【正文】 統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 電氣信息學院 安徽工業(yè)大學安徽工業(yè)大學碩士學位論文 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。本人授權 大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導師簽名： 日期： 年 月 日 安徽工業(yè)大學碩士學位論文 獨 創(chuàng) 性 說 明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得研究成果。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。 簽名 導師簽名 日期： ____________ 安徽工業(yè)大學碩士學位論文 1 摘 要 加熱爐是軋鋼生產(chǎn)線上的最重要的設備之一，其控制目標是滿足開軋所要求的鋼坯溫度分布，實現(xiàn)鋼坯表面最小氧化燒損，達到最少能耗的經(jīng)濟指標目的。 加熱爐計算機控制系統(tǒng)主要包括基礎自動化控制系統(tǒng)（ LEVLEL1）和過程自動化控制系統(tǒng)（ LEVEL2），其中 LEVEL1 控制系統(tǒng)包括燃燒控制系統(tǒng)和順序控制系統(tǒng)， LEVEL2 系統(tǒng)由板坯物料跟蹤模 型、板坯溫度預報模型和通訊三部分構成。 順控系統(tǒng)主要包括裝鋼機的控制、步進梁控制、出鋼機控制以及液壓系統(tǒng)的控制。 鋼坯溫度預報模型主要包括裝爐溫度計算模型，爐內(nèi)溫度周期計算模型和出爐溫度計算模型，本文主要 提出了基于分段 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡的鋼坯溫度預報模型，并進 行了離線仿真 。 最后，以板坯生產(chǎn)過程為研究對象，開發(fā)了基于 SIEMENS S7400PLC 和WINCC 軟件的基礎自動化系統(tǒng)。 關鍵詞： 加熱爐；計算機控制系統(tǒng)；溫度控制；模型 安徽工業(yè)大學碩士學位論文 2 Abstract Reheating furnace is the most important one of the equipment of steel rolling production line, the control objective is to meet the required openrolled temperature distribution under the premise, achieving economic indicators of the minimum billet surface burning and minimal energy consumption. Therefore, improving furnace thermal efficiency, reduce energy consumption, to reduce industrial energy consumption has a positive meaning. Reheating furnace puter control system including basic automation system (LEVEL1) and process automaiton system(LEVEL2). LEVEL1 control system includes heating control system and sequence control system. LEVEL2 includes slab tracking model, temperature prediction model and munication. Heating control system include double cross limited control of air and gas, hearth pressure control, hot air exhaust control and hot air pressure control and gas automatic cutoff control, development “FUZZY controler” realized fast response of furnace temperature. Sequence system includes charging machine control, walking beam control, discharging machine control and hydraulic system control. Slab tracking system pletes roll table tracking of charge side and discharge side, inside furnace tracking. Slab temperature prediction model include charge slab temperature calculation, cycle temperature calculation model of inside furnace and discharging slab temperature calculation model, proposed slab temperature prediction model based on furnace zone BP ural work and carried out offline simulation. Communication including: temperature data sample, charging machine and discharging machine set, walking beam set, slab tracking between LEVEL2 system and LEVEL1 system, munication with Mill LEVEL2 puter and MES system, detail research munication method of TCP/IP SOCKET. Finally, slab production process as the research object, developed based automation systems based on the SIEMENS S7400PLC and WINCC. On this basis, bined with slab material tracking model, billet temperature prediction model and munication to achieve a variety of steel grades and thickness of slab heating quality control, forecasting three level temperatures transmitted to mill, realize the furnace automatic production control. Key words： reheating furnace。 temperature control。我國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展速度是世界鋼鐵工業(yè)發(fā)展最快的國家，所取得的成就是世界公認的。要實現(xiàn)從鋼鐵大國到達鋼鐵強國，這是擺在鋼鐵研究工作者面前的艱巨任務。 LEVEL1系統(tǒng)包括燃燒控制系統(tǒng)和順序控制系統(tǒng)。同時實現(xiàn)相應的安全連鎖和設備保護。 LEVEL1是 LEVEL2級控制的基礎。 LEVEL2負責完成整個加熱爐的過程控制，實現(xiàn)鋼坯在爐膛內(nèi) 的溫度預報和物料跟蹤，在通訊模型的支持下，完成整個加熱爐區(qū)設備的全自動生產(chǎn)和全自動溫度控制，并為軋機提供必要的信息。 進行了大量文獻檢索工作，對前人的研究工作進行總結和分析。 （ 2）設計和優(yōu)化了 LEVEL1級控制系統(tǒng)，重點研究了改進型雙交叉限幅溫度自動控制和爐溫模糊控制器，以及步進梁的速度曲線優(yōu)化控制。 （ 4）開發(fā)了基于 S7400PLC和 WINCC的加熱爐基礎自動化系統(tǒng)，并成功應用于生產(chǎn)，大大提高了爐溫的控制精度，溫度響應時間大大縮短，加熱爐 LEVEL2級計算機控制系統(tǒng)的投運，實現(xiàn)了爐內(nèi)鋼坯溫度的預測，建立了加熱爐與通訊伙伴的實時通訊，為軋機提供了必要的鋼坯加熱參數(shù)，實現(xiàn)了加熱爐的全自動生產(chǎn)。步 進梁式加熱爐的功能是根據(jù)鋼坯的入爐參數(shù)、生產(chǎn)工況和工藝指標，通過控制爐溫，空氣燃料流量及空燃比，空氣燃料壓力，煙氣殘氧濃度以及爐膛壓力，盡可能地降低能耗，減少氧化燒損，使鋼坯在爐中均勻受熱，同時通過步進梁的步進運動，將鋼坯從裝料側移動至出料側，通過鋼坯在爐內(nèi)的運動，完成從低溫段至高溫段，再進入均熱段的加熱，達到軋鋼要求的軋制溫度。 加熱 爐計算機控制概述 加熱爐的計算機優(yōu)化控制技術就是要在保證工藝指標的前提下實現(xiàn)最優(yōu)的經(jīng)濟指標，在加熱爐上開展計算機優(yōu)化控制的研究已經(jīng)有三十多年的歷史， 國際上對加熱爐優(yōu)化控制的研究始于 20 世紀 70 年代，國內(nèi)始于 80 年代，主要從設備和自動控制兩個方面采取措施 [3]，以降低加熱爐的能耗及提高產(chǎn)品質(zhì)量，可以概括為三個方面：爐溫自動控制、鋼坯溫度預報模型和爐溫優(yōu)化設定策略。在 LEVEL1級順控系統(tǒng)的基礎上，LEVEL2及系統(tǒng)通過以太網(wǎng)絡和 OPC方式，和 LEVEL1級系統(tǒng)建立實時通訊，在ORACLE數(shù)據(jù)庫和 C軟件的強大處理功能下，完成板坯的入爐、爐內(nèi)和出爐的全爐跟蹤，為模型控制系統(tǒng)提供必要的板坯鋼種、尺寸和板坯位置等信息，完成坯料的溫度預測。為保證穩(wěn)態(tài)和動態(tài)情況下，保證空燃比在合適的范圍內(nèi)，通常采用交叉限幅控制方法，使系統(tǒng)在調(diào)節(jié)的動態(tài)過程中，保持空氣、燃料的相互跟隨關系，控制最佳空燃配比。神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊控制、專家系統(tǒng)、自適應控制等智能化技術的出現(xiàn)為加熱爐爐溫控制提供了新的方法和思路。從整體上提高了加熱爐燃燒控制系統(tǒng)的控制性能。另外，目前采用的模糊控制、專家控制最終的輸出量是空氣流量和煤氣流量設定值，流量的閉環(huán)控制還是要依靠傳統(tǒng)的 PID 控制器來實現(xiàn)，從而限制了爐溫控制精度和實時性的提高。 鋼坯溫度預報模型 鋼坯溫度預報模型是加熱爐燃燒優(yōu)化控制的必要中間量，通過數(shù)學模型計算的爐內(nèi)鋼坯表面和核心溫度，從而可以了解鋼坯的加熱質(zhì)量，同時為進一步優(yōu)化爐溫設定提供依據(jù)。在國外， Timothy 等人 [1012]根據(jù)加熱爐內(nèi)的熱交換機理來建立實時控制模型，采用動態(tài)熱傳導分析的方法，通過分析鋼坯各節(jié)點的熱交換來對鋼坯溫度進行控制。 和 等人[1315]采用分布參數(shù)理論與熱交換機理相結合的方法進行建模，并通過近似集中參數(shù)模型研究了加熱爐的靜態(tài)、動態(tài)優(yōu)化問題。文獻 [1719]從描述鋼坯內(nèi)部穩(wěn)定導熱的二維偏微分方程及相應的邊界條件出發(fā)，開發(fā)出了描述鋼坯被加熱狀態(tài)的離散狀態(tài)空間模型，從本質(zhì)上，這種方法是機理分析方法的延續(xù)和改進。鋼坯升溫模型的研究主要安徽工業(yè)大學碩士學位論文 4 從兩個方面入手，采用總括熱吸收率法，從鋼坯與爐內(nèi)熱交換的物理機制入手， 簡化了爐膛內(nèi)輻射換熱，尋找鋼坯升溫的熱力學模型，文獻 [2026]都涉及到了這方面的研究。低維導熱數(shù)學模型形式簡單、計算機求解方便，與三維模型相比，雖然在精度上有所不足，但在加熱爐加熱過程計算機在線控制方面，可以滿足現(xiàn)場的工藝要求。 為了進行數(shù)學模型的計算機移植以及實現(xiàn)控制的可行性和方便性，離散狀態(tài)空間方法也是鋼坯升溫模型的研究重點和熱點，在這方面文獻 [2729]工作頗具代表性，這些文獻都是把爐內(nèi)的鋼坯考慮為一股被加熱的物料流，并按幾何位置分解為一系列相互關聯(lián)的子系統(tǒng)，不僅得出了爐內(nèi)鋼坯加熱的全系統(tǒng)模型，而且給出了單獨鋼坯的跟蹤熱模型，為實時計算機控制奠定了理論基礎。智能技術不僅為傳統(tǒng)控制理論和方法帶來了新的生機，而且為解決軋鋼 領域內(nèi)的控制難題，擺脫常規(guī)數(shù)學模型的困境，突破現(xiàn)有控制理論的局限性，開辟了一條新的道路。 神經(jīng)網(wǎng)絡技術因其具有較快的學習能力和逼近任意非線性映射的能力而被廣泛用于系統(tǒng)建模的研究中。 爐溫優(yōu)化設定模型 柴天佑，王中杰，沈子瞻等 [34, 35]人對步進式加熱爐的建模、控制、優(yōu)化做了很多研究，提出了一種基于生產(chǎn)目標的加熱爐優(yōu)化設定控制方法。 根據(jù)連續(xù)加熱爐溫分段可控性和鋼溫的變化滯后于爐溫變化的特點，文獻 [36, 37]運用一種新的爐溫決策方法。開發(fā)合理的在線數(shù)學模型，為軋制生產(chǎn)服務，具有一定的效果。從發(fā)展來看，綜合型的優(yōu)化目標將會得到更大的應用，但在權重系數(shù)選取的研究上、尋優(yōu)算法適合在線應用的問題上還值得進一步深入研究。但是模糊控制方法本身還存在著一些缺點，比如模糊 控制是一種基于模糊規(guī)則的控制器，這些模糊控制規(guī)則是對受控過程認識的歸納與控制經(jīng)驗的總結，模糊規(guī)則通常情況下是固定不變的，本身缺乏學習能力，不能夠自動修改，因而當系統(tǒng)有變動的時候，難以動態(tài)修正模糊控制規(guī)則，從而影響了控制效果。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 多年來，國內(nèi)外都有大量的專業(yè)化公司和自動化工作者致力于加熱爐二級控制系 統(tǒng)設計及燃燒優(yōu)化控制方面的研究開發(fā)工作。 80年代末期，在工業(yè)發(fā)達的國家