电气工程硕士论文
摘 要
热风炉是现代高炉冶金生产中不可或缺的加热入炉空气设备，它的主要作用是为高炉提供连续的炽热空气。在有限的条件下，尽量提高热风温度为高炉高产、稳产、节能、降耗创造了有利条件。热风炉本体需要监测控制的参数非常多，尤其各个温度点的变化规律性不强，线性特点较差；而且热风炉的操作随动性不强，运行检测参数反馈比控制操作动作严重滞后等。总之，热风炉的自动控制是一个随时间变化而变化的复杂工业过程。在客观条件受限的前提下，怎样把热风炉拱顶温度的控制系统设计合理，就显得尤为重要。
本文以某钢厂 1号1800m3高炉大修为背景，结合 1#高炉热风炉的控制要求及工艺流程，提出并设计了系统控制方案。依据控制方案，分别对 PLC 系统和上位监控系统的硬件分别进行设计，下位机采用 AB RSLogix5000 编程软件，实现全自动换炉流程。上位机监控以组态软件（RSNet Worx）为开发工具，完成操作画面的设计，此外还设计了报警、过程参数和历史趋势画面等，更好的对热风炉系统的工艺流程进行动态监视和管理，并对历史数据和曲线进行保存归档，及时发现现场异常状态发出报警信号。
笔者深入分析高炉热风炉的工艺流程和针对热风炉燃烧过程中温度变化大、很难实现实时控制，重点研究了热风炉燃烧的控制方案。分析和总结原有控制系统存在的问题，同时以废气温度和拱顶温度为参考，设计出由 DCS 和PLC 组成的基于煤气和空气双交叉限幅热风炉自动控制系统，鉴于热风炉燃烧过程存在强耦合的特点，设计出智能模糊解耦控制，从而建立起模糊控制规则表。
基于系统控制方案对系统的硬件和软件进行测试，现场试运行效果佳，达到系统的控制要求，在稳定性和可靠性方面得到了很大的改善，取得预期效果。
关键词 ： 高炉热风炉；Control Logix 控制器；自动控制；交叉并联限幅；智能模糊解耦 。
Abstract
Hot blast stove is an indispensable heating air equipment i n modern blastfurnace metallurgical production,Its main function is to provide continuous hot airfor blast furnace.Under the limited conditions,it creates favorable conditions forhigh production, stable production, energy saving and consumption reductio n ofblast furnace to increase the hot air temperature as much as possible.There are manyparameters that need to be monitored and controlled for the hot blast stove,especially the change regularity of each temperature point is not strong, and thelinear characteristics are poor; moreover, the operation of the hot blast stove is notstrong, and the feedback of operation and detection parameters lags behind thecontrol operation seriously, etc. in a word, the automatic control of the hot blaststove is a complex industrial process that changes with time.On the premise oflimited objective conditions, how to design the control system of the hot blast stovedome temperature is particularly important.
In this paper, based on the No.1 1800m3 blast furnace overha ul of a steel plant,combined with the control requirements and process flow of the No.1 blast furnacehot blast furnace, the control system scheme is proposed and designed. According tothe control scheme, the hardware of PLC system and upper monitoring s ystem aredesigned respectively. The lower computer uses AB RSLogix5000 programmingsoftware to realize the process of automatic furnace change.The upper computermonitoring uses the configuration software (Rsnetworx) as the development tool tocomplete the design of the operation screen, in addition to the design of the alarm,process parameters and historical trend screen, which can better monitor and managethe technological process of the hot blast furnace system, save and archive thehistorical data and curves, and timely detect the abnormal status on site and send outthe alarm signal.
The author deeply analyzes the technological process of the hot blast stove ofthe blast furnace and focuses on the combustion control scheme of the hot blast stovein view of the large temperature change in the combustion process of the hot blaststove and the difficulty in realizing real -time control. The existing problems of theoriginal control system are analyzed and summarized. At the same time, taking theexhaust gas temperature and vault temperature as references, an automatic controlsystem based on gas and air double cross limiting hot -blast stove composed of DCS and PLC is designed. Considering the strong coupling characteristic of hot -blaststove combustion process, intelligent fuzzy decoupling control is designed, thusestablishing a fuzzy control rule table.
Based on the system control scheme, the hardware and software of the systemare tested, and the field trial operation effect is good, reaching the controlrequirements of the system. The stability and reliability are greatly improved, andthe expected effect is achieved.
Key words : Blast furnace hot blast stove；Control Logix Controller；Auto-Control；Cross parallel limiting；Intelligent fuzzy decoupling 。
第1章 绪论
1.1、 研究背景及其意义 。
在人类社会和科学技术发展进步的过程中，钢铁一直扮演着非常重要的角色，钢铁冶炼技术成为科学技术水平和生产力发展水平的代表性技术。在全世界冶炼的全部钢铁之中，超过九成的钢铁是通过高炉进行冶炼的，随着高炉冶铁技术的不断发展与完善，高炉冶炼技术由于其实现工艺相对简单，维护方便，能源消耗率也较低，冶炼产量较大，生产率较其他的冶炼方式有很大的优势。
高炉冶炼生产过程中，热风炉是一个非常重要的储热器，根据多年生产的数据统计分析可以得出：热风炉的风温每提高100℃，高炉的铁产量将提高百分之三到百分之五，每吨铁的焦比将降低40斤到50斤，由此可见，提高热风炉供风温度对炼铁生产的影响是非常明显的。在高炉炼铁过程中，钢铁冶炼的热还原反应是在持续不断的进行，为了促进高炉内部的燃烧反应，需要将助燃的空气输入到高炉当中，而常温的空气输入会极度降低高炉内部燃烧空间的温度，因此，需要将空气预先加热到一定温度，才能够保证输入到高炉之后，起到应有的助燃和燃烧精准控制的作用。因热风炉燃烧过程具有多变量、非线性、大时滞、时变等特点，致使煤气流量和空气流量不能及时的调节，最终使拱顶温度和废气温度达不到控制要求。
热风炉控制主要包括：设备逻辑联锁控制和整个燃烧过程控制。虽然我国目前大多数高炉热风炉拥有比较完善的基础自动化设备，但这也仅仅在自动换炉方面实现了逻辑控制功能，而在热风炉燃烧过程中并没有实现自动控制。这种现象在中小型高炉中尤其突出，绝大多数热风炉的燃烧控制都是通过手动来完成的，这对现场操作人员的技术水平和工作经验提出了更高的要求。手动控制热风炉燃烧过程，控制的效果由外界环境因素和操作人员的工作经验决定：
一种是空燃比太大，拱顶温度上升的时间延长了，也会使热风炉加热时间相应的延长，而蓄热耗时越久，会导致送给热风炉的风温达不到标准；另一种是空燃比太小，会使原材料不能够完全燃烧，能源被白白浪费，污染环境。如果仅仅想凭借经验或者采用简单的方法来控制热风炉燃烧过程，这是无法实现的，投入大量时间和人力，但是对于热风炉的燃烧过程来说并没有达到控制要求。
由此可见，实现热风炉燃烧过程自动控制具有很大的实际意义。
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1.2、国内外研究现状
1.2.1、国外研究现状.
1.2.2、国内研究现状
1.3 、本文研究内容及结构安排
第2章 热风炉燃烧控制系统
2.1、热风炉的简介.
2.2 l、#高炉热风炉整体工艺结构
2.3、本章小结
第3章 高炉热风炉自动燃烧控制方案设计
3.1、主要工艺控制流程.
3.2、单炉手动换炉
3.3、热风炉燃烧控制方案
3.3.1、比值控制
3.3.2、改进的控制系统
3.3.3、智能模糊解耦控制加前馈控制
3.4、本章小结
第4章 热风炉自动控制系统软硬件设计.
4.1、硬件设计
4.1.1、热风炉自动燃烧控制系统控制器的硬件选型
4.1.2、热风炉燃烧控制系统网络架构
4.2、热风炉控制系统软件设计
4.2.1、软件设计总体框架
4.2.2、系统的程序设计
4.2.3、EPKS过程控制软件操作画面制作.
4.2.4、最终的报表
4.3、本章小结
第5章 系统测试.
5.1 、硬件测试.
5.2、软件测试
5.3、运行效果
5.4、 本章小结
结 论
本文以某钢厂炼铁厂1号高炉为主要研究对象，通过分析发现该高炉目前热风炉控制中的燃烧过程和换炉过程控制采用的仍然是人工控制和半自动化控制相结合的方式，其中人工控制处于主导地位，由于人工控制的不确定性，高炉燃烧控制的实际效果无法满足实际需求。为提高该高炉的控制精度和自动化程度，本文结合热风炉燃烧的基本工艺流程和控制过程及其要点，总结提出了热风炉的自动化控制的实现方案，并根据自动化控制方案，立足于现有的软硬件系统，开发研究高炉热风炉燃烧自动控制系统的软件和硬件部分，并在现场进行了试运行，且取得良好效果，对于高炉燃烧的自动化控制系统具有非常重要的实践性意义。
通过查阅相关的资料文献，对热风炉的基本结构和工艺流程进行了深入研究，并针对性的对热风炉的燃烧控制策略进行了分析研究，对于目前国内钢铁冶炼中热风炉控制所存在的手动、半自动和自动化智能化换炉方式进行了分析研究，比较其优劣，在控制策略和控制方式研究的基础上，提出了高炉热风炉自动化控制的实现方案，确立了基本的控制目标，并以主要的控制元件和阀门参数为基础，研究设计了燃烧控制系统的实现方案，确定了换炉控制、燃烧控制的实现策略，制定了详细的混风温度控制策略和具体的实现过程，按照高炉燃烧控制的实现方案，通过Logicx5000工程工具，从系统功能图、热风炉的自动控制设计等方面开发建立了高炉燃烧自动控制系统的控制软件，并在现场进行了调试与试运行，取得了较好的控制效果，对于原来的半自动化控制具有很大的优势、较高的安全性和较低的成本，实现了本文研究的主要目的。
虽然，该自动控制系统初步实现了最初对高炉燃烧进行自动化控制的预想，但是依然存在如下问题：
1.自动控制的过程中，在稳定状态下，控制效果较为良好，但是遇到相关的扰动时，如送风温度剧烈波动、进气量和助燃空气量发生突变时，控制的有效性下降，甚至某种情况下，需要人工干预才能恢复。
2.完全自动化的控制地域阀门控制的灵活性、安全性和耐久性都提出了更高的要求，因此也意味着更高的成本，更高的控制精度更是增加了对于控制器件质量的要求。
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