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2014年10月15日
安徽工业大学硕士学位论文
Theresearchandapplicationofinjection
quantity
controlbasedonfuzzycontroltechnology
作者：
学院：
指导教师：
单位：
协助指导教师：
单位：
单位:
论文提交日期：
2014年10月15日
学位授予单位：
安徽工业大学
安徽马鞍山243002
独 创 性 说 明
本人郑重声明：
所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得安徽工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
签名日期：
____________
关于论文使用授权的说明
本人完全了解安徽工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：
学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；
学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文,保密的论文在解密后应遵循此规定。
签名导师签名日期：
摘要
喷煤技术是一项通过高炉风口向炉内直接喷吹磨细的无烟煤粉或烟煤粉或混合煤粉的一项高炉冶炼技术，主要目的是替代焦炭在冶炼过程中起到的加热和还原作用，从而减少炼铁过程中的焦铁比，降低冶炼成本。
喷煤技术兴起于19世纪的法国，但此后喷煤技术一直发展缓慢，直到上世纪70年代石油危机的出现，世界各国才加快了喷煤技术的研究和发展。
由于喷煤技术对高炉炼铁具有重大的经济意义，对喷煤技术的研究成为炼铁工艺中一个十分重要的环节，目前常用的喷煤工艺有并列式喷吹和串联式喷吹，通过罐的顺序倒换或交叉倒换来保证高炉不间断喷煤。
山钢新疆公司目前有1350m³
高炉一座，由于公司不产焦炭，所需冶炼焦均要从外地运输，成本很高，同时当地煤炭质量高且价格便宜，焦炭的低质高价与煤炭的高质低价形成了公司对提高喷煤率的迫切需求，本文在系统研究及分析新疆公司喷煤技术发展和存在的问题基础上，对高炉喷吹的自动控制程序进行了优化，提出了基于最优参数的模糊控制思想，建立了喷吹量控制模型，实现了针对不同炉况下的喷吹量的精确控制，从而达到了提高喷煤率，降低生铁成本的目的。
本文主要研究工作如下：
1、开篇介绍了新疆公司喷煤系统的工艺原理、生产现状及PLC控制系统的硬件配置情况，针对目前采用的并罐喷吹和倒罐生产方式，详细分析了其工作原理，提出并设计了基于最优参数的模糊控制模型，同时介绍了该模型的控制优点，采用计算机软件和数学工具进行了建模。
2、阐述了基于最优参数模糊控制技术的控制策略，并且在Matlab/Simulink仿真平台下建立了基于最优参数的仿真模型，并进行了相应仿真实验。
对不同仿真实验数据进行了分析对比。
3、最终确立了数学模型的实现，基于该模型，进行了硬、软件的设计。
硬件主要包括PLC模板、信号隔离配电器，现场仪表及执行器。
软件方面主要基于西门子S7软件对程序进行了模块化设计，画出了系统各步骤的程序设计流程图，并完成了对程序的编制。
4、利用搭建好的硬、软件进行现场实验，完成了对装料、充压、倒罐等步骤的控制功能，尤其是在给煤量给定控制和喷吹量自动计算控制方面，该模型发挥了关键作用，对实验中出现的一些问题提出了解决方案，提高了喷吹系统运行的稳定性。
关键词：
模糊控制；
自动喷吹；
PID；
喷吹量计算
Abstract
Coalinjectionisatechnologyofthroughingtheblastfurnacetuyeretoblowpulverizedcoalincludeanthraciteorsoftcoalormixedcoalintotheblastfurnaceforsmelting.Themainpurposeofcoalinjectionistoreplacecoke’sheatingandreductioneffectduringtheprocessofsmelting,thusreducingtheratioofcokeandironintheprocessofironmaking,reducethecostofsmelting.CoalinjectiontechnologycomeofFranceinthe19thcentury,pulverizedcoalinjectiontechnologydevelopedslowly,untiltheoilcrisisin1970’s,countriesallovertheworldspeeduptheresearchanddevelopmentofcoalinjectiontechnology.Becauseofcoalinjectiontechnologyforblastfurnaceironmakinghavegreateconomicbenefits,theresearchofcoalinjectiontechnologybecomeaveryimportantpartoftheironmaking,atpresent,thetechnologyofpulverizedcoalinjectioncommonlyusedareparatactictypeinjection,injectionandtandemcrossthroughtherearrangementoftankorderorrearrangementoftoensureuninterruptedblastfurnacecoalinjection。
Shandongsteelxinjiangcompanyhasablastfurnaceof1350m3,becausethecompanydoesnotproducecoke,metallurgicalcokeareneededtotransportfromtheothercities,soit’sveryexpensive,localcoalofgoodqualityandcheappriceatthesametime,thecokeofhighqualitylowpriceformationofinferiorqualityandhighpricewithcoaltheurgentneedofacompanytoimprovecoalinjectionrate,basedonthesystematicstudyandanalysisofxinjiangcoalinjectiontechnologydevelopmentandtheexistingproblems,onthebasisoftheautomaticcontroloftheinjectionintheblastfurnaceprocessisoptimized,wasproposedbasedontheoptimalparametersofthefuzzycontrolthought,establishedacontrolmodel,theinjectionquantityachievedfordifferentfurnaceconditionundertheprecisecontrolofinjectionquantity,soastoachievetheraisecoalinjectionrate,reducethecostofiron.
Themainresearchcontentsofthiepaperareasfollows:
1,First,thispaperintroducestheprocessprincipleofpulverizedcoalinjectionsystemofthecompanyinxinjiang,theproductionstatusandhardwareconfigurationofPLCcontrolsystem,basedonthecurrentuseofinjectionandtheside-by-sideproductionmode,itsworkingprinciplehasbeenanalyzedindetail.Thenwedesigned
thefuzzycontrolmodelbasedontheoptimalparameters,andintroducedtheadvantagesofthecontrolmodel,withtheuseofcomputersoftwareandmathematicaltoolsweestablishedthemodel.
2,Expoundsthecontrolstrategybasedonoptimalparametersofcontrolmodel,andestablishedthesimulationmodelintheMatlab/Simulinksimulationplatform,andthecorrespondingsimulationexperimentwascarriedout,thedataofdifferentsimulationexperimentisanalyzedandcompared.
3,Finallyweestablishedthemathematicalmodel.Basedonthemodel,thispapergivesthedesignofthehardwareandsoftware.ThehardwaremainlyincludesthePLCtemplate,signalisolationdistributor,fieldinstrumentsandactuators.ThesoftwareincludesthemodulardesignbasedonSiemensS7softwareprogram.Thenwedrawthevariousstepsofthesystemflowchartofprogramdesign,andcompletedthecontrolprogram.
4,Theexperimentsaftertheconstrationofhardwareandsoftwareareperformed,andthenwefinishedthecontrolfunctionofloading,inflation,circulation,especiallyintheautomaticcontrolofcoalconveyingandcoalinjectionquantity,themodelhasplayedakeyroleinthesystem.Thenweputforwardthesolutionsforsomeproblemswhichappearedintheexperimentandimprovedthestabilityoftheinjectionsystem.
Keywords:
Fuzzycontrol；
Automaticinjection；
PID;
Thecalculationofinjectionquantity
第一章绪论
1.1喷煤技术国内外的发展现状
随着工业的进步，在当今的高炉冶炼工艺中，喷煤技术应用的十分广泛。
所谓高炉喷煤技术就是在高炉冶炼过程中，通过高炉风口向炉内直接喷吹磨细的无烟煤粉、烟煤粉或这两者的混合煤粉。
由于在冶炼过程中所喷吹的煤粉能够起到燃烧供热和充当还原剂的作用，所以可以替代部分冶炼焦炭，而冶炼焦炭成本远高于煤炭，因此喷煤技术对于高炉冶炼来说具有重大的经济意义和改善工艺指标的意义。
上世纪70年代爆发的两次石油危机造成了世界性的能源紧张，也促使各工业国加快了对高炉喷煤技术的研究，尤其是欧洲国家和日本在这方面发展非常迅速，在实际应用上也取得了很大成绩，到上世纪90年代初欧洲和日本已有部分高炉月均喷煤比超过了200Kg/tFe，取得了重大的经济效益。
我国是世界上在高炉采用喷煤技术比较早的国家，我国的工业性喷煤开始于上世纪60年代的首钢炼铁厂。
随着喷煤技术在国内的不断普及，现阶段全国各大型企业的高炉基本都配备了煤粉喷吹装置，喷煤总量也在连年攀升。
当前我国大多数钢铁企业的高炉都已经实现了自动化控制，但由于我国在计算机领域和工业控制领域起步较晚，其发展水平还无法和发达国家相比，所以在煤粉喷吹系统的自动化控制水平上，我们仍然与欧洲、日本等发达国家存在不小的差距，在喷吹工艺和喷吹设备方面也相对落后。
1.2课题研究背景
受到冶金系统推广的高炉喷煤工艺可以促进节能降耗,由于明显降低了高炉焦炭的影响,可以降低冶炼成本,提高经济效益,而且可以降低冶炼污染,改善炉内条件,从而得到了普及。
但是自动检测和控制的水平将直接影响喷煤自动控制系统的效率。
在过去的一些高炉喷煤的发展过程中自动控制系统的设计,很多系统没有使用好的软件开发模型,没有有效利用数学原理、管理的原则来构建模型和算法,导致控制软件系统的发展并不理想,不容易理解和维护,所以我们应该合理的利用数学和管理、发展的原则构建合适的模型和算法,使得系统控制功能实现稳定、可靠,有能力进行自适应模糊控制,满足工艺过程需求,获得最佳的控制效果。
模糊控制作为一种先进的控制思想,在最近20年内在自动控制领域中发展成一个非常活跃和富有成果的分支。
模糊控制理论是控制思想发展历史上最深刻的一次变化。
与经典控制理论比较、模糊控制本质上是一种非线性控制,属于智能控制的范围,这是基于模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的计算机数控技术。
模糊控制的基本思想是利用计算机来实现控制的经验,而经验是来自人自身语言当中的模糊规则和模糊判断。
近年来,行业人员通过把模糊集理论应用于自动控制并发展成了模糊控制理论,并使其得到了快速发展。
对于时变和非线性复杂系统,我们通常无法获得其精确的数学模型,这时可以利用具有智能控制方式的模糊控制理论,模糊控制具有有效的控制能力,可以达到良好的控制效果,最好结果就是形成了基于模糊集理论的模糊控制器。
在喷煤系统中,喷吹量的控制是非线性、时变的，具有强耦合和较大纯滞后的特点。
对这类型的系统，期望对其建立一个清晰的数学模型是比较困难的,所以基于模糊控制理论建立数学模型成为工作重点和难点。
基于模糊控制理论,我们可以通过合理的喷吹量模糊控制,最终可以实现优秀的控制效果，而经典控制理论难以达到这一点。
1.3本文研究的目的及意义
随着高炉冶炼技术的发展和控制炼铁成本的需要，高炉对喷煤量的要求越来越大，对喷煤控制系统的要求也越来越高，尤其对喷吹效率和喷吹稳定性提出了更高的要求。
而旧有的控制系统不能很好的实现这种要求，因此需要我们对喷煤控制系统进行合理设计，优化控制方案。
本文致力于设计一种基于模糊控制模型、且满足当前工艺类型下的喷吹量精确控制方案，同时对喷吹系统进行合理优化，使之达到工艺上对喷吹效率和稳定性的新要求。
这一研究课题对于目前国内高炉使用的同类型喷吹系统来说具有很高的推广价值和经济意义。
目前市场上炼焦煤的价格在不断上涨，焦炭的价格也水涨船高，持续加强喷煤技术的研究和应用，不仅可以降低生铁成本，而且能间接减少炼焦行业对环境的污染，为节能减排做出贡献。
同时，该技术在降低焦比、改善炉况方面，也具有重要的意义。
1.4本文研究的主要内容
本课题主要研究了并罐及顺序倒罐工艺类型下的喷煤控制系统，并对模糊控制系统进行了分析，针对当前系统，利用模糊控制技术、PLC技术、通信技术及自动控制技术的基本原理，设计和实现了基于模糊控制模型的喷吹量控制方案。
在本课题中本人主要承担了系统的建模和程序编写工作，以及对控制系统的调试工作。
主要包括喷吹量的自动控制，对自动喷吹、自动充压、自动倒罐、给煤量的稳定控制等相关环节的程序编写和调试。
同时还对整个系统的控制规律进行认真分析，合理优化了模糊控制参数和PID控制参数，提高了制粉系统和喷吹系统的稳定性及其控制精度，达到了比较理想的控制效果。
第2章新疆公司喷煤系统工艺结构
2.1高炉喷煤技术简介
高炉喷煤技术作为重要的现代高炉冶炼工艺上和技术上的革命,在钢铁冶炼占有越来越重要的作用。
我们知道,高炉喷煤技术是通过高炉风口直接向高炉内部喷吹煤粉,在冶炼过程中起到提供热量和发挥还原剂的作用。
喷煤的煤粉通常为烟煤粉、无烟煤粉或二者混合煤粉。
喷煤可以取代冶金焦的一部分,它可以降低焦比,降低生产成本，减少对炼焦行业的投资,并且间接减少炼焦造成的环境污染。
经过近年来的研究和实践,高炉喷煤技术在以下方面已经取得了重大进展:
（1）混合喷吹技术
混合喷吹意味着喷吹时不使用单一品种的煤炭磨制的煤粉，而是混合使用不同品种煤炭磨制的煤粉。
由于煤炭种类多种多样，而且各品种煤炭之间性能差异很大，所以可以利用它们成分上的互补性。
将多种煤粉按照一定的配比喷入高炉，可以提高煤粉的可燃性，降低其易爆性，从而可以达到提高喷煤效率的效果。
（2）粒煤喷吹技术
粒径在0.2~2毫米之间的煤颗粒一般被称为粒煤，与粉煤相比，粒煤粒径较大，但由于粒煤的磨制成本比粉煤低廉的多，所以就可以节省对磨煤系统的投资。
采用粒煤喷吹不仅降低了设备耗电量、也能提高磨制过程的安全性,从而提高了高炉喷煤的经济效益。
目前国内只有少部分高炉采用了这一技术。
（3）新型技术的发展
由于喷煤技术的迅速发展,自动控制技术、计算机技术在高炉喷煤方面得到了越来越广泛的应用。
受到喷煤技术的发展影响，许多与之相关联的技术也在快速发展。
现在新发展出来的传感器能够实时监测高炉炉况参数如温度、压力、一氧化碳利用率等，自动控制系统采用这些新型技术后可以提高喷吹煤量计算时的准确性和可靠性。
在喷煤工艺优化，控制软件设计以及数学模型研究方面，新技术也发挥了巨大作用。
2.2新疆公司喷煤工艺简介
新疆公司1350m3高炉喷煤系统的流程如图2.1所示,主要包括原煤储运系统,烟气炉系统、制粉系统和喷吹系统四个部分。
原煤储运系统,制粉,烟气炉、喷吹公共一套控制系统;
中速磨机、给煤机、布袋收尘器是单独的控制系统,系统之间通过网线连接,通过工业交换机与喷煤主控系统进行数据交换。
此外,喷煤系统还要访问厂级控制网络,因此需要连接到高炉本体网络系统,来实现厂级控制自动化和管理自动化,通过对最重要的工艺参数的通讯来实现不同系统之间的数据共享。
烟气炉
主引风机
煤场
原煤仓
煤粉仓
中速磨
布袋收粉
氮气包
喷吹罐
高炉
气动阀
分配器
图2.1新疆公司喷煤工艺流程
2.2.1原煤运输系统
货运车辆把外购原煤运至煤场存放后，首先需要把煤场存放的原煤输送进位于磨机顶部的原煤仓，原煤运输系统的主要作用是先用三条皮带秤进行不同煤种的配比，再将原煤经一号胶带机和二号胶带机输送至原煤仓，并根据原煤仓剩余煤量的多少进行补充。
其工艺控制流程图如下：
1#皮带秤
2#皮带秤
原煤场
行车
2#皮带
1#皮带
3#皮带秤
原煤仓
图2.2原煤运输系统流程
2.2.2烟气炉系统
由于在制粉时需要对待磨的原煤和磨制好的煤粉进行干燥，所以需要用烟气炉产生烟气，用烟气作为干燥气体。
干燥气将原煤烘干后，可以保证煤粉在高炉内能够充分燃烧。
一般情况下干燥气还要用到高炉热风炉废气，由于高炉热风炉在燃烧后会产生大量废气，含有大量余热，利用该废气作为干燥气也能起到较好的效果，但热风炉废气并不够磨机使用，所以干燥气通常是两者的混合气体。
生产过程中需要对干燥气的温度进行控制，保证其稳定在300℃～350℃左右，否则易引发安全事故。
在开始磨煤时首先引入热风炉废气进行预热，短时间后再用烟气炉烟气补充其热量。
工艺流程为：
高温风机作为一台引风机，把热风炉废气抽入烟气炉内,烟气炉一直处于燃烧状态，炉内温度可进行调节，在烟气炉内气体温度被加热到300℃～350℃，然后在主抽风机的作用下，烟气炉烟气进入磨煤机中用来对煤粉进行烘干。
为了保证干燥气温度和流量的符合工艺要求，对干燥气流量和温度的动态调节非常重要，同时由于磨机出口温度变化的情况也能反应烟气炉温度的控制情况，故根据该温度的变化情况也可对烟气炉进行控制。
2.2.3喷吹系统
磨机把煤粉研磨好后，经收粉装置收入煤粉仓，而后煤粉仓内煤粉在流化作用下进入喷吹系统，喷吹系统包括两个喷吹罐，每个罐约能存放煤粉15吨左右。
喷吹系统的作用是使用压缩空气把喷吹罐内的煤粉送入高炉，由于高炉内有一定的正压，故喷吹气体的压力需要大于炉内压力。
煤粉仓、喷吹罐、控制系统、分配器、喷枪及喷吹管路是喷吹系统的主要组成部分。
两个喷吹罐交替对高炉进行喷吹。
在系统开始喷吹后，需要分别用到低压氮气和压缩空气。
低压氮气的作用是对喷吹罐进行补压和流化，压缩空气的作用是将罐内煤粉输送到高炉。
由于压缩空气内含有氧气，所以煤粉在其作用下进入炉内燃烧更加充分。
在喷吹时煤流的流动速度为3m/s左右,速度较低，因此对整个喷吹管路及沿路阀门不易造成磨损，设备寿命不易受影响，同时维修工作量也较小。
两喷吹罐的煤粉从罐内喷出后，汇合为一条喷吹主管道，主管道一直延伸到高炉平台，此处安装有煤粉分配器，煤粉经过分配器分配到各个高炉风口。
（1）煤粉仓
煤粉仓主要作用是存放研磨好的煤粉，平时处于密封状态，在阀门打开后可与大气相通，煤粉仓总存储量约为180T，在正常生产时约使其存储量保持在60%。
煤粉仓底部装有流化阀，在向喷吹罐装料时打开此
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