1、分 类 号 ： _ 密 级 ： _ ： _ 单 位 代 码 ： _安 徽 工 业 大 学硕 士 学 位 论 文论 文 题 目 ： 加 热 炉 计 算 机 控 制 系 统 的 设 计 与 实 现安 徽 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文论 文 题 目 ： Design and Application of Computer Control Systems for Reheating Furnace作 者 ： 学 院 ： 指 导 教 师 ： 单 位 ： 协 助 指 导 教 师 ： 单 位 ： 中 冶 华 天 工 程 技 术 有 限 公 司 单 位 ： 论 文 提 交 日 期 ： 2010 年
2、05 月 28 日学 位 授 予 单 位 ： 安 徽 工 业 大 学加 热 炉 计 算 机 控 制 系 统 的 设 计 与 实 现电 气 信 息 学 院安 徽 工 业 大 学安 徽 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文学 位 论 文 原 创 性 声 明本 人 郑 重 声 明 ：所 呈 交 的 论 文 是 本 人 在 导 师 的 指 导 下 独 立 进 行 研 究所 取 得 的 研 究 成 果 。除 了 文 中 特 别 加 以 标 注 引 用 的 内 容 外 ，本 论 文 不 包含 任 何 其 他 个 人 或 集 体 已 经 发 表 或 撰 写 的 成 果 作 品 。对 本 文 的 研 究 做
3、出 重 要 贡 献 的 个 人 和 集 体 ，均 已 在 文 中 以 明 确 方 式 标 明 。本 人 完 全 意 识到 本 声 明 的 法 律 后 果 由 本 人 承 担 。作 者 签 名 ： 日 期 ： 年 月 日学 位 论 文 版 权 使 用 授 权 书本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解 学 校 有 关 保 留 、使 用 学 位 论 文 的 规 定 ，同意 学 校 保 留 并 向 国 家 有 关 部 门 或 机 构 送 交 论 文 的 复 印 件 和 电 子 版 ，允许 论 文 被 查 阅 和 借 阅 。本 人 授 权 大 学 可 以 将 本 学 位 论 文的 全 部 或 部 分
4、 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索 ，可 以 采 用 影 印 、缩 印 或 扫描 等 复 制 手 段 保 存 和 汇 编 本 学 位 论 文 。涉 密 论 文 按 学 校 规 定 处 理 。作 者 签 名 ： 日 期 ： 年 月 日导 师 签 名 ： 日 期 ： 年 月 日安 徽 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文独 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
5、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
6、 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 ： _安 徽 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文- 1-摘 要加 热 炉 是 轧 钢 生 产 线 上 的 最 重 要 的 设 备 之 一 ， 其 控 制 目 标 是 满 足 开 轧 所 要 求的 钢 坯 温 度 分 布 ， 实 现 钢 坯 表 面 最 小 氧 化 烧 损 ， 达 到 最 少 能 耗 的
7、 经 济 指 标 目 的 。因 此 ， 提 高 加 热 炉 的 热 效 率 、 降 低 能 耗 ， 对 减 少 冶 金 工 业 能 耗 有 积 极 的 意 义 。加 热 炉 计 算 机 控 制 系 统 主 要 包 括 基 础 自 动 化 控 制 系 统 （ LEVLEL1） 和 过 程 自动 化 控 制 系 统 （ LEVEL2） ， 其 中 LEVEL1 控 制 系 统 包 括 燃 烧 控 制 系 统 和 顺 序 控制 系 统 ， LEVEL2 系 统 由 板 坯 物 料 跟 踪 模 型 、 板 坯 温 度 预 报 模 型 和 通 讯 三 部 分 构成 。燃 烧 控 制 系 统 主 要 包
8、括 空 煤 气 的 双 交 叉 限 幅 比 例 控 制 、 炉 膛 压 力 控 制 、 热 风自 动 放 散 控 制 、 热 风 压 力 控 制 和 煤 气 自 动 切 断 保 护 控 制 ， 我 们 通 过 研 究 开 发 了“炉 温 模 糊 自 动 控 制 器 ”， 从 而 实 现 了 炉 温 的 快 速 响 应 。顺 控 系 统 主 要 包 括 装 钢 机 的 控 制 、 步 进 梁 控 制 、 出 钢 机 控 制 以 及 液 压 系 统 的控 制 。物 料 跟 踪 系 统 主 要 是 坯 料 的 入 炉 侧 辊 道 跟 踪 ， 炉 内 跟 踪 ， 以 及 出 炉 辊 道 的 跟踪 。钢
9、 坯 温 度 预 报 模 型 主 要 包 括 装 炉 温 度 计 算 模 型 ， 炉 内 温 度 周 期 计 算 模 型 和 出炉 温 度 计 算 模 型 ， 本 文 主 要 提 出 了 基 于 分 段 BP 神 经 网 络 的 钢 坯 温 度 预 报 模 型 ，并 进 行 了 离 线 仿 真 。其 中 通 讯 主 要 由 LEVLE2 系 统 与 LEVEL1 系 统 之 间 的 温 度 数 据 采 集 、 装 出 钢机 设 定 、 步 进 梁 设 定 、 坯 料 的 辊 道 跟 踪 ； 与 轧 线 计 算 机 的 通 讯 和 与 MES 系 统 的 通讯 等 组 成 ， 本 文 详 细 研
10、 究 了 TCP/IP SOCKET 的 通 讯 编 程 方 法 。最 后 ， 以 板 坯 生 产 过 程 为 研 究 对 象 ， 开 发 了 基 于 SIEMENS S7-400PLC 和WINCC 软 件 的 基 础 自 动 化 系 统 。 在 此 基 础 上 ， 结 合 板 坯 的 物 料 跟 踪 模 型 、 钢 坯温 度 预 测 模 型 和 通 讯 ， 实 现 对 各 种 钢 种 和 厚 度 板 坯 的 加 热 质 量 控 制 ， 预 测 板 坯 三层 温 度 并 传 送 给 轧 机 ， 实 现 加 热 炉 的 全 自 动 生 产 控 制 。关 键 词 ： 加 热 炉 ； 计 算 机
11、控 制 系 统 ； 温 度 控 制 ； 模 型安 徽 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文- 2-AbstractReheating furnace is the most important one of the equipment of steel rolling production line, the control objective is to meet the required open-rolled temperature distribution under the premise, achieving economic indicators of the minimum
12、billet surface burning and minimal energy consumption. Therefore, improving furnace thermal efficiency, reduce energy consumption, to reduce industrial energy consumption has a positive meaning.Reheating furnace computer control system including basic automation system (LEVEL1) and process automaito
13、n system(LEVEL2). LEVEL1 control system includes heating control system and sequence control system. LEVEL2 includes slab tracking model, temperature prediction model and communication.Heating control system include double cross limited control of air and gas, hearth pressure control, hot air exhaus
14、t control and hot air pressure control and gas automatic cut-off control, development “FUZZY controler” realized fast response of furnace temperature.Sequence system includes charging machine control, walking beam control, discharging machine control and hydraulic system control.Slab tracking system
15、 completes roll table tracking of charge side and discharge side, inside furnace tracking.Slab temperature prediction model include charge slab temperature calculation, cycle temperature calculation model of inside furnace and discharging slab temperature calculation model, proposed slab temperature
16、 prediction model based on furnace zone BP netural network and carried out off-line simulation.Communication including: temperature data sample, charging machine and discharging machine set, walking beam set, slab tracking between LEVEL2 system and LEVEL1 system, communication with Mill LEVEL2 compu
17、ter and MES system, detail research communication method of TCP/IP SOCKET.Finally, slab production process as the research object, developed based automation systems based on the SIEMENS S7-400PLC and WINCC. On this basis, combined with slab material tracking model, billet temperature prediction mod
18、el and communication to achieve a variety of steel grades and thickness of slab heating quality control, forecasting three level temperatures transmitted to mill, realize the furnace automatic production control.Key words： reheating furnace; computer control system; temperature control; model安 徽 工 业
19、 大 学 硕 士 学 位 论 文- 1-目 录加 热 炉 计 算 机 控 制 系 统 的 设 计 与 实 现 .1摘 要 .1Abstract 2引 言 .1第 一 章 文 献 综 述 .21.1 加 热 炉 计 算 机 控 制 概 述 .21.1.1 顺 序 控 制 系 统 和 物 料 跟 踪 .21.1.2 钢 坯 温 度 预 报 模 型 .31.1.3 炉 温 优 化 设 定 模 型 .41.2 国 内 外 研 究 现 状 及 发 展 趋 势 .51.3 课 题 背 景 .61.4 本 论 文 的 研 究 内 容 及 意 义 .7第 二 章 加 热 炉 工 艺 流 程 及 结 构 简 介
20、 .82.1 加 热 炉 区 工 艺 流 程 .82.2 加 热 炉 基 本 尺 寸 和 参 数 .82.2.1 加 热 炉 基 本 尺 寸 .82.2.2 加 热 炉 基 本 参 数 .92.3 炉 型 结 构 特 点 .10第 三 章 加 热 炉 基 础 自 动 化 控 制 系 统 .113.1 双 交 叉 限 幅 燃 烧 控 制 系 统 .123.2 炉 温 模 糊 控 制 系 统 .133.2.1 模 糊 控 制 器 结 构 .133.2.2 炉 温 模 糊 控 制 器 的 设 计 .143.2.3 实 际 应 用 及 效 果 .163.3 步 进 梁 速 度 优 化 控 制 .16安
21、 徽 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文- 2-3.3.1 速 度 曲 线 控 制 原 理 .163.3.2 速 度 曲 线 优 化 控 制 及 分 析 .173.3.3 实 际 应 用 .19第 四 章 加 热 炉 数 学 模 型 的 研 究 与 仿 真 .204.1 数 学 模 型 概 述 .204.2 模 型 参 数 的 建 立 .204.2.1 沿 炉 长 方 向 炉 温 的 线 性 插 值 .204.2.2 比 热 和 热 传 导 系 数 的 线 性 插 值 计 算 .214.3 基 理 温 度 预 报 模 型 .224.3.1 三 维 导 热 数 学 模 型 .224.3.2
22、温 度 预 报 模 型 的 工 程 考 虑 .234.3.3 温 度 预 报 模 型 的 边 界 条 件 .234.3.4 模 型 验 证 .244.4 分 段 BP 神 经 网 络 钢 温 预 测 和 仿 真 .254.4.1 三 层 BP 网 络 结 构 的 建 立 .254.4.2 神 经 网 络 输 入 输 出 量 的 确 定 .254.4.3 神 经 网 络 隐 层 神 经 元 的 确 定 .264.4.4 隐 层 及 输 出 层 的 权 值 调 整 .274.4.5 仿 真 研 究 .28第 五 章 计 算 机 控 制 系 统 网 络 和 通 讯 开 发 .305.1 网 络 结
23、构 及 配 置 .305.1.1 LEVEL1 级 网 络 结 构 .305.1.2 LEVEL1 级 硬 件 配 置 .325.1.3 LEVEL2 级 网 络 结 构 .325.1.4 LEVEL2 级 硬 件 配 置 .335.2 网 络 通 讯 电 文 内 容 .335.2.1 与 MES 管 理 计 算 机 的 通 信 .335.2.2 与 轧 线 过 程 计 算 机 通 信 .34安 徽 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文- 3-5.2.3 与 基 础 自 动 化 通 信 .345.3 LEVEL1 级 通 讯 程 序 的 开 发 .355.3.1 WINCC 和 PLC 以
24、太 网 通 讯 开 发 .355.3.2 PLC 和 PLC 以 太 网 通 讯 开 发 .365.4 LEVEL2 级 TCP/IP 通 讯 程 序 开 发 .365.4.1 TCP/IP SOCKET 基 本 概 念 .365.4.2 客 户 /服 务 器 模 式 .375.4.3 TCP/IP 套 接 字 系 统 调 用 及 方 法 .385.4 通 讯 网 络 的 具 体 IP 地 址 和 端 口 规 划 .40第 六 章 加 热 炉 计 算 机 控 制 系 统 的 应 用 .426.1 LEVEL1 级 控 制 系 统 开 发 .426.1.1 系 统 软 件 .436.1.2 顺
25、控 软 件 开 发 .456.1.3 燃 控 软 件 开 发 .476.1.4 监 控 软 件 介 绍 .506.1.5 监 控 软 件 开 发 .526.2 LEVEL2 级 软 件 功 能 描 述 .556.2.1 建 立 板 坯 数 据 信 息 .556.2.2 板 坯 温 度 计 算 的 热 工 模 型 .566.2.3 轧 制 温 度 反 馈 控 制 .566.2.4 主 要 画 面 简 介 .56结 论 .60参 考 文 献 ： .61附 件 1： 附 图 清 单 .1附 件 2： 附 表 清 单 .2在 学 研 究 成 果 .2致 谢 .3安 徽 工 业 大 学 硕 士 学 位
26、论 文- 1-引 言2007 年 ， 我 国 钢 产 量 已 经 达 到 4.89 亿 吨 ， 已 是 多 年 保 持 世 界 第 一 产 钢 大 国 的地 位 。 我 国 钢 铁 工 业 的 发 展 速 度 是 世 界 钢 铁 工 业 发 展 最 快 的 国 家 ， 所 取 得 的 成 就是 世 界 公 认 的 。 但 是 ， 我 国 钢 铁 工 业 技 术 经 济 指 标 (包 括 能 源 消 耗 、 劳 动 生 产 率 、设 备 寿 命 及 设 备 作 业 率 等 )、 对 环 境 的 污 染 等 方 面 与 世 界 先 进 水 平 相 比 较 ， 差 距 仍很 大 。 要 实 现 从
27、钢 铁 大 国 到 达 钢 铁 强 国 ， 这 是 摆 在 钢 铁 研 究 工 作 者 面 前 的 艰 巨 任务 。加 热 炉 的 计 算 机 控 制 系 统 通 常 被 分 为 一 级 （ LEVEL1） 和 二 级 （ LEVEL2） 控制 系 统 。LEVEL1系 统 包 括 燃 烧 控 制 系 统 和 顺 序 控 制 系 统 。 燃 控 系 统 的 主 要 功 能 是 根据 钢 坯 钢 种 和 规 格 的 需 要 ， 控 制 各 个 区 域 的 温 度 ， 实 现 钢 坯 的 理 想 升 温 曲 线 控 制 。同 时 实 现 相 应 的 安 全 连 锁 和 设 备 保 护 。 顺 控 系 统 的 主 要 功 能 是 完 成 整 个 加 热 炉 区域 的 设 备 动 作 控 制 ， 实 现 钢 坯 的 装 料 ， 步 进 和 出 料 控 制 ， 以 及 相 应 的 辅 助 设 备 的动 作 控 制 。 LEVEL1是 LEVEL2级 控 制 的 基 础 。LEVEL2系 统 主 要 分 为 应 用 部 分 和 模 型 部 分 ， 应 用 部 分 包 括 物 料 跟 踪 和 通 讯等 ，
