双蓄热步进式加热炉仪表控制系统设计及应用研究

论文摘要

加热炉是冶金企业主要的过程设备,其自动控制策略是过程控制领域内的一个重要的研究方向。而双蓄热步进式加热炉是一个非常典型的复杂的工业被控对象,它很显著地具有强耦合、时变、多变量、非线性、纯滞后和大惯性等特性,并且由于炉温分布难以测量,外界扰动因素多,很难对其进行准确建模和控制,因此世界各国从事冶金自动化控制的专家和学者一直在不断努力,期望从理论上和实践上取得加热炉控制技术的突破性进展。本文以承德新新钒钛股份有限公司热轧双蓄热加热炉自动化仪表控制系统为应用研究对象,针对双蓄热加热炉工艺系统需求,深入进行加热过程工艺机理分析,提出了炉温优化策略和炉温智能控制策略并且优化了加热炉汽化冷却控制,很好地解决了具有非线性、强耦合、大滞后、不确定性、高度复杂的加热炉温度控制问题和汽化冷却控制,节约加热炉的能耗、确保燃烧系统的最佳燃烧、延长加热炉设备寿命。在分析和研究前人工作的基础上,进行了控制系统设计、软件编程和现场调试等实践工作,研究成果已投入实际应用。论文分为以下几个部分:首先,介绍了双蓄热步进式加热炉工艺概况和加热炉控制的技术指标需求。针对控制要求,详细阐述了整个加热炉自动化控制系统的结构;其次,简要概述了加热炉仪表检测和控制项目、仪表控制系统和仪表选型原则。设计了加热炉仪表控制系统的硬件配置,以及阐述了控制系统实现的基本功能;针对采用PCS7控制系统,介绍了用于仪表控制的CFC图形组态软件;在此基础上,详细介绍了双蓄热步进式加热炉控制中的燃烧控制系统和汽化冷却控制系统设计。在燃烧控制系统中,设计炉温控制策略采用炉温-煤气/空气流量串级控制和主从控制。蓄热式燃烧控制策略采用温度前馈式的双交叉限幅控制,这种控制策略可以一定的弥补双交叉限幅控制的缺点。对炉压控制设计采用对炉压的自学习控制方案,并且介绍了双蓄热烧嘴换向方式。在加热炉汽化冷却系统中,着重对汽包水位控制进行了研究:介绍了汽包水位的动态特性,分析了对汽包水位常用的三冲量控制,在此基础上设计优化了三冲量控制,最后,论文分析和总结了现场采集数据和现场调试情况,提出了一些不足和今后可以改进的地方。实际的生产应用结果证明,双蓄热步进式加热炉仪表控制系统设计合理,运行稳定可靠,满足了工艺提出的要求。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 双蓄热步进式加热炉简介
• 1.2 加热炉控制研究和蓄热式技术应用现状
• 1.3 课题意义及研究内容
• 1.3.1 课题意义
• 1.3.2 研究内容
• 1.4 本章小结
• 2 承德双蓄热加热炉概况
• 2.1 加热炉工艺概况
• 2.2 加热炉技术指标
• 2.3 加热炉技术特点
• 2.4 系统配置
• 2.5 本章小结
• 3 加热炉仪表控制系统概况
• 3.1 加热炉仪表检测、控制项目
• 3.2 加热炉仪表控制系统简介
• 3.2.1 燃烧系统自动控制
• 3.2.2 汽包水位控制
• 3.3 仪表选型原则
• 3.4 CFC 介绍及系统硬件配置
• 3.4.1 CFC 简介
• 3.4.2 硬件组态
• 3.5 仪表控制系统实现的基本功能
• 3.6 本章小结
• 4 燃烧系统控制设计
• 4.1 炉温控制
• 4.1.1 串级控制简介
• 4.1.2 炉温-煤气/空气流量串级控制
• 4.1.3 主/从控制（Master/Slave）
• 4.1.4 控制结果
• 4.2 蓄热式燃烧控制
• 4.2.1 双交叉限幅控制
• 4.2.2 温度前馈型双交叉限幅控制
• 4.2.3 控制结果
• 4.3 炉压控制
• 4.3.1 自学习简介
• 4.3.2 基于自学习的炉压控制
• 4.3.3 控制结果
• 4.4 加热炉安全连锁
• 4.5 双蓄热式烧嘴换向控制
• 4.6 本章小结
• 5 汽化冷却系统控制设计
• 5.1 承德钢厂汽化冷却系统简介
• 5.2 汽包水位控制
• 5.2.1 三冲量控制系统工作原理及其数学模型
• 5.2.2 对三冲量的优化
• 5.2.3 控制结果
• 5.3 本章小结
• 6 总结和展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 汽化冷却系统检测控制项目
• B. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文
• C. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目