鞍鋼步進(jìn)式加熱爐智能控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用畢業(yè)論文

1、 步進(jìn)梁式加熱爐智能控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用該系統(tǒng)采用參數(shù)實(shí)時(shí)跟蹤檢測(cè)，結(jié)合數(shù)值計(jì)算、專家系統(tǒng)和智能推理，建立最佳燃燒狀態(tài)、軋制節(jié)奏、鋼坯軋制溫度、待軋、待加熱、冷熱鋼坯混裝、空燃比、爐膛壓力等輔助狀態(tài)參數(shù)的在線實(shí)時(shí)專家系統(tǒng)主模型和基于傳感器的在線實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型。強(qiáng)大的統(tǒng)計(jì)分析功能，使生產(chǎn)過(guò)程更具可追溯性；信息傳輸自動(dòng)化和智能控制系統(tǒng)的三位一體應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了信息網(wǎng)絡(luò)化和管理-技術(shù)-控制一體化；DNA(分布式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用)的三重結(jié)構(gòu)使其在不同加熱爐中的應(yīng)用更加靈活。關(guān)鍵詞:加熱爐模塊專家系統(tǒng)1.介紹隨著現(xiàn)代軋機(jī)向連續(xù)、高速、高精度、多品種方向發(fā)展，對(duì)鋼坯加熱質(zhì)量的要求越來(lái)越高，這也對(duì)加熱爐的加熱過(guò)程和計(jì)

2、算機(jī)自動(dòng)控制提出了更高的要求。目前，計(jì)算機(jī)控制在國(guó)外高速線材加熱爐中的應(yīng)用較為普遍，但其控制水平大多還停留在燃燒控制的水平。數(shù)學(xué)模型在加熱過(guò)程控制的在線狀態(tài)估計(jì)和計(jì)算機(jī)優(yōu)化中的應(yīng)用尚處于研究階段。我國(guó)高速線材加熱爐的建模和計(jì)算機(jī)控制研究起步較晚，雖然取得了很大進(jìn)展。但由于加熱爐控制規(guī)律復(fù)雜，難以建立完整的數(shù)學(xué)模型，現(xiàn)場(chǎng)原燃料和測(cè)量?jī)x表的檢測(cè)精度難以滿足要求。迄今為止，線材加熱爐的控制(常規(guī)儀表控制或計(jì)算機(jī)控制)大多處于燃燒控制或半經(jīng)驗(yàn)設(shè)定點(diǎn)控制階段。為了解決加熱爐過(guò)程穩(wěn)定和連續(xù)優(yōu)化控制的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了加熱爐智能優(yōu)化控制系統(tǒng)。鞍鋼線材廠經(jīng)過(guò)一年多的運(yùn)行，供熱質(zhì)量和燃料消耗水平有了很大提高，產(chǎn)生了巨

3、大的市場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)效益。2.安鋼線材加熱爐的特點(diǎn)及生產(chǎn)中常見(jiàn)的問(wèn)題。2.1鞍鋼線材廠加熱爐的特點(diǎn):采用步進(jìn)梁底組合結(jié)構(gòu)。加熱爐的有效尺寸為2494013400mm，分為三段加熱和五段控制。三線軋制，設(shè)計(jì)產(chǎn)量125t/h，實(shí)際產(chǎn)量150t/h，燃料為高焦混合氣。2.2軋鋼加熱爐生產(chǎn)中的常見(jiàn)問(wèn)題:(1)加熱質(zhì)量不穩(wěn)定，每個(gè)班組人員根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)加熱，因?yàn)槊總€(gè)操作人員經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)節(jié)奏的動(dòng)態(tài)變化，使得每個(gè)班次的供熱質(zhì)量和油耗都有很大差異。(2)統(tǒng)計(jì)分析功能不完善，影響供熱質(zhì)量的因素缺乏可追溯性。(3)加熱爐設(shè)備劣化趨勢(shì)嚴(yán)重。操作人員手動(dòng)加熱，調(diào)節(jié)滯后，造成爐壓波動(dòng)大，加熱爐設(shè)備故障率上升，嚴(yán)重影響加熱爐的

4、使用壽命和生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性。(4)工人勞動(dòng)強(qiáng)度大:操作人員在加熱時(shí)采用手動(dòng)調(diào)節(jié)，在儀表監(jiān)控的同時(shí)，仍頻繁往返于儀表間和加熱爐現(xiàn)場(chǎng)之間；燃?xì)鉄嶂挡▌?dòng)往往導(dǎo)致空燃比調(diào)整不當(dāng)，燃料燃燒不充分，嚴(yán)重影響工作環(huán)境。(5)鋼坯熱裝潛力不能充分體現(xiàn)，造成能源浪費(fèi)。加熱爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則3.1從控制論的角度闡述了軋鋼加熱爐加熱過(guò)程控制的復(fù)雜性:(1)“爐溫控制”與“溫度控制”的概念完全不同。(2)加熱過(guò)程能耗的非線性導(dǎo)致過(guò)程控制的非線性。(3)爐溫控制、爐況控制和軋制線況控制的交叉和操作。(4)實(shí)時(shí)控制和預(yù)測(cè)控制的交叉和運(yùn)算。(5)控制參數(shù)、控制時(shí)間和控制強(qiáng)度的組合優(yōu)化及控制優(yōu)先級(jí)的確定。(6)加熱爐加熱過(guò)

5、程控制效果的統(tǒng)計(jì)、分析和效果評(píng)價(jià)。3.1.1離線數(shù)學(xué)模型的建立爐溫控制與傳統(tǒng)控制理論中“溫度控制”概念的區(qū)別在于，爐溫控制不僅與供給的能量有關(guān)，還與物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和流體力學(xué)過(guò)程有關(guān)。作為一個(gè)分布參數(shù)系統(tǒng)，連續(xù)加熱爐可以用下面的偏微分方程來(lái)描述，即:=0+bt(x,)b()xt(x,)+t(x，)u(x，)類型:B-熱物理參數(shù)(厚度、導(dǎo)熱系數(shù)等。)總結(jié)為b=b(x)或b=cs/，其中C-比熱；-鋼材的密度；s-鋼的厚度；-坯段和界面質(zhì)量交換的熱交換系數(shù)；T(x，)-鋼坯溫度隨爐長(zhǎng)坐標(biāo)x隨時(shí)間的變化。在加熱爐入口處(x = 0)，t(x，) = t (0，)= t0()；U(x，)-在時(shí)間間隔0

6、 T內(nèi)沿爐長(zhǎng)(0 xL)分布的爐溫，x軸與鋼坯運(yùn)動(dòng)方向正相關(guān)。()-鋼坯沿X軸正向的前進(jìn)速度。要建立一個(gè)嚴(yán)格完整的加熱爐理論模型，至少它必須由以下基本方程組成:=0 xi(i)+連續(xù)方程:xjxkkxji+-2月3日)+gi-xji(i)+ixi(i)xj(=動(dòng)量方程:Ca普通txi(h)t(rh)=+ixj+h+（-1) 哈+Sh能量方程:rurururururuxj=1xjxjCaxjt(Ca)+jxj(Ca)=鈧u+化學(xué)成分方程式:(公式中的物理意義請(qǐng)參考傳熱學(xué)和燃燒動(dòng)力學(xué)的相關(guān)部分)用連續(xù)性方程和動(dòng)量方程確定流場(chǎng)，能量方程主要確定溫度場(chǎng)，化學(xué)成分方程主要確定濃度場(chǎng)，后兩個(gè)方程涵蓋了化學(xué)

7、反應(yīng)生產(chǎn)率和輻射傳熱源。但由于加熱和傳熱的復(fù)雜性，本系統(tǒng)在分析加熱爐傳熱機(jī)理的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了離線數(shù)學(xué)模型，重點(diǎn)研究加熱爐各段的燃料量分配。具體表達(dá)式可以描述如下:I =(I，x1，x2，x3，x4，xn)類型:加熱爐I段數(shù)(I = 1 5)為I段燃油的分配量。Xi輸入變量如鋼種、規(guī)格、尺寸、軋制節(jié)奏、煤氣熱值、熱裝率、鋼坯軋制溫度等。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了加熱爐離線數(shù)學(xué)模型表格格式數(shù)據(jù)庫(kù)。表1給出了加熱爐在各種工況下的主要工藝參數(shù)。利用表1中的數(shù)據(jù)，可以確定不同工況下加熱爐各段的爐溫設(shè)定、煤氣流量、空燃比、空氣流量等過(guò)程控制所需的調(diào)節(jié)參數(shù)。加熱爐過(guò)程離線數(shù)學(xué)模型的建立，為構(gòu)建加熱爐專家規(guī)則庫(kù)，實(shí)現(xiàn)

8、計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)在線控制和智能化奠定了基礎(chǔ)。加熱爐離線數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)庫(kù)簡(jiǎn)表項(xiàng)目滾動(dòng)計(jì)劃編號(hào)111 112 113 114 211 212 213 214 311左均熱段氣體流量/(m3 * h-1)1190 1200 1195 1170 1190 1210 1225 1215 1170浸泡段氣體流量/(m3 * h-1)1200 1340 1210 1290 1500 1300 1320 1225 1900右均熱段氣體流量/(m3 * h-1)1200 1150 1220 1500 1200 1210 1225 1915 1200上部加熱段的氣體流量/(m3 * h-1)8000 8750 8900

9、7800 8000 9100 8755 8550 8200下部加熱段的氣體流量/(m3 * h-1)2000 2100 1900 2500 2300 1800 1995 2150 2550左均熱段溫度設(shè)置/1220 1225 1210 1250 1215 1220 1216 2100 1215均熱段溫度設(shè)置/1250 1245 1230 1260 1215 1225 1235 1240 1245右均熱段溫度設(shè)置/上加熱段的溫度設(shè)置/下加熱段的溫度設(shè)置/板坯出料溫度/鋼坯溫差/軋制速度/(米*秒-1)充電溫度/生成策略代碼103 104 102 109 116 102 117 103 1143.

10、1.2專家知識(shí)和鑒別規(guī)則軋鋼加熱爐的控制僅僅依靠數(shù)學(xué)模型，與實(shí)際生產(chǎn)情況相差甚遠(yuǎn)。實(shí)踐表明，以離線數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，建立一系列加熱過(guò)程的“專家知識(shí)”和“判別規(guī)則”，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的智能判斷和計(jì)算，進(jìn)而確定控制參數(shù)、控制時(shí)間、控制強(qiáng)度和優(yōu)先級(jí)，即擺脫復(fù)雜的計(jì)算，解決加熱爐控制中的時(shí)滯和多擾動(dòng)問(wèn)題，是高效可行的。爐溫控制、爐況控制和軋線條件控制的交叉與操作:爐溫控制的好壞直接導(dǎo)致?tīng)t況和軋線條件的變化，爐況和軋線條件的變化決定了爐溫控制的方式。實(shí)時(shí)控制與預(yù)測(cè)控制的交叉與操作:正常生產(chǎn)下，當(dāng)爐況運(yùn)行平穩(wěn)時(shí)，對(duì)爐溫的控制比較簡(jiǎn)單，就是爐溫的微調(diào)控制。但在正常生產(chǎn)條件下，如果不能預(yù)測(cè)和控制爐溫的發(fā)展趨勢(shì)，那么爐

11、溫的微調(diào)控制就不能改變爐溫的波動(dòng)趨勢(shì)，就會(huì)導(dǎo)致軋制停止。在該系統(tǒng)中，我們引入了基于專家規(guī)則的多目標(biāo)操作控制和狀態(tài)轉(zhuǎn)換方法，很好地解決了這一問(wèn)題。4.加熱爐控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理該系統(tǒng)以離線數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，建立了在線實(shí)時(shí)專家系統(tǒng)的主控模型和基于實(shí)時(shí)傳感器技術(shù)的在線實(shí)時(shí)輔助狀態(tài)參數(shù)如最佳燃燒狀態(tài)、軋制節(jié)奏、鋼坯軋制溫度、待軋、待軋溫度、冷熱鋼坯混裝、空燃比、爐膛壓力等的動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型。工作原理如圖1所示:系統(tǒng)接收鋼坯上料信號(hào)，根據(jù)軋制計(jì)劃中的鋼坯信息和模型庫(kù)中的爐況信息模型，在專家?guī)熘羞x擇相應(yīng)的策略代碼，根據(jù)策略代碼和鋼坯爐位信息，可以建立各工段相應(yīng)的熱工制度。基于實(shí)時(shí)傳感器技術(shù)，根據(jù)專家規(guī)則進(jìn)行

12、智能推理，調(diào)度各優(yōu)化模塊的控制參數(shù)、控制時(shí)間、控制強(qiáng)度和優(yōu)先級(jí)，并將計(jì)算結(jié)果發(fā)送至在線實(shí)時(shí)主控模塊。：系統(tǒng)接收到鋼坯入爐信號(hào),根據(jù)軋制計(jì)劃中鋼坯信息和模型數(shù)據(jù)庫(kù)中的加熱爐爐況信息模型在專家數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇相應(yīng)的策略代號(hào),根據(jù)該策略代號(hào)和鋼坯爐位置信息,可以建立各段相應(yīng)的熱工制度?；趯?shí)時(shí)傳感器技術(shù)和依據(jù)專家規(guī)則的智能推理排定各優(yōu)化模塊的調(diào)控參數(shù)、調(diào)控時(shí)間、調(diào)控力度和優(yōu)先級(jí),運(yùn)算結(jié)果發(fā)送至在線實(shí)時(shí)主控模塊。：系統(tǒng)接收到鋼坯入爐信號(hào)，根據(jù)軋制計(jì)劃中鋼坯信息和模型數(shù)據(jù)庫(kù)中的加熱爐爐況信息模型在專家數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇相應(yīng)的策略代號(hào)，根據(jù)該策略代號(hào)和鋼坯爐位置信息，可以建立各段相應(yīng)的熱工制度?；趯?shí)時(shí)傳感器技術(shù)和

13、依據(jù)專家規(guī)則的智能推理排定各優(yōu)化模塊的調(diào)控參數(shù)、調(diào)控時(shí)間、調(diào)控力度和優(yōu)先級(jí)，運(yùn)算結(jié)果發(fā)送至在線實(shí)時(shí)主控模塊。模塊化數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)模塊化數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)軋制圖解模型數(shù)據(jù)庫(kù)專家數(shù)據(jù)庫(kù)爐內(nèi)鋼坯位置跟蹤爐溫動(dòng)態(tài)設(shè)定模塊等待碾壓和事故處理模塊軋制溫度反饋控制模塊爐膛壓力調(diào)節(jié)模塊滾動(dòng)節(jié)奏調(diào)節(jié)模塊爐溫跟蹤調(diào)節(jié)模塊示例空燃比調(diào)節(jié)模塊在線主控模塊智能推理機(jī)統(tǒng)計(jì)圖書(shū)館模型數(shù)據(jù)庫(kù)優(yōu)化模塊圖1加熱爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖1加熱爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)5.效果評(píng)估(1)降低加熱爐的能耗從2003年12月到2004年5月，系統(tǒng)運(yùn)行后油耗降低了3.6%。以年加熱鋼坯70萬(wàn)噸計(jì)算，年節(jié)約燃料費(fèi)用55.8萬(wàn)元。(2)減少氧化燒損試驗(yàn)后，系統(tǒng)的氧化燒損比投

14、運(yùn)前降低了0.2%。按加熱70萬(wàn)噸鋼坯計(jì)算，年節(jié)約原材料1400噸，鋼坯與秤相差1900元/噸，年節(jié)約原材料成本266萬(wàn)元。(3)減少特殊鋼的脫碳層。經(jīng)測(cè)試，與系統(tǒng)投運(yùn)前相比，特殊鋼平均脫碳層減少了40%。(4)降低了鋼坯孔型棒的溫差。系統(tǒng)投運(yùn)前，棒材平均溫差為80100，系統(tǒng)投運(yùn)后，棒材平均溫差為3060(這與我廠的爐型結(jié)構(gòu)有關(guān))。6.結(jié)束語(yǔ)該系統(tǒng)根據(jù)滾動(dòng)作業(yè)計(jì)劃實(shí)現(xiàn)了整個(gè)生產(chǎn)加熱過(guò)程的自動(dòng)監(jiān)控，實(shí)施了合理的熱力制度，解決了四班制加熱作業(yè)不一致的問(wèn)題，穩(wěn)定了加熱過(guò)程，提高了加熱質(zhì)量。通過(guò)監(jiān)測(cè)煤氣熱值和殘氧量的變化，實(shí)現(xiàn)最佳空燃比，提高燃燒效率，減少煙氣對(duì)環(huán)境的污染。實(shí)時(shí)控制和預(yù)測(cè)控制的智能判斷和計(jì)算，避免了因加熱而造成的停軋和待軋。綜合考慮軋制節(jié)奏變化、開(kāi)軋溫度變化、燃料熱值變化、爐壓變化、冷熱鋼坯和長(zhǎng)鋼坯混裝、待軋、停軋等引起的爐溫和爐況波動(dòng)，保證軋制線況順行，延長(zhǎng)加熱爐使用壽命。繪制相關(guān)參數(shù)的歷史趨勢(shì)；還具有按班次、批次、小時(shí)統(tǒng)計(jì)查詢功能，完善了統(tǒng)計(jì)分析功能，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程的可追溯性。該系統(tǒng)合理利用了加熱爐溫度資源，減少了自由浪費(fèi)和資源消耗，充分發(fā)揮了鋼坯熱送的效益。實(shí)現(xiàn)與管理網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和資源共享。參考B.A.