雙交叉限幅控制在加熱爐燃燒控制系統(tǒng)中的應用畢業(yè)論文

1、雙交叉限幅控制在加熱爐燃燒控制系統(tǒng)中的應用摘要本文主要研究鞍鋼大型廠加熱爐燃燒控制系統(tǒng)。鞍鋼大型廠加熱爐為步進式加熱爐，沿長度方向分為預熱段、加熱段、均熱段三個加熱段。根據(jù)工藝要求可將加熱爐檢測和控制系統(tǒng)分為加熱爐溫度控制、檢測系統(tǒng)，助燃空氣、混合煤氣管道壓力控制、檢測系統(tǒng)，汽化冷卻控制系統(tǒng)等。其中加熱爐各段溫度的優(yōu)化設(shè)定和自動控制是主要控制目標。設(shè)計中采用了雙交叉限幅控制原理實現(xiàn)加熱爐燃燒的自動控制，即以爐膛各段的溫度作為調(diào)節(jié)信號，控制煤氣調(diào)節(jié)閥的開度，以保證相應的燃燒所需煤氣的量；同時以煤氣流量作為調(diào)節(jié)信號，按最佳空燃比控制空氣調(diào)節(jié)閥開度，保證相應的燃燒所需的空氣量。采用了雙交叉限幅控制方

2、式后提高了系統(tǒng)空燃比的穩(wěn)定性，增強了爐溫的控制效果，并且極減少了有害氣體的對外排放，達到節(jié)能和環(huán)保的目的。設(shè)計中采用美國AB公司的ControlLogix5000系列可編程控制器組成分散式控制系統(tǒng)，完成各工藝參數(shù)檢測和控制，實現(xiàn)了加熱爐計算機監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，解決了加熱爐燃燒過程普遍存在的能耗高，鋼坯溫度波動嚴重，溫度控制不精確等問題。關(guān)鍵詞：加熱爐，雙交叉限幅，PLC控制器，溫度控制The Application of Double Cross-Limit in the Control System of Reheating FurnaceAbstractThe main research o

3、f this paper is about the An Shan Iron and Steel Company large-scale factory reheating furnace combustion control system. The An Shan Iron and Steel Company Large-scale Factory reheating furnace is the walking beamreheating furnace, divides into the preheatingstation, the heating zone, the even heat

4、ing station along the length direction. According to the technological requirements, the reheating furnace examination and the control system are divided into the reheating furnace temperature control, the examination system, the combustion air, the combination gas pipeline pressure control, the exa

5、mination system, the vaporization cooling control system and so on. Each section of temperature optimized hypothesis and the automatic control in the reheating furnace are the primary controlling goals.The system has used the double-cross limit control principle realization reheating furnace burning

6、 automatic control. Thesystem put each section temperature as the adjustment signal，controlled gas regulating valve opening, and guaranteed corresponding gas the quantity which burning needed. At the same time, put gas flow as regulating signal, control opening degree of air regulating valve accordi

7、ng to the best burning ratio. After applying double-cross limit control mode, it can reduce the emission of noxious gas. It can also achieve the energy conservation and the environmental protection goal. Besides, it can improve the stability of air-fuel ratio and the effect of the furnace temperatur

8、e controlling in the system.The system applies the Control Logix5000 series programmable controller composition distributed control system in American A-B Corporation to complete various crafts parameter examination and control and to monitor the computer and to collect the data. So the problem abou

9、t the heating furnace combustion process is universal high, the billet temperature fluctuation is serious, the precision of temperature control and forth on are solved.Key words：Reheating furnace, doublecrosslimit, PLC, temperature control目錄摘要I1緒論11.1 步進式加熱爐簡介和工藝特點11.2加熱爐控制技術(shù)應用現(xiàn)狀11.3加熱爐燃燒控制系統(tǒng)研究容與方法3

10、2加熱爐的控制系統(tǒng)總體設(shè)計42.1鋼坯加熱的工藝過程42.2加熱爐主要檢測項目52.2.1煤氣與空氣壓力檢測62.2.2煤氣流量檢測72.2.3爐膛溫度檢測72.3加熱爐主要調(diào)節(jié)項目73加熱爐燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計83.1加熱爐燃燒控制的理念83.2單交叉限幅控制83.3雙交叉限幅控制93.4改進型雙交叉限幅控制113.5本文采用的控制設(shè)計114計算機控制系統(tǒng)設(shè)計134.1系統(tǒng)構(gòu)成和配置134.2系統(tǒng)功能144.3系統(tǒng)軟件介紹144.3.1系統(tǒng)軟件梯形圖154.3.2系統(tǒng)軟件指令介紹164.4系統(tǒng)軟件編程設(shè)計204.4.1熱電偶溫度控制設(shè)計204.4.2煤氣流量溫度/壓力補正214.4.3比例積分微

11、分控制器224.4.4雙交叉限幅控制的軟件編程23結(jié)論26致27參考文獻28附錄A（軟件程序）2938 / 421緒論1.1 步進式加熱爐簡介和工藝特點加熱爐是軋鋼生產(chǎn)中的重要設(shè)備。在軋鋼廠的熱軋生產(chǎn)中，必須將要軋制的鋼錠或鋼坯加熱到一定的溫度，使其具有一定的可塑性后進行軋制。目前，軋鋼生產(chǎn)中的加熱爐主要為步進式加熱爐和推鋼式加熱爐兩種。步進式加熱爐是一種節(jié)能高效的加熱爐，其工作爐膛分為預熱段、加熱段、均熱段，使用的燃料為煤氣。步進式加熱爐有推鋼式加熱爐無法比擬的優(yōu)點：不拱鋼，不粘鋼，氧化燒損小，脫碳少，加熱時間短，加熱操作靈活，易于和軋制節(jié)奏相匹配，加熱過程中不劃傷，爐子長度不受限制等，易于

12、實現(xiàn)自動控制。加熱爐鋼料溫度的優(yōu)化設(shè)定和加熱爐自動化控制水平直接影響到能耗，燒損率，廢鋼率，產(chǎn)量，質(zhì)量等指標。步進式爐在提高坯料加熱質(zhì)量，減少溫度差方面采取了有效措施：（1）下加熱段由初期的側(cè)面供熱改成端部供熱；（2）均熱段和加熱段縱向支承梁在爐寬方向錯開一段距離以減少水管黑?。唬?）增大縱向支承梁上墊塊（或騎卡件）高度以減少水管對坯料的遮蔽作用，減少墊塊寬度以減少水管對坯料的冷卻作用，從而減少水管黑印，金屬瓷塊已開始作用；（4）步進梁對坯料實現(xiàn)輕抬輕放；（5）細長的方坯出料時，配置帶4-5挑桿的托出機，在激光裝置監(jiān)視下將方坯托到懸臂輥上1。1.2加熱爐控制技術(shù)應用現(xiàn)狀隨著計算機軟、硬件技術(shù)與

13、智能控制技術(shù)的發(fā)展，一些先進的科技手段已成功地應用于加熱爐的爐溫控制中。目前，計算機自動控制系統(tǒng)在國外的各鋼鐵企業(yè)得到了非常廣泛的應用，并且，作為鋼鐵工業(yè)強國的日本、美國等國家已有了將專家系統(tǒng)和模糊控制應用于鋼廠加熱爐燃燒控制和爐溫控制的報道。國在加熱爐自動控制方面的研究起步較晚，但發(fā)展速度很快，隨著工業(yè)計算機的逐漸普與和自動控制技術(shù)在鋼鐵企業(yè)的應用日趨廣泛，加熱爐控制理論的研究日漸深入，已經(jīng)成為自動控制技術(shù)工業(yè)應用研究的重要領(lǐng)域，并且取得了能夠進行實際應用的研究成果2。表1.1和表1.2分別對國外和國加熱爐溫度控制技術(shù)的應用進行了概括和總結(jié)。從兩表比較中不難發(fā)現(xiàn)，國企業(yè)加熱爐溫度控制技術(shù)與國

14、外企業(yè)相比還有很大差距。目前，制約國加熱爐控制技術(shù)發(fā)展的因素主要有以下幾方面3：(1)國大部分鋼鐵企業(yè)的加熱爐計算機控制系統(tǒng)基本上都是引進國外的成套設(shè)表1.1國外鋼鐵企業(yè)加熱爐溫度控制技術(shù)的應用情況鋼 廠 采用的溫度控制技術(shù)與應用情況Essar鋼廠 開發(fā)了加熱爐溫度控制模型RTC系統(tǒng)，可在線模擬鋼坯升溫與降溫過程，完成加熱爐與軋機的節(jié)奏匹配、鋼坯加熱過程優(yōu)化、各加熱區(qū)溫度設(shè)定點計算與制定待軋策略等功能。日本川崎鋼鐵廠 開發(fā)了加熱爐燃燒控制專家系統(tǒng)，與數(shù)學模型相結(jié)合，系統(tǒng)采用線形規(guī)劃、優(yōu)化模型計算機滿足出鋼溫度和時間的升溫模式，用專家系統(tǒng)選擇優(yōu)化模型的目標函數(shù)和約束條件，確定設(shè)定溫度。新西蘭Ho

15、ogovens鋼廠 采用熱傳導微分方程進行鋼溫預報、爐溫優(yōu)化控制、空燃比控制、推鋼速率控制和直接燃燒控制。瑞典DOMNARVET鋼廠 實現(xiàn)了計算機在先最優(yōu)控制，包括最佳加熱曲線的確定和最優(yōu)爐溫控制。美國Yamatake Honeywell公司 步進輻射式加熱爐全自動燃燒控制系統(tǒng)具有過程溫度控制作業(yè)順序管理、鋼坯跟蹤與生產(chǎn)管理功能。表1.2國鋼鐵企業(yè)加熱爐溫度控制技術(shù)的應用情況4鋼 廠 采用的溫度控制技術(shù)與應用情況 采用分區(qū)控制策略，把PID控制、強比例控制，馬鋼鐵公司 與Fuzzy控制相結(jié)合的復合控制系統(tǒng)，三者之間轉(zhuǎn)換條件是爐溫設(shè)定值與實際值的溫度偏差e，溫度上下限通過分析現(xiàn)場數(shù)據(jù)確定。萊蕪特

16、鋼廠 以NEUROSHELL神經(jīng)元網(wǎng)絡為基本開展平臺，采用BP網(wǎng)絡中帶阻尼反饋的recurrent網(wǎng)絡的尋優(yōu)功能尋找最佳空燃比。投入運行后取得良好控制效果，爐溫控制精度在設(shè)定值±10寶鋼1580熱扎廠 整個鋼坯加熱過程實現(xiàn)了數(shù)學模型網(wǎng)絡控制，根據(jù)粗軋出口帶鋼要求的目標溫度，采用爐溫 或流量設(shè)定方法，對板坯溫度周期進行計算。通過加熱爐控制模型中的數(shù)據(jù)層別，實現(xiàn)了對新增的不同規(guī)格與鋼種的板坯出爐溫度的準確控制。鋼鐵公司 將模糊控制技術(shù)用于常規(guī)PID控制參數(shù)的自動整定，整個加熱爐實現(xiàn)了全自動控制，自尋優(yōu)并跟蹤最佳燃燒，各段爐溫自動協(xié)調(diào)，最大限度地修正各設(shè)定值，各參數(shù)在線自動整定，控制溫度精

17、度<1%,氧化燒損減少30%以上。備，技術(shù)上受到制約，設(shè)備維護費用較高，因此必須加快加熱爐計算機控制設(shè)備的國產(chǎn)化步伐，這也是成為世界鋼鐵工業(yè)強國應具備的基本條件。(2)分析儀表的好壞，將直接影響加熱爐控制效果。目前加熱爐的分析儀表基本上都從國外引進，成本較高。 (3)國大部分鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的鋼坯加熱工段的溫度控制與軋制工段脫節(jié)。鋼坯出爐溫度設(shè)定值往往根據(jù)軋制工段操作工的經(jīng)驗要求確定，而不是根據(jù)鋼坯的具體軋制狀況由計算機控制系統(tǒng)自動確定，這樣做的結(jié)果不是加熱能耗過高就是軋制負荷過大，軋制設(shè)備使用壽命降低。因此，開發(fā)將鋼坯的溫度控制與鋼坯軋制負荷控制結(jié)合起來的集成控制系統(tǒng)已成為鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)基礎(chǔ)

18、自動化和加熱爐綜合集成控制技術(shù)的當務之急，國類似的研究較少。(4)手動控制曾是我國鋼鐵企業(yè)加熱爐溫度控制和軋制負荷控制的主要手段。這些人工經(jīng)驗經(jīng)過多年積累已經(jīng)非常豐富。近年來模糊控制技術(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)與專家系統(tǒng)的研究已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，因此將已有的人工控制與上述以經(jīng)驗為基礎(chǔ)的控制技術(shù)相結(jié)合，可對將鋼坯溫度控制與軋制負荷控制結(jié)合起來的集成控制系統(tǒng)的研究提供一種新的研究手段。1.3加熱爐燃燒控制系統(tǒng)研究容與方法鞍鋼大型廠加熱爐為三段步進式加熱爐。按工藝要求可將檢測、控制系統(tǒng)分為加熱爐溫度控制、檢測系統(tǒng)，助燃空氣、混合煤氣管道壓力控制、檢測系統(tǒng)，汽化冷卻控制系統(tǒng)等。其中加熱爐溫度的優(yōu)化設(shè)定和自動控

19、制是主要控制目標。本文以鞍鋼大型廠加熱爐計算機控制系統(tǒng)設(shè)計為背景，完成了如下具體工作：（1） 通過查閱資料，了解加熱爐溫度控制技術(shù)發(fā)展與國外應用現(xiàn)狀，了解加熱爐生產(chǎn)工藝與控制目標；（2） 基于對加熱爐燃燒控制系統(tǒng)的分析，綜合國外技術(shù)發(fā)展與設(shè)備現(xiàn)狀，提出以雙交叉限幅為加熱爐燃燒控制策略；（3） 完成加熱爐計算機控制系統(tǒng)總體設(shè)計和檢測、控制系統(tǒng)流程圖設(shè)計；（4） 采用美國AB公司ControlLogix5000 系列PLC設(shè)備組成分散式控制系統(tǒng)，完成各工藝參數(shù)檢測和控制；（5） 運用RSView和RSLogix5000等相關(guān)軟件完成了加熱爐雙交叉燃燒控制系統(tǒng)軟件設(shè)計。2加熱爐的控制系統(tǒng)總體設(shè)計2.

20、1鋼坯加熱的工藝過程在步進式加熱爐里，鋼坯的移動是通過固定梁和載有鋼坯的移動梁進行的，在固定梁上的鋼坯，通過移動梁反復地上升，前進，下降，后退的矩形運動，每一個循環(huán)運動過程使鋼坯在爐的梁上發(fā)生滑動就前進一步。傳動機構(gòu)的上下運動和前后運動分別是由獨立機構(gòu)構(gòu)成的。支撐在輥子上的步進梁的前進，后退多采用油壓傳動方式。上下運動采用各種方式，如采用油壓或采用電動。爐子裝鋼要保持規(guī)定的間隔，用推鋼機或輸送機裝入爐。加熱好的鋼坯出鋼采用出鋼裝置送入下一步工序。圖2.1步進式加熱爐工藝圖為了對鋼坯實現(xiàn)有效地加熱，步進式加熱爐沿爐長方面分為：預熱段，加熱段和均熱段，如圖2.1所示，有的步進式加熱段分為一段加熱段

21、和二段加熱段。預熱段的長度較長，可以充分利用煙氣來預熱裝爐鋼坯，從而提高燃料的利用率。鋼坯在加熱初期會因溫差過大而產(chǎn)生熱應力，因此要求控制升溫速度。鋼坯經(jīng)過預熱段預熱后進入加熱段，加熱段是加熱爐最重要的段，鋼坯在加熱段被加熱的程度決定了鋼坯是否能被燒透，爐口能否正常出鋼。均熱段主要將鋼坯均勻加熱到規(guī)定的出鋼溫度。若均熱段溫度過高，將出現(xiàn)鋼體打滑現(xiàn)象，溫度過低，則不能出鋼。三段的溫度互相耦合，互相影響5。為了便于靈活調(diào)節(jié)各段爐溫，在加熱二段與均熱段之間設(shè)有無水冷隔墻。用無水冷隔墻隔開，可以精確控制兩段爐溫和爐壓，減少兩段之間的輻射干擾。各段均為上下加熱，采用分布在爐子側(cè)墻上的蓄熱式燒嘴進行供熱。

22、通過每對蓄熱式燒嘴的切換燃燒，加強爐氣在爐的擾動，增強爐氣對鋼坯的傳熱。空氣預熱溫度1000以上，排煙溫度150以下。爐鋼坯通過步進梁的步進動作，自裝料端一步一步經(jīng)過加熱一段、加熱二段和均熱段傳送到爐子的出料端。在接到軋機要鋼信號后，步進梁就將固定梁上最終料位處的鋼坯托放在出料懸臂輥上面，然后送出進入軋線軋制。2.2加熱爐主要檢測項目加熱爐的熱工制度主要包括：溫度制度，燃料燃燒制度和爐壓制度等，為了保證燃燒的正常進行，一般采用雙交叉限幅燃燒控制方法和動態(tài)補償?shù)臓t膛壓力控制方法，同時對煤氣的流量、壓力與助燃空氣的流量、壓力以與爐膛溫度、壓力分別進行檢測控制。加熱爐檢測系統(tǒng)控制流程圖如圖2.2所示

23、。主要的檢測項目有：（1）溫度檢測：加熱爐第一加熱段溫度檢測，加熱爐第二加熱段溫度檢測，加熱爐均熱段爐溫度檢測，煤氣、熱風溫度檢測，換熱前后煙道溫度檢測；（2）流量檢測：加熱爐一段煤氣、空氣流量檢測，加熱爐二段煤氣、空氣流量檢測，加熱爐均熱段煤氣、空氣流量檢測，熱風流量檢測；（3）壓力檢測：煤氣熱風壓力檢測，加熱爐爐膛壓力檢測，煤氣總管壓力檢測，熱風管壓力檢測。圖2.2加熱爐檢測系統(tǒng)控制流程圖其中， PV：表示閥、擋板PIC：表示壓力指示、調(diào)節(jié)FIC：表示流量指示、調(diào)節(jié)PE：表示壓力測量元件 FT：表示流量變送器TIC：表示溫度指示、調(diào)節(jié)FE：表示流量測量元件2.2.1煤氣與空氣壓力檢測為保證

24、爐溫燃燒控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，穩(wěn)定燃料壓力是十分必要的。因此在步進式加熱爐上，應設(shè)燃料壓力自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。煤氣壓力自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的構(gòu)成，如圖2.3所示。圖2.3煤氣壓力自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)流程圖從煤氣管取出的壓力，經(jīng)壓力變送器，配電器輸出DC4-20mA的電流信號進入PLC，與設(shè)定值SP進行比較，如果輸出的信號小于設(shè)定值SP，則開大調(diào)節(jié)閥；如果輸出信號大于設(shè)定值SP，則關(guān)小調(diào)節(jié)閥，以保證主管壓力的穩(wěn)定，此時PLC調(diào)節(jié)塊應選擇PI型反作用調(diào)節(jié)模塊。當煤氣壓力降低到一定限值時，必須自動切斷煤氣，以保證生產(chǎn)的安全。即當煤氣壓力降低到低于允許值時，應自動關(guān)閉煤氣切斷閥。當事故處理后，煤氣壓力恢復時，應采用手動恢復的方式

25、，以保證生產(chǎn)的安全6?？諝鈮毫Φ臋z測與煤氣的壓力檢測原理一樣。2.2.2煤氣流量檢測煤氣流量的檢測直接影響加熱爐燃燒控制，所以對煤氣流量的檢測是十分必要的。煤氣流量自動檢測控制系統(tǒng)如圖2.4所示。圖2.4 煤氣流量自動檢測控制系統(tǒng)流程圖煤氣總管道安有一孔板，當煤氣流量經(jīng)過孔板時，經(jīng)壓差變送器和配電器轉(zhuǎn)換DC4-20mA的電流，它與SP設(shè)定值的DC4-20mA進行比較，當大于SP的設(shè)定值時，調(diào)節(jié)閥根據(jù)計算機系統(tǒng)的指示自動調(diào)小；反之調(diào)節(jié)閥開大。此回路中調(diào)節(jié)器采用PID調(diào)節(jié)，能很快地，穩(wěn)定地對信號進行調(diào)節(jié)。2.2.3爐膛溫度檢測加熱爐分均熱段、加熱段和預熱段，其每段爐溫測量設(shè)2支熱電偶，熱電偶可選擇

26、兩種方式：工作模式（選擇兩支熱電偶中的高選值進行燃燒控制）、維護模式（當任何一支熱電偶出現(xiàn)故障時，輸入信號自動切換到另一支熱電偶），在一般情況下，溫度控制器只使用其中一支熱電偶信號，而另一支熱電偶信號僅作監(jiān)視用。2.3加熱爐主要調(diào)節(jié)項目加熱爐的自動調(diào)節(jié)項目主要有：（1）煤氣、空氣主管道壓力調(diào)節(jié)；（2）煤氣、空氣支管道壓力調(diào)節(jié)；（3）爐膛壓力調(diào)節(jié)；（4）爐膛各加熱段溫度調(diào)節(jié)。3加熱爐燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計3.1加熱爐燃燒控制的理念加熱爐控制應該采用合理的控制策略，使爐燃料燃燒盡可能完全，并使加熱對象加熱到目標溫度。國際上從20世紀70年代就開始加熱爐計算機控制的研究，國在這方面起步較晚，從80年代才開

27、始這方面的研究工作。但近十多年來，由于計算機技術(shù)以與智能控制技術(shù)的迅速發(fā)展，加熱爐計算機控制的應用日趨廣泛，控制水平有明顯提高。在儀表控制系統(tǒng)中，處理燃料與空氣的關(guān)系通常采用配比調(diào)節(jié)，由于燃料與空氣調(diào)節(jié)回路響應速度不一致，燃料的熱值又不穩(wěn)定以與燒嘴特性的變化，這種配比關(guān)系難于保證，特別是在燃燒負荷發(fā)生變化的情況下，更無法保持最佳配比。目前加熱爐爐溫控制廣泛采用交叉限幅控制方式來解決這個問題，即根據(jù)給定的空燃比，合理調(diào)節(jié)空氣流量和燃料量，以保證在爐溫調(diào)節(jié)過程中，煤氣和空氣都達到充分燃燒，這樣既可節(jié)約能源，又可防止環(huán)境污染?？杖急葘τ谠诩訜釥t各段取得最佳的燃燒效率是重要的，正確地調(diào)整空燃比對于爐子

28、安全與產(chǎn)品質(zhì)量也是重要的。目前，通常采用3種方法處理空燃關(guān)系：（1）單交叉限幅法；（2）雙交叉限幅法；（3）改進型雙交叉限幅法。3.2單交叉限幅控制單交叉限幅是一種基礎(chǔ)的交叉限幅控制方法。圖3.1為單交叉限幅系統(tǒng)原理圖。當溫度調(diào)節(jié)器輸出增加時，開通高值選擇器HS，當使空氣流量調(diào)節(jié)設(shè)定值輸出減少時，開通低值選擇器LS，使燃料流量調(diào)節(jié)設(shè)定值先行降低，達到變化過程始終維持足夠的空氣量的目的。反之，則燃料先行。這種方式使瞬態(tài)響應能保證足夠的空氣量。但是，兩個流量系統(tǒng)的控制響應不同，雖然加有限幅器，振蕩仍較劇烈。為減輕振蕩和跟蹤設(shè)定值帶來的超調(diào)，在FIC前加有兩個設(shè)定值濾波器SVF。 當負荷增加空氣先行

29、時，因空氣系統(tǒng)慣性，致使流量實際值來不與變化，低值選擇器LS選擇作為燃料側(cè)設(shè)定值。式中為實際空氣量，為燃料側(cè)設(shè)定限幅值，取3%5%，為理論空燃比，為空氣過剩系數(shù)。此時空燃比處于低限幅，將冒黑煙。這種現(xiàn)象一直持續(xù)到過渡過程結(jié)束，即燃料側(cè)選擇器重新選擇溫度調(diào)節(jié)器TIC的輸出。圖3.1單交叉限幅系統(tǒng)原理圖當負荷減少燃料先行時，高值選擇器HS選擇,式中為燃料量，為空氣側(cè)設(shè)定限幅值，取3%5%，空氣過剩偏多。這種現(xiàn)象一直持續(xù)到過渡過程結(jié)束，即空氣側(cè)的選擇器重新選擇溫度調(diào)節(jié)TIC的輸出。單交叉限幅控制系統(tǒng)的主要特點是：在需要增加爐溫時，先增加空氣量，再增加燃料量；在減少爐溫時，則先減燃料量，再減空氣量。這

30、樣保證了合適的空氣過剩系數(shù)，使燃料更為合理。單交叉限幅的限幅值和只限定發(fā)煙界限，在負荷突減時空氣過剩不受控制，使過渡過程排煙損失和公害變大。和雙交叉限幅相比，單交叉限幅的優(yōu)點是系統(tǒng)響應快。但這種系統(tǒng)，對燃料閥動作快于空氣閥的系統(tǒng)來說，會發(fā)生比例失調(diào)，使燃料增加過快，以致早冒黑煙7。3.3雙交叉限幅控制雙交叉限幅控制方式能夠克服單交叉限幅控制燃燒不充分等問題，以減少了污染氣體的對外排放，保證煤氣充分燃燒，有效地提高系統(tǒng)空燃比的穩(wěn)定性，增強爐溫的控制效果。雙交叉系統(tǒng)采用流量環(huán)和爐溫外環(huán)的PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)來完成爐溫度的自動調(diào)節(jié)，具體的實現(xiàn)方式為：DCS控制系統(tǒng)先對各有效爐溫控制點進行多點采樣比較，將采

31、樣點的溫度值送入PID調(diào)節(jié)器（溫度外環(huán)）進行溫度趨勢調(diào)節(jié)；同時將溫度外環(huán)PID調(diào)節(jié)器的輸出值送入流量環(huán)的PI調(diào)節(jié)器，再對系統(tǒng)中空氣和煤氣的輸出進行偏差調(diào)節(jié)，以最終實現(xiàn)加熱爐的溫度自動控制。雙交叉限幅系統(tǒng)原理如圖3.2所示，圖中所示的雙交叉限幅系統(tǒng)由1個溫度調(diào)節(jié)器，1個煤氣流量調(diào)節(jié)器，1個空氣流量調(diào)節(jié)器，4個高低選擇器和一些運算單元構(gòu)成，系統(tǒng)中溫度調(diào)節(jié)器采用PID型反作用式，空氣和煤氣流量調(diào)節(jié)器采用PI型反作用式。燃燒控制系統(tǒng)的主要目的是將爐溫控制在允許的圍，并保證燃燒過程的合理性。在加熱爐的加熱段和均熱段，每個溫度控制調(diào)節(jié)器的輸出值，通過HS，LS選擇器作為煤氣和空氣流量環(huán)調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，各段

32、熱電偶為溫度調(diào)節(jié)器提供測量值，系統(tǒng)中的限幅值，取值為4.、5，取值為7（調(diào)試值），為空氣，燃料的測量修正值；，分別為煤氣、空氣的相對值；為理論空然比；為空氣過剩系數(shù)。圖3.2 雙交叉限幅系統(tǒng)原理圖雙交叉限幅系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程簡述如下：（1）正常工作情況時，溫度調(diào)節(jié)器的，煤氣和空氣側(cè)的流量調(diào)節(jié)器設(shè)定值均由決定。（2）當檢測點的實際溫度小于溫度調(diào)節(jié)器的給定值（升溫）時，由于溫度調(diào)節(jié)器為PID反作用式，故其輸出值大幅度增加。對煤氣回路來講，在HS中，與進行比較，因為，為輸出，故選，在LS中，與進行比較，因，為出，故選,此時成為煤氣調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，即。對空氣回路來講，由于 增加，,LS輸出為,又因為，所以

33、HS輸出為，由作為空氣調(diào)節(jié)器的給定值，。上述情況表明：升溫時，煤氣和空氣同時取上限限幅值；隨著溫度的上升，值逐漸變小，當溫度上升到溫度調(diào)節(jié)器的時，雙交叉限幅過程結(jié)束。（3）當檢測點的實際溫度值高于溫度調(diào)節(jié)器的給定（降溫）時，其輸出值大幅度減小。對煤氣回路來講，在HS中,與進行比較，因，為輸出，故選；在LS中，與進行比較，因,故選為輸出，此時成為煤氣調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，即。對空氣回路來講，因減少，LS輸出為，又因為,所以HS輸出為，由作為空氣調(diào)節(jié)器的給定值，。上述情況表明：降溫時，煤氣和空氣同時取下限限幅值；隨著溫度下降，值逐漸增大，當溫度降低到溫度調(diào)節(jié)器的時，雙交叉限幅調(diào)節(jié)過程結(jié)束。3.4改進型雙

34、交叉限幅控制改進型雙交叉限幅控制，是基于雙交叉限幅的控制，在系統(tǒng)中增加了，使動態(tài)響應時間提高，如下圖3.3所示，讓按TIC輸出與燃料流量的比值或按TIC輸出的變化率計算限幅值的偏置K，比值或變化率越大，K越大。加入偏置K等于放寬限制條件，使雙限幅的優(yōu)越性變得不明顯，當K足夠大時，系統(tǒng)將蛻變成空氣和燃料兩個流量回路同時跟蹤TIC輸出的并行系統(tǒng)。并行的兩個回路因回路特性不同產(chǎn)生的相位差使動態(tài)流量比變壞，是超調(diào)大和有明顯振蕩的系統(tǒng)，動態(tài)流量比將難以控制。3.5本文采用的控制設(shè)計本文采用雙交叉限幅的控制方法來實現(xiàn)燃燒的最優(yōu)控制。因為單交叉限幅控制系統(tǒng)雖然有很快的響應，但對燃料閥動作快于空氣閥的系統(tǒng)來說

35、，仍會產(chǎn)生比例失調(diào)，使燃料增加過快，以致早冒黑煙；改進的雙交叉限幅控制系統(tǒng)，理論上雖然有改進，但實際意義并不大。雙交叉限幅控制系統(tǒng)是在單交叉限幅設(shè)置發(fā)煙界限限制的基礎(chǔ)上增加了空氣過剩限制的一種控制系統(tǒng)。雙交叉限幅可消除單交叉限幅空氣過剩和減輕煤氣流量系統(tǒng)相互圖3.3 改進型雙交叉限幅控制原理圖影響引起的振蕩。當爐發(fā)生相應變化，溫度調(diào)節(jié)器TIC的輸出會發(fā)生相應變化，而空氣和煤氣的流量設(shè)定值均不直接跟蹤TIC的改變?？諝夂兔簹獾牧髁繉嶋H值交替地跟蹤對方的流量實際值的變化，變化速度取決于雙邊系統(tǒng)的慣性。同無限幅的系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)是將TIC的輸出對下面直接大幅度設(shè)定改成由對象時間常數(shù)規(guī)定的小幅度的設(shè)定

36、，是等待對方流量變化后再進行已方控制的進程，從而使動態(tài)響應時間變長，超調(diào)量相應地減少。本系統(tǒng)基本上杜絕了冒黑煙和過度排熱的情況，實現(xiàn)了空燃比較穩(wěn)定的爐溫度穩(wěn)態(tài)控制。4計算機控制系統(tǒng)設(shè)計4.1系統(tǒng)構(gòu)成和配置加熱爐控制系統(tǒng)由操作站HMI、現(xiàn)場控制站和通信網(wǎng)絡組成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖4.1所示。圖4.1加熱爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖操作站是人機接口，可顯示工藝流程畫面、儀表操作畫面、電氣操作畫面、報警畫面與趨勢畫面等，操作人員通過操作站畫面集中監(jiān)視生產(chǎn)過程，下達各種操作指令，調(diào)節(jié)過程參數(shù)，控制設(shè)備運行。操作站設(shè)有打印機，可以印工況報表、報警記錄、有關(guān)程序和參數(shù)。操作站PC機必須符合以下的軟硬件要求。 1、硬件要求（

37、1）一個Intei Pentium、Pentium兼容的活486微處理器；（2）32MBRAM（推薦64MB與5/60 或5/80 處理器）；（3）12MB可用硬盤空間（或更大，視應用程序需要而定；（4）一個3.5英寸、1.4MB磁盤驅(qū)動器；（5）16色VGA圖形適配器，640×480或更高分辨率（最好256色800×600）；（6）任何與Windows兼容的定點設(shè)備。2、軟件要求操作系統(tǒng)必須是Microsoft Win95 或Microsoft WinNT V.4.0以上。4.2系統(tǒng)功能步進式加熱爐自動控制系統(tǒng)，采用具有國際先進水平的美國AB公司 ControlLogix

38、5000 系列PLC設(shè)備組成的分散控制系統(tǒng)，對加熱爐生產(chǎn)過程進行控制。為便于調(diào)試，主要設(shè)備旁設(shè)有操作臺。現(xiàn)場控制站采集現(xiàn)場設(shè)備信號后，經(jīng)PLC處理然后對現(xiàn)場設(shè)備進行控制，并送HMI顯示。PLC1為加熱爐電氣用PLC，主要控制加熱爐入口收集裝置、拔鋼機、爐門、步進梁、出鋼機、液壓站、風機等設(shè)備的運行。PLC2為加熱爐儀表用PLC，主要采集加熱爐的溫度、流量和壓力等信號，控制加熱爐的爐溫，使其達到最佳燃燒狀態(tài)。PLC3為氣化冷卻系統(tǒng)用PLC，主要控制汽包，除氧器等設(shè)備運行。現(xiàn)場控制站采用美國AB公司ControlLogix5000系列PLC設(shè)備，PLC具體配置如下：處理器： 1756-LIM217

39、槽機架： 1756-A17網(wǎng)絡通信模塊： 1756-CNBR模擬量輸入（輸出）模塊：1756-IF16（OF8）數(shù)字量輸入（輸出）模塊： 1756-IB16（OW16I）加熱爐電氣PLC、儀表PLC、氣化冷卻PLC之間，與與HMI之間的通信采用AB公司的Controlnet網(wǎng)。通信速率5MB。通信網(wǎng)絡采用雙網(wǎng)進行通信控制，使控制系統(tǒng)的可靠性得到了很大提高。4.3系統(tǒng)軟件介紹RSLogix5000 是處理的梯形邏輯編成軟件包，是一個32位的Windows軟件。工作在Microsoft Win95與WinNT環(huán)境下的 RSLogix5000與使用WINtelligent Logic5、PLC-5A

40、.I.(Advanced Interface)系列以與6200系列PLC-5 編成軟件生成的程序兼容。RSLogix 5000 軟件的功能包括8：（1）自由形態(tài)的梯形圖編輯器使集中于應用邏輯代替了寫程序時對嚴格的語法的要求；（2）項目校檢器可以建立錯誤信息列表，以利于編程人員瀏覽和修改；（3）拖放編輯功能可以很方便地將數(shù)據(jù)表元素從一個文件移到另一個文件，將一個梯級從一個子程序或項目文件中移到別處，或在一個項目文件將指令從一處移到另一處；（4）搜索和代替可以快速改變地址或符號；（5）一個稱為項目樹（project tree）的界面使編程人員可以訪問項目包括的所有文件夾和文件；（6）一個自定義數(shù)據(jù)

41、監(jiān)視器（custom data monitor）用于將分開的數(shù)據(jù)放在一起便于查看；（7）有著與梯形邏輯編輯器一樣簡單地進行拖放操作的基于IEC1131-3 標準的SFC和結(jié)構(gòu)文本編輯器；（8）梯形邏輯的可存取部分PC5庫用于存取訪問任意RockwellSoftware的PLC-5編程軟件。4.3.1系統(tǒng)軟件梯形圖梯形圖（Ladder）是一種最典型的也是最基本的編程方式，它采用圖形符號，沿用了繼電器的觸點、線圈、串聯(lián)等術(shù)語和圖形符號，并增加了一些繼電接觸控制沒有的符號。梯形圖一般由多個不同的階梯（RUNG）組成，每一階梯又由輸入與輸出指令組成。在一個階梯中，輸出指令應出現(xiàn)在階梯的最右邊，而輸入指

42、令則出現(xiàn)在輸出指令的左邊，如圖4.2所示。當輸入指令所表示的階梯條件為真則執(zhí)行輸出指令，否則不執(zhí)行圖4.2梯形圖輸出指令。因此，允許在一個階梯中無輸出指令表示階梯條件永遠為真；也允許有多個輸入指令串、并聯(lián)：串聯(lián)意味著幾個條件之間是“與”的關(guān)系，并聯(lián)則意味著幾個條件之間是“或”的關(guān)系。輸出指令則不允許串聯(lián)，但允許并聯(lián)，表示階梯條件為真時，幾個輸出指令可一并執(zhí)行。梯形圖掃描的順序是從左到右，從上到下。4.3.2系統(tǒng)軟件指令介紹本設(shè)計用到的主要指令9：1、檢查閉合XIC XIC屬輸入指令，若相應位地址中的數(shù)據(jù)是“1”（ON），則表示該指令的邏輯為真（true），否則該指令的邏輯為假（false)。它

43、類似于常開開關(guān)，如果位地址使用了輸出映像表的位，則其狀態(tài)必須與相應地址實際輸入設(shè)備的狀態(tài)相一致。XIC的指令格式如圖4.3所示。圖4.3XIC的指令格式模塊圖2、檢查斷開XIOXIO屬輸入指令，若相應位地址中的數(shù)據(jù)是“1”（ON），則表示該指令的邏輯為“假”（false)，否則該指令的邏輯為真（true），它類似于一常閉開關(guān)。XIC的指令格式如圖4.4所示。圖4.4 XIC的指令格式模塊圖3、輸出激勵OTEOTE輸輸出指令，用于控制存貯器中的位。若該位對應輸出模塊上的一個端子，則當該指令使能是，連接到該端子上的設(shè)備被接通，反之，設(shè)備不動作。若OTE指令前面的階梯條件為真，則處理器使能OTE指令

44、；若OTE指令前面的階梯條件為假，則不能使能OTE，相應得設(shè)備不接通。一條OTE指令如同一個繼電器的線圈。OTE指令由它前面的輸入指令控制，而繼電器的線圈由硬觸電控制。OTE的指令格式如圖4.5所示。圖4.5OTE的指令格式模塊圖4、比較指令（CMP）CMP指令用于完成用戶指定表達式的算術(shù)比較操作。當處理器發(fā)現(xiàn)表達式為真時，階梯為真，否則階梯為假。一條CMP指令的執(zhí)行時間比其他比較的執(zhí)行時間長。在用戶程序文件中，一條CMP指令比相應的比較指令占用的字也要多。CMP的指令格式如圖4.6所示，圖4.6 CMP的指令格式模塊圖在這里輸入的CMP的表達式定義了用戶要完成的操作，表達式由操作符、地址或程

45、序常數(shù)組成：（1）操作符（符號）定義操作功能，如比較操作中的等于、不等于、小于、小于等于、大于、大于等于；算術(shù)運算中的加、減、乘、除、平方根、指數(shù)；轉(zhuǎn)換中的BCD轉(zhuǎn)換成二進制（FRD）、二進制轉(zhuǎn)換成BCD等；（2）地址可以使直接地址、間接地址或變址地址；（3）程序常數(shù)可以使整數(shù)也可以是浮點數(shù)。表達最長允許有80個字符，包括空格和符號。5、字傳送（MOV）字傳送指令（MOV）把源值（Source）傳送給目的地址（Dest），源可以使常數(shù)也可以是存放數(shù)據(jù)的地址，其指令格式如圖4.7所示。圖4.7 MOV指令格式模塊圖6、計算（CPT）CPT指令可以完成拷貝、算術(shù)、邏輯和轉(zhuǎn)換等操作，其指令格式如圖4

46、.8所示，圖4.8 CPT指令格式模塊圖該指令完成表達式中用戶定義的操作，并且把結(jié)果輸入到目的地址，數(shù)據(jù)類型也自動轉(zhuǎn)化為目的地址的類型。表達式是用戶定義的操作，由運算符、地址或程序常數(shù)完成，最終可達80個字符（復雜表達式）。其中，運算符（符號）定義了操作性質(zhì)；地址可以是直接和間接地址；程序常熟可以是整數(shù)或浮點數(shù)。 當用在表達式中的任一操作數(shù)為浮點數(shù)，那么整個表達式就以浮點數(shù)形式計算。CPT可以完成拷貝、清零、算術(shù)運算、邏輯運算、轉(zhuǎn)換等功能。7、平方根（SQR）平方根（SQR）指令計算一個數(shù)值（Source）的平方根，結(jié)果放在目的地址（Dest）。Source 既可以是一個數(shù)值也可以是存有數(shù)值得

47、地址，平方根（SQR）指令的格式如圖4.9所示。圖4.9 SQR指令格式模塊圖8、通延時繼電器(TON)利用TON指令在設(shè)置時間完成去控制輸出的接通或斷開。當階梯為真時，TON指令開始累加計時，直至下列條件之一發(fā)生為止：（1）累加值等于預設(shè)置；（2）階梯變假；（3）復位計時器；（4）相關(guān)的SFC步變無效。一旦階梯條件變假，不論計時器是否到時，處理都復位累加器，TON的指令格式如圖4.10所示，圖4.10 TON指令格式模塊圖可見每一個TON必須使用一個計時器元素，并提供下列參數(shù)：（1）時基（Time Base）：分1s和0.1s兩種，它決定了計時器的精度；（2）預置值（Preset）：用以設(shè)置

48、預定時間，以一個16位的整數(shù)值放置，圍 032767。實際的延時（預定）時間=預置值×時基；（3）累加值（Accum）：是一個動態(tài)值，告訴用戶目前已經(jīng)延時的數(shù)值，計時器復位時，其值為0。TON操作與其相應得狀態(tài)如下表4.1。表4.1 TON指令的操作與狀態(tài)階梯條件EN（有效位）TT（計時位）DN（完成位）說 明假000不計時真110正在計時，累加值預置值真101累加值=預置值，計時完成用復位指令RES000ACC=0，PRE不變，計時器復位9、過程控制指令（PID）PID指令其實是一個復合程序模塊。用以處理器監(jiān)視和控制諸如壓力、溫度、液位等過程回路。它的特點有：PID方程可由標準方程

49、或獨立增益方程表示；輸入輸出圍為04095；可按工程單位整理輸入信號；可設(shè)定死區(qū)；可選擇微分項；可選擇正向或反向控制；設(shè)定輸出報警；進行輸出限幅；可采用手動方式操作；可進行前饋或輸出補償；可顯示和監(jiān)視PID值。過程變量：用戶要控制的值。牽引信號：（可選的）硬件手動/自動工作站的輸出，它旁路控制器的輸出。如果用戶不想用此參數(shù)輸入一個0值?？刂谱兞浚河糜诳刂谱罱K設(shè)備的數(shù)值（閥）。PID主回路：（可選擇的）用于主PID循環(huán)的PID標簽，如果用戶執(zhí)行級聯(lián)控制，而且此PID是從回路，則輸入主PID回路的名稱。如果用戶不想用此參數(shù)，輸入一個0值。初始化保持位：（可選擇的）來自1756模擬量輸出通道的初始化

50、保持位的當前狀態(tài)，用于支持無沖擊再起動。如果用戶不想用此參數(shù)輸入一個0值。初始化保持數(shù)據(jù)：（可選擇的）來自1756模擬量輸出通道的數(shù)據(jù)讀出值，用于支持無沖擊再起動。如果用戶不想用此參數(shù)，輸入一個0值。設(shè)定點：只用于顯示， 顯示設(shè)定點的當前值輸出百分比：只用于顯示，顯示輸出百分比的當前值。PID的指令格式如圖4.11所示。圖4.11 PID指令格式模塊圖4.4系統(tǒng)軟件編程設(shè)計4.4.1熱電偶溫度控制設(shè)計加熱爐各段溫度檢測原理一樣，編程實現(xiàn)以均熱段為例，程序梯形圖如4.12所示，其解釋如下：(101)行程序?qū)崿F(xiàn)A電偶測量溫度,如測量值T1101A大于零,則將T1101送入到T1101中；(102)

51、行程序?qū)崿F(xiàn)如A電偶測量值T1101A小于零,則發(fā)出報警信號；(103)行程序?qū)崿F(xiàn)B電偶測量溫度,如測量值T1101B大于領(lǐng),則將T1101B送入到T1101B中；(104)行程序?qū)崿F(xiàn)如A電偶和B電偶均斷偶,發(fā)出二重報警信號。圖4.12加熱爐各段溫度檢測程序梯形圖4.4.2煤氣流量溫度/壓力補正煤氣的工作壓力為10.25,工作溫度為620，實際的煤氣流量使用下公式進行補正10： (4.1)單位壓力是，溫度是，流量實際煤氣流量；測量煤氣流量；測量煤氣壓力；基準壓力；測量煤氣溫度；基準溫度。加熱爐各段流量檢測原理一樣，流量補正編程實現(xiàn)以上均熱段為例，程序梯形如圖4.13所示，其解釋如下：圖4.13加

52、熱爐各段流量檢測補正梯形圖(105)行程序?qū)崿F(xiàn)當煤氣流量為F1101，煤氣管道檢測壓力為P1101，煤氣管道檢測溫度為T1101時煤氣補正后的流量；(106)行程序?qū)崿F(xiàn)補正后煤氣流量的轉(zhuǎn)換。4.4.3比例積分微分控制器調(diào)節(jié)器的最基本調(diào)節(jié)規(guī)律有比例、積分、微分三種與其組合調(diào)節(jié)作用，表述這三個基本調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)器參數(shù)是比例帶、積分時間、和微分時間，下面是其對調(diào)節(jié)系統(tǒng)過渡過程影響。圖 4.14 PID控制器框圖把以比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合起來構(gòu)成的調(diào)節(jié)器，如上圖4.14所示，它不僅使調(diào)節(jié)系統(tǒng)增強了克服干擾的能力，而且使系統(tǒng)的穩(wěn)定性也顯著提高。本系統(tǒng)就是采用這種比例積分微分調(diào)節(jié)器。傳遞函數(shù)為11： （4.2）其中 ；式中帶 的量為調(diào)節(jié)器參數(shù)的實際值，不帶者為參數(shù)的刻度值。稱為相互干擾系數(shù)；為積分增益。引入微分作用不僅可把比例帶相應減小，而且還可使積分時間縮短。即調(diào)節(jié)器在比例積分作用基礎(chǔ)上再增加微分作用后，能夠使系統(tǒng)在比例帶減小時不致產(chǎn)生振蕩，采用較強積分作用而不會使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。對于容量滯后較大，純滯后不太大且不容許有靜差的對象，采用比例積分微分調(diào)節(jié)器，可以全面改善調(diào)節(jié)質(zhì)量。但是對象滯后很大，負荷變化也很大的系統(tǒng)，這種調(diào)節(jié)器也無法滿足要求，只能用復雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)來代替單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)。4.4.4雙交叉限幅控制的軟件編程雙交叉燃燒控制消除了響應