電氣工程碩士論文加熱爐計算機控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

1、分類號：_密級：_：_單位代碼：_安徽工業(yè)大學碩士學位論文論文題目：加熱爐計算機控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)學號：_電氣工程作 者：_專 業(yè) 名 稱：_2010年05月28日安徽工業(yè)大學碩士學位論文加熱爐計算機控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)論文題目： design and application of computer control systems for reheating furnace電氣信息學院安徽工業(yè)大學作 者： 學院： 指 導 教 師： 單位： 協(xié)助指導教師： 單位： 中冶華天工程技術有限公司 單位： 論文提交日期：2010年 05月 28日學位授予單位：安 徽 工 業(yè) 大 學安徽馬鞍山 2430

2、02獨創(chuàng)性說明本人鄭重聲明：所呈交的論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得安徽工業(yè)大學或其他教育機構的學位或證書所使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。簽名 日期：_關于論文使用授權的說明本人完全了解安徽工業(yè)大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權保留送交論文的復印件，允許論文被查閱和借閱；學?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文,保密的論文在解密后應遵循此規(guī)定。簽名 導師簽名 日

3、期：_摘要加熱爐是軋鋼生產(chǎn)線上的最重要的設備之一，其控制目標是滿足開軋所要求的鋼坯溫度分布，實現(xiàn)鋼坯表面最小氧化燒損，達到最少能耗的經(jīng)濟指標目的。因此，提高加熱爐的熱效率、降低能耗，對減少冶金工業(yè)能耗有積極的意義。加熱爐計算機控制系統(tǒng)主要包括基礎自動化控制系統(tǒng)（levlel1）和過程自動化控制系統(tǒng)（level2），其中l(wèi)evel1控制系統(tǒng)包括燃燒控制系統(tǒng)和順序控制系統(tǒng)，level2系統(tǒng)由板坯物料跟蹤模型、板坯溫度預報模型和通訊三部分構成。燃燒控制系統(tǒng)主要包括空煤氣的雙交叉限幅比例控制、爐膛壓力控制、熱風自動放散控制、熱風壓力控制和煤氣自動切斷保護控制，我們通過研究開發(fā)了“爐溫模糊自動控制器”，

4、從而實現(xiàn)了爐溫的快速響應。順控系統(tǒng)主要包括裝鋼機的控制、步進梁控制、出鋼機控制以及液壓系統(tǒng)的控制。物料跟蹤系統(tǒng)主要是坯料的入爐側輥道跟蹤，爐內(nèi)跟蹤，以及出爐輥道的跟蹤。鋼坯溫度預報模型主要包括裝爐溫度計算模型，爐內(nèi)溫度周期計算模型和出爐溫度計算模型，本文主要提出了基于分段bp神經(jīng)網(wǎng)絡的鋼坯溫度預報模型，并進行了離線仿真。其中通訊主要由levle2系統(tǒng)與level1系統(tǒng)之間的溫度數(shù)據(jù)采集、裝出鋼機設定、步進梁設定、坯料的輥道跟蹤；與軋線計算機的通訊和與mes系統(tǒng)的通訊等組成，本文詳細研究了tcp/ip socket的通訊編程方法。最后，以板坯生產(chǎn)過程為研究對象，開發(fā)了基于siemens s7-4

5、00plc和wincc軟件的基礎自動化系統(tǒng)。在此基礎上，結合板坯的物料跟蹤模型、鋼坯溫度預測模型和通訊，實現(xiàn)對各種鋼種和厚度板坯的加熱質(zhì)量控制，預測板坯三層溫度并傳送給軋機，實現(xiàn)加熱爐的全自動生產(chǎn)控制。關鍵詞：加熱爐；計算機控制系統(tǒng)；溫度控制；模型abstractreheating furnace is the most important one of the equipment of steel rolling production line, the control objective is to meet the required open-rolled temperature dis

6、tribution under the premise, achieving economic indicators of the minimum billet surface burning and minimal energy consumption. therefore, improving furnace thermal efficiency, reduce energy consumption, to reduce industrial energy consumption has a positive meaning.reheating furnace computer contr

7、ol system including basic automation system (level1) and process automaiton system(level2). level1 control system includes heating control system and sequence control system. level2 includes slab tracking model, temperature prediction model and communication.heating control system include double cro

8、ss limited control of air and gas, hearth pressure control, hot air exhaust control and hot air pressure control and gas automatic cut-off control, development “fuzzy controler” realized fast response of furnace temperature.sequence system includes charging machine control, walking beam control, dis

9、charging machine control and hydraulic system control.slab tracking system completes roll table tracking of charge side and discharge side, inside furnace tracking.slab temperature prediction model include charge slab temperature calculation, cycle temperature calculation model of inside furnace and

10、 discharging slab temperature calculation model, proposed slab temperature prediction model based on furnace zone bp netural network and carried out off-line simulation.communication including: temperature data sample, charging machine and discharging machine set, walking beam set, slab tracking bet

11、ween level2 system and level1 system, communication with mill level2 computer and mes system, detail research communication method of tcp/ip socket.finally, slab production process as the research object, developed based automation systems based on the siemens s7-400plc and wincc. on this basis, com

12、bined with slab material tracking model, billet temperature prediction model and communication to achieve a variety of steel grades and thickness of slab heating quality control, forecasting three level temperatures transmitted to mill, realize the furnace automatic production control.key words：rehe

13、ating furnace; computer control system; temperature control; model目錄加熱爐計算機控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)1摘要1abstract2引言1第一章文獻綜述21.1 加熱爐計算機控制概述21.1.1 順序控制系統(tǒng)和物料跟蹤21.1.2 鋼坯溫度預報模型31.1.3 爐溫優(yōu)化設定模型41.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢51.3 課題背景61.4 本論文的研究內(nèi)容及意義7第二章 加熱爐工藝流程及結構簡介82.1 加熱爐區(qū)工藝流程82.2 加熱爐基本尺寸和參數(shù)82.2.1 加熱爐基本尺寸82.2.2 加熱爐基本參數(shù)92.3 爐型結構特點10第三

14、章 加熱爐基礎自動化控制系統(tǒng)113.1 雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)123.2 爐溫模糊控制系統(tǒng)133.2.1 模糊控制器結構133.2.2爐溫模糊控制器的設計143.2.3 實際應用及效果163.3 步進梁速度優(yōu)化控制163.3.1 速度曲線控制原理163.3.2 速度曲線優(yōu)化控制及分析173.3.3實際應用19第四章加熱爐數(shù)學模型的研究與仿真204.1 數(shù)學模型概述204.2 模型參數(shù)的建立204.2.1沿爐長方向爐溫的線性插值204.2.2比熱和熱傳導系數(shù)的線性插值計算214.3基理溫度預報模型224.3.1 三維導熱數(shù)學模型224.3.2 溫度預報模型的工程考慮234.3.3溫度預報模型的邊

15、界條件234.3.4模型驗證244.4 分段bp神經(jīng)網(wǎng)絡鋼溫預測和仿真254.4.1 三層bp網(wǎng)絡結構的建立254.4.2 神經(jīng)網(wǎng)絡輸入輸出量的確定254.4.3 神經(jīng)網(wǎng)絡隱層神經(jīng)元的確定264.4.4 隱層及輸出層的權值調(diào)整274.4.5 仿真研究28第五章 計算機控制系統(tǒng)網(wǎng)絡和通訊開發(fā)305.1 網(wǎng)絡結構及配置305.1.1 level1級網(wǎng)絡結構305.1.2 level1級硬件配置325.1.3 level2級網(wǎng)絡結構325.1.4 level2級硬件配置335.2 網(wǎng)絡通訊電文內(nèi)容335.2.1與mes管理計算機的通信335.2.2 與軋線過程計算機通信345.2.3 與基礎自動化通

16、信345.3 level1級通訊程序的開發(fā)355.3.1 wincc和plc以太網(wǎng)通訊開發(fā)355.3.2 plc和plc以太網(wǎng)通訊開發(fā)365.4 level2級tcp/ip通訊程序開發(fā)365.4.1 tcp/ip socket基本概念365.4.2 客戶/服務器模式375.4.3 tcp/ip套接字系統(tǒng)調(diào)用及方法385.4 通訊網(wǎng)絡的具體ip地址和端口規(guī)劃40第六章 加熱爐計算機控制系統(tǒng)的應用426.1 level1級控制系統(tǒng)開發(fā)426.1.1系統(tǒng)軟件436.1.2 順控軟件開發(fā)456.1.3 燃控軟件開發(fā)476.1.4 監(jiān)控軟件介紹506.1.5 監(jiān)控軟件開發(fā)526.2 level2級軟件功

17、能描述556.2.1 建立板坯數(shù)據(jù)信息556.2.2 板坯溫度計算的熱工模型566.2.3 軋制溫度反饋控制566.2.4 主要畫面簡介56結論60參考文獻：61附件1：附圖清單1附件2：附表清單2在學研究成果2致謝3引言2007年，我國鋼產(chǎn)量已經(jīng)達到4.89億噸，已是多年保持世界第一產(chǎn)鋼大國的地位。我國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展速度是世界鋼鐵工業(yè)發(fā)展最快的國家，所取得的成就是世界公認的。但是，我國鋼鐵工業(yè)技術經(jīng)濟指標(包括能源消耗、勞動生產(chǎn)率、設備壽命及設備作業(yè)率等)、對環(huán)境的污染等方面與世界先進水平相比較，差距仍很大。要實現(xiàn)從鋼鐵大國到達鋼鐵強國，這是擺在鋼鐵研究工作者面前的艱巨任務。加熱爐的計算機控

18、制系統(tǒng)通常被分為一級（level1）和二級（level2）控制系統(tǒng)。level1系統(tǒng)包括燃燒控制系統(tǒng)和順序控制系統(tǒng)。燃控系統(tǒng)的主要功能是根據(jù)鋼坯鋼種和規(guī)格的需要，控制各個區(qū)域的溫度，實現(xiàn)鋼坯的理想升溫曲線控制。同時實現(xiàn)相應的安全連鎖和設備保護。順控系統(tǒng)的主要功能是完成整個加熱爐區(qū)域的設備動作控制，實現(xiàn)鋼坯的裝料，步進和出料控制，以及相應的輔助設備的動作控制。level1是level2級控制的基礎。level2系統(tǒng)主要分為應用部分和模型部分，應用部分包括物料跟蹤和通訊等，模型部分主要是鋼坯的溫度預測，主要包括裝爐溫度處理、出爐溫度處理、爐溫沿爐長方向的曲線擬合，周期計算等。level2負責完成整

19、個加熱爐的過程控制，實現(xiàn)鋼坯在爐膛內(nèi)的溫度預報和物料跟蹤，在通訊模型的支持下，完成整個加熱爐區(qū)設備的全自動生產(chǎn)和全自動溫度控制，并為軋機提供必要的信息。本文的主要內(nèi)容如下：（1）文獻檢索。進行了大量文獻檢索工作，對前人的研究工作進行總結和分析。描述了基于傳熱學原理的鋼坯加熱數(shù)學模型。（2）設計和優(yōu)化了level1級控制系統(tǒng)，重點研究了改進型雙交叉限幅溫度自動控制和爐溫模糊控制器，以及步進梁的速度曲線優(yōu)化控制。（3）系統(tǒng)研究了鋼坯傳熱數(shù)學模型、鋼坯溫度預報模型和算法，并利用爐區(qū)分段的bp神經(jīng)網(wǎng)絡進行了鋼溫的預測，離線仿真效果良好。（4）開發(fā)了基于s7-400plc和wincc的加熱爐基礎自動化系

20、統(tǒng)，并成功應用于生產(chǎn)，大大提高了爐溫的控制精度，溫度響應時間大大縮短，加熱爐level2級計算機控制系統(tǒng)的投運，實現(xiàn)了爐內(nèi)鋼坯溫度的預測，建立了加熱爐與通訊伙伴的實時通訊，為軋機提供了必要的鋼坯加熱參數(shù)，實現(xiàn)了加熱爐的全自動生產(chǎn)。第一章 文獻綜述加熱爐是軋鋼生產(chǎn)線關鍵設備之一，也是主要耗能設備，其作用是將鋼坯加熱后送往軋機進行軋制1，其中鋼坯加熱爐能耗就占冶金能耗的25%2，因此，提高加熱爐的熱效率，對整個冶金行業(yè)的節(jié)能降耗具有重要意義。步進梁式加熱爐的功能是根據(jù)鋼坯的入爐參數(shù)、生產(chǎn)工況和工藝指標，通過控制爐溫，空氣燃料流量及空燃比，空氣燃料壓力，煙氣殘氧濃度以及爐膛壓力，盡可能地降低能耗，減

21、少氧化燒損，使鋼坯在爐中均勻受熱，同時通過步進梁的步進運動，將鋼坯從裝料側移動至出料側，通過鋼坯在爐內(nèi)的運動，完成從低溫段至高溫段，再進入均熱段的加熱，達到軋鋼要求的軋制溫度。由于加熱爐燃燒過程具有非線性、強耦合、不確定性、分布參數(shù)特性，是一個高度復雜的工業(yè)過程，加熱爐計算機過程控制技術成為鋼鐵企業(yè)研究的重要課題之一，在國內(nèi)外都得到了廣泛的重視。1.1 加熱爐計算機控制概述加熱爐的計算機優(yōu)化控制技術就是要在保證工藝指標的前提下實現(xiàn)最優(yōu)的經(jīng)濟指標，在加熱爐上開展計算機優(yōu)化控制的研究已經(jīng)有三十多年的歷史，國際上對加熱爐優(yōu)化控制的研究始于20世紀70年代，國內(nèi)始于80年代，主要從設備和自動控制兩個方

22、面采取措施3，以降低加熱爐的能耗及提高產(chǎn)品質(zhì)量，可以概括為三個方面：爐溫自動控制、鋼坯溫度預報模型和爐溫優(yōu)化設定策略。1.1.1 順序控制系統(tǒng)和物料跟蹤順控系統(tǒng)的主要功能是完成整個加熱爐區(qū)域的設備邏輯控制，完成裝料側的輥道邏輯控制、加熱爐液壓站的控制、裝鋼機的速度曲線控制，步進梁的速度曲線控制和出鋼機的控制，同時完成l1級的板坯物料跟蹤，實現(xiàn)鋼坯的裝料，步進和出料控制，以及相應的輔助設備的動作控制。在level1級順控系統(tǒng)的基礎上，level2及系統(tǒng)通過以太網(wǎng)絡和opc方式，和level1級系統(tǒng)建立實時通訊，在oracle數(shù)據(jù)庫和visial.net開發(fā)平臺c#軟件的強大處理功能下，完成板坯的

23、入爐、爐內(nèi)和出爐的全爐跟蹤，為模型控制系統(tǒng)提供必要的板坯鋼種、尺寸和板坯位置等信息，完成坯料的溫度預測。加熱爐燃燒控制系統(tǒng)的基本任務是：提高加熱爐各段爐溫的控制精度，獲得滿足開軋所要求的鋼坯溫度，同時保證經(jīng)濟燃燒和安全運行。為保證穩(wěn)態(tài)和動態(tài)情況下，保證空燃比在合適的范圍內(nèi)，通常采用交叉限幅控制方法，使系統(tǒng)在調(diào)節(jié)的動態(tài)過程中，保持空氣、燃料的相互跟隨關系，控制最佳空燃配比。目前，爐溫自動控制絕大多數(shù)還是采用帶交叉限幅的溫度流量串級pid控制器，但控制精度差，超調(diào)嚴重，升降溫速度慢。神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊控制、專家系統(tǒng)、自適應控制等智能化技術的出現(xiàn)為加熱爐爐溫控制提供了新的方法和思路。張晶濤等人4針對常規(guī)

24、交叉限幅控制方法負荷跟蹤速度低的缺點，采用了具有快速補償響應功能和抗積分飽和功能的改進交叉限幅燃燒控制方法，針對爐溫過程具有時變非線性的特性，應用了自整定pid控制算法，針對加熱爐下加熱段與上加熱段爐溫對象耦合干擾嚴重的現(xiàn)象，應用了智能解耦控制方法。從整體上提高了加熱爐燃燒控制系統(tǒng)的控制性能。文獻5，6提出的專家模糊溫度控制器，文獻7，8提出的加熱爐神經(jīng)網(wǎng)絡燃燒控制等，還停留在理論研究和仿真研究階段。另外，目前采用的模糊控制、專家控制最終的輸出量是空氣流量和煤氣流量設定值，流量的閉環(huán)控制還是要依靠傳統(tǒng)的pid控制器來實現(xiàn)，從而限制了爐溫控制精度和實時性的提高。法國斯坦恩-霍特公司開發(fā)的數(shù)字化時

25、序脈沖燃燒系統(tǒng)9，其溫度控制是通過控制燒嘴的燃燒時間，而不是控制空氣和煤氣的流量，當空煤氣燒嘴前的壓力恒定時，通過控制空煤氣切斷閥的開啟時間和工作周期，可以實現(xiàn)爐溫的控制，從而克服了流量pid閉環(huán)控制的不足，達到了較好的效果。1.1.2 鋼坯溫度預報模型鋼坯溫度預報模型是加熱爐燃燒優(yōu)化控制的必要中間量，通過數(shù)學模型計算的爐內(nèi)鋼坯表面和核心溫度，從而可以了解鋼坯的加熱質(zhì)量，同時為進一步優(yōu)化爐溫設定提供依據(jù)。隨著計算機技術的發(fā)展，爐內(nèi)鋼坯加熱過程的數(shù)學模型也被廣泛地應用在計算機控制上。在國外，timothy a.vesiock等人10-12根據(jù)加熱爐內(nèi)的熱交換機理來建立實時控制模型，采用動態(tài)熱傳導

26、分析的方法，通過分析鋼坯各節(jié)點的熱交換來對鋼坯溫度進行控制。這種方法目前在一些鋼廠的加熱爐控制還在使用，但是目前生產(chǎn)現(xiàn)場采用的基本上都是簡化的一維模型，多維模型因為計算量巨大目前還不能在線應用，在一定程度上降低了模型的準確性。y.misaka和h.e.pike等人13-15采用分布參數(shù)理論與熱交換機理相結合的方法進行建模，并通過近似集中參數(shù)模型研究了加熱爐的靜態(tài)、動態(tài)優(yōu)化問題。a.h.work16基于爐內(nèi)熱量傳導的物理機制，推導了一類時空離散化的狀態(tài)空間模型。文獻17-19從描述鋼坯內(nèi)部穩(wěn)定導熱的二維偏微分方程及相應的邊界條件出發(fā)，開發(fā)出了描述鋼坯被加熱狀態(tài)的離散狀態(tài)空間模型，從本質(zhì)上，這種方

27、法是機理分析方法的延續(xù)和改進。國內(nèi)這方面的研究起步較晚，上世紀七十年代末，隨著計算機控制系統(tǒng)的普及和自動控制技術在鋼鐵企業(yè)的應用日趨廣泛，加熱爐溫度優(yōu)化控制理論的研究開始日漸深入，成為自動控制技術工業(yè)應用研究的重要領域。鋼坯升溫模型的研究主要從兩個方面入手，采用總括熱吸收率法，從鋼坯與爐內(nèi)熱交換的物理機制入手，簡化了爐膛內(nèi)輻射換熱，尋找鋼坯升溫的熱力學模型，文獻20-26都涉及到了這方面的研究。爐內(nèi)鋼坯溫升數(shù)學模型大體上分為用于加熱爐在線控制的一維穩(wěn)態(tài)導熱數(shù)學模型，以及用于加熱爐離線計算機模擬的三維穩(wěn)態(tài)導熱數(shù)學模型。低維導熱數(shù)學模型形式簡單、計算機求解方便，與三維模型相比，雖然在精度上有所不足

28、，但在加熱爐加熱過程計算機在線控制方面，可以滿足現(xiàn)場的工藝要求。三維導熱數(shù)學模型計算結果精度高，真實反映了鋼坯在加熱過程中的瞬時溫度分布和變化，但由于數(shù)值計算求解過程計算工作量大，目前還很難將其應用到加熱爐在線控制系統(tǒng)中，主要應用于實驗室理論計算和分析。為了進行數(shù)學模型的計算機移植以及實現(xiàn)控制的可行性和方便性，離散狀態(tài)空間方法也是鋼坯升溫模型的研究重點和熱點，在這方面文獻27-29工作頗具代表性，這些文獻都是把爐內(nèi)的鋼坯考慮為一股被加熱的物料流，并按幾何位置分解為一系列相互關聯(lián)的子系統(tǒng)，不僅得出了爐內(nèi)鋼坯加熱的全系統(tǒng)模型，而且給出了單獨鋼坯的跟蹤熱模型，為實時計算機控制奠定了理論基礎。近年來隨

29、著計算機技術和智能控制理論的迅速發(fā)展，智能控制得到了廣泛應用。智能技術不僅為傳統(tǒng)控制理論和方法帶來了新的生機，而且為解決軋鋼領域內(nèi)的控制難題，擺脫常規(guī)數(shù)學模型的困境，突破現(xiàn)有控制理論的局限性，開辟了一條新的道路。智能技術在鋼鐵冶金工業(yè)中的應用主要包括將專家系統(tǒng)與傳統(tǒng)的控制方法相結合的專家控制方法；將人工神經(jīng)網(wǎng)絡應用于建模的神經(jīng)網(wǎng)絡控制方法；將模糊集合結合模糊推理決策進行控制的模糊控制方法；將神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊控制相結合的智能控制方法等。神經(jīng)網(wǎng)絡技術因其具有較快的學習能力和逼近任意非線性映射的能力而被廣泛用于系統(tǒng)建模的研究中。在加熱爐對象的建模中，應用最為廣泛的是bp神經(jīng)網(wǎng)絡30, 31，它有結構簡

30、單、抑制樣本噪聲等優(yōu)點，但也有學習速度較慢、容易陷入局部極小點等缺點，因此，近年來也出現(xiàn)了一些改進的神經(jīng)網(wǎng)絡模型，如rbf網(wǎng)絡模型僅在輸入空間的局部范圍內(nèi)非零(即只有當輸入落入輸入空間的一個很小的局部范圍時，基函數(shù)才產(chǎn)生一個有效的非零響應)，其參數(shù)調(diào)整律可采用線性調(diào)整技術，因而有更快的學習速度，逼近能力很強，在鋼坯溫度預報方面得到了很好的應用32, 33。1.1.3 爐溫優(yōu)化設定模型柴天佑，王中杰，沈子瞻等34, 35人對步進式加熱爐的建模、控制、優(yōu)化做了很多研究，提出了一種基于生產(chǎn)目標的加熱爐優(yōu)化設定控制方法。該方法采用前饋、反饋、自適應、智能及軟測量等多種先進控制技術和建模方法實現(xiàn)了生產(chǎn)過

31、程的建模與控制一體化，并通過多級閉環(huán)實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的滾動優(yōu)化，解決了基于dcs的加熱爐各回路的優(yōu)化設定問題。根據(jù)連續(xù)加熱爐溫分段可控性和鋼溫的變化滯后于爐溫變化的特點，文獻36, 37運用一種新的爐溫決策方法。該法以控制段(加熱段或均熱段)內(nèi)的某處鋼坯的平均溫度和表面溫度與設定值的偏差最小為控制目標，決策出優(yōu)化的爐溫設定值。開發(fā)合理的在線數(shù)學模型，為軋制生產(chǎn)服務，具有一定的效果。安月明，溫治38系統(tǒng)總結了爐溫優(yōu)化設定時各種優(yōu)化目標函數(shù)的進展，對加熱爐優(yōu)化控制領域中目標函數(shù)的選取、約束條件的確定、尋優(yōu)方法的選取進行了詳細的分析和綜述，評價了各類目標函數(shù)的優(yōu)點和不足。從發(fā)展來看，綜合型的優(yōu)化目標將

32、會得到更大的應用，但在權重系數(shù)選取的研究上、尋優(yōu)算法適合在線應用的問題上還值得進一步深入研究。爐溫優(yōu)化設定的智能控制技術也在快速發(fā)展，模糊邏輯控制技術能夠有效地利用人工控制所取得的操作經(jīng)驗，把人工經(jīng)驗變換成模糊控制規(guī)則，在加熱爐這樣非線性、大慣性、純滯后、耦合嚴重的復雜系統(tǒng)的控制中獲得了很多應用39。但是模糊控制方法本身還存在著一些缺點，比如模糊控制是一種基于模糊規(guī)則的控制器，這些模糊控制規(guī)則是對受控過程認識的歸納與控制經(jīng)驗的總結，模糊規(guī)則通常情況下是固定不變的，本身缺乏學習能力，不能夠自動修改，因而當系統(tǒng)有變動的時候，難以動態(tài)修正模糊控制規(guī)則，從而影響了控制效果。在實際應用當中，將模糊控制同

33、其它控制技術相結合，對爐溫進行控制的情況也比較普遍，如將模糊控制同比例控制、pid控制相結合的分區(qū)控制策略，以模糊規(guī)則實時調(diào)節(jié)pid參數(shù)的模糊pid控制技術等。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢多年來，國內(nèi)外都有大量的專業(yè)化公司和自動化工作者致力于加熱爐二級控制系統(tǒng)設計及燃燒優(yōu)化控制方面的研究開發(fā)工作。國外學者對加熱爐二級控制系統(tǒng)的研究始于上世紀70年代中后期，隨之，國內(nèi)學者對加熱爐數(shù)學模型及相應的優(yōu)化控制策略的研究也日益活躍。80年代末期，在工業(yè)發(fā)達的國家已普遍實現(xiàn)了加熱爐的計算機控制。1981年9月，意大利italimpianti公司首次在意大利的acciarierie di piombin

34、o s.p.a工廠棒材生產(chǎn)線加熱方坯的110t/h步進爐上使用在線數(shù)模控制系統(tǒng)。該公司至今已為100多座爐子提供在線數(shù)模控制。意大利italimpianti公司(目前為意大利techint德興公司的子公司）成功開發(fā)的“靈活技術”（flexytech）的加熱爐，其核心技術就是計算機二級控制系統(tǒng)。法國stein heurtey公司1981年在foss/mer工廠的3座熱軋帶鋼加熱爐上進行在線數(shù)模控制工業(yè)性應用，并在1982年得以驗證，至今已為130多座爐子提供在線數(shù)?？刂葡到y(tǒng)，國內(nèi)的南京鋼鐵公司爐卷軋機加熱爐使用了該公司的產(chǎn)品。siemens vai公司的加熱爐二級系統(tǒng)也被廣泛地使用在國內(nèi)馬鋼22

35、50、酒鋼1800不銹鋼爐卷軋鋼廠等企業(yè)。國內(nèi)的專業(yè)軟件公司和鋼鐵設計院也開發(fā)了多座加熱爐二級控制系統(tǒng)，主要包括：寶信軟件公司開發(fā)的基于iplature中間件平臺的二級控制系統(tǒng)，在寶鋼1780熱軋和2050上應用，上海邁思公司開發(fā)的加熱爐二級系統(tǒng)被應用在寶鋼不銹鋼分公司等企業(yè)，重慶鋼鐵設計院開發(fā)的二級系統(tǒng)被應用在沙鋼5米寬厚板加熱爐。雖然國內(nèi)外有不少公司都開發(fā)了基于數(shù)學模型的加熱爐二級控制系統(tǒng)，但大多只能提供一些鋼坯的溫度預測，出爐時間等信息，在爐溫的優(yōu)化設定上不能投入自動運行，僅停留在爐溫的操作指導層，爐溫設定值大多還是操作技術人員根據(jù)經(jīng)驗人工給定。從目前的發(fā)展狀況來看，其發(fā)展趨勢可概述如下

36、：1) 結合智能控制理論的發(fā)展，利用先進的控制理論，提高模型預測的準確性；2) 為燃燒自動化系統(tǒng)提供最佳的溫度設定參數(shù)；3) 實時準確地優(yōu)化各操作參數(shù)，提供合理的爐內(nèi)溫熱制度，使之獲得最優(yōu)的生產(chǎn)指標。在滿足軋機軋制能力的條件下，保證工藝和技術經(jīng)濟指標的先進性，節(jié)能降耗，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益。1.3 課題背景加熱爐的鋼坯溫度預測和爐溫優(yōu)化控制一直是控制理論界的一個研究熱點。由于加熱爐具有以下特點：1)大滯后特性；2)過程機理反應復雜；3)生產(chǎn)工藝目標不能直接控制(如鋼坯表面溫度)。這些特點決定了鋼坯加熱爐是一個具有多變量、時變、非線性、耦合等特點的復雜工業(yè)工程，邊界條件劇烈變化，爐內(nèi)鋼坯表面溫度不

37、能直接連續(xù)測量，導致加熱爐動態(tài)模型復雜。建立實用的加熱爐計算機控制系統(tǒng)，在實現(xiàn)溫度自動控制和全自動生產(chǎn)的前提下，提高爐溫控制精度，鋼坯溫度預測的準確性，是目前冶金自動化工程師必須面對和解決的問題，本文結合實際設計和調(diào)試的大型板坯步進梁式加熱爐的經(jīng)驗，分別從燃燒控制系統(tǒng)的fuzzy-pid雙交叉限幅爐溫控制、順序控制系統(tǒng)的步進梁速度曲線優(yōu)化控制和加熱爐的通訊，跟蹤和坯料溫度預測模型三個方面，系統(tǒng)總結了加熱爐兩級計算機控制系統(tǒng)的研究和應用。為國內(nèi)類似的大型步進梁式板坯加熱爐積累大量的經(jīng)驗，為下一步優(yōu)化爐溫設定奠定了基礎。1.4 本論文的研究內(nèi)容及意義本論文以某5m寬厚板軋鋼廠的兩座250t/h步進

38、梁式加熱爐的設計和調(diào)試為研究對象，在完成加熱爐基礎自動化系統(tǒng)level1的順控和燃控系統(tǒng)調(diào)試后，又成功地實現(xiàn)了加熱爐的level2級物料跟蹤、通訊和板坯溫度預測，真正實現(xiàn)了加熱爐的兩級計算機過程控制。在燃控系統(tǒng)上，提出了fuzzy-pid雙交叉限幅溫度pid控制算法，優(yōu)化了燃控系統(tǒng)的溫度控制算法，保證了加熱爐各溫控區(qū)的爐溫控制精度和響應速度。在順控系統(tǒng)上，研究和開發(fā)了基于混合網(wǎng)絡的加熱爐順控系統(tǒng)，并優(yōu)化了加熱爐的步進梁速度曲線控制。在level2級控制系統(tǒng)上，在燃控level1和順控levle1級控制系統(tǒng)的支持下，基于傳熱學的基本原理，建立了板坯的爐內(nèi)溫度預報系統(tǒng)，同時在溫度計算模型中使用了優(yōu)

39、化算法，提高了鋼坯溫度預測的精度。本文的主要內(nèi)容：本章首先進行了文獻檢索，總結了加熱爐計算機控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。第二章介紹了加熱爐的工藝流程、結構和性能參數(shù)。第三章介紹了加熱爐基礎自動化系統(tǒng)，包括燃燒系統(tǒng)和順控系統(tǒng)，并對交叉限幅串級溫度控制系統(tǒng)進行了改進，提出了fuzzy-pid溫度控制系統(tǒng)，開發(fā)了具有通用性的步進梁速度曲線控制模塊，并對速度曲線進行了優(yōu)化，取得了良好的使用效果。第四章建立爐內(nèi)鋼坯的傳熱過程的機理數(shù)學模型，并從工程角度進行簡化，給出了一維的導熱模型和總括熱吸收率算法。以此為理論基礎開發(fā)的鋼溫預報模型程序，預測的鋼溫和實測數(shù)據(jù)基本吻合，數(shù)據(jù)令人滿意。同時結合智能控制理論，提

40、出了基于爐區(qū)分段的bp神經(jīng)網(wǎng)絡鋼坯溫度預報模型，并進行了仿真研究。第五章主要描述了加熱爐計算機控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡和通訊設計，主要包括wincc和plc的通訊、plc和plc的通訊以及tcp/ip socket通訊。第六章闡述了西門子plc控制系統(tǒng)的特點及其在大型軋鋼步進梁式加熱爐level1系統(tǒng)上的應用，并給出了基于平臺的c#軟件和oracle數(shù)據(jù)庫平臺開發(fā)的加熱爐二級控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。第二章 加熱爐工藝流程及結構簡介2.1 加熱爐區(qū)工藝流程加熱爐用板坯從板坯庫經(jīng)上料輥道輸送到爐前，按預定的計劃分別進行冷裝、熱裝或混裝。加熱爐額定產(chǎn)量為250t/h，燃料為焦爐煤氣，采用空氣單預熱的步進梁式板坯加熱爐

41、。板坯在爐前輥道上經(jīng)過稱量、測長、核對、測溫，按布料圖進行定位。在確定爐內(nèi)有空位后，裝料爐門打開，裝鋼機開始動作：裝鋼機前移，將板坯撥正，經(jīng)測寬后送入爐內(nèi)，在與前一塊坯料間隔50100mm處停止。然后，裝鋼機快速退回原位，準備重復送鋼動作。同時裝料爐門關閉。爐內(nèi)板坯通過步進梁的運動，經(jīng)過爐子的熱回收段、預熱段、一加熱段、二加熱段和均熱段充分加熱，達到軋制要求溫度后，運行至出料端激光檢測處并完成最后一次步進運動后停止，經(jīng)激光檢測器檢測及步進梁行程控制系統(tǒng)和爐內(nèi)坯料跟蹤系統(tǒng)計算，鋼坯在爐內(nèi)準確位置的信號被送往出鋼機，出鋼機接到指令后開始動作，從低位運行進爐內(nèi)，根據(jù)鋼坯位置定位，托起鋼坯出爐，準確將

42、鋼坯放在出料輥道上，再由出爐輥道輸送到軋機軋制，同時出料爐門關閉。為了使加熱爐的操作更靈活，適應坯料規(guī)格（主要是長度和厚度）的頻繁變化和冷熱坯裝爐切換，最大限度地發(fā)揮加熱爐效率，一座加熱爐裝備了兩套獨立運行的步進機械；按爐寬方向，步進框架（平移框架和升降框架）均分為左右兩個框架，分別由兩套步進機械單獨傳動。2.2 加熱爐基本尺寸和參數(shù)加熱爐有效長度52600mm，內(nèi)寬10700mm，燃料為焦爐煤氣。加熱爐示意圖如圖2.1。2.2.1 加熱爐基本尺寸輥道上表面標高：+900 mm加熱爐基礎面標高：8100 mm裝出料輥道中心距：60500 mm加熱爐砌體全長：54000 mm加熱爐有效長度：52

43、600 mm加熱爐砌體寬度：11572 mm加熱爐內(nèi)寬：10700 mm煙囪高度：80m煙囪出口直徑：3.6m 圖2.1加熱爐示意圖2.2.2 加熱爐基本參數(shù)a) 坯料規(guī)格連鑄坯：厚度：200mm、220mm、300mm寬度：對220mm坯料 18002600mm對250、320mm坯料 18002600mm長度：26004800mm 標準板坯規(guī)格22022003600mm 標準板坯質(zhì)量13.6tb) 加熱鋼種碳素結構鋼板、低合金結構鋼板、建筑結構板、耐大氣腐蝕鋼板、橋梁鋼板、造船鋼板、管線鋼板、鍋爐鋼板、壓力容器鋼板、機械工程用鋼板等。c) 坯料入爐溫度冷坯：室溫（以20計）。熱坯：4007

44、00；熱裝比：4050%。d) 坯料出爐溫度：10501250。e) 爐子座數(shù)：2座f) 爐子小時產(chǎn)量：220t/h(額定) 280t/h(最大)g) 年加熱量：200萬t；h) 燃料種類：焦爐煤氣，其低發(fā)熱值為40004.18kj/m3。2.3 爐型結構特點加熱爐采用端部裝鋼機上料和端部出鋼機出料方式，加熱爐上部采用平焰燒嘴和側向燒嘴相結合的供熱形式；下部全部采用側向供熱方式。加熱爐共設置八個爐溫自動控制段。爐型采用上、下供熱滾輪斜臺面全液壓驅(qū)動的步進梁式加熱爐。加熱爐的結構：一座爐子配備兩臺裝鋼機，兩臺裝鋼機可以同時運行（不要求同步）。一座爐子配備兩臺出鋼機，兩臺出鋼機可以同時運行（不要求

45、同步）。為適應雙排裝料，加熱爐設置兩套步進機械，雙升降框架和平移框架，配備各自的傳動機構，提高加熱爐的操作靈活性。加熱爐設八個供熱段，八段爐溫自動控制，通過設定各部分加熱的溫度值，控制各段燃料量的輸入，保證出鋼溫度及溫度的均勻性。加熱爐配置的燒嘴調(diào)節(jié)比大，可靈活調(diào)節(jié)供熱量。燒嘴的供熱能力是通過熱工計算確定的，在確定各燒嘴的供熱能力時考慮一定的富裕能力，便于各段爐溫制度的調(diào)節(jié)。燒嘴的型式及供熱能力見表2-1。表2-1 加熱爐燒嘴型式及能力配置部 位上部加熱段下部加熱段各 段 名 稱預熱段加熱1加熱2均熱段預熱段加熱1加熱2均熱段供熱比例（%）8.814.614.07.89.316.916.711

46、.9燒嘴個數(shù)6103630610128燒嘴型式側燒嘴側燒嘴平焰平焰?zhèn)葻靷葻靷葻靷葻鞛榱诉m應熱坯加熱和冷熱坯交替裝入時的加熱要求，以及爐子小時產(chǎn)量變化大（177300t/h）和加熱溫度變化大（10501250）的加熱要求，采用多區(qū)供熱的箱型結構，便于分區(qū)控制各段溫度；各供熱段用隔墻適當分隔，預熱段和一加熱段設有開關式燒嘴，在熱裝時可以根據(jù)需要關閉預熱段和一加熱段燒嘴，獨立地進行流量調(diào)節(jié)和溫度控制。多區(qū)分段控制能很好地適應低溫加熱與控制軋制，同時適應加熱爐產(chǎn)量的變化。第三章 加熱爐基礎自動化控制系統(tǒng)隨著冶金生產(chǎn)技術和工藝設備的不斷發(fā)展，以及計算機和可編程控制器的出現(xiàn)，加熱爐的的計算機控制系

47、統(tǒng)也得到了日益廣泛的應用，基礎自動化系統(tǒng)的組成主要是plc+hmi系統(tǒng)組成了監(jiān)視和控制系統(tǒng)，通過工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡，實現(xiàn)hmi和plc以及plc和現(xiàn)場級控制設備的通訊和控制。基礎自動化系統(tǒng)包括燃控系統(tǒng)和順控系統(tǒng)，它們的功能介紹如下：燃控系統(tǒng)主要功能：（1）每段爐溫自動控制、記錄、聯(lián)鎖報警；（2）每段煤氣流量控制、記錄、聯(lián)鎖報警；（3）每段空氣流量控制、記錄、聯(lián)鎖報警；（4）爐壓控制、記錄、聯(lián)鎖報警；（5）爐內(nèi)含o2量檢測控制；（6）爐尾爐溫測量、指示；（7）換熱器前后煙溫測量、指示、聯(lián)鎖報警；（8）換熱器煙溫保護控制、記錄、聯(lián)鎖控制；（9）燃燒空氣壓力控制、記錄、聯(lián)鎖控制；（10）煤氣總

48、管壓力控制、記錄、聯(lián)鎖控制。順控系統(tǒng)的主要功能：（1）板坯在板坯庫輥道、裝爐輥道上定位；（2）稱重機控制；（3）板坯測長，測寬；（4）推鋼機位置及行程控制；（5）裝出爐輥道的控制；（6）加熱爐裝出料側的爐門控制；（7）步進機械控制；（8）板坯在爐區(qū)輥道上的位置跟蹤；（9）液壓站設備控制。以下重點分析本項目中采用的雙交叉限幅溫度控制系統(tǒng)和模糊控制器的設計，以及步進梁的速度曲線優(yōu)化策略。3.1 雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)目前最常用的控制方式為串級雙交叉限幅空燃比控制，其系統(tǒng)如圖3.1所示 圖3.1 雙交叉限幅溫度控制系統(tǒng)tpv、spt爐溫的測量值和設定值pvf、spf燃料流量的測量值和設定值pva、s

49、pa空氣流量的測量值和設定值hs、ls高值和低值選擇器tc、ffc、fac分別為溫度、燃料流量、空氣流量調(diào)節(jié)器x、1/x乘法器和除法器b1、b2、b3、b4偏置系數(shù)hl、ll高頻和低頻濾波器tpv爐溫mvt溫度調(diào)節(jié)器輸出(燃料目標流量)目前，維持確定空燃比的爐溫控制算法已經(jīng)逐漸成熟，在雙交叉限幅的基礎上，又開發(fā)了變增益交叉限幅、串級比值等新的控制策略。爐溫調(diào)節(jié)除普通的串級pid外，也出現(xiàn)了改進型的二自由度pid、ipd等類型。交叉限幅控制的特點是采用一個最大選擇器和一個最小選擇器，其目的是保證當爐溫低于設定值，需要增加燃料流量時空氣先行；而當爐溫高于設定值，需要減少燃料流量時燃料先行，以防止冒

50、黑煙。該方法已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)燃燒控制中，它能在動態(tài)過程中保證空燃比在規(guī)定范圍內(nèi)，從而使燃燒過程最佳，節(jié)約能量，減少環(huán)境污染。通過雙交叉限幅控制系統(tǒng)的投用，使得在整個自動燃燒的過程中，動態(tài)空燃比始終保持在3.54.3之間，在生產(chǎn)節(jié)奏發(fā)生變化時，空煤氣流量發(fā)生較大變化時，空燃比始終能保持動態(tài)的跟蹤，沒有出現(xiàn)冒黑煙現(xiàn)象，氧化燒損也較理想，實現(xiàn)了空燃比的自動控制。3.2 爐溫模糊控制系統(tǒng)串級雙交叉限幅控制系統(tǒng)實現(xiàn)了空氣和燃料比例控制和動態(tài)條件下的空燃比控制，較好地解決了燃料的不完全燃燒的現(xiàn)象，但無法實現(xiàn)爐溫的快速響應控制，傳統(tǒng)的pid控制系統(tǒng)能實現(xiàn)很小的穩(wěn)態(tài)誤差，但溫度偏差大時的快速溫度控制也難以實

51、現(xiàn)，本文結合近年來廣泛應用的智能控制理論：模糊控制算法，提出了fuzzy-pid控制算法，在溫度偏差大和溫度偏差的速率大時，采用模糊控制算法，用模糊控制器代替串級溫度控制中的溫度調(diào)節(jié)器tc，將模糊控器的輸出送至雙交叉限幅運算器，經(jīng)雙交叉限幅計算后送至空煤氣調(diào)節(jié)器，使空煤氣調(diào)節(jié)閥能較快地響應，實現(xiàn)溫度快速響應，在穩(wěn)態(tài)誤差較小時，恢復到串級控制，采用溫度調(diào)節(jié)器和流量調(diào)節(jié)器的串級pid控制系統(tǒng)，實現(xiàn)高精度的溫度控制。與傳統(tǒng)控制方法相比，模糊控制的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下兩個方面。首先，模糊控制不需要控制系統(tǒng)的精確數(shù)學模型。第二，在工程實際中，可以根據(jù)經(jīng)驗建立較好的模糊控制器。區(qū)別于傳統(tǒng)控制器設計方法，模糊

52、控制系統(tǒng)設計不需要精確的數(shù)學模型。即模糊規(guī)則、模糊邏輯運算和模糊集隱含地包括了系統(tǒng)模型。模糊規(guī)則將描述系統(tǒng)狀態(tài)變量的模糊集與模糊控制器的輸出聯(lián)系起來。模糊控制將模糊建模任務和系統(tǒng)控制任務結合在一個任務中，通過避免分別的建模任務，通常可以更有效和高效地解決控制問題?，F(xiàn)今，模糊控制器和控制系統(tǒng)的廣泛應用證明了這點。3.2.1 模糊控制器結構模糊控制是以模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種智能控制，它模仿人的模糊推理和決策過程。首先，將操作人員或?qū)＜医?jīng)驗編成模糊規(guī)則，然后將來自傳感器的實時信號模糊化，將模糊化后的信號作為模糊規(guī)則的輸入，進行模糊推理，將推理后得到的輸出量送到執(zhí)行器或者下

53、一級控制系統(tǒng)中。模糊控制器的基本結構如圖3.2所示，由四部分組成。其中為系統(tǒng)的給定值，是系統(tǒng)偏差、是偏差的變化率(也可以是偏差的積分)，為系統(tǒng)輸出。和是模糊控制器的輸入，為控制器的輸出。、分別是、和的模糊量。圖3.2 基本模糊控制器的結構1)模糊化：主要作用是將真實世界的確定量輸入轉(zhuǎn)換為一個模糊矢量。2)規(guī)則庫：規(guī)則庫中包含了具體應用領域中的規(guī)則和控制目標。它通常由數(shù)據(jù)表和模糊控制規(guī)則兩部分組成。3)模糊推理：模糊推理是模糊控制器的核心，它具基于模糊概念的有模擬人的推理能力。該推理過程是基于模糊邏輯中的蘊含關系及推理規(guī)則來進行的。4)清晰化：清晰化也是反模糊化，是將模糊推理得到的控制量(模糊量

54、)變化為實際用于控制的精確量。3.2.2爐溫模糊控制器的設計爐溫的控制，最終是通過控制空氣和煤氣調(diào)節(jié)閥的開度變化，改變進入爐膛燃燒的煤氣量來實現(xiàn)溫度控制的。爐溫的模糊控制和串級pid控制的自動切換，是根據(jù)溫度的偏差大小來自動實現(xiàn)的，當溫度偏差較大時，為使溫度能快速地響應，從而用模糊控制方法，當溫度的偏差值進入一定的區(qū)間時，則自動轉(zhuǎn)換為pid控制，實現(xiàn)較小穩(wěn)態(tài)誤差控制。爐膛溫度為被控制量，煤氣流量為控制量，根據(jù)實際控制要求，本模糊控制器溫度值與給定值的偏差e的語言變量值取(負大，負中，負小，零，正小，正中，正大)，偏差的變化率ec及煤氣流量的增量的語言變量值取(負大，負中，負小，零，正小，正中，

55、正大)，量化等級都取-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+l，+2，+3，+4，+5，+6，各模糊子集的隸屬函數(shù)取三角型函數(shù)。由于在不同的溫度下，系統(tǒng)要求的工作狀態(tài)是不同的，對誤差及誤差變化率的加權值應有所不同，當溫度誤差e比較大時，模糊控制器的主要任務是快速地消除誤差，因此應該取較大的值，即加強誤差e的權值，以加速系統(tǒng)的響應速度。反之，當溫度誤差e較小時，控制器的主要任務是使系統(tǒng)盡快趨于穩(wěn)定，應取較小的值，既加強誤差變化率ec的權值，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了滿足系統(tǒng)在不同的狀態(tài)下對修正因子的不同要求，引入了2個修正因子和。表達式如下： (3.1)其中，為0到1之間的實數(shù)，且。通常情況下，選取。本系統(tǒng)中選取，并建立模糊控制查詢