子程序流程图 PAGEREF _Toc232848776 h 35 HYPERLINK l _Toc232848777 第 5 章 结论 PAGEREF _Toc232848777 h 36 HYPERLINK l _Toc232848778 参考文献 PAGEREF _Toc232848778 h 38 HYPERLINK l _Toc232848779 附录A焦炉加热控制系统监控屏幕 PAGEREF _Toc232848779 h 40 HYPERLINK l _Toc232848780 附

13、录B PLC程序 PAGEREF _Toc232848780 h 41 HYPERLINK l _Toc232848781 至 PAGEREF _Toc232848781 h 47.介绍焦炭是焦化工业中最重要的产品。大多数国家90%以上的焦炭用于高炉炼铁。炼铁高炉用焦炭代替木炭，为现代大型高炉奠定了基础，是冶金史上的一个重要里程碑；冶炼；工业上少量用于制备电石、二硫化碳、元素磷等。此外，焦炭还可作为制备水煤气的原料，生产合成原料气。为了达到高炉操作良好的技术经济指标，冶炼焦（冶金焦）必须具有适当的化学和物理性能，包括冶炼过程中的热性能。焦炉是煤化工中最重要的工业窑炉之一。其加热和燃烧过程是一个

14、复杂的工业过程，具有多变量、非线性、分布参数、快过程和慢过程相互交织、时滞大、惯性大等特点。 、强非线性、多因素耦合、可变参数特性，焦炉温度稳定性直接关系到焦炭质量和炉寿命。在焦化厂的总能耗中，用于焦炉加热的煤气量约占总能耗的70% 。因此，实现焦炉加热和燃烧过程控制，对于降低焦炉能耗、提高焦炭质量、延长焦炉寿命、减少环境污染和改善劳动条件具有重要意义 1 。研究背景和目标焦炉是冶金工业中重要的热工设备。其生产原理是在没有空气的情况下对煤进行高温干馏，产生焦炭、煤气和焦油等其他有机化工副产品。我国是世界第一大焦炭生产国和世界第一大焦炭出口国。焦炉生产了整个钢铁联合企业70%的二次能源，但它也是

15、一个能源消耗大户。焦炉加热生产也很容易对环境造成严重污染。如果焦炉控制不好，焦炭受热不均匀，放焦时局部焦炭会产生黑烟，加热气没有完全燃烧，还会产生大量焦炭。黑烟;此外，焦炉加热控制的好坏对焦炭质量和炉体寿命有着重要而直接的影响。因此，需要根据生产条件和客观变化因素不断调整加热工艺，以实现合理的加热系统。 ，炉温均匀稳定，从而达到低能耗、优质高产的目的，减少环境污染，延长炉体寿命。炭化室煤干馏工艺通过炉壁传热获得燃烧室热量。因此，燃烧室温度直接影响煤炭化和焦饼的最终温度。也可以说燃烧室温度实际上代表了焦化温度。从焦化过程开始，这个温度不仅要求均匀，还要求稳定。这个温度称为直温，准确的说是机侧和焦

16、炭侧燃烧室平均温度的控制值。直行温度代表全炉温度，直行温度受控，即焦化温度得到控制，焦化过程中的供热需求得到保证。目前，很多焦炉加热过程没有实时监控。分离烟道的气体流量和吸力主要靠手动调节。整个系统的自动化程度低。控制效果主要取决于操作者的实际经验和个人预测能力。由于不同班次的测温员和调火员调整的时间和强度不同，可能导致火道温度波动较大，超过内容范围，导致焦炭质量下降和能源浪费，这也影响了焦炉的使用。生活。焦炉加热控制系统的发展现状1950年代，美国、原美国等国已经开展了焦炉运行控制方面的研究，但由于当时科技水平低，焦炉技术装备复杂，进展甚微。 1970年代，随着计算机技术和自动控制理论的发展

17、，焦炉的计算机控制成为可能。自1973年新日铁首次成功开发并在福山钢铁厂5#焦炉上应用焦炉燃烧控制系统以来，世界上许多钢铁公司已开发出10多种焦炉加热自动装置。控制系统，并出现了ACCS、CARPO、COHC等各具特色的系统。发达国家在焦炉计算机控制系统的研究、开发和应用上投入了大量的人力、财力、物力，取得了明显的经济效益。相比之下，我国还有很大差距。1980年代，我国许多焦化厂也开展了研究工作，取得了显着的节能效果。但与国外先进技术相比，我国焦炉控制水平还比较低，还需要进一步研究开发。 1990年代后期以来，由于国民经济的快速发展和我国焦炭产量的大幅度增加，以及从焦炭大国向焦炭强国转变的愿望

18、和要求，广大焦化工人根据以全国的焦炉结构和生产特点为主。控制系统，因此国家研究迅速发展。控制系统和控制数学模型都充分考虑了焦化的特点和先进的控制策略，取得了较为成熟的运行经验。近年来，随着模糊控制、专家系统、神经网络、预测控制等人工智能技术的广泛应用，也为焦炉计算机控制开辟了新的领域。人工智能控制技术与传统控制方法相结合，取得了良好的控制效果2,5 。焦炉加热控制方案介绍传统控制策略的特点：根据实测火道温度、焦化结束时间或焦炭温度与目标火道温度的偏差、目标焦化结束时间或目标焦饼温度，并考虑滞后炉温因素，调节炉组加热气体流量。设定值以达到炉组加热的最佳控制。反馈控制系统的优点是不需要对焦化机理进

19、行深入研究，不需要建立精确的过程数学模型，不需要考虑各种参数的影响。标准要求。但需要事先确定初始供热或供暖气体流量的经验值，并在实施过程中不断调整。缺点是对过程反馈信号的实时性要求严格，不能及时克服扰动。滞后现象很严重，因为反馈控制只有在扰动发生后才起作用，而且容易出现超调。需要使用大量热电偶进行温度检测，这将导致系统建设和维护成本的大量投资。目前，一般钢铁企业的焦炉加热系统在焦炉加热能量稳定且充裕的情况下，可以很好地优化焦炉加热控制。焦炉加热智能控制系统可采用线性回归、神经网络等软测量方法，建立垂直火道温度软测量模型，采用模糊专家控制优化焦炉燃烧加热过程控制系统。焦炉燃烧加热控制基于西门子W

20、inCC控制系统，通过OPC通讯实现优化控制与WinCC控制平台的无缝连接，从而实现焦炉加热的智能控制4 。焦炉加热控制系统还可以根据焦炉调火经验，结合串级和前向反馈的方法，利用串级控制消除工艺模型未知、难测参数和部分不准确造成的各种影响。 . ，同时可以前馈和补偿主要扰动的影响，使焦炉处于最佳工作状态。此外，在影响垂直火道温度的诸多因素中，除了顶部库温是主要因素（火道温度由顶部库温实测拟合）外，还受配煤水分、瓦斯成分、焦化时间等因素的影响。当工作条件不稳定时，影响尤其严重。为了保证模型的准确性，在控制系统中引入了专家系统-模型自学习系统。但当高炉煤气主压力波动剧烈，加热气流量不足时，操作人员

21、无法指导加热控制，只能由操作人员人工分析判断。焦炉加热智能控制系统采用加热煤气流量调节控制方式，对原煤气温度、加热煤气流量、热值、推焦、扁煤、煤重和水分、计划焦化等数据进行综合分析处理。时间。设置焦炉开关PLC的“停止加热时间”和仪表控制DCS的加热高炉/焦炉气量，使焦炉加热均匀稳定，智能控制焦炭的全炉加热水平炉，实现焦炉加热的智能控制4 。焦炉加热控制系统的设计思路焦炉燃烧加热生产中最重要的控制是焦炉温度控制，因为焦炉温度是影响焦炭质量、节省加热煤气、减少焦尘污染的关键因素。同一焦化周期，焦炉温度过低，焦炭未完全成熟，焦饼未完全收缩至正常状态，焦炭硬度小，密度高，推焦电流很大；反之，如果在同

22、一个炼焦循环中，焦炉温度过高，焦饼收缩过大，焦炭过熟，焦炭硬度高，密度低，推焦电流小，导致推焦过程中产生的烟灰量。本文主要分析焦炉燃烧和加热过程的机理，实现对各种工艺参数和状态参数的检测，对整个过程进行监控；建立焦炉加热燃烧过程控制系统，提出控制系统整体结构。控制系统首先考虑了影响立火目标温度的诸多因素，主要包括焦化时间、焦饼中心温度、煤的含水量、各孔装煤量等。分析表明，这些因素与垂直火道目标温度有很大的相关性。采用线性回归的方法建立火道温度模型，得到目标温度的设定值。另外，通过实时废气温度得到温度设定值的修正量，从而得到最终的目标温度设定值。同时，通过放置在库顶上的热电偶对库顶的温度进行测量

23、，利用建立的火道温度软测量模型得到火道温度的预测值。通过两者的区别，进入火道温控回路进行控制，采用立式火道温控控制器给分体烟道的混合气体压力和吸力，实现自动控温，从而达到焦炉加热过程中的最高温度。最佳燃烧。焦炉加热控制系统整体结构设计焦炉加热燃烧过程中的温度、流量、压力等参数太多，其中一些参数与焦炭在加热燃烧过程中的成熟度有关。焦炉加热过程中传统的调温方法是每四个小时测量一次竖火通道的温度，调火器根据这个温度与标准竖火的偏差来调节气量和风量。通道温度。现场工作人员手动调节各气阀和导风板的开度，通过保证气流和气流的稳定，达到维持垂直火道温度的目的。但由于焦炉生产现场干扰因素较多，现场工作人员体验

24、不同，气量、风量变化较快，工作人员难以及时响应.因此，人工调整主观因素强，滞后大，严重影响焦炉生产和焦炭质量。针对这种情况，建立一个既能实现过程监控又能实现温度控制的智能控制控制系统势在必行。在深入了解焦炉生产过程的基础上，根据控制系统的设计要求，从整体的角度提出了控制系统的总体结构，通过西门子S7-300系列PLC对各种参数，包括温度、流量和压力在线检测，以利用MCGS组态平台对工艺流程进行实时监控，并采用软测量方法实现对垂直火道温度的优化控制。焦炉加热燃烧过程焦炉是冶金工业中最复杂的熔炉之一。焦炉不仅是一个高温化学反应器，而且是一个非常庞大和复杂的热工设备。它由多个交替配置的碳化室和燃烧室

25、组成，碳化室和燃烧室仅由一墙隔开。炭化室和燃烧室的大小主要由焦炉的型号决定。 JN型焦炉在我国广泛使用。焦炉由一系列相互分离的炭化室和燃烧室组成，炭化室和燃烧室的底部是蓄热室。焦煤在干馏室干馏；同时加热气体在燃烧室内燃烧产生热量，使炭化室温度升至1100100%左右。碳化室是将煤与空气隔离以进行干馏的地方，而燃烧室是燃烧气体的地方。每个燃烧室还包括一定数量的垂直火道，每两个垂直火道成对使用，形成气体通道，其两端分别与下蓄热室相连。煤气和空气在燃烧室的许多垂直火道中混合燃烧。热废气在高温下主要是辐射传热，伴随着对流传热，通过炉壁将热量传递给煤，使煤依次通过。在焦化过程的每个阶段都会形成焦炭。为使

26、炭化室均匀受热，充分利用废气余热，定期改变废气流向，将进入燃烧室的空气和气体通过蓄热室加热。焦炉生产过程是周期性的。从装煤到煤完全成熟成焦的时间称为焦化周期。可见，焦化周期主要由煤质和炭化室温度决定。一般焦化周期为18-21小时。如果焦化周期为21小时，那么每天平均有3小时的焦炉维护时间。同时，焦炉的生产是连续和间歇相结合的。焦炉干馏室按照一定的推焦计划定时装卸煤，焦炉燃烧室的燃烧过程连续进行。一般每炉运行时间为15分钟。为了均匀加热炭化室，加热系统有规律地改变废气的流动方向。炉膛每30分钟换一次蓄热室作为燃气和空气的上升通道，蓄热室作为废气的下降通道，即换向（换向时间约30秒）。另外，为了顺

27、利推进焦炭，焦炉炭化室通常呈楔形，即焦炭侧的宽度大于机侧的宽度。因此，在对碳化室进行加热时，焦炭侧燃烧室的温度高于机器侧燃烧室的温度。焦炉生产的主要燃料是高炉煤气。一般情况下，为了提高燃烧热值，进入炉体燃烧的气体是高炉煤气和焦炉煤气的混合物。两种气体从各自的管道流入各自的蓄热室，经过预热后，在燃烧室内混合，开始燃烧。燃烧释放大量热能，以各种方式传递到炉壁，使煤在高温下在炭化室中封闭干馏，产生焦炭。焦炉加热不同于其他工业炉。装煤炭化室与燃烧室相邻。煤气和空气在许多专用燃烧室的垂直火道中混合燃烧，热量通过炉壁传递给炭化室内的煤。使其逐渐焦化，变成焦炭。为使煤在狭长的炭化室内均匀受热，机侧和焦炭侧分

28、别供热。因此，焦炉实际上是两组加热炉的集合体。为使炭化室均匀受热，充分利用燃烧后废气的余热，定期改变废气流向，进入燃烧室的气体和空气通过两侧的蓄热室加热。的机器可乐。全国焦炉均采用自然通风结构，利用烟道废气流量的调节来维持炉压系统，控制进入燃烧室的空气流量。焦炉加热控制难点分析焦化热工艺是一个非常复杂的工艺。对于这一过程的研究，国外焦化学者仍在继续进行研究。在焦化机理研究中，具体运用了气体燃烧理论、气体动力学理论和传热理论。焦炉物体具有惯性大、滞后性大的特点。生产过程中变量变化剧烈，干扰强，过程机理复杂。实际物体的模型会因现场的各种工作条件而改变。焦炉对象不是一个单一的数学模型。可表示的环节具

29、有一定的不确定性，常规的控制方式难以满足生产要求。焦炉加热控制的前提是满足生产计划要求，完成产量，保证焦炭质量。产量决定焦炉的焦化时间，焦炉的焦化时间要求火道的温度要根据煤和煤气的特性达到一定的水平。从这个意义上讲，焦炉加热控制应使规定的炉温稳定在一定范围内。这就需要对影响焦炉温度变化的因素有一定的了解。此外，焦炉是一个排放腐蚀性物体的大型封闭系统，每个焦化室的焦化时间不同。为了更准确地反映整个炉组的不同焦化状态，温度需要有很多测点来保证，这就导致了测温的复杂性。而加热控制需要充足，准确可靠的温度测量是非常必要的。因此，优化焦炉燃烧控制的最大难点是实时温度监测。控制系统整体结构及工艺参数检测控

30、制系统整体结构经过对被控对象的仔细分析，确定了控制系统的整体结构。控制系统整体结构示意图如图2-1所示：为实现焦炉加热和燃烧的自动控制，控制系统需要根据存储器实时检测到的温度，通过垂直火道的软测量模型，得到全炉火道的平均温度。屋顶，并根据预测温度与垂直火道温度设定值的差值。为保证燃气的合理充分燃烧，仍需调整分离烟道的吸力；同时，在焦炉周转时间、装煤炉参数和焦饼中心温度调整时，垂直火道的目标温度也需要及时调整。垂直火道温度软测量模型根据垂直火道顶部储存温度预测整个焦炉温度。垂直火道温度控制模型是整个控制系统的核心，由两个控制回路完成。采用混煤压力控制器、独立吸烟控制器和温度控制器，保证炉温稳定和

31、煤气充分合理燃烧，从而获得稳定适宜的垂直烟道温度。焦炉加热控制系统是通过西门子S 7-300 PLC系统和MCGS设计的监控屏，在线检测各种参数（温度、流量、压力等）的控制系统，从而对炼焦炉的工艺流程进行监控。即时的。图 2.1 焦炉加热控制系统示意图温度控制策略设计垂直火通道的温度控制分为两个外回路：温度控制回路和压力控制回路。温度控制回路根据垂直火管温度的偏差修正气体流量和吸力给定值，压力回路稳定分离烟道的气体流量和吸力。由于焦炉燃烧和加热过程的复杂性，不可能建立精确的温度与供热、供热与燃气流量之间的数学关系。因此，需要结合实际经验，根据温度偏差计算出应增加的供气热量。进一步给出了焦炉煤气

32、流量、高炉煤气流量和吸力的设定值，配煤压力的设定值由高炉煤气流量与压力的关系给出。温度控制回路是对垂直火道温度的反馈控制，其主要作用是保证垂直火道的温度稳定在给定的目标值。当垂直火道的温度与设定温度有偏差时，温度控制回路会根据炉子的类型等参数，设定炉温相应升高或降低所需的供气热量变化。加热气体和热值。由于煤气的热值稳定，所以供热量取决于煤气流量的大小，即焦炉煤气流量和高炉煤气流量。当燃气流量发生变化时，为保证燃气的合理充分燃烧，需要调整送风量。压力控制回路主要针对焦炉煤气和混合煤气的阀门开度，与机侧烟道和焦炭侧烟道挡板的开度进行反馈控制。通过调节燃气阀的开度，将燃气的供热量控制在合适的值。为使

33、气体充分燃烧，同时调整机侧和焦侧分离烟道的吸力，保证进入燃烧室的气体得到充分、合理的燃烧。压力控制回路包括焦炉煤气流量、混煤压力控制器和分吸烟控制器，是温度闭环控制的基础。从控制周期来看，温度控制回路的炉温控制周期约为1小时，而压力控制回路的控制周期小于10秒，它们的运行频率相差很大，可视为独立部分。工艺参数检测要实现自动控温，首先要获得必要工艺参数的实时值，主要是对气体流量、压力、吸力、温度等工艺量的检测。系统需要检测的流量参数有。焦炉煤气主流、高炉煤气主流、机侧高炉煤气流、焦炭侧高炉煤气流等；需要检测的压力数据主要有焦炉煤气主压力、高炉煤气主压力、机侧混合煤气压力、焦炭侧混合煤气压力、集热

34、器压力等；抽吸有机侧分为抽吸，焦炭侧分为抽吸；温度量有很多，包括顶部储存温度、上升管道废气温度等。垂直火道实际温度检测方法的确定焦炉直接温度的获取方法有两种：一种是直接法，即用红外测温仪测量燃烧室的标准火道温度，焦炭上所有燃烧室的温度取整炉侧和机器侧的平均值作为当前温度。焦侧直行温度和机器侧直行温度最初是由测温工人每4小时获得一次，以此方法获得直行温度。另一种是间接法。通过在一定数量的焦侧蓄热器顶部插入热电偶，从火道温度软测量模型得到焦侧直通温度和机侧直通温度。由于红外测温仪采用人工离线操作，人工测量存在差异，测量结果滞后较大，不能满足焦炉燃烧实时控制的要求。因此，建立火道温度软测量模型，根据

35、热电偶测得的实时炉顶温度计算直通温度，实现焦炉燃烧的自动控制是非常重要和必要的。由于蓄热室的气流与垂直火道的气流有前后关系，而且两者的温度也有一定的对应关系，所以可以检测蓄热室的温度，而不是直接检测测量垂直火通道的温度。烟道温度的软测量。火温软测量随着生产技术的发展和生产过程的日益复杂，为保证生产设备的安全高效运行，需要对与设备稳定性密切相关的重要过程变量进行实时控制和优化控制。系统和产品质量。如果待测变量难以实时测量或测量成本过高，传统的测量方法无法满足现代工业生产的需要。软传感技术就是在上述背景下产生的。它通过选择一组与估计变量相关的可测变量，构建以可测变量为输入，以估计变量为输出的数学模

36、型，并用计算机软件实现。重要过程变量的估计。这样的数学模型和相应的计算机软件也称为软量表或软表。软传感器的估计值可以作为控制系统的受控变量或反映过程特性的过程参数，为优化控制和决策提供重要信息。在焦炉生产中，火道温度是需要检测的此类过程变量之一。为了实现垂直火的温度控制，必须准确测量垂直火的温度。但垂直火道的温度检测具有高温、封闭的特点，测量难度大。目前检测焦炉直火温度的主要方法是在焦炉的适当位置安装热电偶，热电偶测得的温度间接反映焦炭直火温度。烤箱。因此，建立基于顶库温度的垂直火道温度软测量模型，可以避免直接测量垂直火道高温。如果模型足够精确，还可以减少安装热电偶的数量，大大减少投资，更重要

37、的是提供温度控制。参考依据，从而实现焦炉燃烧加热的自动控制。图 2.2 温控系统示意图图2.2从焦化过程出发，详细分析了影响焦炉垂直火道温度的各种因素。在机理分析的基础上，提出了一种垂直火道温度的软测量模型。最高温度为辅助变量，建立多元线性回归模型和单次回归模型。为提高垂直火灾温度软测量的准确性，充分考虑过程特性，将多元线性回归模型和单次回归模型优化组合，建立线性回归模型。子模型。模型权重的在线自校正机制可以保证软传感器模型具有很强的稳定性和适应性。垂直火灾温度软传感模型的建立经典的回归分析方法广泛应用于软传感器技术中。回归分析是一种数学模型，它使用统计方法来研究一个或多个随机变量与其他变量之

38、间的关系。使用所需的线性回归模型可以预测或控制某个生产过程。例如，可以建立以蓄热室顶部温度为自变量，垂直火道温度为因变量的线性回归模型，从而估计垂直火道的温度。基于回归分析的软测量具有简单实用的优点，因此应用广泛，但通常需要大量的数据样本。大量数据分析结果表明，反转15分钟后，顶板测得的下降气流温度与火道温度密切相关。对本期屋顶蓄水温度数据进行采样，与同一时期屋顶蓄水温度和消防通道实测温度形成一组观测值，多组观测值构成一个样本。根据线性回归模型的原理，基于六个贮藏最高温度，可以建立六元线性回归模型。设y为火道实测温度， x 1 , x 2 ,., x 6为相应时期6个贮藏顶的温度值，令n(n为

39、( x 1 , x 2 , ., x 6 , y) 7)试验，可以得到容量为n的样本和有限样本模型(2.1 )其中： , , .,相互独立同分布。上式可以用一个矩阵来表示，表示Y= , = , u=X=那么上面的公式就变成了(2.2 )该模型是火道温度的六元回归预测模型。为了提高模型的可靠性，系统还设计了一个基于库顶温度平均值的线性回归模型。如果六个库顶温度检测热电偶的部分信号中断，或者采样数据超出正常范围，则无法使用六元回归模型，而一元回归模型可以正常运行。单变量回归模型每分钟判断一次热电偶采集的库顶温度，剔除不合格的数据，对符合条件的库顶温度数据取平均值，得到一元回归模型中的自变量。对应时

40、间的平均值和火道温度构成回归样本( , ) 。最后，使用最小二乘法得到模型参数的估计量。令( , ) , ( , ), . ( , )为样本，则; ( 2.3 )其中，xi 表示全炉火道温度的平均值， xi表示相应时间的几个顶部储存温度的平均值，表示第i次测试中的随机误差。得到一元回归模型后，就可以在线预测火道温度：首先，采集顶部库温，并将结果作为模型的输入，计算火道温度。分别建立焦炉烟温的六元和一元线性回归模型后，每小时可得到两种模型的输出。这里将两个线性回归模型的输出通过规则模型进行合成，并将结果作为线性回归模型。整体输出。将六变量和一元线性回归模型的输出分别表示为sum ，并对这两个值进

41、行加权，得到线性回归模型的预测值：(2.4)公式 (2.4), ,和, . ，与初始值相同，由规则改变。通过上述方法建立线性回归软传感器模型。模型运行时，将采样到的库顶温度值作为模型的输入，即可得到当前时刻火道温度的预测值。库顶温度检测点设置为使焦炉受热均匀，便于检查和控制，各燃烧室的机侧和焦侧选择垂直火道作为测温火道，其温度代表机侧和焦侧的温度分别。温度计火或标准火。它测得的实际温度称为直线运行温度。标准温度是指机器和焦侧火道的温度控制值，是保证焦饼在规定焦化时间内成熟的主要温度指标。在任何焦化时间，对于硅砖焦炉，所确定的标准温度应使焦炉各垂直火道的温度不超过0.00 1450。直温和标准温

42、是有区别的。这种差异是1米为了了解垂直火通道温度的变化规律，最直接的方法是在每个垂直火通道中插入一个热电偶来检测温度。但由于垂直火道温度高达1400100%左右，插入热电偶的寿命很短，会引起检测和故障。维护成本太高。因此，只能通过间接测量来实现。为了说明蓄热室温度与垂直火道温度的密切关系，首先介绍蓄热室、燃烧室和焦炉炭化室的位置关系。焦炉本体一般由若干个炭化室和燃烧室交替组成。这里以焦炉为例。它由55个炭化室、 56个燃烧室和57个蓄热室组成。为简单起见，如果将所有蓄热室、燃烧室和碳化室按顺序编号，则每个碳化室正下方的蓄热室数量仅比其自身数量大一，如图2.3所示。图2.3还显示了气体流经焦炉的

43、方式。每两个蓄热室之间夹一个燃烧室，每两个燃烧室之间夹一个碳化室。从物理上讲，除侧面蓄热器外，所有蓄热器都位于碳化室的正下方。图2.3中的箭头表示焦炉中的气体流动路径。可以看出，气体流入底部蓄热室后（如图中6号蓄热室），进入两侧燃烧室燃烧。燃烧后废气下降到另一个蓄热室排放（图2.3中的7号蓄热室）。由于燃烧室分为若干个垂直火道，当气体进入燃烧室时，总是从奇数或偶数垂直火道上升燃烧，燃烧结束后，从偶数垂直火道下降。编号或奇数的垂直消防通道，直到气体反转方向。之后，气体进出所经历的垂直火道相互交换。图2.3气体流路示意图从以上分析可以发现，燃烧气体进入蓄热室时，其温度正好反映了燃烧室垂直火道的温度

44、。如果燃烧后的废气温度较高，则蓄热室的温度也较高；如果其后的废气温度降低，则蓄热室的温度也相应降低。在保证两者能有效对应的前提下，可以选择只在部分蓄热器顶部安装专用热电偶。如果这些蓄热体是全炉蓄热体的代表，那么这种间接测量方案就可以满足要求，从而可以再次降低检测成本。选择再生器的顶部而不是其他地方是有原因的。这是因为顶部只是蓄热室和燃烧室的交界处，这里的温度最能反映燃烧室的温度变化。气体和空气经蓄热室预热后进入燃烧室进行扩散燃烧。产生的热量通过炉壁传递到碳化室。煤在炭化室中经过高温干馏形成焦炭。排放，每30分钟交换一次气体和废气的流动方向。由于换向操作，存储顶板的温度周期性波动。使用储水顶温度

45、预测消防通道温度时，检测下降气流的温度。由于每个炭化室、燃烧室和蓄热室的工况复杂，所选择的检测点必须能够更好地反映整个炉况。当然。推焦顺序通常用m - n表示，其中m代表一个焦炉所有炭化室的组号（脚本编号），即相邻两个推焦间隔之间的炉孔数； n表示对应于两次分离的室数的碳化数。根据上述定义，焦炉采用5-2串联顺序，推焦顺序如下：1 ： 1、6、 1l、16、21、26、31、36、41、46、51；3 ： 3、8、13、18、23、28、33、38、43、48、53；5 ： 5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55 ；2 ： 2、7、12、17、22、27、32、37、4

46、2、47、52 ；4 ： 4、9、14、19、24、29、34、39、44、49、54 ；目前，各种文献中关于如何选择具有代表性的屋顶贮藏温度的方法主要有一种方法：即选择几个炉况较好的连续屋顶贮藏作为典型的屋顶贮藏，除侧火通道外。但考虑到连续几个顶库不能反映整个焦炉的炉况，而且推焦过程中相邻两个顶库的温度会同时受到影响，因此建立了选择典型顶库的以下四个原则：（1）热电偶尽量不要安装在边火通道内，因为边火通道的温度一般都比较低，与一般火通道温度相差较大，不能反映当前的生产状况整个炉子的；(2)按推焦顺序，间隔尽量均匀，主要是热电偶集中在一定的推焦顺序中，那么与这些热电偶相关的焦化室会连续推焦或全

47、部结焦阶段，导致所有测量的温度。高或低；（3）热电偶顶部储号尽量不接，这主要是因为在推焦的同时会影响相邻储顶的温度；(4)奇数顶和偶数顶的数量基本相同，这主要与焦炉的测温路线有关。每次测温的路径为：机侧偶数燃烧室-焦炭侧奇数燃烧室-机侧奇数燃烧室-焦炭侧偶数燃烧室。从上面的路线可以看出，奇数和偶数都需要。储藏顶的数量大致平衡，这样可以更好地反映垂直火的温度。6个测温热电偶，第二个原理不重要。以此方式选取的6个典型库顶数量分别为8、14、27、35、47、51 。在此基础上，建立垂直火道温度软传感模型，预测整个火道平均温度。炉火通道。硬件系统设计PLC功能介绍及选型PLC特点PLC的特点是：可靠

48、性高、抗干扰性强，主要是因为它采用了一系列独特的软硬件措施；应用灵活，编程方便。一方面， PLC的灵活性体现在编程的灵活性上，因为PLC采用梯形编程，非常接近实际电路，对广大电工来说非常熟悉，容易掌握，容易上手。推动。一方面体现在扩展的灵活性上。它可以根据应用的规模扩展容量、功能和应用范围，甚至可以通过与分布式控制系统或其他上位机通信来扩展功能，与外围设备进行通信。交换;易于安装、调试和维护。安装时，由于PLC的I/O接口已经完成，可以直接与外围设备连接，无需专门的接口电路。用户程序可以在实验室进行模拟和调试。 PLC可以多种方式直观地反映控制系统的运行状态；功能完善，适用性强。 PLC发展至

49、今，已形成了大、中、小型各种规模的系列产品，可用于各种规模的工业控制。场合。 PLC除具有逻辑运算、算术运算、数字转换和顺序控制等功能外，还具有模拟运算、显示、监控、打印和报表生成等功能；体积小、能耗低， PLC电路主要采用微电子技术。设计，因此具有体积小、重量轻的特点。这些特点使其易于安装到机械结构中以形成机电一体化装置8 。PLC选型西门子S7-300是模块化的中小型PLC系统，可满足中等性能要求的应用。模块化、无风扇结构、易于实现分配、用户易于掌握，使S7-300成为适用于从中小型性能要求的各种控制任务的便捷、经济的解决方案。 S7-300的应用领域包括：专用机床、纺织机械、包装机械、通

50、用机械工程应用、控制系统、机床、楼宇自动化、电气制造行业及相关行业。各种规格的处理器，系统采用独特的导轨安装；高速指令处理，可满足快速程序控制的要求；浮点数运算可以有效地实现更复杂的数学运算； CPU集MPI接口，多种通讯模块可用于连接AS - I接口、 PROFIBUS和工业以太网总线系统；具有时间/中断驱动、开环定位、 PID等先进的控制功能； I/O模块采用连接器方式，维护或更换非常方便；信号或通讯模块可随意放置，不受限制；高速计数、步进电机、伺服定位控制等特殊应用的I /O模块；当任务规模扩大并变得更复杂时，可以随时使用附加模块来扩展PLC 。STEP7编程语言有大量基于STEP5的指

51、令集，编程简单快捷。西门子S7-300的功能可以完成逻辑控制、数据采集处理、实时监控等全部功能，因此本设计选用西门子生产的S7-300系列PLC 。西门子S7-300系列PLC ， CPU采用315-2DP 。 _ _根据控制系统的需要，电源模块采用IEA03。通讯模块采用带有RJ45接口的CP343-1 。模拟量输入模块采用9个SM 331AI8 *16Bit（-7KF02-）输入模块，共69点。系统采用8路通用模拟量输入模块，每个模块可测量8点电压或电流或4点电阻测量；电压等级可以是1 5V、5V、10V ，电流等级可以是4 20mA 、 2 0 mA 。模拟量输出模块采用2个SM 332

52、 AO4*16Bit（ -5HD01-）输入模块，共7点。模拟输出模块将来自S7-300的数字信号转换为过程的模拟信号。系统选用4路模拟量输出模块，可以是电流输出，也可以是电压输出。电压输出电压等级可以是1 5V、10V，电流输出电流等级可以是4 20mA、20mA 。数字输入模块选用DC 24V 32点输入模块SM 321 DI32*DC24V(-1BL00-) ，共2点。数字量输出模块采用DC 24V 16点输出模块SM 322 DO16 * DC24V/ 0.5A( - 1BL00- )共2点。数字输出模块将来自过程的数字信号电平转换为PLC硬件模块如表3.1所示：表3.1 PLC硬件模

53、块型号及数量姓名模型数量）评论中央处理器模块6ES7315-2AG10-0AB01模拟量输入模块6ES7331-7KF02-0AB09模拟输出模块6ES7332-5HD01-0AB02数字输入模块6ES7321-1BL00-0AA01数字输出模块6ES7322-1BL00-0AA01电源模块307-IEA03-0XB01通讯模块 CP343-1 _6GK7343-1EX10-0XE0 _ _ _ _1带RJ45接口其他主机选择西门子PC 840工控机，是一款非常坚固耐用的工控机。它采用目前最强大的INTEL CPU。其优越的系统性能、灵活的扩展性和特殊的监控功能，使其适用于各种工业场合，尤其是

54、对功能和运行可靠性有严格要求的场合。主要用于控制程序的组态和工业过程画面、条形图、报警显示、历史趋势记录等的显示。监控站可以通过基于以太网的以太网网络与标准计算机网络连接。 TCP/PI协议实现基础控制、过程控制和信息管理的自动化。热电偶选择焊接两种不同导体或半导体线材A和B的一端，A和B称为热电极（或热电偶线）。焊接端置于被测温度t处，称为热电偶的热端（或测量端、工作端）；非焊接端称为冷端（或参考端，自由端），冷端置于热电偶处。在被测物体外温度为 t 0 的环境中。如果热电偶的两个冷端也相连，则形成一个闭环，如图3.1所示：图 3.1 热电偶电路那么当热端温度和冷端温度不相等时，即tt 0时

55、，回路中有电流流过，说明回路中产生了电动势。对于热电（动态）势，上述现象称为热电效应，或塞贝克效应。热电偶使用热电效应来测量温度。由热电效应可知，闭环中产生的热电势由两部分组成，即接触电势和热电势。总电位由公式(3.1)给出。实验结果表明，热电势远小于接触电势，可以忽略不计，则热电偶的电势可表示为(3.1 )这是热电偶温度测量的基本公式。当 t0为常数时，它是一个常数。那么对于某个热电偶电极，总电位只是一个单一值与温度t 的函数，即(3.2 )由于蓄热室顶部温度在1200左右，热电阻的测温范围不能满足焦炉的测温要求，但热电偶的测温范围可以满足焦炉的测温要求。因此，热电偶用于测量蓄热室顶部的温度

56、。 .库顶温度在铂铑10铂热电偶（ S型）、铂铑30铂铑6热电偶（ B型）和镍铬镍硅热电偶（ K型）的最高测温范围内）。 K型热电偶可在氧化性或中性介质中长期测量以下温度900，因此K型热电偶不满足顶部存储的温度测量要求， S型热电偶和B型热电偶可用于氧化或中性介质。长时间在中性介质中测温1200，但整个焦炉测温点多，温度高1200，使用的热电偶寿命很短。考虑到这两个热电偶是由贵金属制成的，它们价格昂贵。在温度测量要求的条件下，应使用价格低廉的热电偶，以节省成本。 S型热电偶和B型热电偶都能满足测温要求，但S型热电偶比B型热电偶便宜。 S型热电偶在热电偶系列中精度最高，稳定性最好，测温。面积广

57、，使用寿命长。在高温下具有良好的物理化学性能、热电势稳定性和良好的抗氧化性，适用于氧化性和惰性气氛。因此，本设计采用S型热电偶来测量库顶的温度。控制器控制器（或调节器）对来自变送器的测量值与给定值比较产生的偏差进行比例、积分和微分运算，输出统一的标准信号来控制执行器的动作，从而实现对温度的正确自动控制、压力、流量、液位和其他过程变量。在焦炉加热控制系统中，使用了温度控制器、混煤压力控制器和吸风控制器。温度控制器焦炉燃烧过程中的温度变化是一个惯性大、延时大的缓慢过程。根据该温度的特点，采用S7-300PLC的步进式温度控制器FB 59 TCONT_S。 FB 59 TCONT_S模块的功能基于P

58、ID 控制算法，用于控制过程温度过程。通过设置参数，可以启用或禁用 PI 步进控制器的子功能，以使控制器适应过程。控制块是纯软件控制器，其中一个块包含控制器的所有功能。 FB 59 TCONT_S模块如图 3.2 所示：图3.2 FB 59 TCONT_S模块混煤压力控制器和吸煤控制器混合气体压力控制是压力控制回路的一部分，属于垂直火通道的温度控制回路。控制目的是控制混合气阀的开度，保证混合气压力的稳定。混合气压力受高炉煤气主压力影响较大，混合气压力控制器采用PI控制规律，通过PLC编程实现。烟道抽吸的控制是压力控制器的一部分。通过控制分烟道挡板的开度，控制进气量，保证燃气的充分燃烧。烟道吸力

59、受外界影响较小，阀门特性也比较好。吸力控制器也采用 PI 控制律通过 PLC 编程实现。3.5 压力检测仪表、流量计、变送器和执行器3.5.1压力检测仪压力检测仪表的选型是一项重要工作。如果选择不当，不仅不能正确、及时地反映被测物体的压力变化，还可能引发事故。选择时，应根据压力检测的生产工艺要求、被测介质的特性、现场使用的环境等条件，本着经济的原则，合理考虑仪表的型号和量程。弹簧管压力表结构简单，使用方便，价格低廉，可测量周长。因此，使用弹簧管压力表来检测燃气管道的压力。分流烟道的温度特别高。为了克服温度对压阻元件灵敏度的影响，应采用压阻式压力传感器来测量分流烟道的吸力。其优点是：频率响应高，

60、适合动态测量；高精准度;无运动部件，可靠性高，可在振动、冲击、腐蚀、强干扰等恶劣环境下工作。3.5.2流量计本系统中流量计的选择极为重要，无论是焦炉气量的控制还是高炉气量的控制，都应使用流量计。因此，一款适合气体测量的流量计，其精度和量程是否满足控制要求，是否易于安装直接影响控制系统的控制效果。流量测量方法和仪表种类很多，分类方法也很多。目前，可供工业使用的流量计有60多种。之所以有这么多测量流量的仪器，是因为迄今为止还没有一种仪器可以用于任何流体、任何量程、任何流动状态和任何条件下。在60多种流量计中，每一种都有其特定的适用性和局限性。按测量对象分为封闭管道和明渠两大类；按测量目的可分为总量