加熱爐計算機控制系統的設計與實現畢業論文(已修改)

　

【正文】 摘　　要加熱爐是軋鋼生產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，實現鋼坯表面最小氧化燒損，達到最少能耗的經濟指標目的。因此，提高加熱爐的熱效率、降低能耗，對減少冶金工業能耗有積極的意義。加熱爐計算機控制系統主要包括基礎自動化控制系統（LEVLEL1）和過程自動化控制系統（LEVEL2），其中LEVEL1控制系統包括燃燒控制系統和順序控制系統，LEVEL2系統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。燃燒控制系統主要包括空煤氣的雙交叉限幅比例控制、爐膛壓力控制、熱風自動放散控制、熱風壓力控制和煤氣自動切斷保護控制，我們通過研究開發了“爐溫模糊自動控制器”，從而實現了爐溫的快速響應。順控系統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的控制。物料跟蹤系統主要是坯料的入爐側輥道跟蹤，爐內跟蹤，以及出爐輥道的跟蹤。鋼坯溫度預報模型主要包括裝爐溫度計算模型，爐內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神經網絡的鋼坯溫度預報模型，并進行了離線仿真。其中通訊主要由LEVLE2系統與LEVEL1系統之間的溫度數據采集、裝出鋼機設定、步進梁設定、坯料的輥道跟蹤；與軋線計算機的通訊和與MES系統的通訊等組成，本文詳細研究了TCP/IP SOCKET的通訊編程方法。最后，以板坯生產過程為研究對象，開發了基于SIEMENS S7400PLC和WINCC軟件的基礎自動化系統。在此基礎上，結合板坯的物料跟蹤模型、鋼坯溫度預測模型和通訊，實現對各種鋼種和厚度板坯的加熱質量控制，預測板坯三層溫度并傳送給軋機，實現加熱爐的全自動生產控制。關鍵詞：加熱爐；計算機控制系統；溫度控制；模型AbstractReheating 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 netural network 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。 puter control system。 temperature control。 model目　　錄加熱爐計算機控制系統的設計與實現 1摘　　要 1Abstract 2引　　言 1第一章 文獻綜述 2 加熱爐計算機控制概述 2 順序控制系統和物料跟蹤 2 鋼坯溫度預報模型 3 爐溫優化設定模型 4 國內外研究現狀及發展趨勢 5 課題背景 6 本論文的研究內容及意義 7第二章 加熱爐工藝流程及結構簡介 8 加熱爐區工藝流程 8 加熱爐基本尺寸和參數 8 加熱爐基本尺寸 8 加熱爐基本參數 9 爐型結構特點 10第三章 加熱爐基礎自動化控制系統 11 雙交叉限幅燃燒控制系統 12 爐溫模糊控制系統 13 模糊控制器結構 13 14 實際應用及效果 16 步進梁速度優化控制 16 速度曲線控制原理 16 速度曲線優化控制及分析 17 19第四章 加熱爐數學模型的研究與仿真 20 數學模型概述 20 模型參數的建立 20 20 21 22 三維導熱數學模型 22 溫度預報模型的工程考慮 23 23 24 分段BP神經網絡鋼溫預測和仿真 25 三層BP網絡結構的建立 25 神經網絡輸入輸出量的確定 25 神經網絡隱層神經元的確定 26 隱層及輸出層的權值調整 27 仿真研究 28第五章 計算機控制系統網絡和通訊開發 30 網絡結構及配置 30 LEVEL1級網絡結構 30 LEVEL1級硬件配置 32 LEVEL2級網絡結構 32 LEVEL2級硬件配置 33 網絡通訊電文內容 33 與MES管理計算機的通信 33 與軋線過程計算機通信 34 與基礎自動化通信 34 LEVEL1級通訊程序的開發 35 WINCC和PLC以太網通訊開發 35 PLC和PLC以太網通訊開發 36 LEVEL2級TCP/IP通訊程序開發 36 TCP/IP SOCKET基本概念 36 客戶/服務器模式 37 TCP/IP套接字系統調用及方法 38 通訊網絡的具體IP地址和端口規劃 40第六章 加熱爐計算機控制系統的應用 42 LEVEL1級控制系統開發 42 43 順控軟件開發 45 燃控軟件開發 47 監控軟件介紹 50 監控軟件開發 52 LEVEL2級軟件功能描述 55 建立板坯數據信息 55 板坯溫度計算的熱工模型 56 軋制溫度反饋控制 56 主要畫面簡介 56結　　論 60參考文獻： 61附件1：附圖清單 1附件2：附表清單 2在學研究成果 2致　　謝 3引　　言2007年，已是多年保持世界第一產鋼大國的地位。我國鋼鐵工業的發展速度是世界鋼鐵工業發展最快的國家，所取得的成就是世界公認的。但是，我國鋼鐵工業技術經濟指標(包括能源消耗、勞動生產率、設備壽命及設備作業率等)、對環境的污染等方面與世界先進水平相比較，差距仍很大。要實現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。加熱爐的計算機控制系統通常被分為一級（LEVEL1）和二級（LEVEL2）控制系統。LEVEL1系統包括燃燒控制系統和順序控制系統。燃控系統的主要功能是根據鋼坯鋼種和規格的需要，控制各個區域的溫度，實現鋼坯的理想升溫曲線控制。同時實現相應的安全連鎖和設備保護。順控系統的主要功能是完成整個加熱爐區域的設備動作控制，實現鋼坯的裝料，步進和出料控制，以及相應的輔助設備的動作控制。LEVEL1是LEVEL2級控制的基礎。LEVEL2系統主要分為應用部分和模型部分，應用部分包括物料跟蹤和通訊等，模型部分主要是鋼坯的溫度預測，主要包括裝爐溫度處理、出爐溫度處理、爐溫沿爐長方向的曲線擬合，周期計算等。LEVEL2負責完成整個加熱爐的過程控制，實現鋼坯在爐膛內的溫度預報和物料跟蹤，在通訊模型的支持下，完成整個加熱爐區設備的全自動生產和全自動溫度控制，并為軋機提供必要的信息。本文的主要內容如下：（1）文獻檢索。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。描述了基于傳熱學原理的鋼坯加熱數學模型。（2）設計和優化了LEVEL1級控制系統，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化控制。（3）系統研究了鋼坯傳熱數學模型、鋼坯溫度預報模型和算法，并利用爐區分段的BP神經網絡進行了鋼溫的預測，離線仿真效果良好。（4）開發了基于S7400PLC和WINCC的加熱爐基礎自動化系統，并成功應用于生產，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級計算機控制系統的投運，實現了爐內鋼坯溫度的預測，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，實現了加熱爐的全自動生產。第一章 文獻綜述加熱爐是軋鋼生產線關鍵設備之一，也是主要耗能設備，其作用是將鋼坯加熱后送往軋機進行軋制[1]，其中鋼坯加熱爐能耗就占冶金能耗的25%[2]，因此，提高加熱爐的熱效率，對整個冶金行業的節能降耗具有重要意義。步進梁式加熱爐的功能是根據鋼坯的入爐參數、生產工況和工藝指標，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。由于加熱爐燃燒過程具有非線性、強耦合、不確定性、分布參數特性，是一個高度復雜的工業過程，加熱爐計算機過程控制技術成為鋼鐵企業研究的重要課題之一，在國內外都得到了廣泛的重視。 加熱爐計算機控制概述加熱爐的計算機優化控制技術就是要在保證工藝指標的前提下實現最優的經濟指標，在加熱爐上開展計算機優化控制的研究已經有三十多年的歷史，國際上對加熱爐優化控制的研究始于20世紀70年代，國內始于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品質量，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化設定策略。 順序控制系統和物料跟蹤順控系統的主要功能是完成整個加熱爐區域的設備邏輯控制，完成裝料側的輥道邏輯控制、加熱爐液壓站的控制、裝鋼機的速度曲線控制，步進梁的速度曲線控制和出鋼機的控制，同時完成L1級的板坯物料跟蹤，實現鋼坯的裝料，步進和出料控制，以及相應的輔助設備的動作控制。在LEVEL1級順控系統的基礎上，LEVEL2及系統通過以太網絡和OPC方式，和LEVEL1級系統建立實時通訊，軟件的強大處理功能下，完成板坯的入爐、爐內和出爐的全爐跟蹤，為模型控制系統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。加熱爐燃燒控制系統的基本任務是：提高