軋鋼加熱爐溫度自動控制-熱值模型和實現(xiàn)(設計)完整版

內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）PAGEI軋鋼加熱爐溫度自動控制——熱值模型和實現(xiàn)摘要在鋼鐵企業(yè)中，為了將鋼坯加熱到軋制所規(guī)定的工藝要求，必然地要求對加熱爐內(nèi)的溫度進行有效的控制，使之保持在某一特定的范圍內(nèi)。而溫度的維持又要求燃料在爐內(nèi)穩(wěn)定地燃燒。加熱爐燃燒過程是受隨機因素干擾的，具有大慣性、純滯后的非線性過程。所以加熱爐的溫度控制一直鋼鐵企業(yè)的重要研究問題。本次設計是以包鋼2#軌梁軋鋼加熱爐為背景展開的，控制系統(tǒng)用的是浙大中控的Advantro-Pro集散控制系統(tǒng)，溫度控制方案采用串級控制，副回路在流量控制的基礎上采用熱值作為前饋，克服了來自煤氣混合比的影響；燃燒控制采用具有邏輯規(guī)律的比值控制，采用動態(tài)空然比，使燃燒得到最大優(yōu)化。各回路控制策略選擇PID控制。關鍵詞：軋鋼加熱爐；串級控制；比值控制；空燃比SteelRollingHeatingFurnaceTemperatureAutomaticControlCalorificvaluemodelandtherealizationAbstractIntheenterpriseswhereproducingironandsteel,inordertoheatupbillettothetechnologicalrequirementsofrolling,thetemperatureinsidethefurnacemustbecontrolledeffectivelysothatitremainsinaspecificrange.Whilemaintainingthetemperatureneedsthestableburningoffuelinsidethefurnace.Furnacecombustionprocessisanon-linearprocesswhichissubjecttotherandominterference,greatinertiaandthepuretimedelay.Therefore,heatingfurnacetemperaturecontroliscontinuouslytheimportantresearchissueofironandsteelenterprises.Mycurrentdesignisbasedonthesecondtrack#beamfurnaceofBaotousteelasthebackground,usingAdvantro-ProDistributedControlSystemofZhejiangUniversityasthecontrolsystem,usingcascadecontrolasthetemperaturecontrol.TheDeputyobjectsaddstheimpactofheatvalueonthebasisofflowcontrolastoovercomingtheinfluencefromtheratioofgasmixture;usingtheratiocontrolwiththelawsoflogic,anddynamicspaceratiointhecombustioncontrol,toreachmaximumcombustionoptimization.TheloopusePIDasthecontrolstrategyoptions.Keywords:ReheatFurnace,cascadecontrol,ratiocontrol,air-fuelratio目錄摘要 IAbstract II目錄 III第一章緒論 11.1概論 11.2國內(nèi)現(xiàn)狀 2第二章加熱爐工藝及難點分析 52.1加熱爐的工藝流程 52.2燃燒的分析 62.2.1燃料的成分 62.2.2燃氣與空氣的關系 82.3加熱爐的工藝要求 102.3.1爐膛溫度 102.3.2燃燒 102.4加熱爐控制難點 11第三章國產(chǎn)控制系統(tǒng)——AdvanTrol-Pro 123.1軟件支持的系統(tǒng)結構 123.2系統(tǒng)軟件功能特點及性能指標 133.3系統(tǒng)軟件構成介紹 143.3.1用戶授權管理軟件（SCReg） 163.3.2系統(tǒng)組態(tài)軟件（SCKey） 163.3.3圖形化編程軟件（SCControl） 173.3.4語言編程軟件（SCLang） 203.3.5二次計算組態(tài)軟件（SCTask） 203.3.6流程圖制作軟件（SCDrawEx） 203.3.7報表制作軟件（SCFormEx） 203.3.8實時監(jiān)控軟件（AdvanTrol） 213.3.9故障分析軟件（AdvDiagnose） 213.3.10ModBus數(shù)據(jù)連接軟件(AdvMBLink) 213.3.11實時數(shù)據(jù)服務器軟件（AdvOPCServer） 213.3.12C/S網(wǎng)絡互連功能 22第四章系統(tǒng)控制方案及策略 234.1加熱爐控制系統(tǒng) 234.1.1控制方案 234.1.2控制策略 264.2燃燒控制系統(tǒng) 274.2.1燃燒控制系統(tǒng)的分析 274.2.2具有邏輯規(guī)律的比值控制系統(tǒng) 28第五章控制系統(tǒng)在Advantrol-Pro中的實現(xiàn) 315.1位號的定義 315.2功能塊 335.3程序的實現(xiàn) 385.3.1熱值與華白的計算 385.3.2空燃比的計算 415.3.3具有邏輯規(guī)律的串級比值控制系統(tǒng) 42結束語 45參考文獻 46致謝 47內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）第一章緒論1.1概論自18世紀后半期的工業(yè)革命以來，世界對于煤、石油、天然氣等不可再生能源的消耗不斷擴大，能源危機日益加深。在1973年發(fā)生第一次能源危機后，開發(fā)新能源和節(jié)能的研究便成為世界各國關注的主要課題，各工業(yè)先進國家對各種燃燒設備的節(jié)能控制進行了廣泛深入的研究，大大降低了能耗。加熱爐是熱軋生產(chǎn)過程的重要熱工設備，其能耗占到鋼鐵工業(yè)總能耗的25%。它的主要作用是提高鋼坯的塑性，降低變形抗力，以滿足軋制工藝的要求。其溫度控制性能直接影響到加熱爐的能耗和最終鋼材產(chǎn)品質(zhì)量、鋼坯成材率、軋制設備壽命以及整個軋線的有效作業(yè)率。但是加熱爐的燃燒過程是受隨機因素干擾的、具有時變性的非線性隨機過程。對于這種復雜的控制對象，即使是經(jīng)驗豐富的操作工人，也很難全面的考慮各種因素的影響進行準確的控制，這將影響鋼坯的加熱質(zhì)量，甚至影響正常的生產(chǎn)。目前，國內(nèi)仍有大量的加熱爐停留在簡單的人工控制或者通過電子儀表進行手工電動操作，這種操作方式勞動強度大、控制粗糙、節(jié)能效果不好、對操作工的水平要求較高。隨著要求高效利用能源和降低環(huán)境污染等問題的日益急迫，急需對加熱爐之類的工業(yè)爐窯實行優(yōu)化控制以實現(xiàn)節(jié)能降耗和降低對環(huán)境的污染。因此，必須提高加熱爐控制水平，建立良好的爐溫自動控制系統(tǒng)。加熱爐燃燒過程是受隨機因素干擾的、具有大慣性、純滯后的非線性過程。鋼坯加熱爐一般是多段式復合結構，分段加熱，各段之間相互耦合，要描述爐內(nèi)熱交換機理除包括有關輻射、對流和傳導的關系式外，還有很多不確定因素，如壓力、各段之間相互影響、燃燒熱值的波動等，要以數(shù)學方法建立加熱爐這種復雜、粗糙對象的精確模型十分困難。傳統(tǒng)的控制技術是基于模型的控制，建立在模型已知或可以通過辨識得到的基礎上的。因此，當爐內(nèi)工況發(fā)生變化或出現(xiàn)大的擾動時，傳統(tǒng)的線性近似模型顯然具有較大的局限性。工程技術人員經(jīng)過多年的工程實踐，已充分認識到，要想徹底解決加熱爐的控制問題，必須跳出以簡化的數(shù)學模型為基礎的經(jīng)典控制框架，面對其復雜性，應提出新的概念和模型，探索新的方法和手段，開發(fā)出能感知復雜環(huán)境、控制復雜對象、解決復雜任務的新策略。近年來，隨著計算機的廣泛應用和人工智能技術的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了一種以人工智能、控制理論和計算機科學為基礎的新型控制技術—智能控制。智能控制從人工智能的角度出發(fā)，充分重視大量定性的先驗知識，采用模糊、推理、邏輯的知識庫和推理方式，通過離線訓練在線學習，建立起智能動態(tài)控制系統(tǒng)，為解決復雜工業(yè)過程建模和優(yōu)化控制問題提供了一種很好的解決方案，逐漸成為工業(yè)過程控制研究的熱點。將智能控制技術應用于爐窯的過程控制，能繼承熟練工人的操作經(jīng)驗，并解決傳統(tǒng)工藝理論、控制理論建立的數(shù)學模型無法適合非穩(wěn)定工況的問題，在異常情況下也能很好地控制，從而可大大提高加熱爐窯控制過程的快速性和控制精度，保證控制過程的穩(wěn)定性，提高產(chǎn)品的合格率和優(yōu)質(zhì)率。智能控制技術的出現(xiàn)，為解決鋼鐵工業(yè)領域內(nèi)的控制難題提供了全新的思路，為今后我國鋼鐵冶金企業(yè)在世界鋼鐵強國中謀得一席之地，提供了較好的途徑?？梢灶A見，智能控制技術在將來的加熱爐的綜合優(yōu)化控制技術研究中將占有舉足輕重的地位。1.2國內(nèi)現(xiàn)狀我國從80年代初開始進入加熱爐計算機控制系統(tǒng)研究階段。就國內(nèi)來說，我國鋼鐵企業(yè)現(xiàn)有軋鋼爐窖近千座，其中加熱爐700多座。有些加熱爐可達到國外90年代水平，但發(fā)展極不平衡，先進與落后差距很大。目前，國內(nèi)大多數(shù)加熱爐的計算機控制水平很低，雖然引進了一些先進的控制系統(tǒng)和設備，但絕大部分加熱爐計算機控制系統(tǒng)仍然處在計算機過程控制的水平上，甚至還有少數(shù)加熱爐由人工操作，其加熱質(zhì)量和能耗與國外同行相比相距甚遠。在理論研究方面，近年來，國內(nèi)對加熱爐數(shù)學模型的研究越來越活躍起來，我國的科學工作者進行了大量的卓有成效的研究工作，取得了一些研究成果。有很多學者，對鋼坯升溫的數(shù)學模型進行了研究，還有學者將燃料消耗與鋼溫聯(lián)系起來，構成燃料消耗最低的真實目標函數(shù)，從而可以運用最優(yōu)升溫曲線。同時，智能控制技術的研究也在積極開展，有學者將智能控制的思想和方法與自校正控制技術相結合，提出了一個基于知識和在線辨識機制加熱爐混合智能控制系統(tǒng)。但目前國內(nèi)外開發(fā)的加熱爐鋼坯溫度預報數(shù)學模型,無論是根據(jù)加熱過程本身的內(nèi)在機理,運用能量平衡、物料平衡等建立起來的機理模型,還是根據(jù)加熱爐的輸入輸出數(shù)據(jù)建立起來的辨識模型,其實質(zhì)都是實驗模型。建立的模型依賴于建模時的爐況和實驗條件,當爐況變化或爐子更新、老化后,模型的誤差就會大大增加。另外,建立爐內(nèi)加熱鋼坯溫度預報模型時,通常忽略熱輻射和熱對流,僅考慮熱傳導,加熱的三維空間被簡化成一維或二維空間的熱傳導模型。由于這些方法假設太多,以至使用起來誤差較大。在實際工程應用中，計算機控制應用也日趨廣泛，提出了新的控制策略，控制水平有所提高。例如:首鋼板材有限公司加熱爐計算機控制系統(tǒng)，避開許多難以檢測的物理量及建立精確數(shù)學模型的困難，而直接根據(jù)系統(tǒng)中易于檢測的溫度、壓力、流量等三種物理量，采用智能控制技術設計了智能控制器，進行系統(tǒng)辨識，實現(xiàn)了加熱爐的智能和優(yōu)化控制，氧化燒損從1.67%下降到0.96%；萊鋼熱軋窄帶鋼步進式加熱爐計算機優(yōu)化控制系統(tǒng)中的熱工控制由直接數(shù)字控制(DCC)和計算機監(jiān)督控制(SCC)兩級組成，DCC級的燃燒控制實現(xiàn)了雙交叉限幅控制，同時以軟件的方式實現(xiàn)了煤氣熱值的動態(tài)實時估算，保證了空氣消耗系數(shù)隨熱值同步變化，SCC級提出了考慮二維效應的一維平板模型，提高了模擬的精度，并以段法的離線分析解決了總括熱吸收率的動態(tài)補償問題，還建立了金屬氧化燒損模型，對金屬氧化燒損量進行在線實時跟蹤計算，有利于降低氧化燒損，實現(xiàn)了加熱爐的優(yōu)化控制?？傊覈睦碚撗芯侩m已趕上國際水平，但國內(nèi)加熱爐的控制水平與先進國家相比還存在較大的差距，加熱爐控制大多停留在常規(guī)的燃燒控制階段，更有許多處于手工操縱階段?？偟膩碚f，加熱爐的高級計算機控制策略尚處在初級階段，有關技術還不成熟。第二章加熱爐工藝及難點分析2.1加熱爐的工藝流程要對加熱爐進行溫度控制就首先要對加熱爐熟悉，加熱爐的作用是將鋼坯加熱到軋制工藝要求的溫度。在此溫度下進行軋制既能保證燃料的合理利用又能使軋制力在正常范圍內(nèi)。圖2.1軋鋼機拋面簡圖加熱爐為三段式加熱爐，沿爐長方向分為預熱段、II加熱段、I加熱段和均熱段，如上圖所示。預熱段主要是依靠爐內(nèi)尾氣余熱來預熱裝爐鋼坯，從而提高燃料的利用率。為了把鋼坯加熱到目標溫度，加熱爐以高爐焦爐混合煤氣為燃料，分成五個控制區(qū)域?qū)訜釥t的燃燒過程和爐溫進行控制，即II加熱段上區(qū)，并將I加熱段和均熱段各分成上、下兩個區(qū)域，每個區(qū)域單獨控制，分別設置有熱電偶溫度傳感器，空氣流量控制器、煤氣流量控制器，對每段的爐溫以及燃燒狀況進行實時監(jiān)控，各控制器的設定值可用手動方式，亦可根據(jù)不同規(guī)格、材質(zhì)的鋼坯自動設定，預熱段內(nèi)由于沒有設置燒嘴而不參與控制。在加熱爐工作時，鋼坯被整齊排列在加熱爐內(nèi)，并在推鋼機的推動下不斷地從爐尾推入爐膛，首先利用加熱段和均熱段排出的高溫煙氣緩慢加熱鋼坯，這樣鋼坯開始升溫不大，溫度應力小，不會造成裂紋和斷裂；鋼坯運行到加熱二段時，鋼坯的中心溫度已超過500攝氏度，進入塑性范圍，此時快速加熱鋼坯使鋼坯表面溫度迅速升高到出爐溫度；在均熱段鋼坯表面溫度不再升高，段面溫差逐步減小。這樣，鋼坯經(jīng)過預熱、加熱、均熱三個過程，就被加熱成溫度適宜、溫差較小、可供軋制的熱坯。此時鋼坯被出鋼機構推上滾道，由滾道傳送給軋機進行軋制。根據(jù)加熱工藝要求，一般每塊鋼坯在爐內(nèi)大約停留2小時，但具體鋼種以及生產(chǎn)要求不同，該時間有差異。為了將鋼坯加熱到軋制所規(guī)定的工藝要求，必然地要求對加熱爐內(nèi)的溫度進行有效的控制使之保持在某一特定的范圍內(nèi)，出鋼溫度過高既不必要且又導致鋼坯過多燒損和能源浪費，甚至造成粘鋼的嚴重事故。過低則會使軋機軋制困難而影響到最終產(chǎn)品質(zhì)量和軋機的使用壽命(或維護周期)。而溫度的維持又要求燃料在爐內(nèi)穩(wěn)定地燃燒。另外，不同種類的鋼坯對爐內(nèi)的氣氛有不同的要求，(這里氣氛主要是指氧化氣氛和還原氣氛，具體要求視加熱工藝要求而定)如果氧化氣氛過重，會使被加熱金屬表面生成較厚的氧化皮，不僅浪費材料而且給除鱗帶來困難，嚴重的還會影響產(chǎn)品表面質(zhì)量。如果還原氣氛過重，不僅白白浪費大量燃料，同時還污染了空氣，可見，燃燒過程是影響加熱爐系統(tǒng)的關鍵。2.2燃燒的分析燃燒過程是燃料的氧化過程，而氧化反應生成的熱正是我們所需要的熱量。2.2.1燃料的成分在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中現(xiàn)在使用的氣體燃料有人造煤氣，副產(chǎn)煤氣，及天然氣，人造煤氣有發(fā)生爐煤氣，水煤氣，副產(chǎn)煤氣有高爐煤氣，焦爐煤氣，轉(zhuǎn)爐煤氣。這些煤氣都具有不同的特性，作為燃料它們最重要的性質(zhì)就是熱值。兩種或兩種以上的煤氣混合就能夠產(chǎn)出用戶需要的有一定特性的混合氣體。如果各用戶使用單一煤氣，當某些生產(chǎn)煤氣的單位因某種原因煤氣量減少了，那么用戶的生產(chǎn)就會受到影響。反之用戶因某些原因?qū)γ簹庑枨鬁p少，這樣煤氣就會產(chǎn)生過剩的現(xiàn)象，使用混合煤氣就可以適當?shù)慕鉀Q高低峰值煤氣的使用，另外也給煤氣的平衡調(diào)度及用戶的正常生產(chǎn)帶來很大好處。包鋼軌梁2#加熱爐的燃料來源為高爐煤氣和焦爐煤氣的混合氣，混合比會隨煤氣站的各種煤氣量的變化而變化，而高爐煤氣和焦爐煤氣的熱值和密度都是不同的，這樣供應到加熱爐的煤氣的熱值和密度就會不斷改變。這里我們不得不提到一個概念熱值指數(shù)，即華白。熱值：單位體積可燃氣體燃燒放出的熱量，以表示。華白以表示為：（2.1）為什么要引進這一概念呢，因為采用流量孔板或其它類似裝置產(chǎn)生差壓來測量燃氣流量的，其基本公式如下：（2.2）式中：——流量；——氣體絕對壓力；——常數(shù)；——氣體絕對溫度；——節(jié)流裝置流通面積；——節(jié)流裝置前后差壓；——標準狀態(tài)下燃氣的密度由式可見，當節(jié)流裝置流通面積和結構形式確定后，且P,T為常數(shù)時，上式可簡化為。由此可見，當不變時，與成正比，當變時實際通過孔板燃氣流量也發(fā)生了變化，從而造成燃氣供應不足或過量。因此要使加熱爐正常工作就得保證單位時間內(nèi)供給加熱爐的總熱量接近或等于恒定值。由于燃氣的混合比是在不斷變化的，所以是一直在變的，以此表上指示的流量不是真實流量，即使所供的燃氣單位體積發(fā)熱量及儀表指示流量恒定，也不能保證進入加熱爐單位時間總供熱量接近恒定。為此我們不采用熱值控制，而引進華白這一概念。用華白可以指示和記錄混合煤氣熱值可以修正比率系統(tǒng)因煤氣混合比變化而引起的混合煤氣熱值的變化。2.2.2燃氣與空氣的關系當燃料燃燒時，燃燒產(chǎn)物連同其他可能存在的蒸汽都被提高到火焰溫度，火焰溫度的高低并不由燃料數(shù)量的多少來決定，而取決于燃料是否完全燃燒，是否發(fā)出最大的熱效率，故需要空氣過量。同時，從安全角度考慮，空氣不足也會使燃料在爐子中聚集起來，而一點燃就可能發(fā)生爆炸，因此，燃燒過程一般都是在空氣過量的情況下進行的。但是空氣中的氮氣不僅不參與燃燒，而且還要起一種稀釋作用，從而降低了火焰的溫度，由此可見，在實際工況中，最高火焰溫度是發(fā)生在空氣微過量的情況下。根據(jù)熱力學的原理，輻射的能量與火焰絕對溫度的四次方成正比，所以爐子的最高效率總是在火焰溫度最高的情況下才能出現(xiàn)。燃燒系統(tǒng)的曲線描述圖如下：圖2.2燃燒系統(tǒng)的曲線描述上圖表示了空氣過剩率與燃燒效率及污染之間的關系，可以看出，燃燒系統(tǒng)的質(zhì)量跟空氣過剩率有很大的關系。同時，空氣過剩率還可以用空氣和燃氣的配比，即空燃比來描述。理論空燃比為為單位體積或質(zhì)量的燃料完全燃燒所需的空氣量，為一個常數(shù)。實際空燃比=實際空氣量/煤氣量，設u為剩余空氣系數(shù),u=實際空氣量/理論空氣量，/u=,則實際空燃比與空氣剩余系數(shù)成正比。從上圖可看出當u＜1和1≤u＜1.02分別為空氣不足燃燒區(qū)域和超低空氣過剩燃燒區(qū)域，在這兩個燃燒區(qū)中，會有不完全燃燒現(xiàn)象，這樣的熱損失就比較大，而且從環(huán)境污染角度看，由于不完全燃燒，將會產(chǎn)生大量的黑煙，污染大氣。但是如果處于高過剩空氣燃燒區(qū)，即當u＞1.10時，由于過多的過?？諝?，不但使出鋼時鋼坯表面的氧化鐵皮增多，影響鋼加熱質(zhì)量，而且使煙氣中帶走了大量的熱量，使燃燒系統(tǒng)熱效率過低，同時會使氮硫氧化物增加，對環(huán)保不利。因此，在實際燃燒系統(tǒng)中，空氣過剩率設定在過?？諝馊紵齾^(qū)1.02≤u≤1.1是最佳的燃燒方案。2.3加熱爐的工藝要求加熱爐系統(tǒng)非常復雜，很多環(huán)節(jié)相互耦合，共同影響爐內(nèi)的氛圍，為了達到工藝水平，保證出鋼的質(zhì)量，對以下幾個部分做出了相應的要求：爐膛溫度、煤氣和空氣流量及華白、爐膛壓力、送風總管壓力等。2.3.1爐膛溫度在加熱爐系統(tǒng)中，爐溫的高低直接決定鋼坯的溫度。如果爐溫偏低，導致鋼坯溫度偏低，鋼坯軟度不夠?qū)p壞軋鋼機；如果爐溫偏高，鋼坯會在加熱爐中發(fā)生粘結，因此，對爐膛的溫度范圍有較高的要求。爐膛溫度是個復雜的被調(diào)量，受到很多因素的干擾，如各段之間溫度的相互影響，冷鋼入爐導致的溫度降低，預熱空氣溫度的波動，爐膛壓力的變化。對于爐膛溫度，我們的要求是，當加熱爐內(nèi)的溫度穩(wěn)定不變時，噴入爐內(nèi)的煤氣流量也能恒定不變；而當爐溫受到外界擾動作用偏離給定值時，則煤氣流量又必須作相應地變化，以使熱能的供需達到新的平衡，從而保持爐內(nèi)溫度恒定不變。在動態(tài)過程中，必須要保證響應的快速性和較高的魯棒性。2.3.2燃燒燃燒的基本條件是燃料和空氣，通過燃燒器將燃料和空氣充分混合是燃料完全燃燒的關鍵，根據(jù)對燃燒機理的剖析，為了節(jié)能和保護環(huán)境，不管是在燃燒穩(wěn)定的狀態(tài)下還是在過渡狀態(tài)下，都必須將空氣流量和燃料流量的比率(空燃比)控制在正常值上。在通常的燃燒系統(tǒng)中，常常是根據(jù)大量的經(jīng)驗總結給出操作(包括人工操作和自動化操作)中應遵循的空燃比要求，然后在燃燒中保持此空燃比，同時穩(wěn)定爐溫在設定范圍內(nèi)。但是加熱爐中使用的燃料性能不高，燃料的熱值的時變是不可避免的，當燃料的熱值變化較大時，繼續(xù)保持預先設定的空燃比就沒有意義了。這就意味著燃燒控制系統(tǒng)要根據(jù)燃料的具體情況使燃燒狀況符合一定的要求，在這種情況下如果仍然人為設定一固定的空燃比顯然是無法使燃燒保持最優(yōu)的，所以，在要求較高的燃燒系統(tǒng)中最好具備動態(tài)優(yōu)化空燃比的功能。因此，燃燒過程應滿足以下兩點要求:①保證空氣流量和煤氣流量按照設定的空燃比實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)，②在工藝要求和外界干擾的情況下，空燃比設定值的在線優(yōu)化問題。爐膛壓力與送風總管壓力的問題與本次設計關系不大，因此在此不做論述。2.4加熱爐控制難點我國的加熱爐自動化系統(tǒng)，大多還處于第1代的水平，只有10%左右用上了第2代PLC/DCS系統(tǒng)。由于加熱爐復雜的工藝對象特性以及檢測/驅(qū)動設備較差，給加熱爐實施全面自動控制帶來種種困難。具體表現(xiàn)在:首先，加熱爐是一個復雜對象。鋼坯加熱爐一般是多段式復合結構，分段加熱，各段之間溫度相互影響。其燃燒升溫過程是一個典型的具有時變性、非線性、滯后性等特性的過程。要描述爐內(nèi)熱交換機理除包括有關輻射、對流和傳導的關系式外，還有很多不確定因素。因此，要以數(shù)學方法建立加熱爐這種復雜、粗糙對象的模型是十分困難的。其次，燃料波動大。由于煤氣是供應全廠區(qū)生產(chǎn)，每一處使用都會對其他地方產(chǎn)生影響，故壓力波動非常大,且混合煤氣的成分也在發(fā)生變化，使煤氣的燃值也發(fā)生變化，進而引起爐溫的波動。第三是生產(chǎn)節(jié)奏波動。由于加熱爐車間是為軋鋼生產(chǎn)線服務的從屬車間，故軋鋼生產(chǎn)線故障及生產(chǎn)節(jié)奏的變化對加熱爐生產(chǎn)影響較大，造成加熱生產(chǎn)節(jié)奏經(jīng)常波動。第三章國產(chǎn)控制系統(tǒng)——AdvanTrol-ProAdvanTrol-Pro軟件包是基于Windows2000操作系統(tǒng)的自動控制應用軟件平臺，在SUPCONWebField系列集散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem—DCS）中完成系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)服務和實時監(jiān)控功能。AdvanTrol-Pro軟件使用說明書分為兩部分：系統(tǒng)使用說明書和在線幫助。系統(tǒng)使用說明書按控制系統(tǒng)組態(tài)工作流程介紹軟件包中各軟件的主要功能、使用方法及相互間關系。適合于初次使用AdvanTrol-Pro軟件的工程師掌握控制系統(tǒng)的組態(tài)工作流程和各軟件的基本使用方法。使用說明書雖然是按各個章節(jié)來寫，但各章之間存在一定的聯(lián)系。在線幫助鏈接在各軟件的幫助菜單中，詳細介紹軟件的工作界面、菜單和對象畫面等的功能以及一些具體功能的操作方法和舉例等。功能齊全，能快速查找指定功能的操作方法。3.1軟件支持的系統(tǒng)結構圖3.1AdvanTrol-Pro軟件支持的系統(tǒng)結構AdvanTrol-Pro在網(wǎng)絡策略和數(shù)據(jù)分組的基礎上實現(xiàn)了具有對等C/S特征的操作網(wǎng)，在該操作網(wǎng)上實現(xiàn)操作站之間包括實時數(shù)據(jù)，實時報警，歷史趨勢，歷史報警，操作日志等的實時數(shù)據(jù)通信和歷史數(shù)據(jù)查詢。AdvanTrol-Pro支持用戶根據(jù)實際情況構建系統(tǒng)結構，與異構系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換即可通過數(shù)據(jù)站來實現(xiàn)，也可通過各種網(wǎng)關接口卡執(zhí)行。3.2系統(tǒng)軟件功能特點及性能指標采用多任務、多線程，32位代碼良好的開放性能系統(tǒng)組態(tài)結構清晰，界面操作方便控制算法組態(tài)采用國際標準，實現(xiàn)圖形組態(tài)與語言組態(tài)結合，功能強大流程圖功能強大，使用方便報表功能靈活，應用簡捷，并具有二次計算能力采用大容量、高吞吐量的實時數(shù)據(jù)庫和兩級分層（分組分區(qū)）的數(shù)據(jù)結構操作站數(shù)據(jù)更新周期1秒，動態(tài)參數(shù)刷新周期1秒按鍵響應時間≤0.2秒流程圖完整顯示時間≤2秒，其余畫面≤1秒命令響應時間≤0.5秒實時和歷史趨勢操作靈活，支持歷史數(shù)據(jù)離線瀏覽強大的報警管理功能，可以分區(qū)分級設置報警，支持語音報警提供基于API接口的多種數(shù)據(jù)訪問接口系統(tǒng)安全、可靠，長期運行穩(wěn)定支持在線下載功能在網(wǎng)絡策略和數(shù)據(jù)分組基礎上實現(xiàn)了具有對等C/S模式特征的操作網(wǎng)絡服務3.3系統(tǒng)軟件構成介紹AdvanTrol-Pro軟件包可分成兩大部分，一部分為系統(tǒng)組態(tài)軟件，包括：用戶授權管理軟件（SCReg）、系統(tǒng)組態(tài)軟件（SCKey）、圖形化編程軟件（SCControl）、語言編程軟件（SCLang）、流程圖制作軟件（SCDrawEx）、報表制作軟件（SCFormEx）、二次計算組態(tài)軟件（SCTask）、ModBus協(xié)議外部數(shù)據(jù)組態(tài)軟件（AdvMBLink）等等；另一部分為系統(tǒng)運行監(jiān)控軟件，包括：實時監(jiān)控軟件（AdvanTrol）、數(shù)據(jù)服務軟件（AdvRTDC）、數(shù)據(jù)通信軟件（AdvLink）、報警記錄軟件（AdvHisAlmSvr）、趨勢記錄軟件（AdvHisTrdSvr）、ModBus數(shù)據(jù)連接軟件(AdvMBLink)、OPC數(shù)據(jù)通信軟件（AdvOPCLink）、OPC服務器軟件（AdvOPCServer）、網(wǎng)絡管理和實時數(shù)據(jù)傳輸軟件（AdvOPNet）、歷史數(shù)據(jù)傳輸軟件（AdvOPNetHis）等。系統(tǒng)運行監(jiān)控軟件安裝在操作員站和運行的服務器、工程師站中，監(jiān)控軟件構架如下圖所示：圖3.2監(jiān)控軟件構架圖系統(tǒng)組態(tài)軟件通常安裝在工程師站，各功能軟件之間通過對象鏈接與嵌入技術，動態(tài)地實現(xiàn)模塊間各種數(shù)據(jù)、信息的通訊、控制和管理。這部分軟件以SCKey系統(tǒng)組態(tài)軟件為核心，各模塊彼此配合，相互協(xié)調(diào)，共同構成了一個全面支持SUPCONWebFeild系統(tǒng)結構及功能組態(tài)的軟件平臺。系統(tǒng)組態(tài)軟件構架圖如下所示：圖3.3系統(tǒng)組態(tài)軟件構架圖本次設計主要用到的軟件為系統(tǒng)組態(tài)軟件（SCKey）和圖形化編程軟件（SCControl），所以對這兩個軟件做詳細介紹，其他的也是功能十分強大且使用方便的軟件，但不作詳細介紹。3.3.1用戶授權管理軟件（SCReg）在軟件中將用戶級別共分為十個層次：觀察員、操作員-、操作員、操作員+、工程師-、工程師、工程師+、特權-、特權、特權+。不同級別的用戶擁有不同的授權設置，即擁有不同范圍的操作權限。對每個用戶也可專門指定（或刪除）其某種授權。3.3.2系統(tǒng)組態(tài)軟件（SCKey）SCKey組態(tài)軟件主要是完成DCS的系統(tǒng)組態(tài)工作。如設置系統(tǒng)網(wǎng)絡節(jié)點、冗余狀況、系統(tǒng)控制周期；I/O卡件的數(shù)量、地址、冗余狀況、類型；設置每個I/O點的類型、處理方法和其他特殊的設置；設置監(jiān)控標準畫面信息；常規(guī)控制方案組態(tài)等。系統(tǒng)所有組態(tài)完成后，最后要在該軟件中進行系統(tǒng)的聯(lián)編、下載和傳送。該軟件用戶界面友好，操作方便，充分支持各種控制方案。SCKey組態(tài)軟件通過簡明的下拉菜單和彈出式對話框建立友好的人機交互界面，并大量采用Windows的標準控件，使操作保持了一致性，易學易用。該軟件采用分類的樹狀結構管理組態(tài)信息，使用戶能夠清晰把握系統(tǒng)的組態(tài)狀況。另外，SCKey組態(tài)軟件還提供了強大的在線幫助功能，當用戶在組態(tài)過程中遇到問題，只須按F1鍵或選擇菜單中的幫助項，就可以隨時得到幫助提示。軟件界面如下所示：圖3.4系統(tǒng)組態(tài)軟件（SCKey）界面3.3.3圖形化編程軟件（SCControl）圖形化編程軟件（SCControl）是SUPCONWebField系列控制系統(tǒng)用于編制系統(tǒng)控制方案的圖形編程工具。按IEC61131-3標準設計，為用戶提供高效的圖形編程環(huán)境。圖形化編程軟件集成了LD編輯器、FBD編輯器、SFC編輯器、ST語言編輯器、數(shù)據(jù)類型編輯器、變量編輯器。該軟件編程方便、直觀，具有強大的在線幫助和在線調(diào)試功能，用戶可以利用該軟件編寫圖形化程序?qū)崿F(xiàn)所設計的控制算法。在系統(tǒng)組態(tài)軟件（SCKey）中使用自定義控制算法設置可以調(diào)用該軟件。SCControl的特點可歸納為：使用Windows友好的圖形界面，可以使用鼠標或者鍵盤進行編輯，工具條上所有功能按鈕都有文字提示；編輯環(huán)境采用工程文件管理器來管理多個圖形文件，用戶容易操作；組態(tài)對象放置靈活，自動格線對齊，觸點、線圈、功能塊和變量等可用文本進行注釋；圖形繪制采用矢量方式，具備塊剪切、拷貝、粘貼、刪除等功能，達到事半功倍的效果；具備對前次操作步驟的撤消和恢復功能，提高了組態(tài)效率；智能連線處理，數(shù)據(jù)類型匹配的模塊引腳接近時自動連接；連線時動態(tài)檢查數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)類型不一致拒絕連接；強大的查找和替換功能，可在當前程序段也可在當前整個工程中查找變量、常數(shù)、位號、模塊，并進行標記，用戶只需用鼠標點擊相應的信息就可以直接跳到所要查找的位置。替換功能亦然，可在當前程序段或當前整個工程中逐個替換或全部替換所選擇的變量、常數(shù)、位號、模塊；提供縮放功能，使用戶更清晰地查看頁面或按照縮小的比例看到頁面中更多的內(nèi)容；系統(tǒng)為用戶管理定義的位號和變量，用戶不用關心具體物理內(nèi)存；在每個編輯器中可以使用系統(tǒng)已定義的基本功能模塊（EFB）和用戶自己定義的功能模塊(DFB)。每個編輯環(huán)境中內(nèi)嵌自定義模塊（DFB）編輯器。極大地提高了程序的重用性，減少編程工作量；用戶可以用EFB和DFB再組成新的DFB。具有無限的功能擴展性。方便用戶做二次開發(fā)；可以使用工程的導入導出功能重用功能模塊；用戶可通過數(shù)據(jù)類型編輯器生成自定義的數(shù)據(jù)類型；功能塊編輯器（FBD）、梯形圖編輯器（LD）、順控圖編輯器(SFC)集成在一起，可相互嵌套調(diào)用，具有無限的功能擴展性；提供在線調(diào)試功能；強大的在線幫助功能。圖形化編程軟件（SCControl）界面圖如下：圖3.5圖形化編程軟件（SCControl）界面3.3.4語言編程軟件（SCLang）語言編程軟件（SCLang）又叫SCX語言，是SUPCONWebField系列控制系統(tǒng)控制站的專用編程語言。在工程師站完成SCX語言程序的調(diào)試編輯，并通過工程師站將編譯后的可執(zhí)行代碼下載到控制站執(zhí)行。SCX語言屬高級語言，語法風格類似標準C語言，除了提供類似C語言的基本元素、表達式等外，還在控制功能實現(xiàn)方面作了大量擴充。用戶可以利用該軟件靈活強大的編輯環(huán)境，編寫程序?qū)崿F(xiàn)所設計的控制算法。3.3.5二次計算組態(tài)軟件（SCTask）二次計算組態(tài)軟件（SCTask）是AdvanTrol-Pro軟件包的重要組成部分之一，用于組態(tài)上位機位號、事件、任務，建立數(shù)據(jù)分組分區(qū)，歷史趨勢和報警文件設置，光字牌設置，網(wǎng)絡策略設置，數(shù)據(jù)提取設置等。目的是在SUPCONWebField系列控制系統(tǒng)中實現(xiàn)二次計算功能、提供更豐富的報警內(nèi)容、支持數(shù)據(jù)的輸入輸出、數(shù)據(jù)組與操作小組綁定等。把控制站的一部分任務由上位機來做，既提高了控制站的工作速度和效率，又可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。SCTask具有嚴謹?shù)亩x、強大的表達式分析功能和人性化的操作界面。3.3.6流程圖制作軟件（SCDrawEx）流程圖制作軟件（SCDrawEx）是SUPCONWebField系列控制系統(tǒng)軟件包的重要組成部分之一，是一個具有良好用戶界面的流程圖制作軟件。它以中文Windows2000操作系統(tǒng)為平臺，為用戶提供了一個功能完備且簡便易用的流程圖制作環(huán)境。3.3.7報表制作軟件（SCFormEx）報表制作軟件（SCFormEx）是全中文界面的制表工具軟件，是SUPCONWebField系列控制系統(tǒng)組態(tài)軟件包的重要組成部分之一。該軟件提供了比較完備的報表制作功能，能夠滿足實時報表的生成、打印、存儲以及歷史報表的打印等工程中的實際需要，并且具有良好的用戶操作界面。自動報表系統(tǒng)分為組態(tài)（即報表制作）和實時運行兩部分。其中，報表制作部分在SCFormEx報表制作軟件中實現(xiàn)，實時運行部分與AdvanTrol監(jiān)控軟件集成在一起。3.3.8實時監(jiān)控軟件（AdvanTrol）實時監(jiān)控軟件（AdvanTrol）是控制系統(tǒng)實時監(jiān)控軟件包的重要組成部分，是基于Windows2000中文版開發(fā)的SUPCONWebField系列控制系統(tǒng)的上位機監(jiān)控軟件，用戶界面友好。其基本功能為：數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理。它可以從控制系統(tǒng)或其他智能設備采集數(shù)據(jù)以及管理數(shù)據(jù)，進行過程監(jiān)視(圖形顯示)、控制、報警、報表、數(shù)據(jù)存檔等等。實時監(jiān)控軟件所有的命令都化為形象直觀的功能圖標，只須用鼠標單擊即可輕而易舉地完成操作，再加上操作員鍵盤的配合使用，生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控操作更是得心應手，方便簡捷。3.3.9故障分析軟件（AdvDiagnose）故障診斷軟件（AdvDiagnose）是進行設備調(diào)試、性能測試以及故障分析的重要工具。故障診斷軟件主要功能包括：故障診斷、以太網(wǎng)絡測試、網(wǎng)絡響應測試、節(jié)點地址管理簿、控制回路管理、網(wǎng)絡通訊監(jiān)聽等。3.3.10ModBus數(shù)據(jù)連接軟件(AdvMBLink)ModBus數(shù)據(jù)連接軟件(AdvMBLink)是連接AdvanTrol控制系統(tǒng)及與其他設備進行數(shù)據(jù)連接的軟件。它可以與其他支持ModBus串口通訊協(xié)議的設備進行數(shù)據(jù)通訊，同時與AdvanTrol控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互。軟件本身包括了組態(tài)與運行兩部分。通過對ModBus設備進行位號組態(tài)后可直接與設備通訊測試；運行時AdvMBLink作為后臺程序負責數(shù)據(jù)的流入與流出。軟件界面如圖1.4-12所示，界面為瀏覽器風格，左邊是樹型列表框，顯示的是組態(tài)的各個設備；右邊為對應設備下屬的位號列表。3.3.11實時數(shù)據(jù)服務器軟件（AdvOPCServer）OPC實時數(shù)據(jù)服務器軟件（AdvOPCServer）是將DCS實時數(shù)據(jù)以OPC位號的形式提供給各個客戶端應用程序。AdvOPCServer的交互性能好，通訊數(shù)據(jù)量較大、通訊速度也快。該服務器可同時與多個OPC客戶端程序進行連接，每個連接可同時進行多個動態(tài)數(shù)據(jù)(位號)的交換。3.3.12C/S網(wǎng)絡互連功能AdvanTrol-proV3.0在網(wǎng)絡策略和數(shù)據(jù)分組的基礎上實現(xiàn)了具有對等C/S特征的操作網(wǎng)，在該操作網(wǎng)上實現(xiàn)操作站之間包括實時數(shù)據(jù)，實時報警，歷史趨勢，歷史報警，操作日志等的實時數(shù)據(jù)通信和歷史數(shù)據(jù)查詢。該項功能主要通過程序AdvOPNet.exe和AdvOPNetHis.exe(歷史數(shù)據(jù)傳輸)及其他相關模塊實現(xiàn)。第四章系統(tǒng)控制方案及策略4.1加熱爐控制系統(tǒng)4.1.1控制方案根據(jù)我們學的知識，加熱爐控制系統(tǒng)可以考慮單回路和串級控制系統(tǒng)，假如我們采用單回路控制系統(tǒng)，現(xiàn)分析如下。加熱爐單回路溫度控制系統(tǒng)框圖如下：圖4.1單回路控制系統(tǒng)方框圖采用此系統(tǒng)，在平衡狀態(tài)下如果爐溫突然上升，那么此回路將控制煤氣閥和空氣閥關小，使溫度降回給定值，同樣如果爐溫突然下降，回路又會控制煤氣閥和空氣閥開大，使溫度回升至給定值。乍一看它是符合要求的，但是這只是針對煤氣和空氣的壓力穩(wěn)定的情況，當煤氣壓力變大時在閥門開度不變的情況下會導致煤氣流量的增大，從而導致總熱值的上升，影響爐溫。而由于爐溫控制的大慣性，要過很長的時間，爐溫檢測裝置才會有所反映，很難達到我們的控制要求。因此我們采用串級控制系統(tǒng)。所謂串級控制系統(tǒng)是指一個調(diào)節(jié)器的輸出用來改變另一個調(diào)節(jié)器的設定值，兩臺控制器從結構上看是串聯(lián)在一起的控制系統(tǒng)。爐膛溫度和燃燒系統(tǒng)緊密聯(lián)系，溫度控制器輸出的煤氣流量做為燃燒控制器的給定值，而燃燒控制的結果，空氣流量和燃料流量的配比，直接影響爐膛的溫度高低，從結構上看，二者串聯(lián)在一起，共同影響爐膛溫度。因此，本設計中選用爐溫－燃燒串級控制方案來實現(xiàn)加熱爐爐膛溫度的自動控制。下面是串級控制系統(tǒng)的方塊圖：圖4.2串級控制系統(tǒng)方塊圖以上系統(tǒng)在煤氣混合比即熱值不變時已經(jīng)可以有效迅速的控制加熱爐溫度，可是實際中煤氣的混合比是不會穩(wěn)地不變的，而當煤氣混合比變化的擾動并沒有包含在副回路中，為此我們在副回路采用熱量控制：圖4.3采用熱量控制的串級控制系統(tǒng)方塊圖此系統(tǒng)的意義在于把溫度控制器的輸出信號看為加熱爐要求溫度所需總熱量，而乘法器輸出信號為實際輸入到加熱爐的熱量，這一值由煤氣流量和煤氣的華白共同控制，這樣當由煤氣的熱值指數(shù)降低時引起的加熱爐溫度降低就可由增大煤氣流量來補償，而由于控制華白是在煤氣進入加熱爐前就測好的，所以避免了由于加熱爐控制大慣性的引起的控制滯后，實現(xiàn)了快速響應?？偨Y起來串級控制的特點在于：改善了過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的控制質(zhì)量。由于發(fā)生于副回路內(nèi)部的干擾，通常在它影響主被調(diào)量之前，就被副調(diào)節(jié)器校正了，故具有較強的抗擾動性能。對負荷變化具有一定的自適應能力。副回路可以按照主回路的需要對質(zhì)量流量或能量流量實施精確控制。在此系統(tǒng)中，爐溫控制器為主控制器，它的輸出作為副控制器即燃燒控制器的設定值，通過燃燒控制器去決定煤氣閥門和空氣閥門的開度。而煤氣壓力波動混合比變化等劇烈的擾動包含在副回路當中，利用副回路的優(yōu)良動態(tài)性能來抑制這些擾動對爐膛溫度的影響。在穩(wěn)定狀態(tài)下，爐溫控制器和燃燒控制器的輸出都處于相對穩(wěn)定值，煤氣、空氣閥門的開度也保持不變。當穩(wěn)定狀態(tài)被破壞時，爐溫控制器和燃燒控制器的串級控制開始作用。動作過程分析如下：①煤氣壓力波動或混合比變化。當煤氣壓力發(fā)生波動時，流量會相應發(fā)生變化。在初始階段，由于煤氣流量的變化不會馬上影響到爐溫，因此，爐溫控制器的輸出暫時不變，即煤氣流量的設定值不變。由于誤差的產(chǎn)生，煤氣流量控制器發(fā)生作用，同時流量修正控制器也輸出相應的流量校正量。經(jīng)過這一控制過程，當流量變化較小時，將不會引起爐溫的變化，而當流量變化較大時，經(jīng)過副回路的調(diào)節(jié)作用，也會大大削弱它對爐溫的影響，而此時爐溫控制器開始工作，不斷改變?nèi)紵刂破鞯脑O定值，在兩控制器的共同作用下，爐溫將很快恢復到設定值。當煤氣混合比發(fā)生變化時，②爐溫變化。當爐溫降低時，溫度控制器開始動作，控制輸出量增大，即煤氣流量設定值增大，而此時煤氣實際流量沒有變化，煤氣流量控制器輸出增大，閥門增大開度，爐溫逐漸升高，直到重新恢復設定值?？梢?，串級控制系統(tǒng)對于加熱爐這樣具有大慣性、非線性和多擾動等特點的過程，是一種很好的解決方案。4.1.2控制策略控制策略就是我們在做出正確的測量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)，比如模糊控制、PID控制，在此我們選用PID（比例-積分-微分）控制。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術。PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。（1）比例（P）控制比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-stateerror）。（2）積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（SystemwithSteady-stateError）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。（3）微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。PID控制的輸入e

(t)與輸出u

(t)的關系為：（4.1）因此它的傳遞函數(shù)為：（4.2）它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設定三個參數(shù)（Kp、Ki和Kd）即可。4.2燃燒控制系統(tǒng)4.2.1燃燒控制系統(tǒng)的分析燃燒系統(tǒng)作為串級控制系統(tǒng)的副回路，主要是用來按照主回路溫度控制器的輸出流量要求為燃燒過程提供合理的空氣和煤氣的流入量，在保證最佳燃燒效率的基礎上，盡快響應主回路的輸出變化。在該系統(tǒng)中，可以克服流量回路壓力變化、閥門摩擦及非線性特性等造成的困難。根據(jù)對燃燒機理的剖析，不管是燃燒的穩(wěn)定狀態(tài)還是在過渡狀態(tài)下，只有當爐內(nèi)燃燒效率最高，才能保證主回路溫度控制器輸出的煤氣流量變化能夠以最快的速度準確地反映到爐溫的變化上。前面推倒可知空燃比與空氣過剩系數(shù)成正比，故空燃比與熱效率也存在一個極值關系，因此，提高爐內(nèi)的熱效率，就轉(zhuǎn)化成為尋找爐內(nèi)最佳空燃比。通過上述分析，我認為燃燒控制系統(tǒng)主要解決以下三個問題：（1）保證空氣流量和煤氣流量按照設定的空燃比實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)空氣回路和燃料回路的特性有所不同，兩個系統(tǒng)的響應特性也有很大的差異，使得動態(tài)過程中空燃比難以保持一致。因此，使兩個回路按照設定的空燃比以最快的速度響應爐溫控制器的調(diào)節(jié)，是燃燒系統(tǒng)需要解決的主要問題之一。（2）在工藝要求和外界干擾的情況下，空燃比設定值的在線優(yōu)化，包括兩方面的內(nèi)容：①在煤氣熱值發(fā)生漂移時，空燃比的波動很大，必須重新尋找空燃比的極值曲線，找到平衡關系。②加熱爐系統(tǒng)參數(shù)多變(如爐內(nèi)熱損失，負荷發(fā)生大變動)，會對空燃比設定值產(chǎn)生較大的影響，這時就要求系統(tǒng)通過尋優(yōu)找到最佳的空燃比設定值。這也是當前加熱爐系統(tǒng)有待解決的難題。（3）實現(xiàn)空氣煤氣閥門動作的邏輯順序控制：當加熱爐溫度降低時，需要開大閥門，這是應該空氣閥門先動作，當加熱路溫度降低時需要關小閥門，這是應該先關煤氣閥，這樣能保證一直是空氣過剩，保證燃燒的完全，對環(huán)保和節(jié)約燃料有利。4.2.2具有邏輯規(guī)律的比值控制系統(tǒng)為了保證燃料與空氣有一定的配比關系，最常用的方案之一是串級比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如下圖：圖4.4比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖其原理是空氣流量和煤氣流量的設定值成簡單的比值關系，最主要的方式是采用比例閥進行調(diào)節(jié)，比例閥的值設置為當前的空燃比，按照該方法進行調(diào)節(jié)，對于燃料采用天然氣等壓力穩(wěn)定，且燃料熱值波動不大的加熱爐能夠起到較好的作用。根據(jù)軌梁2號的實際情況在此基礎上改進的基礎上，出現(xiàn)了具有邏輯規(guī)律的比例控制系統(tǒng)，框圖如下：圖4.5具有邏輯規(guī)律的比例控制系統(tǒng)框圖在穩(wěn)定狀態(tài)下，溫度控制其輸出A與反饋I1、I2相等，也就是說高、低選擇器的兩個信號值是相等的，整個系統(tǒng)猶如又如不加選擇器時的串級比值控制系統(tǒng)，空燃比為r。當加熱爐溫度降低時，溫度控制其輸出A增加，這個增加了的信號不被低選選中，而卻被高選器選中，它直接改變空氣流量調(diào)節(jié)器的給定值命令空氣量增加。然后由于空氣流量增加，空氣流量變送器輸出增加，導致I1開始增加，這是雖然I1增加了，但還是比A小，這個增加了的I1被低選器選中，改變煤氣流量調(diào)節(jié)器的給定值，煤氣流量慢慢隨著空氣流量的增加而增加。這一過程保證在增加燃料量前先增加了空氣流量，使煤氣完全燃燒，直至A=I1=I2，系統(tǒng)恢復到穩(wěn)定狀態(tài)。在加熱爐溫度升高時，溫度控制其輸出變小，按上面邏輯，這次先降低煤氣流量，然后空氣流量雖煤氣流量下降而下降，同樣保證了煤氣的完全燃燒，最后A=I1=I2，系統(tǒng)恢復至穩(wěn)定狀態(tài)?？瓷厦娣治隹煽闯鱿到y(tǒng)這樣已經(jīng)可以解決上面提出的問題的一和三，但是空然比的優(yōu)化問題仍沒解決。其實知道了高爐煤氣和焦爐煤氣的完全燃燒各自的空燃比，再知道他們的混合比，要求的它們混合后的空燃比是很簡單的事。設一份高爐煤氣完全燃燒需要空氣A，一份焦爐煤氣完全燃燒需要空氣B，高爐煤氣和焦爐煤氣的混合比為C，則C份高爐煤氣需要空氣AC，混合后完全燃燒一共需要空氣AC+B，則空燃比為AC+B/C+1。程序的實現(xiàn)見下一章。第五章控制系統(tǒng)在Advantrol-Pro中的實現(xiàn)我們要把我們設計的控制方案實際中的工業(yè)控制系統(tǒng)，就要用我們選用的控制系統(tǒng)中工具把我們的思路表達出來，以供計算機識別、應用。Advantrol-Pro是一套使用簡單操作方便的系統(tǒng)，它的圖形化編程軟件（SCControl）是SUPCONWebField系列控制系統(tǒng)用于編制系統(tǒng)控制方案的圖形編程工具。按IEC61131-3標準設計，為用戶提供高效的圖形編程環(huán)境。5.1位號的定義位號，就是變量的名字。在編程過程中我們用到的輸入量，輸出量，中間變量都要起一個供我們識別的名字，而這個名字在Advantrol-Pro中就叫做位號。為簡便說明，我們只以均上段為例。輸入量。輸入量就是現(xiàn)場測量通過變送器傳入控制室的信號。表5.1輸入量位號的定義位號釋義信號類型測量范圍TE-101均上南溫度1-5V0-1600℃TE-102均上北溫度1-5V0-1600℃PE-102均上空氣壓力4-20mA0-10kPaPE-101均上煤氣壓力4-20mA0-10kPaFE-102均上空氣流量4-20mA0-8000NM3/hPE-701空氣總管壓力4-20mA0-10kPaPE-601煤氣總管壓力4-20mA0-10kPaFE-101均上煤氣流量4-20mA0-5000NM3/hFV-102均上空氣閥位4-20mA0-100%FV-101均上煤氣閥位4-20mA0-100%FE-602高爐煤氣流量4-20mA0-80000NM3/hFE-603焦爐煤氣流量4-20mA0-40000NM3/hDI-102均上空氣手/自動模擬信號開關輸入信號DI-101均上煤氣手/自動模擬信號開關輸入信號DI-801煤氣切斷閥開到位模擬信號開關輸入信號標準模擬輸入信號通過6路電壓信號輸入卡XP314和6路電流信號輸入卡XP313送入計算機，開關信號通過8路電平形開入卡接入。輸出量。輸出量是控制系統(tǒng)經(jīng)過運算給出的控制信號。表5.2輸出量位號的定義位號釋義信號類型輸出范圍FK-102均上空氣調(diào)節(jié)輸出標準模擬信號0-100%FK-101均上煤氣調(diào)節(jié)輸出標準模擬信號0-100%標準模擬輸出信號通過4路模擬信號輸出卡XP322輸出，開關信號通過8路晶體管節(jié)電開出卡輸出。自定義變量。自定義變量是程序運行過程中要用到的中間變量，根據(jù)需要自己設置屬性。表5.3自定義變量位號的定義位號釋義字節(jié)數(shù)數(shù)據(jù)類型juns-t-am均上溫度調(diào)節(jié)手自動1開關量juns-g-am均上煤氣調(diào)節(jié)手自動1開關量juns-a-am均上空氣調(diào)節(jié)手自動1開關量juns-g-h均上煤氣熱量2半浮點juns-a-h均上空氣熱量2半浮點juns-tc-o均上熱量2半浮點gmll高爐煤氣流量4浮點jmll焦爐煤氣流量4浮點mqzl煤氣總量4浮點kqzl空氣總量4浮點zfrl總發(fā)熱量4浮點llrz理論熱量4浮點llwi理論華白4浮點weight煤氣重量4浮點hmmd煤氣密度4浮點sec_flow煤氣秒流量4浮點USE-RZ控制用熱值4浮點USE-WI控制用華白4浮點auto-krb自動空燃比4浮點5.2功能塊圖形化編程就是把我們所學的其他編程中的語言描述用功能塊和功能塊之間的連線代替?，F(xiàn)在對本次編程中用到的功能塊做一說明。（1）MOVE_SFLOAT模塊圖5.1MOVE_SFLOAT模塊圖該模塊的功能是將輸入值賦給輸出值。EN和ENO能作為附加參數(shù)加以設置。（2）LE_SFLOAT模塊圖5.2LE_SFLOAT模塊圖該模塊功能是檢查第一個輸入值是否小于等于第二個輸入值，若是，則輸出值為ON，否則為OFF。EN和ENO能作為附加參數(shù)加以設置。（3）SEL_SFLOAT模塊圖5.3SEL_SFLOAT模塊圖該模塊的功能是當SW=OFF時，將輸入值IN1賦給輸出值；當SW=ON時，將輸入值IN2賦給輸出值。EN和ENO能作為附加參數(shù)加以設置。（4）SFLOAT_TO_FLOAT模塊圖5.4SFLOAT_TO_FLOAT模塊圖該模塊功能是將SFLOAT型的輸入值轉(zhuǎn)化為FLOAT型的輸出值。EN和ENO能作為附加參數(shù)被加以設置。（5）FLOAT_TO_SFLOAT模塊圖5.5FLOAT_TO_SFLOAT模塊圖該模塊功能是將FLOAT型的輸入值轉(zhuǎn)化為SFLOAT型數(shù)據(jù)類型。EN和ENO能作為附加參數(shù)被加以設置。（6）MUL_FLOAT模塊圖5.6MUL_FLOAT模塊圖該模塊的功能是將輸入值相乘，并將結果賦給輸出值。EN和ENO能作為附加參數(shù)加以設置。（7）ADD_FLOAT模塊圖5.7ADD_FLOAT模塊圖該模塊的功能是將輸入值相加，并將結果賦給輸出值。EN和ENO能作為附加參數(shù)加以設置。（8）DIV_FLOAT模塊圖5.8DIV_FLOAT模塊圖該模塊的功能是將輸入值相除，并將結果賦給輸出值。EN和ENO能作為附加參數(shù)加以設置。如果除數(shù)為0，返回32進制：0x0000ffff。（9）SQRT_FLOAT模塊圖5.9SQRT_FLOAT模塊圖該模塊功能是計算FLOAT型輸入值IN的平方根，并將結果賦給輸出值OUT。（10）AND_BOOL模塊圖5.10AND_BOOL模塊圖該模塊的功能是將輸入值進行邏輯與操作，并將結果賦給輸出值。輸入值個數(shù)不限。EN和ENO能作為附加參數(shù)加以設置。（11）MAX_SFLOAT模塊圖5.11MAX_SFLOAT模塊圖該模塊的功能是將輸入值中的最大值賦給輸出值；輸入值個數(shù)不限。EN和ENO能作為附加參數(shù)加以設置。（12）MIN_SFLOAT模塊圖5.12MIN_SFLOAT模塊圖該模塊的功能是將輸入值中的最小值賦給輸出值；輸入值個數(shù)不限。EN和ENO能作為附加參數(shù)加以設置。（13）單回路模塊BCS及增強型單回路模塊BCSX圖5.13單回路PID控制模塊圖該模塊是對在自定義回路中聲明的單回路進行定義，確定它的輸入輸出，組成一個控制回路。所要控制的對象做為系統(tǒng)的輸入(PV)，回路的輸出（MV）到能夠改變控制對象值的執(zhí)行機構上。將它在自定義回路中所對應的位號組入監(jiān)控畫面中，可在監(jiān)控畫面