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莱钢1500mm带钢数字化加热炉的控制系统.doc
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脉冲燃烧控制原理,计算机堆栈技术在脉冲燃烧控制中的应用、利用前馈加反馈的控制方法,实现煤气压力、空气压力、炉压的自动调节,保证炉况稳定、空煤比控制等一级控制方面的内容
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目 录
摘 要.............................................................................................................................................................2
ABSTRACT.................................................................................................................................................3
第一章 绪论.................................................................................................................................................4
1.1 加热炉控制系统研究现状................................................................................................................4
1.2 数字化加热炉的特点........................................................................................................................4
1.3 本文研究的目的及意义....................................................................................................................5
1.4 本文研究的主要内容........................................................................................................................5
1.4.1
脉冲燃烧控制方式
.....................................................................................................................5
1.4.2
模糊逻辑控制
.............................................................................................................................6
1.4.3
二级加热优化系统
.....................................................................................................................6
第二章 控制工艺概况.................................................................................................................................8
2.1 生产工艺流程....................................................................................................................................8
2.2 钢坯加热的温度制度........................................................................................................................9
2.3 控制系统硬件及网络配置................................................................................................................9
2.4 控制功能描述...................................................................................................................................11
2.4.1
燃烧控制系统
...........................................................................................................................11
2.4.2
顺控系统
...................................................................................................................................16
第三章 加热炉脉冲燃烧控制...................................................................................................................18
3.1 脉冲燃烧控制原理及实现方法......................................................................................................18
3.2 煤气压力前馈加反馈的控制..........................................................................................................22
3.3 空气压力调节..................................................................................................................................25
3.4 炉压控制..........................................................................................................................................25
第四章 控制回路参数模糊整定及温度优化设定...................................................................................28
4.1 模糊控制原理简述..........................................................................................................................28
4.2 加热炉温度控制策略......................................................................................................................29
4.2.1
常规温度控制方案存在问题
...................................................................................................29
4.2.2 PI
(比例积分)参数模糊整定
...............................................................................................31
4.3 模糊控制程序模块..........................................................................................................................32
4.3.1
稳态模块及通过程序参数模块
...............................................................................................32
4.3.2
模糊瞬态
...................................................................................................................................37
4.3.3
偏差模块
...................................................................................................................................37
第五章 炉温优化设定...............................................................................................................................40
结 论...........................................................................................................................................................42
参考文献.....................................................................................................................................................43
致 谢...........................................................................................................................................................44
附件 1 控制系统信号参考表.....................................................................................................................45
附件 2 模糊控制部分程序参考.................................................................................................................59
暂态与稳态的模糊判断........................................................................................................................59
稳态下模糊控制计算............................................................................................................................63
暂态下模糊控制计算............................................................................................................................67
偏移模块................................................................................................................................................73
1
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摘 要
随着现代工业的发展,大容积宽断面的加热炉不断出现,加热炉内温度场的
控制以及保证坯料长度方向温度分布均匀变得越来越困难。作为冶金行业的耗能
大户,国内外对加热炉控制方式的研究与应用取得了许多优秀的成果,数字化加
热炉是最近几年出现的一种新型的加热炉燃烧控制方式。它所应用的脉冲燃烧控
制方式相比于传统的比例燃烧的静态多烧嘴控制方式具有加热均匀、操作灵活、
加热质量好、燃耗低等多方面的优势。
本文主要对莱钢 1500mm 带钢数字化加热炉的控制系统进行深入的分析和
研究。包括脉冲燃烧控制原理,计算机堆栈技术在脉冲燃烧控制中的应用、利用
前馈加反馈的控制方法,实现煤气压力、空气压力、炉压的自动调节,保证炉况
稳定、空煤比控制等一级控制方面的内容。
加热炉是一个具有大滞后多耦合的复杂的系统,无法用准确的传递函数来进
行表达。为了克服传统 PID 控制在温度控制回路中不能适应所有加热炉工况的局
限,该加热炉将模糊控制原理应用到温度控制器调节参数的动态整定当中,将温
度偏差、温度变化率、生产节奏、炉内钢坯分布作为模糊控制器的输入,温度控
制器的比例、积分值作为模糊控制器的输出,大大改善了温度调节器的调节性能
实现了炉温的自动控制,避免了燃气调节过程中的剧烈扰动。
本文还对该加热炉基于热模型的二级加热优化系统作了简单介绍。
实际运行状况表明,应用了脉冲燃烧控制和 PID 参数模糊化整定技术的数字
化加热炉在燃料损耗、加热质量、炉温控制、钢坯热烧损控制等方面取得了良好
的效果,获得了巨大的经济和社会效益。
关键词:数字化加热炉 脉冲燃烧控制 前馈加反馈控制 模糊控制
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ABSTRACT
Along with the development of modern industry, more and more
reheating furnace with big width and big capacious appeared. It become
more difficult for temperature control in the furnace to ensure a good
temperature profile over the length of the product. In the recent past
years ,digital furance appeared .as a new combustion control technology, it
has advantage in operating flexibility , heating quality and lower fuel ,
compare to the static multi-burner zoning of the old proportional firing
system
This article introduce the research and application of control system
on 1500mm strip plant reheating furnace of laiwu iron & steel group. The
content included is the principle of pulse combustion control , the
application of FIFO technology in the implement of method pulse
combustion . Adjust method for pressure of gas, adjust method for pressure
of air , Adjust method for pressure of furnace.
Furnace is a complex system with couply and lag, can not find a
function to exactly express it. To solve the problem of controller with fixed
parameter can not suitable for all of the production status. Control system
using fuzzy logic on dynamic adjustment of temperature controller’s
parameter.for fuzze logic controller,the input is temperature ,change rate
of temperature,weight and product rate.The output is Ki and Kp parameter
of temperature controller. The application of fuzzy logic advance the
performance of controller, avoid the acuity wave of fuel and air.
This article also give introduce to opitimize system of level 2.
The digital furnace using pulse combustion control technology and
fuzzy logic controller obtain good performance on fuel waste, heating
quality, temperature control and so on.
KEY WORDS:reheating furnace fuzzy logic parameter regulate
pulse combustion control
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第一章 绪论
1.1 加热炉控制系统研究现状
世界钢铁领域变革的步伐正在加快,对于加热炉而言,满足在不减少产量的
情况下连续处理不同钢种的坯料,具有灵活的操作性和良好的加热质量和加热曲
线已经成为加热炉控制系统的关键。良好的控制系统最终带来的是最大的生产效
益和最低的生产成本。
热轧生产线加热炉的发展大概经历了这样几个阶段:
70 年代,通用的方法是具有是具有实底均热区炉膛的 5 段轴向燃烧推钢式
加热炉。
1975-1980 年代,由多方位烧嘴、顶部和底部加热的步进梁式加热炉代替
了推钢式加热炉。
1985-1990 年代,由于第一代侧烧嘴不能满足要求,利用烧嘴坑道来加热
下部区域的轴向烧嘴技术得到发展,整个上部区域都使用炉顶平焰烧嘴。
1985-1990 年代,一些相关的实验显示出轴向烧嘴的缺点。其缺点是:使
用轴向烧嘴,燃烧废气会集中在加热炉的中部,这样使沿加热炉宽度方向控制温
度分布变得困难。这一缺点使人们不再选用轴向烧嘴,而炉顶平焰烧嘴则一直在
使用。
随着所处理坯料的多样化以及加热炉容积和宽度的不断增加,人们清楚地认
识到,针对不同的钢种,保证坯料长度方向合适的温度分布变得越来越困难。在
1997 年,法国斯坦因-霍特公司开始实验并使用脉冲燃烧方式来解决炉内温度场
均匀分布的问题。为了验证脉冲燃烧技术,1997 年 11 月,斯坦因公司与德国蒂
森钢铁集团一起工作,在蒂森集团杜伊斯堡钢厂(一座 420t/h 板坯加热炉)将
所有下部区域侧烧嘴更换成脉冲式烧嘴,结果提高了板坯温度场的均匀性和成品
带钢的性能。对于脉冲控制的优越性能的验证,以及对宽火焰烧嘴技术改进的实
现,最终促成了数字化加热炉的诞生。截至目前,全世界已有 30 多作加热炉采
用了数字化的控制系统。在我国,已有南京钢铁厂、包头钢铁厂、莱芜钢铁厂等
钢铁企业引入了数字化加热炉。
1.2 数字化加热炉的特点
数字化加热炉的主要特点:所需热量是通过控制烧嘴燃烧时间来实现的,这
优于调节空气/煤气流量的传统控制方式。在传统的控制方式中,通过烧嘴的燃气
流量并不总是处在最佳负荷状态下,当负荷变小时,火焰的形状及燃烧效率都会
受到影响,引发了加热的一系列问题。数字化加热炉烧嘴燃烧时始终以额定功率
燃烧,这样的好处是:
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/12853202/bg5.jpg)
-恒定的空/燃比使燃烧效率保持稳定和最优状态。
-氧化氮排放量减少到最低。
-平均燃料单耗最低
烧嘴的时序脉冲式燃烧,实现了对每一对烧嘴的单独控制。这样断开了火焰
分布、炉内气氛控制与加热炉生产率之间的关系,结果是:
-增加了燃烧效率,减少了温室效应气体的排放。
-能够更好的控制火焰形状和热量分配。
-减少了氧化烧损的生成。
在轧制延时或者生产率异常时,这种控制方式的益处更为明显。和常规的加
热炉相比,所有运行的加热炉中数字化炉表现出更加稳定的特点。
单独控制每对烧嘴,可根据不同产品的最优化加热曲线,灵活的调整加热过
程,即操作员能够调整每个产品的加热过程,及预热、加热和均热段的长度,从
而优化燃烧和加热质量。通过灵活的调整加热炉每段的供热长度,使得用户可以
通过灵活的、调整加热炉来适应市场需求的变化,而不在被老式的比例燃烧系统
的静态多烧嘴区域所限制。
1.3 本文研究的目的及意义
钢铁工业是耗能大户,其中钢坯加热炉就占钢铁工业总能耗的 25%。因此,
提高加热炉热效率、降低能耗,对整个钢铁工业节能具有重要意义,在国内外都
得到了广泛的重视。随着现代化轧机向连续、大型、高速、高精度和多品种方向
发展,对钢坯加热质量的要求也越来越高,从而也对加热过程提出了更高的要求
数字化加热炉的燃烧控制方式在我国还没有得到广泛的应用,许多钢铁企业对它
相比于传统控制方式的优点缺乏足够的了解。为此,对数字化加热炉控制方式的
研究有着极大的现实意义。数字化加热炉的推广有良好的前景,会带来巨大的经
济和社会效益。
1.4 本文研究的主要内容
本文主要介绍了莱钢 1500mm 带钢生产线步进梁式数字化加热炉燃烧控制
系统的研究与应用。详细阐述了:
①脉冲燃烧控制、空/煤比控制、煤气空气压力前馈控制等的原理以及实现过
程。
②基于模糊逻辑的温度 PID 控制回路调节参数优化整定
同时简略阐述了基于专家系统的二级优化系统。
1.4.1 脉冲燃烧控制方式
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