基于數(shù)學(xué)模型的輻射管輥底式熱處理爐在線優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)_圖文

1、 設(shè)備名稱電壓/V電流/A溫度/運(yùn)行狀態(tài)故障信息1#原煤膠帶380025停止無2#手選膠帶380025停止無3#轉(zhuǎn)換膠帶380025停止無4#上倉膠帶380025停止無5#可逆膠帶380025停止無6#裝車膠帶380025停止無7#下倉膠帶380025停止無8#排矸膠帶380025停止無9#排矸膠帶380025停止無10#排矸膠帶38025停止無圖4系統(tǒng)監(jiān)控主畫面3結(jié)語應(yīng)用國產(chǎn)KH P109-K 型煤礦用帶式輸送機(jī)保護(hù)系統(tǒng)對(duì)山西介體倡源煤炭有限責(zé)任公司地面多部膠帶輸送機(jī)、給煤機(jī)等實(shí)現(xiàn)了集中自動(dòng)控制, 提高了生產(chǎn)系統(tǒng)的安全可靠性, 大大降低了員工操作強(qiáng)度, 提升了礦井自動(dòng)化水平。僅在節(jié)約人力方面

2、, 沿線值守人員每天減少14人, 年創(chuàng)效益可達(dá)到50萬元。該系統(tǒng)于2009年6月初投入運(yùn)行, 實(shí)踐證明, 系統(tǒng)圖形界面友好, 操作簡捷, 安全穩(wěn)定, 為礦井原煤生產(chǎn)運(yùn)輸提供了有力保證。參考文獻(xiàn):1黨克, 張衛(wèi)紅, 李桂林. 引風(fēng)機(jī)狀態(tài)維護(hù)的設(shè)計(jì)方法J.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2003(3 .2李艷杰, 于艷秋, 王衛(wèi)紅, 等. S7-200PL C 原理與實(shí)用開發(fā)指南M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.3王萬良, 趙燕偉. 自動(dòng)控制原理M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.第2期2010年2月工礦自動(dòng)化Industry and Mine AutomationNo. 2Feb. 2010文章編號(hào)

3、:1671-251X (2010 02-0128-05基于數(shù)學(xué)模型的輻射管輥底式熱處理爐在線優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)蘇福永1, 溫治1, 程淑明22, 2(1. 北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 北京, 重慶400013摘要:, 全面分析了其傳熱特點(diǎn), 并以輻射管輥底式熱處理爐數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ), 。該輻射管輥底式熱處理爐在線、鋼坯溫度的動(dòng)態(tài)計(jì)算、最佳爐溫的優(yōu)化設(shè)定及在線反饋修正、。通過對(duì)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析表明, 該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定, 計(jì)算精度高, 數(shù)學(xué)模型計(jì)算值與實(shí)際測量值最大相對(duì)誤差在2%以內(nèi), 完全滿足鋼板的熱處理質(zhì)量要求。關(guān)鍵詞:輥底式熱處理爐; 輻射管; 數(shù)學(xué)模型; 計(jì)算機(jī)控制; 優(yōu)化控制中圖分

4、類號(hào):TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B收稿日期:2009-10-17作者簡介:蘇福永(1982- , 男, 天津人, 北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院在讀博士研究生, 主要研究方向?yàn)闊徇^程模型。E 2mail :live_bird 126. comDesign of Control System of On 2line Optimization for Heat Treating Furnace ofRadiant Tube Roller 2heart h Mode Based on Mat hematical ModelSU Fu 2yong 1, WEN Zhi 1, C H EN G Shu 2ming

5、 2, FEN G Xiao 2hong 2, DON G Bin 2(1. College of Mechanical Engineering of U STB. , Beijing 100083, China. 2. CISDI Industrial Furnace Co. , Lt d. , Chongqing 400013, Abstract :The paper too k heat treating f urnace of radiant t of a company as a research o bject , analyzed it s heat 2transfer char

6、acteristics , comp uter optimization cont rol of heat t reating f urnace of radiant t ube h on mat hematics model of t he heat t reating f urnace. The cont rol system of heat treating f urnace of radiant t ube roller 2heart h mode can realize f movement tracking of billet in f urnace , dynamic tempe

7、rat ure and setting of optimum temperat ure and it s on 2line feedback and modification , time modification of billet outp ut from f urnace , network communication between upper and low comp uter , database management during p ractical production and so on. Form t he statistical analysis of practica

8、l running data in p roduction , it can be gotten t hat t he system has stable running performance and high calculation p recision , and t he biggest relative error is lower t han 2%between calculating result s of t he mat hematics model and practical testing result s , which shows t hat t he system

9、can meet quality requirement of heat treating of billet completely.K ey w ords :heatt reating f urnace of roller 2heart h mode , radiant t ube , mat hematical model , comp uter cont rol , optimization co nt rol 0引言熱處理工藝是中厚板生產(chǎn)的最后處理工序, 熱處理爐在這個(gè)過程中扮演著極其重要的角色, 鋼板的加熱質(zhì)量將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。輥底式熱處理爐由于其處理的鋼材質(zhì)量好, 產(chǎn)量高, 易

10、于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化操作而被廣泛應(yīng)用于冶金及機(jī)械行業(yè)生產(chǎn)中1。輥底式熱處理爐按加熱方式可分為明火加熱和輻射管加熱2種爐型。輻射管加熱輥底式熱處理爐由于爐內(nèi)充入氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣, 爐內(nèi)保持無氧化氣氛, 使鋼板不會(huì)被氧化, 大大提高了鋼板的加熱質(zhì)量2。本文針對(duì)某公司已建成的采用輻射管加熱的輥底式熱處理爐的實(shí)際情況進(jìn)行研究, 以所建立的輥底式熱處理爐內(nèi)鋼板加熱過程二維傳熱數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ), 結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況, 對(duì)鋼板加熱過程實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制。1輻射管輥底式熱處理爐簡介本文的研究對(duì)象為輻射管輥底式連續(xù)熱處理爐, 主要執(zhí)行鋼板的正火、高溫回火、中溫回火等熱處理工藝。其爐長為69. 64m , 有效長度為6

11、6m ,寬度為4. 11m , 爐膛內(nèi)寬為3. 5m , 有效布料寬度為3. 2m , 爐膛內(nèi)高度為3. 025m , 爐子沿爐長方向分為10個(gè)控制段、20個(gè)溫度控制區(qū)。圖1為輻射管輥底式熱處理爐示意圖。該熱處理爐采用自身預(yù)熱式單直套管型輻射管, 控制方式為脈沖控制。其燃燒系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下:(1 全爐分為10個(gè)供熱段, 上、下供熱單獨(dú)控制, 共20個(gè)溫度控制區(qū), 分別對(duì)爐溫進(jìn)行自動(dòng)控制, 輻射管分別布置在鋼板的上部和下部。(2 輻射管采用混合煤氣燒嘴, 通過空氣與煤氣的多級(jí)混合實(shí)現(xiàn)分段燃燒, 形成較長的火焰形狀, 從而保證沿輻射管長度方向上的溫度均勻性, 在輻射管的廢氣出口末端

12、裝有翅片對(duì)流型自身空氣預(yù)熱器, 將助燃空氣預(yù)熱至500以上, 節(jié)約燃料消耗。(3 采用循環(huán)脈沖時(shí)序控制模式, 分段控制爐溫, 以適應(yīng)不同熱處理制度的控制要求, 最終滿足多品種所要求的溫度制度調(diào)整的靈活性。(4 采用先進(jìn)、可靠、實(shí)用的儀表和電器控制設(shè)備, 并配備完善的儀表電器自動(dòng)化控制系統(tǒng), 確保溫度控制的精度。9212010年第2期蘇福永等:基于數(shù)學(xué)模型的輻射管輥底式熱處理爐在線優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) (a 輻射管輥底式熱處理爐現(xiàn)場實(shí)物照片(b 輻射管輥底式熱處理爐剖面示意圖(c 輻射管輥底式熱處理爐內(nèi)部渲染圖圖1輻射管輥底式熱處理爐示意圖2輻射管輥底式熱處理爐數(shù)學(xué)模型鋼板加熱過程的計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制

13、以鋼板在爐內(nèi)加熱的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ), 模型中根據(jù)鋼板的具體情況以及現(xiàn)場的條件, 在保證模型準(zhǔn)確性的前提下進(jìn)行簡化, 依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況來提出如下假設(shè)35:(1 爐溫分布不隨時(shí)間變化, 認(rèn)為爐膛內(nèi)輻射管外表面溫度在所分區(qū)段內(nèi)是均勻一致的;(2 鋼板在爐內(nèi)勻速運(yùn)動(dòng), 忽略沿鋼板長度方向(即爐寬方向 的導(dǎo)熱。由于鋼板間隙放置, 因此可將鋼板的內(nèi)部傳熱近似認(rèn)為無限長扁坯上下及兩側(cè)四面受熱的二維不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題, 并認(rèn)為兩側(cè)面的受熱條件是相同的。(3 爐墻內(nèi)表面、爐頂內(nèi)表面、輻射管外表面及鋼板表面黑度視為常數(shù);(4 近似認(rèn)為爐溫比輻射管表面溫度低3050。在以上假設(shè)的基礎(chǔ)上, 鋼板加熱過程所用數(shù)學(xué)模型中爐膛

14、內(nèi)的熱交換引入假想面等效黑度法進(jìn)行計(jì)算。通過該方法, 爐膛內(nèi)復(fù)雜的熱交換便可以看成是由鋼板表面、假想面和爐壁組成的簡單封閉空間內(nèi)的熱交換。忽略爐壁的熱輻射, 則爐膛內(nèi)的熱交換可簡化成鋼板表面和假想面之間的輻射換熱。在鋼板的內(nèi)部導(dǎo)熱中, 認(rèn)為鋼板是沿寬度方向溫度分布對(duì)稱、厚度方向不對(duì)稱的二維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。而對(duì)于爐襯(爐墻和爐頂 , 其傳熱過程按照一維, 首先, 然后采用交散化, 最后由追趕法(TDMA 進(jìn)行數(shù)值求解67。3輻射管輥底式熱處理爐在線優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3. 1系統(tǒng)組成本文所設(shè)計(jì)的在線優(yōu)化控制系統(tǒng)主要由客戶端系統(tǒng)和服務(wù)器系統(tǒng)組成, 如圖2所示。客戶端系統(tǒng)主要用于將服務(wù)器的計(jì)算數(shù)據(jù)顯示在各種

15、人機(jī)控制界面上, 并將人機(jī)控制界面發(fā)出的控制信號(hào)傳回服務(wù)器。服務(wù)器系統(tǒng)主要執(zhí)行鋼板溫度的實(shí)時(shí)計(jì)算以及與其它系統(tǒng)之間的通信和數(shù)據(jù)傳遞, 通過數(shù)據(jù)表共享與L3級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行通信, 以及時(shí)得到生產(chǎn)計(jì)劃安排等; 通過O PC 協(xié)議與儀表PL C 系統(tǒng)和電氣PL C 系統(tǒng)通信, 以獲取熱處理爐的爐溫分布、爐底輥轉(zhuǎn)速及裝出爐信號(hào)等。同時(shí), 服務(wù)器系統(tǒng)還與現(xiàn)場打印機(jī)等設(shè)備連接, 以及時(shí)打印輸出報(bào)表 。圖2在線優(yōu)化控制系統(tǒng)組成圖3. 2爐內(nèi)鋼板位置跟蹤模塊輥底式熱處理爐爐內(nèi)鋼板位置實(shí)時(shí)在線跟蹤模塊是輥底爐優(yōu)化加熱控制的基礎(chǔ)。該模塊根據(jù)輥底式熱處理爐的裝出料信號(hào), 以及上位管理計(jì)算機(jī)下達(dá)(或由操作工人輸入 的裝出料

16、等信息, 在線跟蹤料坯在爐內(nèi)的位置, 從而為溫度跟蹤等模塊提供詳細(xì)的物流信息, 并在操作界面顯示跟蹤結(jié)果。031工礦自動(dòng)化2010年2月用鼠標(biāo)點(diǎn)擊某一塊鋼板, 界面上就會(huì)顯示該塊鋼板的信息情況, 其中包括編號(hào)、長度、寬度、厚度、工藝、目標(biāo)溫度、鋼種、目標(biāo)加熱時(shí)間、已經(jīng)加熱時(shí)間以及鋼板表面的平均溫度等等。爐內(nèi)鋼板位置跟蹤界面如圖3所示 。圖3爐內(nèi)鋼板位置跟蹤界面3. 3爐內(nèi)鋼板溫度跟蹤模塊鋼板溫度跟蹤模塊是優(yōu)化控制的核心, 其主要功能是根據(jù)在線監(jiān)測的各段爐溫、煤氣流量、空氣流量以及爐內(nèi)鋼板位置跟蹤模塊的信息, 由鋼板加熱過程在線控制數(shù)學(xué)模型, 以適當(dāng)?shù)念l率計(jì)算并確定爐內(nèi)每塊鋼板在計(jì)算時(shí)刻的溫度情

17、況, 從而實(shí)現(xiàn)全爐鋼板的溫度在線跟蹤計(jì)算, 估算該塊鋼板出爐時(shí)的溫度情況, 并據(jù)此調(diào)節(jié)爐溫設(shè)定, 為爐溫優(yōu)化設(shè)定提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。650回火時(shí)單塊鋼板爐內(nèi)鋼板溫度實(shí)際跟蹤曲線如圖4所示 。圖4650回火時(shí)單塊鋼板爐內(nèi)鋼板溫度實(shí)時(shí)跟蹤曲線3. 4爐溫設(shè)定及溫度反饋模塊爐溫設(shè)定模塊的主要功能是根據(jù)生產(chǎn)節(jié)奏、爐內(nèi)鋼板的規(guī)格、鋼種等及鋼板的出爐溫度分布、斷面溫差要求等信息動(dòng)態(tài)設(shè)定各個(gè)爐溫控制段的優(yōu)化爐溫設(shè)定值, 從而保證鋼板在爐內(nèi)的升溫速率、保溫時(shí)間以及最終出爐溫度的要求。在實(shí)際設(shè)定中, 鋼板的熱處理質(zhì)量為主要影響因素, 在保證熱處理質(zhì)量的前提下應(yīng)盡量加快生產(chǎn)節(jié)奏。溫度反饋控制模塊的主要功能是將出爐

18、鋼板的, 然后根據(jù)實(shí)際測量, 使。 5所示。圖5爐溫設(shè)定及溫度反饋流程圖3. 5鋼板裝出爐修正模塊在現(xiàn)場生產(chǎn)條件下, 針對(duì)通信故障時(shí)沒有接收到裝出鋼信號(hào)的情況, 控制系統(tǒng)提供了鋼板裝出爐修正模塊。裝爐修正時(shí), 鋼板的信息輸入有2種方式:添加計(jì)劃表中的鋼板和手動(dòng)添加鋼板。選擇添加計(jì)劃表中的鋼板時(shí), 只要選擇下拉菜單中的鋼板編號(hào)即可, 系統(tǒng)將自動(dòng)在L3數(shù)據(jù)庫中查找相應(yīng)的鋼板信息; 當(dāng)L3級(jí)的數(shù)據(jù)庫中沒有計(jì)劃的鋼板信息時(shí)就要手動(dòng)添加鋼板了, 選擇手動(dòng)添加鋼板時(shí), 需要人工輸入鋼板的信息, 其中包括鋼板編號(hào)、熱處理工藝、鋼種、鋼板長度、寬度、厚度、目標(biāo)加熱溫度和鋼板加熱時(shí)間等, 輸入的信息會(huì)隨裝爐信號(hào)

19、自動(dòng)保存到數(shù)據(jù)庫中, 用于后面鋼板溫度場的計(jì)算。出爐修正時(shí), 直接在界面選擇將要出爐的鋼板號(hào)即可實(shí)現(xiàn)鋼板的出爐。鋼板在爐內(nèi)運(yùn)行過程中, 程序計(jì)算的鋼板位置是通過鋼板的初始位置、運(yùn)行速度和時(shí)間來計(jì)算得到的, 而實(shí)際鋼板的位置是通過爐內(nèi)的HMD (高溫金屬檢測器 來識(shí)別的, 因此可能由于時(shí)間延遲而造成鋼板的實(shí)際位置和程序中計(jì)算的鋼板位置不相1312010年第2期蘇福永等:基于數(shù)學(xué)模型的輻射管輥底式熱處理爐在線優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)符, 所以就需要人為地進(jìn)行位置的修正。而在實(shí)際生產(chǎn)過程中, 還可能出現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃發(fā)錯(cuò)的情況, 這時(shí)就需要對(duì)原有計(jì)劃進(jìn)行修改。控制系統(tǒng)針對(duì)以上2種可能的情況也都做了相應(yīng)的修正模塊

20、, 這樣能最大限度地適應(yīng)現(xiàn)場生產(chǎn)的需要, 保證連續(xù)生產(chǎn)。3. 6系統(tǒng)工作流程輻射管輥底式熱處理爐在線優(yōu)化控制系統(tǒng)工作流程如圖6所示 。圖6輻射管輥底式熱處理爐在線優(yōu)化控制系統(tǒng)工作流程圖4系統(tǒng)在線運(yùn)行結(jié)果及分析為了檢驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性與可靠性, 在實(shí)際生產(chǎn)中針對(duì)生產(chǎn)量較大的低合金鋼極和耐磨鋼極對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。2種鋼板的生產(chǎn)參數(shù)如表1所示, (記錄40, 數(shù)學(xué)模型計(jì)算平均溫度為。從表1可看在2%以內(nèi), 完全可以滿足鋼板加熱質(zhì)量的要求。5結(jié)語本文成功地將參考文獻(xiàn)3所開發(fā)的離線數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于某公司輻射管輥底式熱處理爐控制系統(tǒng)中, 實(shí)現(xiàn)了鋼坯爐內(nèi)位置的實(shí)時(shí)跟蹤、鋼坯溫度的動(dòng)態(tài)計(jì)算、最佳爐溫制度的優(yōu)化設(shè)定、鋼坯出爐溫度在線反饋修正、鋼坯裝出爐在線實(shí)時(shí)修正、上下位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信及實(shí)際生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等功能。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際生