【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 D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(yīng)速度。在順控系統(tǒng)上，研究和開發(fā)了基于混合網(wǎng)絡(luò)的加熱爐順控系統(tǒng)，并優(yōu)化了加熱爐的步進(jìn)梁速度曲線控制。在LEVEL2級(jí)控制系統(tǒng)上，在燃控LEVEL1和順控LEVLE1級(jí)控制系統(tǒng)的支持下，基于傳熱學(xué)的基本原理，建立了板坯的爐內(nèi)溫度預(yù)報(bào)系統(tǒng)，同時(shí)在溫度計(jì)算模型中使用了優(yōu)化算法，提高了鋼坯溫度預(yù)測(cè)的精度。本文的主要內(nèi)容：本章首先進(jìn)行了文獻(xiàn)檢索，總結(jié)了加熱爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。第二章介紹了加熱爐的工藝流程、結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)。第三章介紹了加熱爐基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)，包括燃燒系統(tǒng)和順控系統(tǒng)，并對(duì)交叉限幅串級(jí)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，提出了FUZZYPID溫度控制系統(tǒng)，開發(fā)了具有通用性的步進(jìn)梁速度曲線控制模塊，并對(duì)速度曲線進(jìn)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(jī)理數(shù)學(xué)模型，并從工程角度進(jìn)行簡(jiǎn)化，給出了一維的導(dǎo)熱模型和總括熱吸收率算法。以此為理論基礎(chǔ)開發(fā)的鋼溫預(yù)報(bào)模型程序，預(yù)測(cè)的鋼溫和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，數(shù)據(jù)令人滿意。同時(shí)結(jié)合智能控制理論，提出了基于爐區(qū)分段的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)鋼坯溫度預(yù)報(bào)模型，并進(jìn)行了仿真研究。第五章主要描述了加熱爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)和通訊設(shè)計(jì)，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(diǎn)及其在大型軋鋼步進(jìn)梁式加熱爐LEVEL1系統(tǒng)上的應(yīng)用，軟件和ORACLE數(shù)據(jù)庫平臺(tái)開發(fā)的加熱爐二級(jí)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。第二章 加熱爐工藝流程及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yù)定的計(jì)劃分別進(jìn)行冷裝、熱裝或混裝。加熱爐額定產(chǎn)量為250t/H，燃料為焦?fàn)t煤氣，采用空氣單預(yù)熱的步進(jìn)梁式板坯加熱爐。板坯在爐前輥道上經(jīng)過稱量、測(cè)長(zhǎng)、核對(duì)、測(cè)溫，按布料圖進(jìn)行定位。在確定爐內(nèi)有空位后，裝料爐門打開，裝鋼機(jī)開始動(dòng)作：裝鋼機(jī)前移，將板坯撥正，經(jīng)測(cè)寬后送入爐內(nèi)，在與前一塊坯料間隔50~100mm處停止。然后，裝鋼機(jī)快速退回原位，準(zhǔn)備重復(fù)送鋼動(dòng)作。同時(shí)裝料爐門關(guān)閉。爐內(nèi)板坯通過步進(jìn)梁的運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過爐子的熱回收段、預(yù)熱段、一加熱段、二加熱段和均熱段充分加熱，達(dá)到軋制要求溫度后，運(yùn)行至出料端激光檢測(cè)處并完成最后一次步進(jìn)運(yùn)動(dòng)后停止，經(jīng)激光檢測(cè)器檢測(cè)及步進(jìn)梁行程控制系統(tǒng)和爐內(nèi)坯料跟蹤系統(tǒng)計(jì)算，鋼坯在爐內(nèi)準(zhǔn)確位置的信號(hào)被送往出鋼機(jī)，出鋼機(jī)接到指令后開始動(dòng)作，從低位運(yùn)行進(jìn)爐內(nèi)，根據(jù)鋼坯位置定位，托起鋼坯出爐，準(zhǔn)確將鋼坯放在出料輥道上，再由出爐輥道輸送到軋機(jī)軋制，同時(shí)出料爐門關(guān)閉。為了使加熱爐的操作更靈活，適應(yīng)坯料規(guī)格（主要是長(zhǎng)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(dú)立運(yùn)行的步進(jìn)機(jī)械；按爐寬方向，步進(jìn)框架（平移框架和升降框架）均分為左右兩個(gè)框架，分別由兩套步進(jìn)機(jī)械單獨(dú)傳動(dòng)。 加熱爐基本尺寸和參數(shù)加熱爐有效長(zhǎng)度52600mm，內(nèi)寬10700mm，燃料為焦?fàn)t煤氣。 加熱爐基本尺寸輥道上表面標(biāo)高：+900 mm加熱爐基礎(chǔ)面標(biāo)高：－8100 mm裝出料輥道中心距：60500 mm加熱爐砌體全長(zhǎng)：54000 mm加熱爐有效長(zhǎng)度：52600 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： 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(duì)220mm坯料　　　　　 1800～2600mm對(duì)250、320mm坯料　　 1800～2600mm長(zhǎng)度：2600～4800mm 標(biāo)準(zhǔn)板坯規(guī)格22022003600mm b) 加熱鋼種碳素結(jié)構(gòu)鋼板、低合金結(jié)構(gòu)鋼板、建筑結(jié)構(gòu)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(jī)械工程用鋼板等。c) 坯料入爐溫度冷坯：室溫（以20℃計(jì)）。熱坯：400～700℃；熱裝比：40～50%。d) 坯料出爐溫度：1050～1250℃。e) 爐子座數(shù)：2座f) 爐子小時(shí)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?fàn)t煤氣，其低發(fā)熱值為4000。 爐型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)加熱爐采用端部裝鋼機(jī)上料和端部出鋼機(jī)出料方式，加熱爐上部采用平焰燒嘴和側(cè)向燒嘴相結(jié)合的供熱形式；下部全部采用側(cè)向供熱方式。加熱爐共設(shè)置八個(gè)爐溫自動(dòng)控制段。爐型采用上、下供熱滾輪斜臺(tái)面全液壓驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)梁式加熱爐。加熱爐的結(jié)構(gòu)：一座爐子配備兩臺(tái)裝鋼機(jī)，兩臺(tái)裝鋼機(jī)可以同時(shí)運(yùn)行（不要求同步）。一座爐子配備兩臺(tái)出鋼機(jī)，兩臺(tái)出鋼機(jī)可以同時(shí)運(yùn)行（不要求同步）。為適應(yīng)雙排裝料，加熱爐設(shè)置兩套步進(jìn)機(jī)械，雙升降框架和平移框架，配備各自的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，提高加熱爐的操作靈活性。加熱爐設(shè)八個(gè)供熱段，八段爐溫自動(dòng)控制，通過設(shè)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(jì)算確定的，在確定各燒嘴的供熱能力時(shí)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21。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(yù)熱段加熱1加熱2均熱段預(yù)熱段加熱1加熱2均熱段供熱比例（%）燒嘴個(gè)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(yīng)熱坯加熱和冷熱坯交替裝入時(shí)的加熱要求，以及爐子小時(shí)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(jié)構(gòu)，便于分區(qū)控制各段溫度；各供熱段用隔墻適當(dāng)分隔，預(yù)熱段和一加熱段設(shè)有開關(guān)式燒嘴，在熱裝時(shí)可以根據(jù)需要關(guān)閉預(yù)熱段和一加熱段燒嘴，獨(dú)立地進(jìn)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(yīng)低溫加熱與控制軋制，同時(shí)適應(yīng)加熱爐產(chǎn)量的變化。第三章 加熱爐基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)隨著冶金生產(chǎn)技術(shù)和工藝設(shè)備的不斷發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)和可編程控制器的出現(xiàn)，加熱爐的的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)也得到了日益廣泛的應(yīng)用，基礎(chǔ)自動(dòng)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(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)HMI和PLC以及PLC和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制設(shè)備的通訊和控制?；A(chǔ)自動(dòng)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(dòng)控制、記錄、聯(lián)鎖報(bào)警；（2）每段煤氣流量控制、記錄、聯(lián)鎖報(bào)警；（3）每段空氣流量控制、記錄、聯(lián)鎖報(bào)警；（4）爐壓控制、記錄、聯(lián)鎖報(bào)警；（5）爐內(nèi)含O2量檢測(cè)控制；（6）爐尾爐溫測(cè)量、指示；（7）換熱器前后煙溫測(cè)量、指示、聯(lián)鎖報(bào)警；（8）換熱器煙溫保護(hù)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(jī)控制；（3）板坯測(cè)長(zhǎng)，測(cè)寬；（4）推鋼機(jī)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(jìn)機(jī)械控制；（8）板坯在爐區(qū)輥道上的位置跟蹤；（9）液壓站設(shè)備控制。以下重點(diǎn)分析本項(xiàng)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(shè)計(jì)，以及步進(jìn)梁的速度曲線優(yōu)化策略。 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(jí)雙交叉限幅空燃比控制， 雙交叉限幅溫度控制系統(tǒng)TPV、SPt—爐溫的測(cè)量值和設(shè)定值PVf、SPf—燃料流量的測(cè)量值和設(shè)定值PVa、SPa—空氣流量的測(cè)量值和設(shè)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bbbb4—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(biāo)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(chǔ)上，又開發(fā)了變?cè)鲆娼徊嫦薹?、串?jí)比值等新的控制策略。爐溫調(diào)節(jié)除普通的串級(jí)PID外，也出現(xiàn)了改進(jìn)型的二自由度PID、I－PD等類型。交叉限幅控制的特點(diǎn)是采用一個(gè)最大選擇器和一個(gè)最小選擇器，其目的是保證當(dāng)爐溫低于設(shè)定值，需要增加燃料流量時(shí)空氣先行；而當(dāng)爐溫高于設(shè)定值，需要減少燃料流量時(shí)燃料先行，以防止冒黑煙。該方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)燃燒控制中，它能在動(dòng)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(gè)自動(dòng)燃燒的過程中，~，在生產(chǎn)節(jié)奏發(fā)生變化時(shí)，空煤氣流量發(fā)生較大變化時(shí)，空燃比始終能保持動(dòng)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(shí)現(xiàn)了空燃比的自動(dòng)控制。 爐溫模糊控制系統(tǒng)串級(jí)雙交叉限幅控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了空氣和燃料比例控制和動(dòng)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(shí)現(xiàn)爐溫的快速響應(yīng)控制，傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)很小的穩(wěn)態(tài)誤差，但溫度偏差大時(shí)的快速溫度控制也難以實(shí)現(xiàn)，本文結(jié)合近年來廣泛應(yīng)用的智能控制理論：模糊控制算法，提出了FUZZYPID控制算法，在溫度偏差大和溫度偏差的速率大時(shí)，采用模糊控制算法，用模糊控制器代替串級(jí)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(yùn)算器，經(jīng)雙交叉限幅計(jì)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(yīng)，實(shí)現(xiàn)溫度快速響應(yīng)，在穩(wěn)態(tài)誤差較小時(shí)，恢復(fù)到串級(jí)控制，采用溫度調(diào)節(jié)器和流量調(diào)節(jié)器的串級(jí)PID控制系統(tǒng)，實(shí)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(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。首先，模糊控制不需要控制系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型。第二，在工程實(shí)際中，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)建立較好的模糊控制器。區(qū)別于傳統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)方法，模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)不需要精確的數(shù)學(xué)模型。即模糊規(guī)則、模糊邏輯運(yùn)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(wù)和系統(tǒng)控制任務(wù)結(jié)合在一個(gè)任務(wù)中，通過避免分別的建模任務(wù)，通?？梢愿行Ш透咝У亟鉀Q控制問題?，F(xiàn)今，模糊控制器和控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用證明了這點(diǎn)。 模糊控制器結(jié)構(gòu)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(chǔ)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(yàn)編成模糊規(guī)則，然后將來自傳感器的實(shí)時(shí)信號(hào)模糊化，將模糊化后的信號(hào)作為模糊規(guī)則的輸入，進(jìn)行模糊推理，將推理后得到的輸出量送到執(zhí)行器或者下一級(jí)控制系統(tǒng)中。，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。 基本模糊控制器的結(jié)構(gòu)1)模糊化：主要作用是將真實(shí)世界的確定量輸入轉(zhuǎn)換為一個(gè)模糊矢量。2)規(guī)則庫：規(guī)則庫中包含了具體應(yīng)用領(lǐng)域中的規(guī)則和控制目標(biāo)。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(yùn)含關(guān)系及推理規(guī)則來進(jìn)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)變化為實(shí)際用于控制的精確量。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(jìn)入爐膛燃燒的煤氣量來實(shí)現(xiàn)溫度控制的。爐溫的模糊控制和串級(jí)PID控制的自動(dòng)切換，是根據(jù)溫度的偏差大小來自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)溫度偏差較大時(shí)，為使溫度能快速地響應(yīng)，從而用模糊控制方法，當(dāng)溫度的偏差值進(jìn)入一定的區(qū)間時(shí)，則自動(dòng)轉(zhuǎn)換為PID控制，實(shí)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(shí)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(fù)大，負(fù)中，負(fù)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(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大)，量化等級(jí)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(duì)誤差及誤差變化率的加權(quán)值應(yīng)有所不同，當(dāng)溫度誤差E比較大時(shí)，模糊控制器的主要任務(wù)是快速地消除誤差，因此應(yīng)該取較大的值，即加強(qiáng)誤差E的權(quán)值，以加速系統(tǒng)的響應(yīng)速度。反之，當(dāng)溫度誤差E較小時(shí)，控制器的主要任務(wù)是使系統(tǒng)盡快趨于穩(wěn)定，應(yīng)取較小的α值，既加強(qiáng)誤差變化率EC的權(quán)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(duì)修正因子的不同要求，引入了2個(gè)修正因子和。表達(dá)式如下： ()其中，為0到1之間的實(shí)數(shù)，且。通常情況下，選取。本系統(tǒng)中選取。 模糊控制查詢表在已知E和EC的條件下，可以通過表來求得煤氣流量的增量，再按最大隸屬度原則解模糊，選擇隸屬度最大的元素為精確控制信號(hào)，即為實(shí)際煤氣流量的增量。所以煤氣流量的實(shí)際輸出信號(hào)為： ()此值作為煤氣調(diào)節(jié)器的輸入值，同時(shí)在雙交叉限幅模塊的計(jì)算下，空氣調(diào)節(jié)器的輸入值也被更新，在空煤氣調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)下，空煤氣閥門快速動(dòng)作，從而達(dá)到快速控制爐溫的目的。 實(shí)際應(yīng)用及效果根據(jù)實(shí)際的調(diào)試結(jié)果，我們把爐膛溫度T的誤差信號(hào)的實(shí)際論域定為[60,+60]℃，誤差的變化量實(shí)際論域定為[3,+3]℃/min，為了表述方便，我們把和的論域按比例變換到[6，+6]。當(dāng)溫度的實(shí)際值和設(shè)定值的偏差大于20℃時(shí)，模糊控制器的輸出被送到空煤氣PID調(diào)節(jié)器，當(dāng)溫度的偏差值小于20℃時(shí)，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(shí)爐溫的較大波