高炉热风炉自动控制系统Word文档下载推荐.docx
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V-NET
网连接，上位机间通过以太网连接，V-NET
网和以太网间通过
ACG（通信接口）连接。
这类热风炉存在的问题主要有两方面：
（1）基础自动化控制系统设计不合理
大都采取用可编程序控制器和过程控制器（或集散系统）分别完成的方法进行控制。
这种
方法的缺点是为了将各部分连接成一个统一的系统，必须投入相当大的工程费用、时间和
专门知识将不同类型的软件和用户接口予以配置、编程、调试和测试。
这使得整个控制系
统变得复杂、维护困难。
（2）热风炉燃烧控制问题
传统的高炉热风炉燃烧自动化系统采用数学模型计算所需的加热煤气流量和助燃空气流量,
并计算出空燃比。
热风炉流量设定数学模型的基本原理是使燃烧时热风炉格子砖的蓄热量
能够满足热风温度和流量的要求,以获得最佳经济效益。
由于热风炉的燃烧过程是一个连续
的动态变化过程，控制的主要困难是不能及时得到控制作用的反馈信息，等到控制效果能
通过输出测量体现时，此时的控制作用强度往往已过头了。
因此，欲实现燃烧过程的实时
控制，所需的数学模型相当复杂。
此外，对于燃烧高炉煤气和焦炉煤气的具有三眼燃烧器
的热风炉来说,由于高炉煤气和焦炉煤气分别送入,因此需分别进行高炉煤气和焦炉煤气流
量控制,且需进行高炉煤气和焦炉煤气流量比例控制,这使得系统回路更多、更复杂，同时
还需设置煤气成分分析仪,这种仪器不仅昂贵,而且还需要良好的维护。
一座高炉通常都带
有
个（或
个）热风炉，如果每座热风炉都建立数学模型、设置煤气成分分析仪，不仅所
设的仪表和控制回路较多,而且投资也相当大，因此国内很少有工厂采用。
许多工厂,包括广钢
3#号热风炉大都使用较简单的控制系统,即只有煤气总管压力控制
和煤气及空气调节阀位自动控制,而阀位的设定值或开度由人工控制。
由于人工控制难以在
预热煤气和空气温度、高炉所需鼓风温度和流量、助燃空气压力等变化时以及热风炉蓄热
量尚有富裕时及时修正热风炉加热的煤气和空气量,因而达不到节能和优化热风炉操作的目
的。
如何有效的控制热风炉燃烧，使热风炉既能充分蓄热，达到最佳燃烧效率，以确保向高炉
送风的温度和时间，又能最大限度的减少能源消耗，防止热风炉拱顶过烧，以延长热风炉
寿命是各大钢厂亟待解决的问题之一。
1.1.3
热风炉智能控制系统研究的意义
为了节能、降耗、改善环境，目前许多钢厂正积极进行技术改造。
本智能控制系统成
功运用在广钢球式热风炉上，为解决热风炉控制问题提供了一种新的思路。
在工业生产中，传统的
DCS
系统已经不能满足
90
年代自动化过程控制系统的设计标准和要
求，本智能控制系统中的硬件设计采用西门子公司的
SIMATIC
PCS7
控制系统，它为我们提
供了一个统一的、开放的技术平台，省却了以往为将各系统连接在一起而必须花费大量的
人力、时间进行接口编程、调试的麻烦。
在此基础上，根据热风炉控制系统的工艺要求，
本智能控制系统利用西门子公司提供的编程软件进行了程序设计。
实践证明，这种方法大
大提高了热风炉控制系统的可靠性，降低了系统维护的费用。
在高炉系统的生产工艺中,热风炉的燃烧控制是一个相当重要的部分,由于热风炉燃烧
控制系统的复杂性和多样性,采用常规的系统建模、分析和控制的方法难以对它进行综合控
制。
人们尝试采用更先进的控制方法解决热风炉燃烧控制问题。
智能控制是近年发展起来
的一类控制方法，它的最大特点在于不需要对象精确的、定量的数学模型。
智能控制的核
心是控制决策，它采用灵活机动的决策方式迫使控制朝着期望的目标逼近。
因此智能控制
现已成为解决热风炉燃烧问题的主要手段。
智能控制系统的类型有很多，各种类型可以相
互结合，形成新的控制方式。
本论文采用模糊控制与神经网络相结合的方式实现热风炉燃
烧控制，它将智能控制的研究成果应用于热风炉工业过程的控制中，丰富和发展了智能控
制的内容，为解决复杂工业过程控制问题提供了一种新的途径。
1.2
高炉热风炉工艺流程及控制要求
本节介绍了某钢铁集团公司
3#高炉热风炉需控制的设备情况、工艺流程以及工艺控制要求。
1.2.1
高炉热风炉系统概况
高炉热风炉共设置四座球式热风炉，每座热风炉由燃烧室、蓄热室、混风室以及各种
阀门和相应的管道构成。
四座热风炉共用二台助燃风机，二台助燃风机一台工作一台备用。
热风炉设置烟气余热回收装置。
高炉煤气
切断阀
1
M
助燃空气
燃烧阀
1
烟道阀
废气阀
煤气管
废气管
助燃空气管
调节阀
冷风调节阀
冷风充压阀
冷风阀
冷风总
管
高炉煤气燃
烧阀
热风
炉
2
热风阀
热风管
图
1.1
热风炉系统结构图
⏹单座热风炉阀门
每座热风炉阀门分为送风系统阀门以及燃烧系统阀门。
送风系统阀门有：
冷风阀（LFF）、
热风阀（RFF）、冷风充压阀（LCF）、冷风调节阀（LTF）等。
燃烧系统阀门有：
废气阀（FQF）、
烟道阀（YDF）、助燃空气燃烧阀（ZQF）、助燃空气调节阀（ZTF）、高炉煤气燃烧阀（RSF）、高
炉煤气切断阀（MQF）、高炉煤气调节阀（MTF）等。
每座热风炉需要开关到位控制的阀门共
11
个。
⏹热风炉公用系统阀门
热风炉公用系统阀门有：
热风炉倒流休风放散阀、混风切断阀、混风调节阀。
热风炉
公用系统需要控制的阀门共有
热风炉系统图如图
所示。
1.2.2
热风炉工艺流程及工艺控制要求
⏹热风炉工艺流程
热风炉主要任务，是将由冷风总管送来的冷风经热风炉送风系统阀门送至热风炉加热
后，再送到高炉。
⏹热风炉的工作状态
热风炉主要有三种工作状态：
即燃烧状态、送风状态和闷炉工作状态。
（1）
热风炉燃烧状态
热风炉处于燃烧状态时，通过热风炉煤气管道和助燃空气管道向热风炉送入高炉煤气
和助燃空气，高炉煤气和助燃空气燃烧产生热烟气使热风炉蓄热；
热风炉处于燃烧状态时，
其废气阀、烟道阀、助燃空气燃烧阀、高炉煤气燃烧阀、高炉煤气切断阀等阀均处于开启
状态，其它各阀（切断阀）均处于关闭状态。
（2）
热风炉送风状态
热风炉处于送风状态时，向燃烧结束蓄有一定热量的热风炉送入冷风，冷风经热风炉
加热后再送入高炉。
热风炉处于送风状态时，其冷风阀、热风阀、冷风充压阀等处于开启
（3）
热风炉闷炉状态
热风炉处于闷炉状态时，为保持温度，热风炉所有的阀门均处于关闭状态。
⏹热风炉工作状态的转换
热风炉处于上述三种状态之间的转换过程定义为换炉过程。
在热风炉的操作过程中最
基本的工作过程是换炉。
换炉时，应保证整个热风炉系统不间断的向高炉送风，并应尽量
使进入高炉的风量、风压波动很小，还要注意煤气安全。
热风炉工作状态改变周期顺序如下：
燃烧休止送风休止
1.2.3
高炉热风炉仪表控制要求
⏹高炉热风炉仪表控制的主要功能
助燃空气总管压力检测和控制
本控制系统为单参数反馈控制,由空气总管压力与设定值进行比较来控制风机前的吸
风管上的百叶窗式调节阀的开度,从而确保了助燃空气压力的稳定。
净煤气总管温度检测、压力检测和控制
热风炉燃烧控制
高炉热风炉燃烧采用高炉煤气,煤气热值经常波动。
燃烧控制得好坏将直接影响热风炉
的拱顶温度及燃烧的热效率,因此燃烧控制是热风炉最难、最关键的控制环节之一。
（4）
热风炉混风温度控制
热风温度控制根据工艺,采用的工作制不同,风温控制的方法也不同。
在基本工作制时,
靠混风阀混冷风来调节热风总管风温,当使用辅助工作制时,由于此时为两烧两送,故风温控
制依靠先行炉送风与后行炉送风量的大小来进行控制以达到稳定风温的目的。
⏹高炉热风炉仪表控制的主要参数
高炉热风炉控制系统主要参数有：
拱顶温度、废气温度、废气含氧量、高炉煤气支管
流量、高炉煤气支管压力、助燃空气总管温度、助燃空气总管压力、净煤气总管温度、净
煤气总管压力和净煤气总管流量。
1.3
热风炉燃烧过程智能控制
1.3.1
热风炉的燃烧过程
热风炉燃烧所用的燃料为焦炉煤气（ＣＯＧ）和高炉煤气（ＢＦＧ）,两种燃料进入热风炉
燃烧室后,在燃烧混合器内进行混合,再与助燃空气一起通过陶瓷烧嘴进行燃烧。
热风炉的
燃烧时间约为
110min
左右。
燃烧时，炉体温度达
1050
度左右，拱顶温度最高不得超过
1350
度。
热风炉燃烧控制通过调节煤气和助燃空气流量以及两者之间的比值（空燃比）来
实现。
完善的基础自动化对于燃烧混合煤气或燃烧预热的高炉煤气和预热空气的热风炉来
说,包括煤气流量控制、空气流量控制、空燃比控制、拱顶温度控制和废气温度控制。
热风炉的燃烧过程如图
4.1
所示，它分为加热期和蓄热期。
在加热期内，在限定燃烧
时间和热风炉拱顶温度后,应尽量缩短达到规定拱顶温度的时间,即缩短加热期,这样可以使
蓄热期延长,使热风炉内存储较多的热量,降低送风时风温的波动。
在蓄热期内，除了保证
拱顶温度不变外,还需要考虑废气的温度。
热风炉废气温度不能超过规定的界限（图
中
350℃）,否则炉篦子支柱将被损坏,使炉体寿命降低,而且使热损失增加。
欲使废气温度降低，
目前主要采用减少煤气量的方法来解决这个问题，而煤气量的减少会导致拱顶温度下降、
热风炉蓄热量降低。
如何获得更多的蓄热量，同时保持废气温度在规定界限内是热风炉控
制急需解决的问题。
拱顶温度
助燃空气量
煤气流量
350℃
280℃
烟气温度
燃烧期蓄热期t
热风炉燃烧过程原理图
1.3.2
热风炉燃烧控制系统方框图
根据图
热风炉燃烧控制系统方框图所示，在燃烧初期，为了保证空气先行而不
冒黑烟，需给空气流量调节阀一个初期开度以防止煤气先行而冒黑烟。
同时为避免燃烧一
开始，就有大量的煤气流量产生，所以需给煤气流量调节阀一个初期开度即煤气流量模糊
调节单元、空气流量模糊调节单元均选择右边煤气初期开度设定单元及空气初期开度设定
单元，同时将废气温度模糊调节单元、空燃比模糊设定单元设为手动。
拱顶温度开始迅速
上升，当检测拱顶温度上升到接近要求温度时，将空燃比模糊设定单元置成自动，检测到
的煤气流量经煤气流量模糊调节单元输出后乘以空燃比模糊设定单元输出的空燃比，从而
获得空气流量设定值。
在空气流量模糊调节单元内，空气流量设定值与检测到的空气流量
实际值进行比较，从而决定空气流量调节阀的大小。
当进入蓄热期后，将废气温度模糊调
节单元置为自动，通过低选单元获得煤气流量给定值，与检测到的煤气流量进行比较，从
而决定煤气流量调节阀的大小。
设置低选单元的目的是为了安全起见，保证通过废气温度
模糊调节单元产生的煤气流量设定值低于最大煤气流量设定值。
在燃烧期内，控制的主要
目标是维持拱顶温度在设定范围内，在蓄热期内，控制的主要目标变为废气温度，通过调
节煤气流量的大小使废气温度控制在
350℃内，当废气温度达到
350℃时，发出燃烧完闷炉
信号，热风炉转闷炉状态。
废气温度调
节单元
设定单元
空燃比
低选单元运算单元
煤气流量调节
单元
空气流量调节
废气温度
检测
煤气初期开度
空气初期开
度设定单
元
煤气流量
检测调节阀
空气流量
调节阀
7.3
热风炉燃烧控制系统框图
1.3.3
燃烧控制器设计
根据热风炉在加热期控制的主要目标是拱顶温度以及在蓄热期控制的主要目标是废气
温度,本论文设计的控制器包括两个部分:
根据拱顶温度调节的最佳空燃比控制器和根据废
气温度调节的废气温度控制器。
在加热期使用拱顶温度控制器，当烟道废气温度达到
280℃时，废气温度控制器投入自动。
⏹最佳空燃比控制器
最佳空燃比控制器为
PID
控制器，输入量为拱顶温度，输出量为最佳空燃比。
⏹废气温度控制器
废气温度控制器为
控制器，输入量为废气温度，输出量为煤气流量。
1.4
混风温度控制方案
1.4.1
混风温度控制要求
⏹混风温度控制的目的
为保证高炉的稳定工作，要求:
送风温度保持在
1000℃，不能出现大的波动,如图
开始送风时风温较高，将控制回路置为手动，预置一个较大地开度，送入较多的冷风。
风温达到可以使用
调节时，转换为自动，进行
调节。
温度控制要求
1.4.2
混风温度控制系统的主要参数
（1）热风炉风温对象传递函数：
G
p
（s）
=
+
Ts
e-τs
（2）要求控制风温：
1000℃左右可设定
（3）要求控制风温在±
10C°
（4）新炉送风时，相当产生
t=20C°
的扰动。
1.4.3
混风温度控制策略
高炉热风炉混风温度控制系统工艺情况如图
1.5
所示
，为单炉送风即每次一座热风炉
送风，经过一段时间后，热风温度下降，第二座热风炉送风，第一座热风炉转燃烧，如此
循环下去保证热风不间断。
热风炉温度控制系统工艺
1HS-4HS
-1-4
号热风炉，SEQ
顺序控制程序，ZI-阀位指示，
M-电动调节阀
HC-手动
控制输出,
TIC-温度
控制
送风温度控制通过调节混风阀的开度来控制往热风中送入的冷风，来控制送风温度。
为安全起见，在送风管道上安装有两只热电偶，选择其中之一作为测量值。
送风温度控制
设计为
控制回路，以确保较高精度的控制。
为了补偿新的炉送风时风温较高，可在新炉送风时，将控制回路置为手动，预置一个
较大地开度，送入较多的冷风，然后设置为自动进行自动调节。
1.2.4
混风温度控制的实现
根据控制需要，将PID
功能块与逻辑控制相结合，可适应各种控制回路。
所以利用
SFC
很容易实现热风炉燃烧和混风温度的各种控制方式。
1.6
显示了热风炉混风温度控制系统顺序控制的工作流程：
各个热风炉的状态转换由电气换炉控制系统控制，当送风管道里面混风后的风温低于
要求温度的时候，对各个热风炉的工作状态进行切换，将新的热风炉转为送风状态，原送
风炉转为燃烧状态。
开始
N
混风全自动？
Y
有新炉送风？
y
调节置手动
回路手动？
置初始开度
置
回路自动
退出？
结束
热风炉混风温度控制系统的工作流程
高炉热风炉智能控制系统的软件设计
高炉热风炉智能控制系统的软件设计主要包括三部分：
燃烧控制、风温控制和换炉电
气部分软件设计
1.5.1
高炉热风炉自动化部分软件设计
1.5.1.1
系统功能图的建立
用
CFC
编辑程序包括从库中拖放功能块、给功能块分配参数、功能块的相互连接等，
其中，PCS7
中提供了大量标准的过程工业功能块，如
FUZZY
控制、阀门控制、电机控制等。
使得在编辑程序过程中更加简便。
打开
编辑器
已经建好的"
ggglrfl"
项目，先点
S7Program
的属性，把过程名称改成
Process，同
样把
Unit
改成
Unit1，插入一个
图，在右半窗口出现
CFC1,用右键点属性修改它的名
称，把它改成
CFC_COMB1。
双击
CFC_COMB1
编辑器。
每个
图分为六页，可以用放大/缩小功能改变显
示，还可以使用总貌和页面两个按钮在总貌和页面之间切换，在窗口下方的状态显示当前
工作在哪一级或哪一个页面，如果想进入某一级或某一页面，使用菜单命令
EDIT>
GO
TO>
SHEET
选择按钮
1－6
之一进入到相应的页面，也可以在总貌画面双击某一页面的空白
区直接进入到相应的页面。
（2）从库中拖放功能块
编辑器后就可以从库中拖放需要的功能块进行编程。
自己编制的控制块经
过编辑在库中注册后，可作为标准模块使用。
首先点击目录按钮，打开功能模块目录。
然后选择所需功能块所在的卷，也可以在
搜索框中输入功能块的名称进行搜索。
找到所需功能块之后将所需要的功能模块拖放到页
面
1。
将功能模块移到页面
的适当位置。
双击功能块的标题，在
Properties
对话框中输入
名称点击
OK，关闭对话框，该功能块的名称被改变。
如果要求更进一步的了解这些或者其
它模块的信息，例如，块中的哪个输入有哪个功能，选择相应模块然后按
F1
键。
在线的
帮助将提供更进一步的关于模块及输入和输出的信息。
模块的选择是根据图
7.3.2
热风炉燃烧控制系统原理图所需要的模板去选择，从而
实现燃烧控制的要求。
给功能块分配参数
前面组态的功能模块还应设置参数，既没有相互连接的输入必须分配正确的参数。
分配参数在
Object
对话框中进行。
只要双击该功能模块的标题，打开对象属性，进入
Inputs/Outputs
表页去修改自己所
需要的参数值，修改完后关闭属性菜单即可。
在功能模块属性菜单中，可以设置参数为可视（Visibles）或不可视（Invisibles）,
不可视参数只显示在功能模块的属性菜单中，而不显示在功能模块的
图中。
7.7
结构图
功能块的相互连接
功能块的
I/O
相互连接时，连线将自动生成，连线的位置不影响连接的功能，只要点
击功能块的输入或输出的一端，在点击功能块的输入或输出的另一端，连线将自动生成。
如图
4.2，点击功能块
INPUT_U
的输出
V,然后点击功能块
INT_P
的输入
VTRACK,这两点的
连线将自动生成。
同样，点击功能块
V，然后点击功能块
LIA
U，这两
点的连线也将自动生成。
如果连线错误，右键点击连线的输入或输出，然后选择
Delete
interconnection,删除错误连线。
并且功能块的互相连接可以在不同的页面和不同的功能
图之间进行。
还有操作功能块不必与其他功能块连接，该块只是存放操作员输入的数据。
掌握了以上几个步骤，再根据系统图就可以进行编辑了，程序的模块的选择和连
线见附录中所附的程序，程序的第一页为燃烧控制的烟气回路控制部分，第二页和第三页
为空气回路控制部分，第四页、第五页以及第六页为煤气回路控制部分。
1.5.1.2
顺控功能图的建立
与回路控制协调工作的顺控功能图的建立可参见电气换炉程序设计部分。
1.5.2
热风炉电气控制系统的软件结构
将热风炉的控制软件结构分为如下三层：
第一层为主干控制层，其控制对象为四座热风炉，其控制功能为决定四座热风炉的运
行方式，热风炉之间的送风顺序等。
第二层为单炉控制层，单炉控制程序根据主干程序或
操作人员在
CRT
上发出的换炉指令，给出各个热风炉各种状态改变的指令。
第三层为单炉
阀门控制层，单炉阀门控制层根据单炉控制层发来的指令，完成热风炉各种状态转变时各
个阀门动作的顺序。
1.5.2.1.热风炉主干控制功能
主干控制层控制的对象为四座热风炉，其根据各种设定值，决定四座热风炉的运行方
式，热风炉之间的送风顺序等。
其主要控制功能为：
（1）热风炉自动换炉，"
送风换炉信号"
的产生有两种方式，一是"
按时间"
方式产生、
二是"
按送风温度"
方式产生。
1）
按时间方式换炉是指热风炉在自动方式运行时，其送风换炉指令是由正在送风的热
风炉送风时间到信号发出的；
2）
按温度方式换炉是指热风炉在自动方式运行时，其送风换
炉指令是由仪表"
送风温度到"
信号发出的。
"
指令一发出，按事先设定好的送风顺序，下一座该送风的热风炉自动
地由"
燃烧"
或休止（"
闷炉"
）状态转换为"
送风"
状态。
（2）热风炉半自动换炉，是指热风炉在完全同"
自动"
方式运行的条件下，仅其"
换炉指令是由操作人员在
画面上发出。
（3）热风炉送风顺序指令
热风炉换炉指令给出后，要求热风炉按照事先设定的送风顺序自动地进行相应的状态
转换。
当某座热风炉发生故障或停止运行时，自动地按照事先设定的送风顺序选择下一个
该送风的热风炉送风。
热风炉在"
自动换炉"
、"
半自动换炉"
方式下给出的送风"
换炉指令在
程序中是并联关系。
在送风"
换炉指令发出后，具体是哪一座热风炉的状态发生转换则是由
送风顺序指令"
决定。
1.5.2.2.热风炉单炉控制层控制功能
热风炉单炉控制层控制功能根据主干程序或操作人员在
上发出的换炉指令，自动
地给出各个热风炉各种状态改变的指令。
热风炉状态转换时，换炉逻辑会对所输入的换炉
指令进行逻辑判断，对于非法的换炉指令则会拒绝执行（如要求转入该热风炉已在的状态
或是要所有热风炉同时退出送风状态的指令等）。
1.5.2.3热风炉单炉阀门控制层控制功能
单炉阀门控制程序根据单炉控制层发来的状态转换指令，自动地完成热风炉各种状态
转变以及逻辑联锁。
1.5.3
高炉热风炉基础自动化部分程序流程图
热风炉单炉控制层、主干控制层采用西门子公司的
顺控图进行编程，单炉阀门控
制层采用
STL
逻辑图进行编程。
热风炉单炉控制层如图
7
升级会员 