焦炉加热控制系统设计毕业论文

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）毕业设计说明书焦炉加热控制系统设计摘 要焦炉的加热过程是单个燃烧室间歇，全炉连续，受多种因素干扰的热工过程。其控制系统是典型的大惯性、非线性、时变的复杂系统，因此如何优化焦炉加热过程控制、降低炼焦能耗、确保焦炭均匀稳定成熟、延长焦炉使用寿命，仍然是炼焦业界重大难题。本文在深入进行焦炉加热燃烧过程工艺分析的基础上，根据控制系统的设计要求，提出了控制系统的总体结构。系统采用西门子S7-300 PLC对各类参数（温度、压力和流量等）实施在线检测，并采用MCGS组态平台完成工艺流程的实时监视和控制。由于立火道温度直接测量很困难，所以根据蓄热室顶部温度建立立火道温度软测量模型，间接测量立火道温度。本控制系统满足了实际应用的需要，对提高焦炉生产率和焦炭质量 ,降低能耗及延长焦炉寿命 ,减少炼焦生产中的环境污染以及改善劳动条件具有重要的意义。可以为企业创造显著的经济效益和社会效益。关键词：焦炉，软测量，MCGS组态，PLC；Coke oven heating control system designAbstractThe heating process of coke oven which is a single chamber intermittently and a continuous furnace, is disturbed by many factors .Its control system is a typical of large inertia, nonlinear, and time-varying complex system. So how to optimize the process of coke oven heating control, reduce coke consumption to ensure the stability of coke evenly ripe and extend the service life of coke is still a major problem.This passage is about coke oven heating in-depth analysis of combustion process on the basis of the control system in accordance with the requirements of a control system for the overall structure. System uses a Siemens S7-300 PLC implement online testing on various parameters (temperature, pressure and flow, etc.), and complete platform configuration which using MCGS process real-time monitoring and control. Because direct measurement on flue temperature is difficult, according to the temperature at the top of regenerator flue temperature it can establish legislation soft-sensor model to finish an indirect measurement of flue temperature legislation. The control system meets the needs of practical applications, which improving the quality of coke oven coke productivity, reducing energy consumption and extending the life of coke oven, Whats more, it can reduce environmental pollution in coke production and improve the working conditions This is of great significance. It can create significant economic and social benefits.Key words: coke, soft measurement, MCGS configuration, PLC;目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1 研究背景与目标11.2 焦炉加热控制系统的发展状况21.3 焦炉加热控制方案介绍31.4 焦炉加热控制系统设计思想4第二章 焦炉加热控制系统总体结构设计62.1 焦炉加热燃烧工艺过程62.2 焦炉加热控制的难点分析82.3 控制系统总体结构及过程参数检测92.3.1 控制系统总体结构92.3.2 温度控制策略设计102.3.3 过程参数检测112.3.4 立火道实际温度检测方法的确定112.4 立火道温度软测量122.4.1 立火道温度软测量模型的建立132.4.2 蓄顶温度检测点设置16第三章 硬件系统设计203.1 PLC特点介绍及选型203.1.1 PLC特点介绍203.1.2 PLC选型203.2 上位机选取223.3 热电偶选型223.4 控制器243.4.1 温度控制器243.4.2 混煤压控制器和吸力控制器253.5 压力检测仪表、流量计、变送器及执行器253.5.1压力检测仪表253.5.2流量计263.5.3变送器273.5.4执行器28第四章 软件系统设计294.1 上位机软件系统设计294.1.1 焦炉加热控制系统监控画面304.1.2 数据显示画面314.2 下位机系统主程序流程图334.3 混合煤气压力控制回路子程序流程图344.4 吸力控制回路子程序流程图35第五章 结束语36参考文献38附录A 焦炉加热控制系统监控画面40附录B PLC程序41致 谢47第一章 引 言焦炭是炼焦工业最重要的产品，大多数国家的焦炭90%以上用于高炉炼铁，炼铁高炉采用焦炭代替木炭，为现代高炉的大型化奠定了基础，是冶金史上的一个重大里程碑；冶炼工业，少量用于制取碳化钙、二硫化碳、元素磷等。另外焦炭也可作为制备水煤气的原料制取合成用的原料气。为使高炉操作达到较好的技术经济指标，冶炼用焦炭（冶金焦）必须具有适当的化学性质和物理性质，包括冶炼过程中的热态性质。焦炉是煤化学工业中极为重要的工业炉之一，其加热燃烧过程是一个多变量、 非线性、 分布参数、 快过程和慢过程交织在一起的复杂工业过程 ,具有大时滞、大惯性、强非线性、多因素藕合、变参数的特点，焦炉火道温度稳定性直接关系到焦炭质量和炉体寿命。在炼焦厂的总能耗中，焦炉加热用的煤气量约占总能耗的70%。因此，实现焦炉加热燃烧过程控制，对于降低焦炉能耗、提高焦炭质量、延长焦炉寿命、减少环境污染和改善劳动条件都具有非常重要的意义1。1.1 研究背景与目标 焦炉是冶金工业中重要的热工设备，其生产原理是将煤在隔绝空气的情况下进行高温干馏从而产生焦炭、煤气以及焦油等其他有机化学副产品。我国是世界上不折不扣的焦炭生产大国，也是世界上最大的焦炭出口国。焦炉生产出占整个钢铁联合企业70%的二次能源，但自身又是一个耗能大户。焦炉加热生产还极易给环境造成严重的污染，如果焦炉控制不好，焦炭加热不均匀，就会局部生焦造成出焦时冒黑烟，而且加热煤气燃烧不完全，也会产生大量黑烟;另外焦炉加热控制的好坏，对焦炭质量和炉体寿命都有重要直接影响，因此，需要根据生产条件与客观变化因素及时不断地对加热过程进行调节，以达到加热制度合理、炉温均匀稳定，从而实现低能耗、优质高产、减少环境污染和延长炉体寿命的目的。炭化室煤料干馏过程是通过炉墙传热获取燃烧室的热量，因此，燃烧室温度的高低直接影响煤料炭化和焦饼的最终温度。也可以说，燃烧室温度实际上代表炼焦温度。从炼焦工艺过程出发，对此温度不但要求均匀性，而且要求稳定性，此温度被称为直行温度，它准确是指机、焦侧各燃烧室平均温度的控制值。直行温度代表了全炉温度情况，控制了直行温度，也即是控制了炼焦温度，保证了炼焦工艺过程对供热的需求。现在很多焦炉加热工艺过程没有进行实时监视，煤气流量及分烟道吸力均以人工调节为主，整个系统自动化程度低，其控制效果主要依赖于操作人员的实际经验和个人预测能力。由于不同班次的测温工和调火工进行调节的时间和力度均不相同，可能造成火道温度较大波动，而超出允许的范围，造成焦炭质量下降和能源浪费，也影响焦炉的使用寿命。1.2 焦炉加热控制系统的发展状况50年代初，美国、前苏联等国家就已经对焦炉的操作和控制进行了研究，但由于当时的科技水平低，焦炉的工艺和设备又很复杂，故进展不大。到了70年代，随着计算机技术和自动控制理论的发展，使焦炉的计算机控制成为可能。自从1973年日本钢管公司在福山钢铁厂5#焦炉上首次成功地开发应用了焦炉燃烧控制系统以来，世界上许多钢铁公司已先后开发了10多种焦炉加热自动控制系统，相继出现了ACCS、CARPO、COHC等各具特色的系统。工业发达的国家投入大量的人力、财力和物力用于焦炉计算机控制系统的研究、开发和应用，取得了明显的经济效益。相比而言，我们国家这方面还存在不小的差距。到了80年代，我国很多焦化厂也开展了研究工作，均取得了显著的节能效果。但与国外先进技术相比，国内的焦炉控制水平较低，还需进一步的研究和开发。自90年代末期以来由于国内经济的快速发展以及我国焦炭产量的大幅增加，由焦炭大国向焦炭强国转变的欲望和要求，广大的焦化工作者根据国内焦炉结构和生产特点积极开发计算机加热自动控制系统，所以国内研究快速发展。无论控制系统还是控制数学模型均充分考虑结焦特点和先进的控制策略，取得较为成熟的运行经验。近年来随着模糊控制、专家系统、神经网络及预测控制等人工智能技术的广泛应用，也为焦炉计算机控制开辟了新的领域。人工智能控制技术与传统控制方法相结合，取得了较好的控制效果2,5.1.3 焦炉加热控制方案介绍传统的控制策略特点:根据实测火道温度、结焦终了时间或焦炭温度与目标火道温度、 目标结焦终了时间或目标焦饼温度的偏差,并考虑炉温的滞后因素来调整炉组加热煤气流量的设定值,以实现炉组加热的最佳控制。反馈控制系统的优点是不需要对焦化机理有较深入的研究,不需要建立过程精确的数学模型,不需考虑各种参数的影响,利用被控量的偏差进行控制,就能使炉温达到标准要求。但需要事先确定一个初始供热量或加热煤气流量的经验值,实施时不断调整。缺点是对过程反馈信号的实时性要求严格,不能及时克服干扰,滞后现象严重因为反馈控制在干扰发生后才起作用,且容易产生超调现象。需要采用大量的热电偶进行温度检测这样会造成系统建设和维护费用的大量投入。目前,一般钢铁企业焦炉加热系统在焦炉加热能量稳定、 富裕的情况下能很好地优化焦炉加热控制。可以在焦炉加热智能控制系统采用线性回归、 神经网络等软测量方法 ,建立了立火道温度软测量模型 ,并采用模糊专家控制进行焦炉燃烧加热过程优化控制系统。焦炉燃烧加热控制是以西门子 WinCC 控制系统为平台 ,通过 OPC通讯实现优化控制和 WinCC 控制平台的无缝连接 ,从而实现焦炉加热智能控制4。焦炉加热控制系统还可以根据焦炉调火经验，采取把串级、前反馈方式结合起来，利用串级控制消除未知的和难以测量的参数所产生的各种影响及过程模型的不准确部分，同时对主要干扰造成的影响及时进行前馈补偿，才能使焦炉处于最佳工作状态。另外，考虑影响立火道温度的众多因素中，除蓄顶温度是一个主要因素(通过实测蓄顶温度来拟合成立火道温度)外，还受配煤水份、煤气成分、结焦时间等因素影响，尤其在工况不稳定时更为严重，为保证模型的准确性，控制系统中引入了专家系统模型自学习系统。但在高炉煤气主管压力剧烈波动、 加热煤气流量不足时,不能指导操作人员进行加热控制,只能由操作人员人工分析判断,同时停止使用高炉与焦炉加热煤气加热,也没有充分利用高炉煤气。焦炉加热智能控制系统采用加热煤气流量调节控制方法,综合分析处理荒煤气温度、 加热煤气流量、 热值、 推焦、 平煤、 煤重及水分、 计划结焦时间等数据,通过该模型计算并设定焦炉交换机 PLC的“停止加热时间 ” 和仪控 DCS的加热高炉 /焦炉煤气量,使焦炉加热均匀稳定,智能控制焦炉的全炉加热水平,实现焦炉加热的智能控制4。1.4 焦炉加热控制系统设计思想焦炉燃烧加热生产中最重要的控制为焦炉温度控制，因为焦炉温度是影响焦炭质量、节约加热煤气、减少推焦烟尘污染的关键因素。在相同的结焦周期中，如果焦炉温度过低则焦炭未完全成熟，焦饼未完全收缩到正常状态，焦炭硬度小、密度高，推焦电流大;相反如果在相同的结焦周期中，焦炉温度过高，焦饼收缩过头，焦炭过于成熟，焦炭硬度高、密度小，推焦电流小，而且引起在推焦过程中产生的烟尘量。本文主要对焦炉燃烧加热过程进行机理分析，实现各种过程参数和状态参数的检测以及整个过程的监视;建立一个焦炉加热燃烧过程控制系统，并且从整体上提出控制系统的总体结构。该控制系统首先考虑到影响立火道目标温度的许多因素，主要是结焦时间、焦饼中心温度、配合煤水分、每孔装煤量等因素。分析到这些因素与立火道目标温度的相关性都很大，采用线性回归的方法建立火道温度模型，得到目标温度设定值。另外通过实时的荒煤气温度得到温度设定值的修正量，从而获得最终的目标温度设定值。同时通过安置在蓄顶的热电偶测得蓄顶温度，利用建立的火道温度软测量模型获得火道温度预测值。通过两者的差值进入到火道温度控制回路进行控制，由立火道温度控制控制器来给定混合煤气压力以及分烟道吸力，实现温度自动控制，从而达到焦炉加热过程中的最佳燃烧状态。第二章 焦炉加热控制系统总体结构设计焦炉加热燃烧过程中各种温度、流量、压力等参数太多，而其中大部分参数关系到加热燃烧过程中焦炭成熟的好坏。焦炉加热过程中温度的传统调节方法是每四个小时由测温工测得立火道温度，调火工根据这个温度和标准的立火道温度的偏差，做出煤气量和空气量调节的决定，现场工作人员手工调节各个煤气阀门和空气挡板的开度，通过保证煤气流量和空气流量的稳定，来达到保持立火道温度稳定的目的。但是由于焦炉生产现场干扰因素较多，现场工人的经验不同，煤气量和空气量变化很快，工作人员很难及时做出反映，因此完全靠人工的调节带有强烈的主观因素和大滞后，严重影响着焦炉的生产和焦炭的质量。对于这种情况，建立一个既实现过程监视又实现温度控制的智能控制控制系统势在必行。深入了解焦炉生产工艺过程的基础上，根据控制系统设计要求，从整体的角度上提出了控制系统总体结构，通过西门子S7-300系列PLC对各类参数，包括温度、流量和压力等的在线检测，以及采用MCGS组态平台对工艺流程的实时监控，采用软测量的方法实现立火道温度的优化控制。2.1 焦炉加热燃烧工艺过程焦炉是冶金工业中最复杂的炉窑之一，焦炉既是高温化学反应器，又是十分庞大而结构复杂的热工设备。它由多个炭化室和燃烧室交替配置而成，炭化室和燃烧室仅一墙之隔。炭化室与燃烧室的大小主要由焦炉的型号决定的，我国广泛使用的是JN型焦炉。焦炉是由一系列的炭化室和燃烧室相互间隔组成，炭化室与燃烧室的底部是蓄热室。炼焦用煤在炭化室中进行干馏;而加热煤气在燃烧室中进行燃烧产生热量使炭化室温度上升到1100左右。炭化室是煤隔绝空气干馏的地方，燃烧室是煤气燃烧的地方。每个燃烧室又包括一定数量的立火道，其中每两个立火道作为一对，组成一个气体通路，其两端分别和下面的蓄热室相连。煤气和空气在众多的燃烧室立火道内混合燃烧，热废气在高温下以辐射传热为主，并伴随有对流传热的方式，将热量通过炉墙传导给煤料，使煤料依次经过结焦过程的各阶段而生成焦炭。为使炭化室均匀加热和充分利用废气余热，利用定时改变废气流向，通过蓄热室来加热进入燃烧室的空气和煤气。焦炉生产过程具有周期性特点。从装煤到煤完全成熟变为焦炭的时间称为结焦周期，可以看出结焦周期主要与煤的品质和炭化室的温度决定的。一般结焦周期为18-21个小时，如果结焦周期为21个小时则平均每天有3个小时的焦炉检修时间。同时，焦炉的生产是连续与间歇的结合，焦炉炭化室按一定的推焦计划定期装煤、出焦，焦炉燃烧室内的燃烧过程连续不断地进行。一般每炉的操作时间为15分钟，为使炭化室均匀加热，加热系统定时改变废气流向，同时，为充分利用废气余热，通过蓄热室来预热进入燃烧室的空气(煤气)，因此焦炉每隔30分钟交换作为煤气和空气上升通道的蓄热室和作为废气下降通道的蓄热室，即进行换向（换向时间大约为30秒)。另外，为了使推焦顺利，焦炉炭化室通常为楔形，即焦侧宽度大于机侧，因此，在对炭化室加热时，焦侧燃烧室的温度要高于机侧燃烧室的温。焦炉生产的主要燃料是高炉煤气，在通常情况下，为了提高燃烧热值，进入炉体燃烧的气体是高炉煤气与焦炉煤气的混合气体。两种气体从各自管道流入各自蓄热室预热后在燃烧室进行混合开始燃烧，燃烧释放出大量的热能，热能以多种方式传递给炉墙，从而使煤在炭化室内高温密闭干馏，生成焦炭。焦炉加热与其他工业炉不同，装煤的炭化室与燃烧室相间为邻，煤气与空气在众多特殊燃烧室的立火道中混合燃烧，通过炉墙将热量传递给炭化室中的煤料，使之逐渐结焦而成为焦炭。为使狭长的炭化室中的煤料均匀获取热量，由机侧和焦侧分别供热，因此，一座焦炉实际上是两组加热炉群的集合体。为使炭化室均匀加热和充分利用燃烧后的废气余热，利用定时变更废气流向，通过机焦二侧蓄热室，加热进入燃烧室的煤气与空气。国内焦炉均采用自然抽风式结构，利用调节烟道废气流量来维持炉内压力制度，控制进入燃烧室的空气流量。2.2 焦炉加热控制的难点分析焦化热工过程是一个非常复杂的过程。对于这个过程的研究，国内外焦化学者仍在继续进行研究。在焦化机理研究中，具体运用了煤气燃烧、气体动力学和热传输理论。焦炉对象具有大惯性和大滞后特性，生产过程中变量变化剧烈，导致干扰强烈，过程机理复杂，实际对象的模型会因种种现场工况而发生变化，焦炉对象不是那种单一数学模型就可以表示的环节，具有一定的不确定性，常规控制方法难以满足生产的要求。而焦炉加热控制的前提条件就应该满足生产计划要求，完成产量，并且保证焦炭质量。生产产量决定了焦炉结焦时间，焦炉结焦时间以及煤和煤气的特性要求火道温度应达到一定程度。从这个意义上讲焦炉加热控制应该在一定范围内保持规定的炉温稳定。这需要对影响焦炉温度变化的因素有一定认识。另外，焦炉是一个大封闭的，散发腐蚀性物体的系统，而且各炭化室结焦时间所处的周期都不一样，为了较准确的反映整个炉组的不同结焦状态，对温度来说，需要许多测点来保证，这样就导致了温度测量的复杂性。而加热控制的需要足量、准确、可靠的测量温度是非常必要的。因此，焦炉进行优化燃烧控制的最大难点是温度实时监测。2.3 控制系统总体结构及过程参数检测2.3.1 控制系统总体结构经过对被控对象的仔细分析，确定了控制系统的总体结构，控制系统总体结构示意图如图2-1所示:为实现焦炉加热燃烧自动控制，控制系统需要根据蓄顶实时检测的温度，经立火道软测量模型得到全炉火道的平均温度，并根据此预测温度与立火道温度设定值之间的偏差，通过调节焦炉煤气流量或混合煤气的流量来改变焦炉供热量，以稳定炉温;为了保证煤气的合理充分燃烧，仍需调整分烟道吸力;同时当焦炉周转时间、装煤炉参数、焦饼中心温度调整时，立火道目标温度也需要适时地调整。立火道温度软测量模型根据立火道蓄顶温度预测整个焦炉炉温，立火道温度控制模型是整个控制系统的核心，它是由两个控制回路来完成的。采用混煤压控制器、分烟道吸力控制器以及温度控制器，来保证炉温的稳定及煤气的充分合理燃烧，获得平稳、合适的立火道温度。焦炉加热控制系统是通过西门子S7-300 PLC系统和由MCGS设计的监控画面对各类参数（温度、流量和压力等）在线检测，以及对工艺流程的实时监控的控制系统。图2.1 焦炉加热控制系统示意图2.3.2 温度控制策略设计 立火道温度控制分为内外两个回路:温度控制回路和压力控制回路。温度控制回路根据立火道温度的偏差，修正煤气流量及吸力给定值，压力回路稳定煤气流量及分烟道吸力。由于焦炉燃烧加热过程的复杂性，不可能建立精确温度与供热量、供热量与煤气流量的数学关系，因此需要结合实际经验，根据温度的偏差，算出应增加的煤气供热量，进而给出焦炉煤气流量、高炉煤气流量和吸力的设定值，同时由高炉煤气流量和压力的关系，给出混煤压的设定值。温度控制回路为立火道温度的反馈控制，主要作用是保证立火道温度稳定在给定的目标值上。当立火道温度与设定温度之间存在偏差时，温度控制回路在考虑加热煤气种类、热值等参数的情况下，设定炉温相应增减所需改变的煤气供热量。由于在煤气热值稳定的情况下，供热量取决于煤气流量的大小，即焦炉煤气流量与高炉煤气流量。在煤气流量发生改变时，为保证煤气合理地、充分地燃烧，需调节空气供给量。压力控制回路主要是针对焦炉煤气和混合煤气的阀门开度，以及机侧烟道和焦侧烟道挡板开度的反馈控制。通过调节煤气阀门的开度，控制煤气的供热量为一个合适的值。为了使煤气能够充分燃烧，同时调节机侧和焦侧分烟道吸力，保证进入燃烧室的煤气能充分地、合理地燃烧。压力控制回路包括焦炉煤气流量、混煤压控制器和分烟道吸力控制器，是温度闭环控制的基础。从控制的周期看，温度控制回路的炉温控制周期为1小时左右，而压力控制回路的控制周期为十几秒之内，其工作频率相差很大，因而可将它们看成相互独立的部分。2.3.3 过程参数检测要实现温度自动控制首先要获得所必需的过程参数的实时值，主要是煤气流量、压力、吸力、温度等过程量的检测。本系统需要检测到流量参数有。焦炉煤气主管流量、高炉煤气主管流量、机侧高炉煤气流量、焦侧高炉煤气流量等；所需检测的压力数据主要是焦炉煤气主管压力、高炉煤气主管压力、机侧混合煤气压力、焦侧混合煤气压力，集气管压力等；吸力有机侧分烟道吸力、焦侧分烟道吸力；温度量比较多，有蓄顶温度、上升管荒煤气温度等。2.3.4 立火道实际温度检测方法的确定焦炉直行温度获取的方法有两种:一种是直接法，即通过红外测温仪测定燃烧室标准火道温度，分别将全炉焦侧和机侧所有燃烧室温度平均后，作为当前的焦侧直行温度和机侧直行温度，原来就是每隔4小时测温工通过这种方法获取直行温度。另一种是间接法，通过在一定数量的机焦侧蓄热室顶部插入热电偶，由火道温度软测量模型，得到焦侧直行温度和机侧直行温度。由于红外线测温仪采用人工离线操作，人工测量差异而且测量结果具有较大滞后，无法满足焦炉燃烧实时控制的要求。所以，通过建立火道温度软测量模型，由热电偶测量的实时蓄顶温度计算出直行温度，对于实现焦炉燃烧自动控制是非常重要和必不可少的。由于蓄热室气流与立火道气流存在前后相接关系，两者的温度也存在某种特定的对应关系，所以可以通过检测蓄热室的温度以代替对立火道温度的直接测量，即立火道温度的软测量。2.4 立火道温度软测量随着生产技术的发展和生产过程的日益复杂，为确保生产装置安全、高效地运行，需要对与系统的稳定及产品质量密切相关的重要过程变量进行实时控制和优化控制。如果待检测变量难以实时测量或者测量成本太高，传统的测量方法就无法满足现代工业生产的需要。软测量技术正是在上述背景下产生的，它通过选择与被估计变量相关的一组可测变量，构造某种以可测变量为输入、被估计变量为输出的数学模型，用计算机软件实现对重要过程变量的估计。这类数学模型及相应的计算机软件也被称为软测量器或软仪表。软测量器估计值可作为控制系统的被控变量或反映过程特征的工艺参数，为优化控制与决策提供重要的信息。在焦炉生产中，立火道温度就是这样一个待检测的过程变量。为了实现立火道温度的控制，必须要准确的测量立火道的温度。但是立火道温度检测具有温度高、内封闭的特性，很难测量。目前检测焦炉立火道温度的主要方法是在焦炉适当地方安装热电偶，以热电偶实测温度间接反映焦炉的立火道温度。因此建立基于蓄顶温度的立火道温度软测量模型可以避免直接测量立火道的高温，如果模型足够准确，还可以减少热电偶的安装数目，大大降低投资，更重要的是为温度控制提供参考依据，从而实现焦炉燃烧加热的自动控制。图2.2温度控制系统示意图在图2.2中，从炼焦工艺出发，详细分析了影响焦炉立火道温度的各种因素，在机理分析的基础上，提出建立立火道温度的软测量模型，它以蓄热室顶部温度为辅助变量，建立多元线性回归模型和一元回归模型，为了提高立火道温度软测量的准确度，充分考虑工艺特点，对多元线性回归模型和一元回归模型进行优化组合，建立了线性回归子模型。模型权值的在线自修正机制可以保证软测量模型具有较强的稳定性和自适应性。2.4.1 立火道温度软测量模型的建立经典的回归分析方法在软测量技术中有着极其广泛的应用。回归分析是一类数学模型，它用统计的方法研究一个或多个随机变量与另一些变量之间的关系问题。利用所求的线性回归模型可以对某一生产过程进行预测或控制。例如，可以建立以蓄热室顶部温度为自变量，以立火道温度为因变量的线性回归模型，从而对立火道温度进行估计。基于回归分析的软测量具有简单实用的优点，所以应用相当广泛，但是通常需要大量的数据样本。大量数据分析结果表明换向15分钟后，蓄顶所测下降气流的温度与火道温度密切相关。采样该时段蓄顶温度数据，并将蓄顶温度与同时段火道实测温度构成一组观测值，多组观测值构成一个样本。 根据线性回归模型的原理，以六个蓄顶温度为基础，可以建立六元线性回归模型。设y为火道温度实测值，x1，x2，x6为对应时段的六支蓄顶温度值，并对（x1，x2，x6，y）作n(n7)次试验，就可以得到一个容量为n的样本和一个有限样本模型 （2.1）其中:，相互独立且与同分布。可用矩阵表示上式，记Y=，=，u=X=则上式变为 （2.2）此模型即为火道温度六元回归预测模型。为了提高模型的可靠性，本系统还设计了基于蓄顶温度平均值的一元线性回归模型。如果六支蓄顶温度检测热电偶出现部分信号中断，或者采样数据超出正常范围等异常情况，六元回归模型不能使用，此时一元回归模型可以正常运行。一元回归模型对热电偶每分钟采集到的蓄顶温度进行判断，将其中不合格的数据剔除，对合格的蓄顶温度数据求取平均，得到一元回归模型中的自变量，然后将蓄顶温度平均值与对应时刻的火道温度构成回归样本（，）。最后利用最小二乘法求取模型参数的估计量设（，），（，），. （，）为样本，则 ； （2.3）其中，表示全炉火道温度的平均值，xi表示对应时刻若干个蓄顶温度的平均值，表示第i次试验中的随机误差。求得一元回归模型后即可对火道温度进行在线预测:首先采集蓄顶温度，将结果作为模型的输入计算出火道温度。在分别建立焦炉火道温度的六元、一元线性回归模型后，可以在每小时得到两个模型的输出，此处通过规则模型将两个线性回归模型的输出进行综合，结果作为线性回归模型的整体输出。记六元、一元线性回归模型的输出分别为和，对这两个值进行加权组合，得到线性回归模型预测值: （2.4）式(2.4)中，且，。，的初始值相同，通过规则改变。采用上述方法建立线性回归软测量模型。当模型运行时，对采样的蓄顶温度值作为模型的输入，就可得到当前时刻的火道温度预测值。2.4.2 蓄顶温度检测点设置为了对焦炉均匀加热、方便检查和控制，每个燃烧室的机、焦侧各选择一个立火道作为测温火道，其温度分别代表机、焦侧温度，这两个火道称为测温火道或标准火道。其所测得实际温度称直行温度。而标准温度是指机、焦侧火道温度控制值，是在规定结焦时间内保证焦饼成熟的主要温度指标。在任何结焦时间下，对于硅砖焦炉，确定的标准温度应使焦炉各立火道的温度不超过1450。直行温度与标准温度之间有个差值，这个差值是由于直行温度测温点与立火道温度最高点有大约1米的距离造成的。在炼焦工艺上，该差值通常称为冷却值。对特定的焦炉，冷却值一旦确定下来一般不再更改。为了了解立火道温度的变化规律，最直接的做法是在每个立火道中插入热电偶检测温度，但是由于立火道的温度高达1400左右，插入的热电偶寿命很短，这样会造成检测和维护的成本过高。所以只能通过间接测量的办法实现。为了说明蓄热室温度与立火道温度的密切关系，首先介绍焦炉各蓄热室、燃烧室与炭化室的位置关系。焦炉炉体一般由若干个炭化室和燃烧室交替组成，这里以某焦炉为例，它由55个炭化室，56个燃烧室和57个蓄热室组成。为了表述简明，将所有蓄热室、燃烧室和炭化室依次编号，则每个炭化室正下方蓄热室的编号恰好比自身编号大一，如图2.3所示。图2.3还表示了煤气流经焦炉的途径。每两个蓄热室之间夹着一个燃烧室，每两个燃烧室之间夹着一个炭化室。在物理结构上，除了边蓄热室外的其它蓄热室都处于炭化室的正下方。图2.3中箭头代表煤气在焦炉中的流经途径。可以看出煤气从底部蓄热室流入后(如图中6号蓄热室情形)，会进入两侧的燃烧室进行燃烧。燃烧结束后的废气下降进入另一个蓄热室排出，(如图2.3中的7号蓄热室)。由于燃烧室被分割成若干个立火道，当煤气进入燃烧室时总是从单数或者双数立火道上升进行燃烧，燃烧结束后又从双数或单数立火道下降，直到煤气换向后，煤气进入和排出所经历的立火道相互交换。图2.3气体流经途径示意图从以上分析可以发现，当燃烧后的气体进入蓄热室时，其温度正好反映了燃烧室内立火道温度，如果燃烧后的废气温度较高，则蓄热室的温度也较高;如果燃烧后的废气温度降低，则蓄热室的温度也相应降低。在保证两者可以有效对应的前提下，可以选择仅在部分蓄热室的顶部安装专用热电偶，如果这些蓄热室对全炉的蓄热室具有代表性，那么这种间接测量的方案是可以满足要求的，这样就可以再次降低检测成本。之所以选择在蓄热室的顶部，而不是在其它部位是有其原因的。这是由于顶部正好是蓄热室与燃烧室的相接处，该处温度最能体现燃烧室的温度变化。煤气和空气经蓄热室预热后进入燃烧室扩散燃烧，产生的热量经炉墙传给炭化室，煤在炭化室中进行高温干馏，形成焦炭，燃烧产生的废气经蓄热室余热回收后排放，每隔30分钟交换一次煤气与废气的流向。由于换向操作的原因，蓄顶温度存在周期性的波动。用蓄顶温度预测火道温度时，检测的是下降气流的温度。由于每个炭化室、燃烧室、蓄热室的工况复杂，所以选取的检测点要能较好的反应整个炉况，必须根据现场测温工的经验，并结合推焦串序的要求来确定。推焦串序通常表示为m-n，m代表一座焦炉所有炭化室划分的组数(笺号)，也即相邻两次推焦间隔的炉孔数；n代表两趟笺号对应炭化室相隔的数。根据以上定义，焦炉采用5-2串序，推焦顺序如下:1号笺: 1，6，1l，16，21，26，31，36，41，46，51；3号笺: 3，8，13，18，23，28，33，38，43，48，53；5号笺: 5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55；2号笺: 2，7，12，17，22，27，32，37，42，47，52；4号笺: 4，9，14，19，24，29，34，39，44，49，54；目前各种文献中关于如何选取有代表的蓄顶温度的方法主要有一种:即选取除了边火道之外炉况较好的几个连续的蓄顶作为典型蓄顶。但是考虑到连续的几个蓄顶无法反映整个焦炉的炉况，并且推焦时相邻的两个蓄顶温度会同时受到影响，所以确立了以下四个选取典型蓄顶的原则:(1)热电偶尽量不安装在边火道蓄顶，因为边火道的温度一般比较低，与一般的火道温度有较大差异，不能反应当前全炉的生产状况；(2)按照推焦顺序间隔尽量均匀，主要是由于热电偶集中在某个推焦串序，那么这些热电偶相关的炭化室就会连续推焦或者全部处于结焦末期，导致测得的温度全部偏高或者偏低；(3)安装热电偶的蓄顶号尽量不相连，这主要是考虑到推焦时相邻的蓄顶温度会同时受到影响；(4)奇数号蓄顶和偶数号蓄顶的个数基本相同，这主要是与焦炉的测温路线有关。每次测温的路线是:机侧的偶数燃烧室-焦侧的奇数燃烧室-机侧的奇数燃烧室-焦侧的偶数燃烧室，从以上这个路线可以看出，需要奇数号和偶数号蓄顶的个数大致平衡，才能较好的反应立火道温度。但在机焦侧各装6个测温热电偶的情况下，第2条原则不重要，这样选取的六个典型蓄顶的编号为8、14、27、35、47、51，以此温度为基础，建立立火道温度软测量模型预测全炉火道的平均温度。第三章 硬件系统设计3.1 PLC特点介绍及选型3.1.1 PLC特点介绍PLC特点如下：可靠性高、抗干扰性强，这主要是由于它采用了一系列特有的硬件和软件措施；应用灵活，编程方便，PLC的灵活一方面体现在编程的灵活性，因为PLC采用与实际电路非常接近的梯形方式编程，广大电气技术人员非常熟悉，易于掌握，易于推广。令一方面体现在扩展的灵活性，它可以根据应用的规模进行容量、功能和应用范围的扩展，甚至可以通过与集散控制系统或其它上位机的通信来扩展功能，并与外围设备进行数据的交换；易于安装、调试、维修，在安装时，由于PLC的I/O接口已经做好，因此可以直接和外围设备相连，而不再需要专用的接口电路。用户程序可以在实验室进行模拟调试。PLC可以通过各种方式直观地反映控制系统的运行状态；功能完善，适用性强，PLC发展至今，已形成了大、中、小各种规模的系列化产品，可用于各种规模的工业控制场合。PLC除了具有逻辑运算、算术运算、数字转换以及顺序控制功能外，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印及报表生成等功能；体积小，能耗低，PLC内部电路主要采用微电子技术设计，因此具有体积小、质量轻的特点。这些特点使其很容易装入机械结构内部，组成机电一体化设备8。3.1.2 PLC选型西门子S7-300是模块化中小型 PLC 系统，它能满足中等性能要求的应用。模块化，无排风扇结构，易于实现分布，易于用户掌握等特点使得S7-300成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的解决方案。S7-300的应用领域包括：专用机床、纺织机械、包装机械、通用机械工程应用、控制系统、机床、楼宇自动化，电器制造工业及相关产业。多种规格的处理器,系统采用独特的导轨安装；高速的指令处理,可满足快速程序控制要求;浮点数运算,可有效地实现更为复杂的数学运算； CPU内集MPI接口,多种通讯模块能用来连接AS-I接口、PROFIBUS和工业以太网总线系统；具有时间/中断驱动、开环定位和PID等高级控制功能；I/O模块采用连接器方式,维修或更换十分方便；信号或通讯模块不受限制地随意安放；具有满足高速计数、步进电机和伺服定位控制等特殊应用的I/O模块; 当任务规模扩大并且愈加复杂时，可随时使用附加模块对PLC进行扩展。STEP7编程语言具有大量的以STEP5为基础的指令集,使程序的编制简单快捷。西门子S7-300的功能可以完成所有的逻辑控制、数据采集与处理等功能，以及实时监测功能，因此本设计选取西门子公司生产的S7-300系列PLC。西门子S7-300系列PLC，CPU采用315-2DP。根据控制系统需要，电源模块采用IEA03。通信模块采用CP343-1，该模块带有RJ45接口。模拟量输入模块采用9块SM 331 AI8*16Bit（-7KF02-）输入模块共计69点。系统选用8通道通用模拟量输入模块，每块模块能测量8点电压或电流或4点电阻测量;电压等级可以是l5V、士5V、士10V，电流等级可以是420mA，士20mA。模拟量输出模块采用2块SM 332 AO4*16Bit(-5HD01-)输入模块共计7点。模拟量输出模块将从S7-300来的数字信号转换为过程用模拟量信号。系统选用4通道模拟量输出模块，可以是电流或电压输出。电压输出电压等级可以是15 V、士10 V，电流输出电流等级可以是420mA，士20mA。数字量输入模块选用1块直流24伏32点输入模块SM 321 DI32*DC24V（-1BL00-）共计2点。数字量输出模块采用1块直流24伏16点输出模块SM 322 DO16*DC24V/0.5A（-1BL00-）共计2点。数字量输出模块将从过程来的数字信号电平转换成S7-300内部的信号电平。本系统硬件设计时已经考虑了模块点数的冗余。PLC硬件模块型号及数量如表3.1所示：表3.1PLC硬件模块型号及数量名称型号数量（个）备注CPU模块6ES7315-2AG10-0AB01模拟量输入模块6ES7331-7KF02-0AB09模拟量输出模块6ES7332-5HD01-0AB02数字量输入模块6ES7321-1BL00-0AA01数字量输出模块6ES7322-1BL00-0AA01电源模块307-IEA03-0XB01通信模块CP343-16GK7343-1EX10-0XE01带RJ45接口其它3.2 上位机选取 上位机选用西门子公司的PC 840工控机，它是非常牢固耐用的工控机，它采用了当前功能最强大的INTEL CPU。其优越的系统性能、灵活的扩展性及特殊的监控功能使其普遍适用于各种工业场合，特别是那些对功能和操作可靠性有严格要求的场合。它主要用于控制程序的组态和工业流程画面的显示、棒状图、报警显示、历史趋势记录等。监控站可通过基于TCP/PI协议的Ethernet网与标准的计算机网络相连，实现基础控制，过程控制和信息管理的自动化。3.3 热电偶选型热电偶是通过把两根不同的导体或半导体线状材料A和B的一端焊接起来而形成的，A、B就称为热电极(或热电偶丝)。焊接起来的一端置于被测温度t处，称为热电偶的热端(或称测量端、工作端);非焊接端称为冷端(或参考端、自由端)，冷端则置于被测对象之外温度为t0的环境中。如把热电偶的两个冷端也连接起来则形成一个闭合回路，如图3.1所示：图3.1 热电偶回路则当热端温度和冷端温度不相等，即tt0时，回路中有电流流过，这说明在回路中产生了电动势，由于热电偶两个接点处的温度不同而产生的电动势称为热电(动)势，上述现象称为热电效应，或称塞贝克效应。热电偶就是利用热电效应来测量温度的。由热电效应可知，闭合回路中所产生的热电势有两部分组成，即接触电势和温差电势，总电势由（3.1）式给出。实验结果表明，温差电势比接触电势小很多，可以忽略不计，则热电偶的电势可表示为 （3.1）这就是热电偶测温的基本公式。当t0为一定时,为常数。则对确定的热电偶电极，其总电势就只与温度t成单值的函数关系，即 （3.2）由于蓄热室顶部温度在1200左右，热电阻的测温范围不能满足焦炉测温要求，然而热电偶的测温范围可以满足焦炉测温要求，因此采用热电偶对蓄热室顶部温度进行测量。蓄顶温度在铂铑10-铂热电偶（S型）、铂铑30-铂铑6热电偶（B型）和镍铬-镍硅热电偶（K型）的最大测温范围之内。K型热电偶在氧化性或中性介质中长时间地测量900以下的温度，所以K型热电偶不满足蓄顶测温的要求，S型热电偶和B型热电偶都能在氧化性或中性介质中长时间地测量1200的温度，但整个焦炉测温点很多而且温度高达1200，使用的热电偶的寿命很短，考虑到这两种热电偶都为贵金属制成，价格昂贵，因此在满足测温要求的条件下，应该使用价格低廉的热电偶来节约成本。S型热电偶和B型热电偶都能满足测温要求，但S型热电偶较B型热电偶价格低廉，S型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温区宽，使用寿命长等优点。它的物理，化学性能良好，热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气氛中。故本设计使用S型热电偶测量蓄顶温度。3.4 控制器控制器（或称调节器）将来自变送器的测量值与给定值相较后产生的偏差进行比例、积分、微分运算，并输出统一标准信号，去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、流量、液位及其他工艺变量的自动控制。 在焦炉加热控制系统中使用了温度控制器，混煤压控制器，吸力控制器。3.4.1 温度控制器焦炉燃烧过程中温度的变化是一个大惯性、大时滞的慢过程。根据此温度的特点，采用S7-300PLC的步进温度控制器FB 59 TCONT_S。FB 59 TCONT_S模块功能以PID 控制算法为基础，用于控制工艺温度过程，通过设置参数，可以启用或禁止PI 步进控制器的子功能，使控制器和过程相适应。控制块是纯软件控制器，在其中，一个块就包含了控制器的全部功能。FB 59 TCONT_S模块如图3.2所示：图3.2 FB 59 TCONT_S模块3.4.2 混煤压控制器和吸力控制器混合煤气压力控制是压力控制回路的一部分，属于立火道温度控制的内环。其控制目标为控制混合煤气阀门开度，保证混合煤气压力的稳定。混合煤气压力受高炉煤气主管压力影响很大，混合煤气压力控制器采用PI控制规律由PLC编程实现。烟道吸力的控制属于压力控制器的一部分，通过控制分烟道挡板的开度，控制空气的进入量，保证煤气的充分燃烧。烟道吸力受外界影响较小，阀门的特性也比较好，不灵敏区很小，为了保证控制精度，仍然将阀门开度的控制区间设置为10，90。吸力控制器也采用PI控制规律由PLC编程实现。3.5 压力检测仪表、流量计、变送器及执行器3.5.1压力检测仪表压力检测仪表的选用是一项重要的工作，如果选择不当，不仅不能正确、及时地反映被测对象压力的变化，还有可能引起事故。选用时根据生产工艺对压力检测的要求、被检测介质的特性、现场使用的环境等条件本着节约的原则合理地考虑仪表的类型、量程等。弹簧管压力表结构简单，使用方便，价格低廉和测量范围宽，因此使用弹簧管压力表对煤气管道的压力进行检测。分烟道温度特别高，为了克服温度对压阻元件灵敏度的影响，应使用压阻式压力传感器测量分烟道吸力。其优点是:频率响应高,适于动态测量；精度高；无活动部件，可靠性高，能工作于振动、冲击、腐蚀、强干扰等恶劣环境。 3.5.2流量计流量计的选择在本系统显得极为重要，不论是焦炉煤气量还是高炉煤气量的控制都要用到流量计。因此，能否选择出适合气体测量、精度及量程满足控制要求、安装方便的流量计直接影响到控制系统的控制效果。流量测量的方法和仪表的种类繁多，而且分类方法也很多。目前，可供工业用的流量仪表的种类多达60余种。测量流量的仪表如此多的原因就是至今还没有一种仪表可以对任何流体、任何量程、任何流动状态及在任何条件下使用的流量仪表。在这60多种流量仪表中，每种仪表都有它特定的适用性，也都有它的局限性。按测量对象划分就有封闭管道和明渠两大类；按测量目的又可分为总量测量和流量测量，其仪表分别称作总量表和流量计；按测量原理又可分为力学原理、热学原理、声学原理、电学原理、光学原理、原子物理学原理等。目前使用最广泛的流量计为：差压式流量计、容积式流量计、转子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量流量计等。焦炉煤气和高炉煤气具有管径大、流速低、粉尘大、易堵塞等特点，因此采用煤气流量计测量流量。煤气流量计是采用传统的差压式流量计原理，它有耐用、实用性好，使用寿命长等特点，同时测量精度高，稳定性好的优势。适用于各种纯净、赃污及腐蚀性煤气的测量，其典型应用：高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气等煤气介质的测量。3.5.3变送器变送器的作用是将现场的压力、温度信号转化成统一的标准信号（电压15V、电流420mA），作为指示记录仪、控制器或计算机装置的输入信号，以实现对上述变量的显示、记录或自动控制。它是基于负反馈原理工作的，如图3.3所示。图3.3 变送器的构成原理图常用的压力变送器有力平衡式差压变送器、电容式差压变送器和扩散硅式差压变送器等。其中扩散硅式差压变送器是无杠杆变送器，它采用硅杯压阻传感器为敏感元件，具有体积小、重量轻、结构简单和稳定性好等优点，精度也较高。综合以上优点，可采用薄膜式压力变送器，它是基于扩散硅式差压变送器的原理制造的。温度变送器与各种热电偶或热电阻配合使用，将温度信号转换成统一标准信号，作为指示记录仪和控制器的输入信号。温度变送器还可以作为直流毫伏转换器来使用，以将其他能够转换成直流毫伏信号的工艺参数也变成相应的统一标准信号。温度变送器有两线制和四线制之分，各类变送器又有三个品种，即直流毫伏变送器、热电偶温度变送器和热电阻温度变送器。前一种是将输入的直流毫伏信号转换成420mA直流电流和15V直流电压的统一输出信号。后两种则分别与热电偶和热电阻相配合，将温度信号转换成统一输出信号。本控制系统测量温度采用热电偶，因此选择热电偶温度变送器。四线制温度变送器具有如下特点：在热电偶温度变送器中采用了线性化电路，从而使变送器的输出信号和被测信号呈线性关系，便于指示和记录；变送器的输入与输出之间具有隔离变压器，并采取了安全火花防爆措施，故具有良好的抗干扰性能，且能测量来自危险场所的直流毫伏信号或温度信号。故温度变送器采用四线制接法。3.5.4执行器执行器由执行机构和调节机构组成。执行机构是指产生推力或位移的装置，调节机构系指直接改变能量或物料输送量的装置，通常称控制阀（调节阀）。执行器按其使用的能源可分为气动、电动和液动三大类。液动的很少用。由于执行器安装在现场，现场的煤气管道周围空气中的煤气含量较高，若采用电动执行器容易引起爆炸，所以本系统使用气动执行器。气动执行机构接受电/气转换器（或电/气阀门定位器）输出的气压信号，并将其转换成相应的输出力和推杆直线位移，以推动调节机构动作。气动执行机构有薄膜式和活塞式两种。常见的气动执行机构均属薄膜式，它的特点是结构简单、动作可靠、维修方便、价格低廉，但输出行程较小，只能直接带动阀杆。活塞式执行机构的特点是输出推力大，行程长，但价格较高，只用于特殊需要的场合。薄膜式气动执行机构可以满足控制系统的要求，所以本系统采用薄膜式气动执行机构。气动执行机构的作用方式分为气开式和气关式两种。焦炉的炉温不得低于700，因此在压力信号中断时，应保持煤气供应，所以选择气关式执行机构。调节机构又称控制阀（调节阀），它和普通阀门一样，是一个局部阻力可变的节流元件。由于阀芯在阀体内的移动，改变了阀芯与阀座之间的流通面积，即改变了阀的阻力系数，被控介质的流量相应地改变，从而达到控制工艺变量的目的。阀的结构形式很多，