步进式加热炉过程控制实验系统设计与开发

摘要

步进式加热炉是热轧生产过程中一个重要的生产设备，加热炉对板坯的加热质量直接影响到之后各道工序产品的质量。因此，控制好板坯的出炉目标温度是加热炉生产的主要任务。但是加热炉工艺流程复杂，各段炉温存在强耦合，还受负荷、燃料成分的影响，具有时变非线性的特点，而且炉内板坯温度无法直接测量，所以很难采用常规的控制方法实现步进式加热炉的优化运行和节能降耗。众多的研究表明，采用先进的燃烧控制方法是提高加热炉燃烧效率，降低加热炉能耗的主要手段；通过对各段炉温进行优化设定是提高加热炉板坯加热产品质量的主要方式，但是，这些控制方法在真正投入运行之前必须经过调试，如果直接在实际生产过程中调试，肯定会影响生产，造成原料的浪费。本文针对这一问题，建立了步进式加热炉过程控制实验系统，该系统真实地模拟了加热炉的生产过程，为控制方法的验证开发提供了一个完整的平台。 本文建立的步进式加热炉过程控制实验系统是对加热炉生产过程全过程的模拟，这也是本文所建立的加热炉实验系统与传统的加热炉实验系统最大的不同，本文建立的系统更具系统性，对加热炉生产过程模拟更逼真，仿真实验结果更具真实性。具体来说本文的主要工作如下： (1)提出了基于加热炉虚拟对象系统、虚拟执行机构和检测仪表系统、过程监控系统、加热炉炉温优化设定系统的加热炉过程控制实验平台的总体架构。 (2)针对加热炉的燃烧过程，建立了基于机理分析的加热炉炉气温度过程模型，该模型可以定性地描述加热炉炉气温度对象的耦合和非线性的特点；针对加热炉的炉温优化设定系统的开发与测试的需要，建立了钢坯的装入、抽出、移动、待轧的钢坯运动模型以及基于机理的钢坯加热过程模型：借助Matlab和RSView32开发了具有良好交互性的加热炉虚拟对象的软件平台。 (3)为了模拟现场的检测装置和执行机构，建立了热电偶、流量计、压力计等检测装置的模型：建立了阀门等执行机构的模型；开发了基于信号转换板卡的虚拟执行机构和检测装置平台。 (4)设计了串级、单交叉限幅、双交叉限幅燃烧控制器；并在FOXBORO公司的I/A Series DCS系统上开发了加热炉过程监控系统。 (5)在此平台上开展了炉温特性实验、钢坯加热过程特性实验、阀门特性实验、燃烧控制器实验，从而验证了整个实验系统的可靠性和可行性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1流程工业过程控制实验系统的研究意义与发展现状

1.2加热炉建模仿真与控制方法研究现状

1.3本文的主要工作

第二章步进式加热炉生产流程概述

2.1步进式加热炉生产流程介绍

2.2步进式加热炉实验系统实现的目标

2.3本章小结

第三章步进式加热炉过程控制实验系统的设计

3.1实验系统总体架构设计

3.1.1实验系统的总体功能设计

3.1.2实验系统的总体结构

3.1.3加热炉过程控制实验系统硬件平台设计

3.2加热炉虚拟对象系统的设计

3.2.1加热炉虚拟对象系统的功能设计

3.2.2虚拟对象软件平台的设计

3.2.3虚拟对象模型的建立

3.3过程监控系统的设计

3.3.1监控机功能设计

3.3.2监控系统软件平台设计

3.3.3过程控制器设计

3.4虚拟执行机构和检测装置系统的设计

3.4.1虚拟执行机构和检测装置系统的功能设计

3.4.2虚拟执行机构和检测装置的软件平台设计

3.4.3虚拟执行机构和检测装置模型的建立

3.5本章小结

第四章步进式加热炉过程控制实验系统的开发与实验

4.1加热炉过程控制实验系统的开发

4.1.1加热炉虚拟对象系统的开发

4.1.2加热炉虚拟执行机构和检测装置系统的开发

4.1.3加热炉监控系统的开发

4.2加热炉过程控制仿真实验

4.2.1炉温过程动态特性仿真实验

4.2.2钢坯加热过程仿真实验

4.2.3钢坯运动模型仿真实验

4.2.4阀门特性对比仿真实验

4.2.5燃烧控制器对比仿真实验

4.3本章小结

第五章结束语

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的主要工作