【正文】 好的應用[32, 33]。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。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]。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。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)。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。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)。 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。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。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。第二章 加熱爐工藝流程及結構簡介 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。然后，裝鋼機快速退回原位，準備重復送鋼動作。 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。d) 坯料出爐溫度：1050～1250℃。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。表21 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（%）燒嘴個數(shù)6103630610128燒嘴型式側(cè)燒嘴側(cè)燒嘴平焰平焰?zhèn)葻靷?cè)燒嘴側(cè)燒嘴側(cè)燒嘴為了適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（177～300t/h）和加熱溫度變化大（1050～1250℃）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。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(cè)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。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，以防止冒黑煙。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。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。和是模糊控制器的輸入，為控制器的輸出。它通常由數(shù)據(jù)表和模糊控制規(guī)則兩部分組成。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。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α值，既加強誤差變化率EC的權值，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)中選取。當溫度的實際值和設定值的偏差大于20℃時，模糊控制器的輸出被送到空煤氣PID調(diào)節(jié)器，當溫度的偏差值小于20℃時，溫度調(diào)節(jié)器的輸出被送到空煤氣調(diào)節(jié)器，為了減小兩種控制器切換時爐溫的較大波動，兩組控制器的切換設計了無擾切換功能，實際應用表明，基于模糊控制理論和傳統(tǒng)串級溫度控制回路結合的FUZZYPID調(diào)節(jié)器，能較好地解決溫度偏差大時，溫度控制的動態(tài)響應速度。因此，這個矛盾的存在，就需要通過步進梁的曲線運動，來實現(xiàn)步進梁的平穩(wěn)運行的同時，保證步進的周期。 典型步進梁速度曲線，在步進梁上升的過程中，有兩次加速和減速過程，這是為了實現(xiàn)步進梁在向上運動到和固定梁同一高度時，速度較低，使鋼坯抬起的速度較小，這樣鋼坯對動梁的沖擊較小，實現(xiàn)輕抬。 速度曲線優(yōu)化控制及分析由于不同的加熱爐，在步進機械的大小和重量，滿載時鋼坯的重量，液壓油泵的工作壓力和流量，比例閥的選型等等方面，都存在差異，因而步進梁的速度控制程序的參數(shù)就需要根據(jù)上述條件在現(xiàn)場調(diào)試的時候進行調(diào)整，根據(jù)現(xiàn)場實際運行的狀況，找到最佳的速度曲線，實現(xiàn)穩(wěn)準快的控制。而后退的過程為輕載運行，加速位移值(BX4BX3)和減速位移值（BX2BX1）近似相等，高速運行段（BX3BX2）較大，使得后退時間縮短，在獲得步進梁運行穩(wěn)定性的同時，縮短了步進梁的步進周期。大大提高了加熱爐的小時產(chǎn)量。由于鋼坯內(nèi)部溫度分布至今無法實現(xiàn)實時在線檢測，就必須借助于鋼坯加熱過程數(shù)學模型來實現(xiàn)鋼溫的估計，進而實現(xiàn)鋼坯溫度的優(yōu)化控制。缺點是，建模難度相當大，需要全面準確的理論支撐，而且模型需要不斷地完善和改進。工程上假設各段之間的爐溫滿足分段線性化。3） 當鋼坯在裝鋼爐門和預熱段熱電偶之間時 （）其中為鋼坯上方爐溫，表示沿爐寬方向鋼坯所處位置爐溫的線性插值，表示鋼坯沿爐長方向中心處實際位置，表示裝鋼爐門與預熱段熱電偶之間的距離，表示預熱段熱電偶與裝鋼爐門處的溫差。2) 熱傳導當 （）當 （）當 (k=1 to 27) （）其中表示鋼坯第p層溫度，表示第p層熱傳導，kcal/m假設以加熱爐內(nèi)任一塊鋼坯為計算對象，在三維空間內(nèi)對其進行網(wǎng)格劃分，定義一個微元網(wǎng)格體，各邊長。 微元網(wǎng)格體熱量傳遞示意圖 溫度預報模型的工程考慮當鋼坯形狀規(guī)則時，在實際工程中，可以考慮三維模型簡化成一維狀態(tài)空間鋼溫預報模型。假設如下：1) 爐溫為沿爐長x方向的一維分段線性函數(shù)；2) 鋼坯傳熱的端部效應忽略不計；3) 對于任一塊鋼坯，其沿x，y方向的溫差較小，故可認為其傳熱僅沿鋼坯厚度z方向進行；4) 鋼坯上下表面均勻加熱。熱流密度的大小與鋼坯種類、鋼坯在爐內(nèi)的溫度、爐溫等關系密切。這種方法計算量小且精度能夠滿足生產(chǎn)要求，其中計算總括熱吸收率的準確性是決定軟測量模型成敗的關鍵。 分段BP神經(jīng)網(wǎng)絡鋼溫預測和仿真利用神經(jīng)網(wǎng)絡有較強的學習能力以及能夠逼近任意的非線性系統(tǒng)的特性，考慮鋼坯的邊界熱流系數(shù)和熱傳導系數(shù)、比熱、重度等物理參數(shù)都是隨溫度變化的函數(shù)的特點，按加熱爐的分區(qū)采用多個BP神經(jīng)網(wǎng)絡進行分段預測，以適應鋼坯的物理參數(shù)的變化，建立了基于分段BP神經(jīng)網(wǎng)絡的加熱爐鋼坯溫度預報模型，并進行了離線仿真。本文MATLAB仿真所用的神經(jīng)網(wǎng)絡就是上述網(wǎng)絡結構。神經(jīng)網(wǎng)絡的輸出量為下一時刻的鋼坯上下表面溫度以及鋼坯中心溫度。隱層節(jié)點數(shù)與輸入輸出單元的多少有直接關系；網(wǎng)絡的訓練精度、容錯性要求隱層節(jié)點數(shù)不能太少；隱層節(jié)點數(shù)也不能太多，這會使訓練的時間過長，誤差也不一定是最小的；本文根據(jù)高大啟所提出的網(wǎng)絡隱層節(jié)點數(shù)的經(jīng)驗公式確定了最佳隱層數(shù)，經(jīng)驗公式為：，其中：為隱層數(shù)，為輸入節(jié)點數(shù)，為輸出節(jié)點數(shù)。 BP神經(jīng)網(wǎng)絡結構 隱層及輸出層的權值調(diào)整隱層神經(jīng)元的輸入為所有的輸入加權之和，即： （）隱層神經(jīng)元的輸出采用函數(shù)激發(fā)，得隱層輸出為： （）輸出層的神經(jīng)元輸出為 （）網(wǎng)絡輸出與理想輸出之間的誤差為： （）誤差性能指標函數(shù)為： ()采用學習算法，調(diào)整各層間的權值，學習算法如下： （） （）其中：為學習速率。本仿真研究的訓練樣本為鋼種為Q235的一組黑匣子實驗數(shù)據(jù)，首先利用黑匣子數(shù)據(jù)的其中一組進行網(wǎng)絡訓練，計算權值。仿真結果表明：用分段BP神經(jīng)網(wǎng)絡對加熱爐內(nèi)鋼坯加熱過程進行建模，取得了更好的仿真結果，模型預測最大誤差小于30℃，而不分段BP網(wǎng)絡的最大誤差小于40℃，分段BP網(wǎng)絡提高了鋼坯溫度的預測精度。PROFIBUSDP是目前廣泛應用的現(xiàn)場總線。隨著以太網(wǎng)技術的發(fā)展，特別是交換技術和全雙工高速數(shù)據(jù)交換等新技術的出現(xiàn)，給解決Ethernet通信的非確定性問題帶來了希望，并使Ethernet全面應用于工業(yè)控制領域成為可能，使得早期各種自動化網(wǎng)絡孤島的互相通訊變得簡單。在現(xiàn)場級，采用目前非常通用的PROFIBUS現(xiàn)場總線網(wǎng)絡，在各個現(xiàn)場信號較集中的區(qū)域，安裝具有PROFIBUS接口的ET200M遠程分布式I/O站，采集現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)，并通過PROFIBUS總線和I/O映像區(qū)，將數(shù)據(jù)實時傳送給CPU，大量減少了控制電纜和信號電纜的鋪設量，縮短了施工周期，提高了信號遠距離輸送的精度和可靠性。 LEVEL1級網(wǎng)絡結構圖 LEVEL1級硬件配置根據(jù)系統(tǒng)設計的網(wǎng)絡結構和生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)實時性和響應速度的要求，本套控制系統(tǒng)的硬件配置方案如下：⑴ 2臺CPU各選用SIEMENS公司的S7400系列的CPU4162，在主機架上還安裝了CP4431以太網(wǎng)通訊模塊。這種配置的優(yōu)點有：① CPU4162自身集成了一個MPI接口和一個PROFIBUS接口，便于和現(xiàn)場ET200M遠程站和傳動裝置通訊，是S7400系列中的高性能處理器，能滿足大型控制系統(tǒng)的要求。并在距離遠，干擾強的區(qū)域采用PROFIBUS光纖網(wǎng)絡，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。b) 工程師站2臺，操作終端3臺，采用PC，各臺配置如下：型號：DELL 360配置：Pentium4 ，內(nèi)存 1G，硬盤 120G，顯示器 TFT 19’’，網(wǎng)卡：100/1000 Ethernet網(wǎng)卡c) 打印機A4激光打印機：1臺；d) 網(wǎng)絡系統(tǒng)8口光纖交換機，2套； 網(wǎng)絡通訊電文內(nèi)容 與MES管理計算機的通信加熱爐過程控制計算機從L3接收下列信息：1) 軋制計劃信息2) 板坯原始數(shù)據(jù)信息3) 軋制計劃改變信息4) 原始數(shù)據(jù)刪除信息5) 軋制順序改變信息等加熱爐過程控制計算機傳送給L3下列信息：1） 板坯吊銷信息2） 板坯入爐信息3） 板坯出爐信息 與軋線過程計算機通信加熱爐過程控制計算機接收軋線過程計算機下列信息： 下一塊板坯出爐信息加熱爐過程控制計算機傳送給軋線過程計算機下列信息： 板坯吊銷信息等 與基礎自動化通信加熱爐過程控制計算機傳送給L1下列設定值或控制信息：1） 板坯核對設定信息2） 裝鋼機設定信息3） 步進梁設定信息4） 出鋼機設定信息5） 加熱爐爐溫設定信息等加熱爐過程控制計算機接收L1下列控制信號及測量值信息：1） 板坯長度2） 板坯入爐溫度3） 加熱爐爐溫4） 燃料流量5） 入爐輥道印象信息6） 出爐輥道印象信息7） 裝鋼機動作完成信息8） 出鋼機動作完成信息。計算機側(cè)硬件需要CP1613以太網(wǎng)卡或者普通的以太網(wǎng)卡，而PLC側(cè)則需要CP4431以太網(wǎng)通信處理器，以完成上下位機的通信鏈接。 LEVEL2級TCP/IP通訊程序開發(fā)在LEVEL2級系統(tǒng)和MES系統(tǒng)和軋線系統(tǒng)間，通訊程序的開發(fā)是基于TCP/IP的靜態(tài)SOCKET端口實現(xiàn)的通訊，下面結合TCP/IP SOCKET程序的開發(fā)，介紹其概念和具體的編程方法。同一主機上，不同進程可用進程號（process ID）唯一標識。為了解決上述問題，TCP/IP協(xié)議引入了協(xié)議、本地地址、本地端口號、遠地地址、遠地端口號幾個概念。為此，TCP/IP協(xié)議提出了協(xié)議端口（protocol port，簡稱端口）的概念，用于標識通信的進程。2）網(wǎng)絡地址網(wǎng)絡通信中通信的兩個進程分別運行在不同的機器上。 客戶/服務器模式在TCP/IP網(wǎng)絡應用中，通信的兩個進程間相互作用的主要模式是客戶/服務器模式（Client/Server model），即客戶向服務器發(fā)出服務請求，服務器接收到請求后，提供相應的服務。新進程處理此客戶請求，并不需要對其它請求作出應答?？蛻舴剑?) 打開一通信通道（端口），并連接（CONNECT）到