（控制理论与控制工程专业论文）蓄热式加热炉控制系统设计及烟温控制方法研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 摘要 加热炉是冶金企、【k 最主要的耗能设备，其自动控制策略是过程控制领域内的 一个重要的研究方向。如何使自动控制系统能够确保钢坯的加热质量、节约加热 炉的能耗、确保燃烧系统的最侍燃烧、延长加热炉设备的寿命以及降低对环境的 污染一直是该研究领域要致力解决的问题。 莆热式加热炉的出现大大提高了热回收的效率，目前【f 被大规模推广应用。 但同时也给自动控制带来了新问题：排炯温度与炉膛压力这一对相互影响的参数 都只能通过同一个排烟阀实现调节，在二者相互矛盾的时候如何实现有效的控制 是蓄热式加热炉控制卜有待于解决的控制难题。 本文以l ；十肃兰泰公司棒材推钢加热炉的控制系统设计为背景，在介绍蓄热式 换热、蓄热式燃烧技术的基本工作原理、双蓄热原理、计算机控制系统的结构以 及蓄热式加热炉的工艺流程的基础上，针对现场中遇到的排烟温度与炉膛压力控 制器设计问题，提出了一种新的模糊控制思想。该控制策略摒弃了传统的单回路 p i d 控制思想，提出基于排烟温度与炉膛压力为输入，以排烟阀开度为输出的模糊 控制器，实现兼顾排烟温度与炉膛压力的控制目标，克服了传统控制不能兼顾控 制两个控制量的弊端。 关键词：加热炉，双蓄热燃烧技术，模糊控制 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a st h em a i n e n e r g y - c o n s u m i n ge q u i p m e n ti nm e t a l l u r g ye n t e r p r i s e ，t h es t r a t e g yo f a u t o m a t i cc o n t r o lo f h e a t i n gf u r n a c ei so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c si nt h e f i e l do fr e l a t e dp r o c e s sc o n t r 0 1 h o wt od e s i g na ne x c e l l e n ta u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m ， w h i c hc a nn o to n l ye n s u r et h eh e a t i n gq u a l i t y ；b u ta l s oe c o n o m i z ee n e r g yc o n s u m e ， e n s u r eg o o d b u r n i n gq u a l i t y , p r o l o n g t h el i f eo f t h ee q u i p m e n t sa n dr e d u c et h ep o l l u t i o n o ft h ee n v i r o n m e n t ，a r et h em a i np r o b l e m s w a i t i n gt ob es o l v e d r e g e n e r a t i v eh e a t i n gf u r n a c eh a sg r e a t l ye n h a n c e dt h ee f f i c i e n c yo f h e a tr e c y c l e h o w e v e r , t h e r ea r ec o n f l i c t sb e t w e e nt h ec o n t r o lo f f u r n a c ec h a m b e r p r e s s u r ea n d w a s t e s m o k et e m p e r a t u r e ，a n di ti sas p i n yp r o b l e mh o w t oc o n t r o lt h e m i nt h i st h e s i s ，an e w c o n t r o lm e t h o di sp r o p o s e d b a s e do nt h ed e s i g no fa u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e m o fl a n z h o ul a n t a is t e e l c o m p a n y sb a rd o u b l er e g e n e r a t i v eh e a t i n gf u r n a c e ，w e i n t r o d u c et h eb a s i ct h e o r i e s o f r e g e n e r a t i v eh e a t i n ge x c h a n g i n g ，d o u b l e r e g e n e r a t i v eh e a t i n gt e c h n o l o g yp r i n c i p l e ， s t r u c t u r eo fc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e ma n dt h ec r a f t w o r ko f r e g e n e r a t i v eh e a t i n gf u m a e e ， e t c t h ea p p r o a c hm e n t i o n e di nt h et h e s i ss p u m st h et r a d i t i o n a ls i n g l e f e e d b a c kp i d c o n t r o lf o rf u r n a c e sc h a m b e rp r e s s u r ea n dw a s t es m o k et e m p e r a t u r e c o n f i d e r i n g b o t hf u r n a c e sc h a m b e rp r e s s u r ea n dw a s t es m o k e t e m p e r a t u r e ，w eg i v ea n e wf u z z y c o n t r o lm e t h o d ，w h i c ha d j u s tt h ev a r i a b l eo fs m o k ev e n t i l a t i n gv a l u et o s o l v et h e p r o b l e m k e y w o r d s ：h e a t i n g f u r n a c e ， d o u b l e r e g e n e r a t i v eh e a t i n g t e c h n o l o g y ， f u z z y c o n t r o l ，i i - 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包括其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 本人签名：，j 乜痞，驴 日期：御侔z 月 东北大学硕士学位论文 第一章概述 第一章概述 1 1 连续式加热炉简介 连续式加热炉是轧钢行业中重要的工艺生产设备之一。钢坯由炉尾裟入，边 前进边加热，被加热到所需要的温度盾，经过出钢口出炉，再沿着辊道送往轧钢 机。连续式船热炉的工作是连续蛙的，钢坯在炉内靠攘钢枕的接力沿着炉底的港 道不断地向前移动，加热后不断地排出。在炉子工作稳定的情况下，炉内的各点 渴度是相对稳定的，加热炉炉膛可以视为一个稳定的温度场，钢坯在炉膛内的传 热可以看作是稳定态传热，这样可以傈证批量的钢坯的加热质量。 连续式加热炉特点各异“。，从炉子的结构和加热方式等方面可以把连续式加热 炉分成以下几类： 夺按所用的燃料分类：使用固体燃料的、使用重油的、实用气体燃料的、使 用混合燃料的。 夺按钢料在炉内魄运动方式分类：推钢式炉、步进式炉、辊底式炉等等。 夺按空气和煤气的预热方式分类：不预热式炉、换热式炉、蓄热式炉( 单蓄 热式和双蓄热式) 。 推钢式连续加热炉是目前应用最广泛的一种型式。炉膛内采取多点供热以控制 炉温，现在很多设计一k 都使用三段式连续加热炉。一般三段式连续加热炉在加热 制度上采取预热期、船热期、均热期三段温度制度，在炉子结构上也相应迪分为 预热段、加热段、均热段三个供热点。钢坯或钢锭由炉尾推入后，先进入预热段 缓慢升温，然后再进入加热段迅速把钢料表面升温到出钢所要求的温度，经过加 热段后，钢料内岁 还有较大的偏差，最后进入温度较低的均热段进行均热，这时， 镪剁表面的温度不再升高，钢料内外的温度逐渐地趋予均匀。 搬热炉在保证安全运行及完成加热钢坯任务舱同时i ，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 定在控制范罔之内，并且能够使粕热炉工作在最佳燃烧区内，提高产品质量且能 东北大学硕士学位论文第一章概述 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，足提高企、| p 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荚注的热门课题。 1 2 蓄热式燃烧技术 蓄热式燃烧技术是随着工业的发展、科技的进步和市场的需求发展起来的一 门新兴的技术。这种技术是基于蓄热室的概念来回收废气的余热米预热，以提高 燃烧效率。 蓄热室的概念早在1 9 世纪就被提出。在1 8 5 8 年，出现了真正的蒂热室，如 果蓄热材料的耐高温和抗腐蚀性能能够满足要求，可以将空气预热到1 0 0 0 。c 或者 更高。早期的蓄热室的蓄热体是格子砖，单位换热面积比较小，蓄热室造价比较 高，并且体积庞大，蓄热室往往比加热炉的本身还要大，使蓄热式燃烧技术的应 用受到了限制。后来，随着冶炼和陶瓷工业的发展，利用合金( 耐热) 钢或陶瓷 制造换热器，换热器的种类增多了，耐高温的能力也得到了提高，换热器得到了 广泛的应用。这种利用合金等材料的热回收方式实际上是一种基于金属式换热器 的f 叫接预热法。目前，仍存在着一些的工业窑炉的助燃空气的预热是采用这种换 热器，但是，由于换热器的效率受其固有结构的限制，远远比不上蓄热室的换热 效果。很多换热器的空气预热温度一般为5 0 0 7 0 0 。c ，排放的废气温度仍有 3 0 0 5 0 0 。c ，像这么高的排烟温度对管道的影响还是很大的，给维修带来了一定的 压力，并且费用很高，这长期以来一直困扰着国内外的科技工作者。 为在工业产品的生产过程中节能降耗、降低产品的成本，提高经济效益，近 年米在优化生产经营、管理，改进燃料结构上下了很大的工夫，但是国际l 二对此 基本上已感到走到了尽头，难以取得更大的突破。为此，人们又不得不致力于采 用新型的节能保温材料以及先进的燃烧装置，进一步开展蓄热式余热回收系统。 直到1 9 8 0 年，蓄热体的研究工作才有了很大的进展，产生了体积紧凑的高效蓄热 审。1 9 8 2 年，英国的h o t w o r k 公司和b r i t i s hg a s 公司合作，在一座1 3 7 0 的玻 璃熔炉上建成了第一套单体的蓄热式陶瓷燃烧器( r e g e n e r a t i v ec e r a m i cb u r n e r ， 简称r c b ) 系统，标志着小型高效蓄热式燃烧系统的真正成熟。这种采用新型的蓄 热体才是真正的蕾热式热回收法，它把排气所具有的显热蓄纳在蓄热体上，然后 传递给冷空气。只要有足够的传热面积，预热空气的温度几乎可以达到与排烟等 同的温度。蓄热式热回收的工作原理如下图1 1 所示。新的蓄热体无论在材料、 2 东北大学硕士学位论文第一章概述 尺寸形状、厚度和换热面积等多方面都取得了重大的突破，同时换向时间也由原 来的1 0 3 0 m i n 缩短到0 5 n 5 m i n ，极大地提高了燃烧系统的余热回收能力和空气的 预热能力，节能效果十分显著。 i 霰龃捧气跨斑 裔溅搀气 隅风 图1 1 蓄热式热回收原理 f i g l1p r i n c i p l eo f r e g e n e r a t i v e h e a tr e c y c l i n g 1 2 1 单蓄热式加热炉工艺 蓄热式燃烧技术的工作原理与热风炉、均热炉中的蓄热式换热十分相似。但 是该系统中的烧嘴既为火焰的入口，同时也作为废气的排出口，这也是蓄热式燃 烧器与采用蓄热式预热空气的所谓蓄热炉的原则区别所在。一个r c b 系统由两个 烧嘴、两个蓄热室、一套换向装置和相配套的控制系统组成，其烧嘴间切换的工 作原理示意图如下图1 2 所示： 模式a 表示烧嘴a 处于燃烧状态，烧嘴b 处于排烟状态：燃烧所需空气经过换 向阀，再通过蓄热室a ，被其预热后在烧嘴a 中与燃料混合，燃烧生成的火焰加热 物料，高温废气通过烧嘴b 进入蓄热室b ，将其中的蓄热室加热，再经换向阀后排 出。持续一定时间后，控制系统发出换向指令，操作进入模式b 所示的状态，此时烧 嘴b 处于燃烧状态，烧嘴a 处于排烟状态：燃烧空气进入蓄热室b 时被预热，在烧 嘴b 中与燃料混合，废气经蓄热室a ，将其中蓄热室加热后排出。持续与模式a 过 程相同的时间后，又转换到模式a 过程，如此交替循环进行。由丁蓄热室燃烧器系 统的换向时间很短，炉内的火焰是相对稳定的。目前的蓄热式加热炉的排炯温度 东北大学硕士学位论文第一章概述 都能降剑1 5 0 左右，利用蓄热室的蓄热能力能够将冷空气的温度预热到l c ) 0 0 。c 以上，人人地减少了由排烟废气带走的热损失，提高了加热炉的热效率。 燃料 棱式a 蛲嘴a烧嘴e 擒炎b 幽1 2 单蓄热式燃烧技术工作原理示意图 f i 9 1 2s k e t c hm a p o f s i n g l e - r e g e n e r a t i v eh e a t i n gt e c h n o l o g yp r i n c i p l e 1 2 2 双蓄热式加热炉工艺 双蓄热式加热炉是在单蓄热式加热炉的基础上发展起来的。双蓄热式加热炉 把空气和燃料( 煤气) 均预热到一定的温度，进一步节省燃料提高燃烧的效率。 一个dr c b 系统的烧嘴由两个蓄热室、一套换向装置和相配套的控制系统组成。 一个d - r c b 系统由多个烧嘴组成，它们之间按照定时或者定温的方式交替燃烧。 其烧嘴工作原理示意图如下图1 3 所示： 4 东北大学硕士学位论文第一章概述 空气恻 蓄热室 换向阀 烟 蓄热( 排烟) 状态 烧嘴 气恻 热室 飞 燃烧( 赦热) 状态 图1 3 双蓄热式燃烧技术工作原理示意图 f i 9 1 3s k e t c h m a po f d o u b l e r e g e n e r a t i v e h e a t i n g t e c h n o l o g y p r i n c i p l e 1 2 3 蓄热式加热炉的工艺及国内外研究现状 从1 9 8 2 年出现第一台单体的蓄热式燃烧器到1 9 9 2 年该技术首先在日本实现 商品化以来，近十年来，蓄热式燃烧技术得到了迅速的发展。蓄热式燃烧技术正 逐步地由使用单一的蓄热式燃烧器的工业炉走向集燃烧系统、排烟系统、蓄热室 和炉体为一体的真正意义上的蓄热式工业炉。 除完成高质量的加热任务外，蓄热式加热炉主要的目的就是最大程度上匣i 收 加热炉的排放烟气中的那部分热量。工艺上蓄热室材料的耐高温性能以及蓄热能 力对炉子的节能效果是非常重要的。这不仅跟蓄热体的选材和形状都有很大的关 系，而且跟炉子的整体布局设计上都有很大的关系。作为加热炉的热吲收装置， 东北大学硕士学位论丈 第一章概述 曾用过金属式蓄热体。金属式蓄热体的缺点是由于受耐热程度的限制，热回收能 力有限。再加上传热面积的不足而影响热回收能力，另外，燃烧空气的配管长， 凼热散失而使预热空气温度降低。传统的金属式蓄热式加热炉的结构示意图如图 1 4 所示： s 0 0 1 ：镪嫦紫固产 将却善一嘴 将却窒气毒 嚣蝻斓：稽 ，币l 例，煮岳1 蕊鳊l i 烹茧、。蔓西b t 疆热教期热屡蚜热爱 幽14 金属式蓄热式加热炉结构幽 f i 9 14s t r u c t u r eo f m e t a l l i cr e g e n e r a t i v e h e a t i n g f u r n a c e “_ 老菇 为增强蓄热式加热炉回收余热的能力，在欧美诸国，烧嘴的蓄热体一度多为 球型砖。但是，由于这种形状的传热面积不足，热回收效果还是不理想。经过对 蓄热体的缺点的反复研究和对比，近年来，烧嘴的蓄热体多转为蜂窝状蓄热体。 相比于球型转，蜂窝状的蓄热体开口率大，在体积相同的情况下，蜂窝状的蓄热 体的传热面积约为球型转的6 倍。在容量相同的情况下，蜂窝体与球型砖比，压 力损失小得多。余热的回收能力也得到了大大的提高。图1 5 为球型状与蜂窝状 的蓄热体的比较。 现在蜂窝砖用的材料多为耐热性很强的陶瓷一氧化铝砖和堇青石“，根据这两 种材料的价格和耐热程度的不同，对它们的使用进行了合理的配置，通常把堇青 石放在低温蓄热区，把陶瓷一氧化铝砖制成片状，放在高温燃烧区。 6 东北大学硕士学位论文第一章概述 帮扶 霸 隅 - q l t a 渤。簿 释掰攀钟肼 )7 1y 轼a p a ) 比冒飘 2 4 0 矗i m 1 3 4 4 m 抽。 重盏比 1 5 l 图15 球状与蜂窝状蓄热体的比较 f i 9 1 5c o m p a r i s o n o f s p h e r i c a la n d c e l l u l a rr e g e n e r a t i v et u b e 加热工艺的制定上还要考虑加热制度、加热速度、加热时间、炉温制度、炉 内气氛等等。在加热炉的控制中，控制加热炉内的气氛是很重要的。在保证完全 燃烧的前提下，控制适当的空气消耗系数，不使炉气中有大量的过剩空气，降低 炉气中的自由氧浓度。同时注意适时地调节炉膛内的压力，保持微正压操作“， 尤其是在出钢口附近，避免吸入大量的冷空气，因为冷空气的重度大，留在炉底 钢坯表面上的使氧化层增加，而且冷空气的吸入必然降低炉温，又使加热时间延 长，浪费了大量的能源。另外，加热炉控制中必须要解决两个关键性的问题：1 ) 摔制钢坯出炉时的最佳温度。这是因为如果温度过低，达不到轧制工艺的质量要 求；温度过高则不仅浪费能源，而且会带来一些不良的后果，如钢的过热时钢的 品粒增大，使钢的机械性能下降，加工时容易产生裂纹。2 ) 实现加热炉的高效率 化，即控制钢坯以轧制质量要求的最低温度出炉和减少炉子的热损失是降低消耗 和减少钢坯烧损的最有效的途径。影响上述蓄热式加热炉控制系统性能主要因素 有：换向控制策略、钢在加热炉内的加热日寸间、炉膛温度的调节效果、烟温的控 制策略等等。 夺加热炉控制现状 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“1 。另外，目前我国轧钢加热炉的热效 率较低，掘统计，步进式的加热炉的热效率只有在3 5 左右，因此，如何提高加热 东北大学硕士学位论文 第一章概述 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。 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，i 司时保证经济地燃 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， 并日随着计算机技术的发展，加热炉的计算机技术进入实用化阶段。与工业发达 的国家相比，我国国内的加热炉计算机控制起步较晚，并且发展并不平衡。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，人量存在着人工操作。有些企业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充分的利用，控制效 果并不理想，效益不明显；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，控制系统运行不稳定。 夺蓄热式加热炉控制现状 蓄热式加热炉是近几年来发展起来的一种新型的加热炉。在现有的国内外的 加热炉中，大多数蓄热式加热炉都采取集中换向或分段集中换向”3 ，这种换向方 式的缺点是造成燃料流量和空气流量的很大波动，由于这个原因，现在国内只有 少数的蓄热式加热炉能够实现计算机自动控制。 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，这两种方法都无能为力，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、压力的影响较大， 而且由于尾气中的杂质较多，其维修量很大。因此，大多数的加热炉都没有安装 氧化锆，对燃料热值的漂移通过现场调火工人的实际经验手动修正。 提高蓄热式加热炉的整体控制水平不应该仅仅着眼于工艺的改造、更新以及 计算机系统资源的先进性，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。 东北大学硕士学位论文 第一章概述 1 3 本文的主要工作 本文以甘肃兰泰公司棒材加热炉计算机控制系统设计为背景，首先系统地介 绍了蓄热式换热原理以及蓄热式燃烧系统的工艺，然后针对甘肃兰泰公司棒材加 热炉控制系统的工艺流程及特点，对控制系统设计中涉及的工艺设备与计算机控 制系统结构等作了详尽的介绍。 排烟温度与炉膛压力是一对相互影响的控制量，它们的控制都是通过调节排 烟阀的开度来实现的。传统的控制是以它们中的一个作为主控列象加以控制，另 一个变量辅助调节。这样就不能兼顾两个量，势必会影响其中一个量的控制效果。 本文就此问题提出了一种兼顾排烟温度与炉膛压力两个变量的模糊控制的方法。 将在后面的章节里进行详细的介绍。 东北大学硕士学位论文 第二章蓄热式加热炉控制系统总体结构 第二章蓄热式加热炉控制系统总体结构 甘肃兰泰公司棒材加热炉采用了上下层式连续加热炉工艺并且每段的上下层 均分为左右部分，分别为加热左段、加热右段和均热左段、均热右段。各个段的 炉温分别独立控制，每段的烧i 觜作为个独立的换向单元。如图2 1 所示，每段的 炉膛温度有两个热电偶检测点，分别为炉顶温度和炉侧温度，温度调节以炉顶温 度为准。外围有4 路管道，分别为煤气总管、空气总管和煤气侧排烟气总管、空 气侧排烟气总管。煤气总管和空气总管上分别装有压力测点和调节阀，正常工作 时应保证压力在一定的范围之内。煤气总管上还设有煤气流量测点。总管到达炉 子时，煤气总管和空气总管分别有4 个支路，分别给4 段炉膛输送燃料和空气， 每个支路上都装有流量测点和调节阀，其流量的大小应根据系统的负荷变化和炉 膛温度与设定温度的差异来调节。每个加热段从蓄热室出来的烟气都分别汇集在 图2 1 蓄热式加热炉的：r 艺结构图 f i 9 2 1t h ec r a f t w o r ks t r u c t u r eo f r e g e n e r a t i v eh e a t i n gf u r n a c e 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章蓄热式加热炉控制系统总体结构 一起，然后汇到煤气侧排烟气总管、空气侧排烟气总管，经引风机排出烟囱。一 般地说，排烟量越大，排烟温度则越高。 2 1 计算机控制系统结构 蓄热式加热炉采用两级控制系统，实现了炉温、炉压、烟温、汽包液位等全程 自动控制。其中，上位机采用w i n c c 工控组态软件，主要负责过程参数的监视及 报警、系统参数的设定、数据报表的存档和打印及提供友好的用户操作界面。下 位机利用s i e m e n s 的s 7 4 0 0 和s 7 3 0 0 系列的p l c 产品，主要负责过程参数的采 集，对过程数据的处理并实现对象的控制，将采集到的数据送与上位工控机显示 并同时接收来自上位用户的操作指令。下位机与上位监控计算机之间利用 p r o f i b u s 实现数据的传输与通讯。 图2 2 控制系统结构图 f i 9 22s t r u c t u r eo fc o n t r o ls y s t e m 下位由于监测与控制的点数较多，由s 7 4 0 0 和s 7 3 0 0 两套p l c 组成。1 个 4 0 0c p u 管理3 个机架，完成烟温调节、炉温调节、汽包液位控制、压力调节等过 程控制以及快切阀控制、换向阀控制、水泵电机等电气控制功能；另1 个3 0 0c p u 管理3 个机架，完成电气联锁、推出钢机控制、液压系统控制、上料辊道控制、 报警等功能，共置于3 面控制柜内，其中1 面柜上盘装1 个手操器、1 台液位显示 东北大学硕士学位论文 第二章蓄热式加热炉控制系统总体结构 表和紧急按钮。节点叫的数据通讯也是利用p r o f i b u s 协议。其控制系统的结构示 意图如上网2 ，2 所示。 2 2 上位机监控软件与实现功能 2 2 1 上位机监控软件w i n c c 简介 w i n c c 是由s i e m e n s 公司开发的一种对自动控制设备或生产过程进行高速 与有效的监视和控制、以m i c r o s o f t w i n d o w s n t 或w i n d o w s 9 5 为平台的m m i ( 人 机接口) 工业控制软件包；它在图形显示中利用a c t i v e x ，v i s u a lb a s i c a p p l i c a t i o n ， o p c ( 面向过程控制的o l e ) 的m m i 产品，提供了监视、控制和数据采集功能；是 一个可扩展性强，监视性能高并有很高再利用性的监控组态软件包。提供面向对 象的动画图形、丌放的数据库格式、历史数据存储、增强的趋势分析、报警。 w i n c c 应用软件的基本架构 艮圈 l 匾疆旦卫翌l 亡= 二= 5 咖a r e a p p i i c a t i o n s i 图2 3w t n c c 软件的基本架构 f i 9 2 3b a s i ca r c h i t e c t u r eo f w i n c c s o f t w a r e w i n c c 功能丰富齐全。它提供了方便的实时数据采集、过程参数监测与报警、 数据报表存档与打印、系统参数修改等功能，为实际生产过程和用户之间建立起 直观的人机交互界面。用户可以通过编辑动态画面跟踪实际的生产流程：监测、 显示实际过程中的重要过程参数，对参数的失控和现场的异常实时报警并且能够 1 2 东北大学硕士学位论文 第 二章蓄热式加热炉控制系统总体结构 按照不同的方式通知用户，同时还提供了对报警信息进行归档，打印等功能：对 现场测量数据进行记录、归档，通过实时趋势图或历史趋势图的形式显示给用户： 另外还可为不刊用户提供级别不同的注册权限。 夺i 0 驱动映像表 任何一个二e 业自动化软件首先要做的是从工业过程中采集数据。现场传感器 检洲到的过程数据将保存在p l c 或着其它智能检测仪表的寄存器中，w i n c e 提供 了从这些存储器中读数接口，这种接口就称为i 0 驱动。驱动映像表是i o 驱动器 储存数据的内存区，扫描、报警和控制( s a c ) 从驱动映像表中提取数据不更新 数据库，同时也从数据库中提取正确的数据提供给驱动映像表，并进一步提供给 控制设备。 在驱动映像表中需要定义的是一些通讯参数，如数据的类型、扫描时间等等。 可以想象把数据映像表看作是一个邮箱的集合，表中的每个“邮箱”被称为一组 采样记录，每条记录可以是单点数据或一段地址空间连续并且数据类型相同的数 据集。新增一组采样记录时，首先要规定一个起始地址和数据集的长度，起始地 址告诉驱动表该段通讯数据在p l c 寄存器中的首地址，长度告诉驱动表该次通讯 要传输的数据个数；接着要为每组记录定义数据类型和采样时间( p o l l t i m e ) ，w i n c e 中采样时间可以定义0 2 5 5 秒。 夺画面编辑 w in e e 提供了功能强大的画面编辑器。系统提供的画图工具及图库种类非常丰 富，包括基本的画图工具、w i n c e 内建的样本图库、常用工业对象图形、w i n d o w s 系统图库对象等。图形可以编辑其动态属性，图形组态操作与编程灵活方便，可 实现复杂的动态画面。并且可以通过c 语言编程实现更为复杂的动画和控制效果。 夺数据库管理 数据库是w i n c c 信息的储存中心，它保持着与外界信息的联系，通过i 0 驱动 映射表，它可以根据实际过程参数的变化实时更新数据库，也同时将上位用户操 作指令传给v o 驱动映射表，并发给控制设备。所有动态画面的状态都随着数据库 中内容的变化而更新。 夺报警处理 对控制设备的异常和过程参数的失控事件等，w i n c e 能很方便地给出报警，并 1 3 东北大学硕士学位论文 第二章蓄热式加热炉控制系统总体结构 在报警栏早给山详细的报警信息，包括报警时间、报警信号、故障原凼等等。经 确认后，报警信息会白动删除。 夺报表管理 用户可以自由选择一定的报表格式，按时间顺序、事件触发等实现信息操作、 当前数据归档、进行报表输出。既可输出到打印机，也可输出到报表文件。 夺用户管理 在操作站上可以为项目建立多个权限等级不同的用户。这样每个用户只允许 执行相应权限内的操作，便于系统的备份、璐控与管理，防止由于非权限内人员 的误操作造成不必要的损失。 2 2 2 上位机实现的基本功能 上位机监控软件是在w i n c c 环境下- 7 1 二发的应用程序，它提供了操作简单、功 能齐全的人机对话界面。 1 ) 蓄热式加热炉生产过程监视画面：以模拟图的形式显示加热炉燃烧状态及 燃烧设备布噩，分上加热和下加热两个平面图，监视画面分一个主画面和几个子 画面，各个画面之间可以很方便地互相切换。如图2 4 所示，总貌集成在一幅画 面里，主要盼视生产设备以及整个工艺流程的工作状态包括各个换向装置中的快 切阀和四通换向阀的工作状态以及一些重要的过程参数，如出钢温度、炉膛温度、 炉膛压力、排烟温度、蓄热室温度、生产率、气源压力、汽包液位、总管风压力 和总管煤气压力的等等。 2 ) 异常事件报警：为保证生产过程的安全性，需要对生产设备以及一些过程 参数实时监视，如出现异常情况，则应马上报警，须值班人员及时地妥善处理。 本加热炉设计中报警分等级，一种如不及时处理则后果比较严重的，则鸣铃警示， 如气源压力低、空气总管压力低、煤气总管压力低、换向装置中快切阀或三通换 向阀的故障等；另一种则只在主监视画面上的报警栏罩给出红色闪烁的报警，如 一些过程监测参数超出范围报警，如排烟温度过高( 过高不仅带则了很大一部分 的热量，而且可能关系到蓄热体过热，影响蓄热体的寿命) ，汽包液位高、汽包压 力高报警之类等等。第一类报警在主流程换面的左上角的报警栏里( 如图2 1 1 所 示) 同样会给出详细的报警信息，以表格的形式按报警发生的时间顺序显示和记 录报警的内容、报警等级、发生时间、消失时间、确认时间。在报警栏的右侧， 1 4 东北大学硕士学位论文 第二章蓄热式加热炉控制系统总体结构 有一个“确认”按钮，点击该按钮，对第一类报警，则会马上消声，对第_ 类报 警，则报警信息将不再闪烁，但还是红色的，直到报警信号消失后，该报警条才 变回绿色。 图2 4 蓄热式加热炉生产过程主监视画面 f i 9 24t h em a i nm o n i t o r i n gp i c t u r eo fr e g e n e r a t i v eh e a t i n gf u r n a c ep r o c e s s 3 ) 系统参数的修改：系统参数设定画面提供了对一些重要参数的修改操作界 面。包括对换向总周期、换向间隔、快切阀和三通换向阀的动作反馈等待时间、 各个过程参数的滤波时间常数、烟温报警界限的修改等等。并不是每一个注册用 户都可以对这些参数进行修改，每个参数都设有不同的安全等级，为避免非权限 内人员的误操作造成不必要的损失，只有拥有一定等级的用户才可以修改这些系 统参数。 4 ) 过程数据的实时趋势及历史趋势：在监视生产过程时，需要对一些过程参 数实刚查看其趋势，或者要查看历史趋势，这对总结经验、提高控制系统的性能 等非常有益。w i n c e 在定义好笔组以后，可以很方便地画出过程参数的实时趋势和 1s 一 东北大学硕士学位论文 第二章蓄热式加热炉控制系统总体结构 根据保存在历史数据库文件中的历史数据画山历史趋势。在本加热炉设计中，按 不同的组合，提供了多幅实时数据趋势图和历史趋势图。其中各段的煤气流量、 空气流量、排烟温度等等。趋势图还有各段的烟温、炉膛压力等等。图2 5 是加 热左段内有关过程变量的一段历史趋势。 图2 5 历史趋势图 f i 9 25s a m p l eo f h i s t o r i c a lt e n d e n c y 5 ) 报表打印：本炉子设计中，报表分生产报表及能源报表两种，按时间分， 有班报表、日报表以及月报表。对生产过程中的一些重要的参数及指标，如煤气 累计流量( 班累计、日累计、月累计) 、出钢温度、空气过剩率、炉膛的温度、炉 膛压力、各点的烟温、生产率等等都作了记录，便于生产质量检查、评估和消耗 核查。 6 ) 用户操作界面：如下图2 6 、2 7 、2 8 所示，上位机提供了直观、友好的 1 6 东北大学硕士学位论文 第二章蓄热式加热炉控制系统总体结构 用户操作界而。例如对换向装置的操作，包括“手动”和“自动”之问的切换，“强 制换向”、“强制空转”、“自动换向允许与否”等等都很集中、操作直观简便。另 外，还提供了p i d 控制器的操作界面，如p i d “手动”和“自动”模式之间的切换， p i d 参数，包括“设定值”、“比例带”、“积分时间”、“微分时间”、“p i d 输出的一卜 下限”的设定都很直观，并且结合图形，有“软手操”、“p i d 输出”、“输出反馈” 等等。整个工程共有1 7 个p i d 调节器，4 4 个换向装置，每个都设有上述所示的操 作对话画面。用户操作界面还有“数模参数设定画面”、“系统参数设定”( 如下图 2 8 所示) 等画面。 图2 6 换向烧嘴切换子画面 f i 9 26m e n uo f b u r n e r ss w i t c h i n g 1 7 东北大学硕士学位论文 第二章蓄热式加热炉控制系统总体结构 图2 7p i d 控制器操作子画面 f i 9 2 7o p e r a t i o no f p i dc o n t r o l l e r 上图的换向烧嘴操作及p i e 操作可以分别通过单击主流程监控画面上的任何 一个相应部位弹出。操作画面提供了良好的用户界面，如图2 7 ，控制器的工作模 式和状态都在画面上有明确的表示。兰钢蓄热式加热炉控制系统中用到的控制器 还配有手操器，当手操器投到手动时，现场的被控量将由手动给定，上位软手动 所设的给定值和自动计算输出将无效；当p i d 控制器投到手操模式和自动模式时， 软手动输出要跟踪执行器的实际反馈；当p i d 控制器投到手操模式和软手动模式 时，自动输出要跟踪执行器的实际反馈。跟踪功能确保了p i d 控制器在模式间的 无扰切换。 东北大学硕士学位论文 第二章蓄热式加热炉控制系统总体结构 幽2 8 系统参数没定画面 f i 9 28m e n uo fe n a c t m e n to fs y s t e mp a r a m e t e r s 2 3 下位p l c 系统的硬件配置及软件设计 蓄热式加热炉控制系统的基础级采用西门子( s i e m e n s ) 公司的s 7 4 0 0 和 s 7 3 0 0 系列的p l c 产品作为下位控制级，它负责完成对过程参数的实时采集、数 据信号处理( 滤波、流量累计等) 及过程参数控制( 炉温、炉压、烟温等等控制 算法的实现) 、烧嘴换向控制等等系列功能，并实现与上位机之间的数据交换。 s 74 0 0 利s 73 0 0 系列的p l c 采用模块化结构，系统结构适用范围广，可提供性 能卓越的、全系列兼容的自动化控制器产品，为控制需求提供最恰当的解决方案c s 7 4 0 0 和s 7 3 0 0 系列的p l c 产品的硬件、软什都采用国际标准，并提供了 全方位的专用软什包及子系统。其更新产品与原系统兼容，存原系统基础上提供 1 9 东北大学硕士学垃论文 第二章蓄热式加热炉控制系统总体结构 最新技术。 $ 7 - 4 0 0 和s 7 3 0 0 系列的p l c 系列产品的硬件具有以下性能： 使用基于商| 生能的c p u 控制器，扫描速率极高，提高系统输出速度。 将运动功能、a s c i i 、通讯和过程控制等自动化技术紧密地结合于一体。 针对要求严格的应用，可采用冗余的控制器、电源和i 0 连接电缆，使 系统可靠性最高。 要求严格的应嗣中，输出模块的输出点可颈设“故障”状态 绝缘电平高，恶劣电气环境下螗抗噪声于扰性熊好 高精度模拟i 0 ，适用于过程的紧密监视与控制 可“带电插拔”的设计，简化维护，并增加系统的可靠性 中断处理和高速通断电路相结合，使系统性能更高 2 3 1 p l c 系统的硬件鬣置 由于控制点数比较多，本系统设计用了6 个机架，2 个主枧架，s 7 4 0 0 主视 架带有2 个扩展机架，s 7 3 0 0 主视架繁有2 个远程1 1 0 站。其结构如图2 9 所承。 曩2 9p l c 系统硬件配置 h 癣9c o r t f i g u r a t i o no fp l ch a r d w a r es y s t e m 2 0 东北大学硕士学位论文 第= 章蓄热式加热炉控制系统总体结构 其中s 7 4 0 0 主机架和它的2 个扩展机架之间利用连接电缆连接，s 7 3 0 0 主机架和 它的2 个远程i o 站之间利用p r o f i b u s 通讯电缆连接，使用p r o f i b u s 通讯。各 个站都有各自的c p s 电源模块独立供电，整个系统有两个c p u 处理器模块，所有 的数据处理任务都由这两个该处理器完成。s 7 一d 0 0 主机架和它的2 个扩展机架的 i o 模块基本上都是用来处理模拟量信号，包括热电偶模块( 6 e s 74 3 1 7 k f 0 0o a b o ) 、 热电阻模块( ( 5 e s 74 3 1 7 k f l 0 一o a b o ) 、模拟量输入模块( 6 e s 74 3 1o 跚o o0 h 9 0 ) 和模 拟量输出模块( 6 e s 74 3 21 h f 0 0 0 a b 0 ) ，主要负责温度、流量、压力、阀位等信号 的检测及有些阀位信号的输出控制；数字量输入输出模块，数字量输入模块( 6 e s 7 4 2 卜i b l 0 10 a a 0 ) 、数字量输出模块( 6 e s 74 2 2 i b ，0 0 0 a a 0 ) ，主要负责换向装置的 信号处理，包括快切阀和四通换向阀的开到位与关到位信号以及控制输出。还有 s 7 3 0 0 主机架和它的2 个远程i o 站机架上为数字量输入输出模块，数字量输入 模块( 6 e s 73 2 1 1 b l 0 0 0 a a 0 ) 、数字量输出模块( 6 e s 73 2 2 1 b l 0 0 0 a a 0 ) ，主要负责 电气联锁、推出钢机控制、液压系统控制、上料辊道控制。 2 3 2 p l c 开发软件s t e p 7 简介 西门子的s 7 系列自动化系列给用户提供m i c r o s o f t w i n d o w s 编程软件包s t e p 7 。 s t e p 7 符合i e c l l 3 1 3 编程语言标准，并支持国际标准规定的多种编程语言： 梯形图( l d ) 功能模块图( f b d ) 结构化文本( s t ) 编程者可以选用其中的一种或几种i e c 语言的几种编程，借助编程技术的自 由选择，s t e p 7 为控制工程师提供无比的灵活性，使开发成本降至最低，生成一个 极好的结构化和文件化的程序，同样它也可使启动和维护成本降至最低。 本设计中主要的p l c 使用的主要编程工具是梯形图l d ，下面着重介绍一f l d 编程语言。 l d 程序区段的结构对应于继电器开关操作的梯级。在l d 编辑器中( 如图2 1 0 所示) ，背景窗口是逻辑网格。在它的左边有所谓的左汇流条。这些左汇流条对应 j i 梯级的相线( l 线路) 。正如在梯级中一样，只有接至电源及接至左汇流条的l d 目标( 触，妊、线圈) 将在l d 编程期间被“编辑”，对应 二中线的右汇流条不进行 显示。但是，在内部，所有的线圈和f b 、f c 输出都接在它上面，从而建立起电 流通路。编程语言l d 的日标是为构建p l c 组织单元( 节) ，进入大量的触点、线 圈、以及f c ( 基本功能、基本功能块、导出功能块等等) 。当生成链路时，与其 2 1 东北大学硕士学位论丈 第二章蓄热式加热炉控制系统总体结构 他链路的目标重叠是允许的。 l d 程序区段中的各个目标的处理次序山节中数据流来确定。添加存左汇流条 的网格从上至下进行处理( 接至左汇流条) 。在程序区段中的彼此的独立的网格按 放置次序进行处理。 l d 的编程元素非常丰富，有各