【正文】 的空氣和煤氣。兩種氣體從各自管道流入各自蓄熱室預(yù)熱后在燃燒室進行混合開始燃燒，燃燒釋放出大量的熱能，熱能以多種方式傳遞給爐墻，從而使煤在炭化室內(nèi)高溫密閉干餾，生成焦炭。焦爐對象具有大慣性和大滯后特性，生產(chǎn)過程中變量變化劇烈，導(dǎo)致干擾強烈，過程機理復(fù)雜，實際對象的模型會因種種現(xiàn)場工況而發(fā)生變化，焦爐對象不是那種單一數(shù)學(xué)模型就可以表示的環(huán)節(jié)，具有一定的不確定性，常規(guī)控制方法難以滿足生產(chǎn)的要求。 內(nèi)蒙 古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及過程參數(shù)檢測 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 經(jīng)過對被控對象的仔細分析，確定了控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)總體 結(jié)構(gòu)示意圖 如圖 21 所示 : 為實現(xiàn)焦爐加熱 燃燒自動控制，控制系統(tǒng)需要根據(jù)蓄頂實時檢測的溫度，經(jīng) 立 火道軟測量模型得到全爐火道的平均溫度，并根據(jù)此預(yù)測溫度與立火道溫度設(shè)定值之間的偏差，通過調(diào)節(jié)焦爐煤氣流量或 混合 煤氣的流量來改變焦爐供熱量，以穩(wěn)定爐溫 。 由于焦爐燃燒加熱 過程的復(fù)雜性，不可能建立精確溫度與供熱量、供熱量與煤氣流量的數(shù)學(xué)關(guān)系，因此 需要 結(jié)合實際經(jīng)驗，根據(jù)溫度的偏差，算出應(yīng)增加的煤氣供熱量，進而給出焦爐煤氣流量、高爐煤氣流量和吸力的設(shè)定值，同時由高爐煤氣流量和壓力的關(guān)系，給出混煤壓的設(shè)定值。 壓力控制回路包括焦爐煤氣流量、混煤壓控制器和分煙道吸力控制器，是溫度閉環(huán)控制的基礎(chǔ)。所以，通過建立火道溫度軟測量模型，由熱電偶測量的實時蓄頂溫度計算出直行溫度，對于實現(xiàn)焦爐 燃燒自動控制是非常重要和必不可少的。 為了實現(xiàn)立火道溫度的控制，必須要準確的測量立火道的溫度。利用所求的線性回歸模型可以對某一生產(chǎn)過程進行預(yù)測或控制。 為了提高模型的可靠性，本系統(tǒng)還設(shè)計了基于蓄頂溫度平均值的一元線性回歸模型。 采用上述方法建立線性回歸軟測量模型。對特定的焦爐，冷卻值一旦確定下來一般不再更改。在物理結(jié)構(gòu)上，除了邊蓄熱室外的其它蓄熱室都處于炭化室的正下方。之所以選擇在蓄熱室的頂部，而不是在其它部位是有其原因的。但是考慮到連續(xù)的幾個蓄頂無法反映整個焦爐的爐況，并且推焦時相鄰的兩個蓄頂溫度會同時受到影響，所以確立了以下四個選取典型蓄頂?shù)脑瓌t : (1)熱電偶盡量不安裝在邊火道蓄頂，因為邊火道的溫度一般比較低，與一般的火道溫度有較大差異， 不能反應(yīng)當前全爐的生產(chǎn)狀況 ； (2)按照推焦順序間隔盡量均勻，主要是由于熱電偶集中在某個推焦串序，那么這些熱電偶相關(guān)的炭化室就會連續(xù)推焦或者全部處于結(jié)焦末期，導(dǎo)致測得的溫度全部偏高或者偏低 ； (3)安裝熱電偶的蓄頂號盡量不相連，這主要是考慮到推焦時相鄰的蓄頂溫度會同時受到影響 ； (4)奇數(shù)號蓄頂和偶數(shù)號蓄頂?shù)膫€數(shù)基本相同，這主要是與焦爐的測溫路線有關(guān)。這些特點使其很容易裝入機械結(jié)構(gòu)內(nèi)部，組成機電一體化設(shè)備 [8]。 西門子 S7300 的功能可以完成所有的邏輯控制、數(shù)據(jù)采集與處理等功能，以及實時監(jiān) 測 功能， 因此本設(shè)計選取西門子公司生產(chǎn)的 S7300 系列 PLC。模擬量輸出模塊將從 S7300來的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為過程用模擬量信號。其優(yōu)越的系統(tǒng)性能、靈活的擴展性及特殊 的監(jiān)控功能使其普遍適用于各種工業(yè)場合，特別是那些對功能和操作可靠性有嚴格要求的場合。 由熱電效應(yīng)可知，閉合回路中所產(chǎn)生的熱電勢有兩部分組成，即接觸電勢和溫差電勢，總電勢由 （ ） 式給出。 故本設(shè)計使用 S 型熱電偶測量蓄頂溫度。其控制目標為控制 混合煤氣 閥門開度，保證混合煤氣壓力的穩(wěn)定 。分煙道溫度特別高， 為了克服溫度對壓阻元件靈敏度的影響，應(yīng)使用壓阻式壓力傳感器測量分煙道吸力。按測量對象劃分就有封閉管道和明渠兩大類；按測量目的又可分為總量測量和流量測量，其儀表分別稱作總量表和流量計；按測量原理又可分為力學(xué)原理、熱學(xué)原理、聲學(xué)原理、電學(xué)原理、光學(xué)原理、原子物理學(xué)原理等。其中擴散硅式差壓變送器是無杠桿變送器，它采用硅杯壓阻傳感器為敏感元件，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，精度也較高。四線制溫 度變送器具有如下特點：在熱電偶溫度變送器中采用了線性化電路，從而使變送器的輸出信號和被測信號呈線性關(guān)系，便于指示和記錄；變送器的輸入與輸出之間具有隔離變壓器，并采取了安全火花防爆措施，故具有良好的抗干擾內(nèi)蒙 古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 性能，且能測量來自危險場所的直流毫伏信號或溫度信號。氣動執(zhí)行機構(gòu)有薄膜式和活塞式兩種。 閥的 結(jié) 構(gòu)形式很多，其中蝶閥的結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、流通能力大，特別的適用于低差壓、大口徑、大流量氣體和帶有懸浮物流體的場合。 上位機軟件系統(tǒng)設(shè)計 上位機 工作平臺 由焦爐加熱控制系統(tǒng)監(jiān)控畫面和 數(shù) 據(jù) 顯示畫面組成。當數(shù)據(jù)對象的值或狀態(tài)發(fā)生改變時，實時數(shù)據(jù)庫判斷對應(yīng)的數(shù)據(jù)對象是否發(fā)生了報警或已產(chǎn)生的報警是否已經(jīng)結(jié)束，并把所產(chǎn)生的報警信息通知給系統(tǒng)的其他部分，同時，實時數(shù)據(jù)庫根據(jù)報警的組態(tài)設(shè)定，把報警信息存入指定的存盤數(shù)據(jù)庫文件中。 焦爐加熱控制系統(tǒng)監(jiān)控畫面還設(shè)計了報警 指示燈和報警數(shù)據(jù)顯示。 STEP7 中集成的 SIMATIC 編程語言和語言表達式，符合 EN611313或 IEC11313 標準。 調(diào)節(jié)機構(gòu)又稱控制閥（調(diào)節(jié)閥），它和普通閥門一樣，是一個局部阻力可變的節(jié)流元件。 由于執(zhí)行器 安裝在現(xiàn)場，現(xiàn)場的煤氣管道周圍空氣中的煤氣含量較高，若采用電動執(zhí)行器容易引起爆炸，所以本系統(tǒng)使用氣動執(zhí)行器。后兩種則分別與熱電偶和熱電阻相配合，將溫度信號轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一輸出信號。它是基于負反饋原理工作的，如圖 所示。 測量流量的儀表如此多的原因就是至今還沒有一種儀表可以對任何流體、任何量程、任何流動狀態(tài)及在任何條件下使用的流量儀表。選用時根據(jù)生產(chǎn)工藝對壓力檢測的要求、被檢測介質(zhì) 的特性、現(xiàn)場使用的環(huán)境等條件本著節(jié)約的原則合理地考慮儀表的類型、量程等?？刂茐K是純軟件控制器，在其中，一 個塊就包含了控制器的全部功能。 S 型熱電偶和 B 型熱電偶都能滿足測溫要求，但 S 型熱電偶較 B 型熱電偶價格低廉 ， S 型熱電偶在熱電偶系列中具有準確度最高，穩(wěn)定性最好，測溫區(qū)寬，使用壽命長等優(yōu)點。如把熱電偶的兩個冷端也連接起來則形成一個閉合回路，如圖 所示： tt 0t 0CAB 圖 熱電偶回路 則當熱端溫度和冷端溫度不相等，即 t≠t0 時，回路中有電流流過，這說明在回路中產(chǎn)生了電動勢，由于熱電偶兩個接點處的溫度不同而產(chǎn)生的電動勢稱為熱電 (動 )勢，上述現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，或稱塞貝克效應(yīng)。本系統(tǒng)硬件設(shè)計時已經(jīng)考慮了模塊點數(shù)的冗余。電壓等級可以是 l~5V、 士 5V、 士 10V，電流等級可以是 4~20mA， 士 20mA。 當任務(wù)規(guī)模擴大 并且愈加復(fù)雜時，可隨時使用附加模塊對 PLC 進行擴展 。 PLC 可以通過各種方式直觀地反映控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)；功能完善，適用性強， PLC 發(fā)展至今，已形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，可用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。 推焦串序通常表示為 mn， m 代表一座焦爐所有炭化室劃分的組數(shù) (箋號 )，也即相鄰兩次推焦間隔的爐孔數(shù) ； n 代表兩趟箋號對應(yīng)炭化室相隔的數(shù)。如果燃燒后的廢氣溫度降低，則蓄熱室的溫度也相應(yīng)降低。圖 還表示了煤氣流經(jīng)焦爐的途徑。直行溫度與標準溫度之間有個差值，這個差值是由于直行溫度測溫點與立火道溫度最高點有大約 1 米的距離造 成的。 記六元、一元線性回歸模型的輸出分別為 ?Y6 和 ?Y1 ，對這兩個值進行加權(quán)組合，得到線性回歸模型預(yù)測值 : ??? ?? YYTreg 16 ?? （ ） 式 ()中， 1???? ，且 ??0 ， 1?? 。設(shè) y 為火道溫度實測值， x1， x2， … ， x6 為對應(yīng)時段的六支蓄頂溫度值，并對 （ x1， x2， … ，x6， y） 作 n(n7)次試驗，就可以得到一個容量為 n 的樣本和一個有限樣本模型 ????????????????????????????????????????????????????????nnnnn xxxyxxxyxxxy6622110226622221102116612211101 （ ） 其中 :?1 ， ?2 ， … ， ?n 相互獨立且與 ? 同分布。 立火道溫度軟測量模型的建立 經(jīng)典的回歸分析方法在軟測量技術(shù)中有著極其廣泛的應(yīng)用。軟測量器估計值可作為控制系統(tǒng)的被控變量或反映過程特征的工藝參數(shù)，為優(yōu)化控制與決策提供重要的信息。另一種是間接法，通過在一定數(shù)量的機焦側(cè)蓄熱室頂部插入熱電偶，由火道溫度軟測量模型，得到焦側(cè)直行溫度和機側(cè)直行溫度。通過調(diào)節(jié)煤氣閥門的開度，控制煤氣的供熱量為一個合適的值。 內(nèi)蒙 古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 吸 力 控制 器立 火 道溫 度 軟測 量 模型溫 度 控制 器混 煤 壓控 制 器炭化室炭化室炭化室燃燒室燃燒室燃燒室焦 爐 煤 氣焦 爐 煤 氣高 爐 煤 氣高 爐 煤 氣S P 1 S P 1 P V 1P V 2S P 2—P V 3立 火 道 溫 度 設(shè) 定蓄 頂 溫 度. . .. . .. . .焦爐混合罐混合罐圖 焦爐加熱控制系統(tǒng)示意圖 溫度控制策略設(shè)計 立火道溫度控制分為內(nèi)外兩個回路 :溫度控制回路和壓力控制回路。而加熱控制的需要足量、準確、可靠的測量溫度是非常必要的。對于這個過程的研究，國內(nèi)外焦化學(xué)者仍 在繼續(xù)進行研究。另外，為了使推焦順利，焦爐炭化室通常為楔形，即焦側(cè)寬度大于機側(cè)，因此，在對炭化室加熱時，焦側(cè)燃燒室的溫度要高于機側(cè)燃燒室的溫。每個燃燒室又包括一定數(shù)量的立火道，其中每兩個立火道作為一對，組成一個氣體通路，其兩端分別和下面的蓄熱室相連。 深入了解焦爐生產(chǎn)工藝過程的基礎(chǔ)上，根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計要求，從整體的角度上提出了控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，通過西門子 S7300 系 列 PLC 對各類參數(shù)，包括溫度、流量和壓力等的在線檢測，以及 采用 MCGS 組態(tài)平臺 對工藝流程的實時監(jiān)控，采用軟測量的方法實現(xiàn)立火道溫度的優(yōu)化控制。分析到這些因素與立火道目標溫度的相關(guān)性都很大，采用線性回歸的方法建立火道溫度模型，得到目標溫度設(shè)定值。但在高爐煤氣主管壓力劇烈波動、 加熱煤氣流量不足時 ,不能指導(dǎo)操作人員進行加熱控制 ,只能由操作人員人工分析判斷 ,同時停止使用高爐與焦爐加熱煤氣加熱 ,也沒有充分利用高爐煤氣。但需要事先確定一個初始供熱量或加熱煤氣流量的經(jīng)驗值 ,實施時不斷調(diào)整。相比而言，我們國家這方面還存在不小的差距。從煉焦工藝過程出發(fā)，對此溫度不但要求均勻性，而且要求穩(wěn)定性，此溫度被稱為直行溫度，它準確是指機、焦側(cè)各燃燒室平均溫度的控制值。因此，實現(xiàn)焦爐加熱燃燒過程控制，對于降低焦爐能耗、提高焦炭質(zhì)量、延長焦爐壽命、減少環(huán)境污染和改善勞動條件都具有非常重要的意義 [1]?？梢詾槠髽I(yè)創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。其控制系統(tǒng)是典型的大慣性、非線性、時變的復(fù)雜系統(tǒng)，因此如何優(yōu)化焦爐加熱過程控制、降低煉焦能耗、確保焦炭均勻穩(wěn)定成熟、延長焦爐使用壽命，仍然是煉焦業(yè)界重大難題。 目 錄 摘 要 .........................................................................................................................................I Abstract ...................................................................................................................................... II 第一章 引 言 ............................................................................................................................ 1 研究背景與目標 ......................................................................................................... 1 焦爐加熱控制系統(tǒng)的發(fā)展狀況 ................................................................................. 2 焦爐加熱控制方案介紹 ............................................................................................. 3 焦爐加熱控制系統(tǒng)設(shè)計思想 ..................................................................................... 4 第二章 焦爐