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加热炉系统开题报告


毕业设计开题报告

一、 题目来源背景(现状、前景) 1.1 研究背景及意义
近年来,我国工业发展迅速,制造行业的进步更是一日千里,在这样的大环境 下,各行各业,如汽车、轮船、铁路、建筑、机械设备制造等对钢材的需求不断增 大,为了满足这巨大的市场需求,不断有新的钢铁生产线被建设出来,而在整个钢 材的生产加工的过程中,加热炉扮演着一个重要且不可缺少的

角色,它的作用是对 冷热钢坯进行加热,以便后面的轧钢得以顺利的进行,而待轧钢坯的温度和温度的 均匀与否对轧钢的质量有着重要的影响。加热炉是整个钢材的生产加工中的重要一 环,同时,也是能耗比较多的一环,一个性能优良的加热炉控制系统不仅对钢材的 质量有着重要的影响,同时也能节约大量能源,提高能源的利用率,减少环境的污 染,为社会和谐发展作出贡献。加热炉从诞生的那天起自身也在不断的发展着,从 起初的“直燃式”到今天的“蓄热式”,从原来的“推钢式”到后来的“步进式”。 由于受70 年代以后轧机大型化的影响,现在步进梁式加热炉得到了广泛的应用,而 且其本身也确实具备很多优点。在现实的生产过程中,一个性能优良的加热炉控制 系统具有很多实际意义: (1) 提高生产率,增加效益 加热炉复杂的动态特性以及繁琐的工艺流程使得人为的操作会给产品的质量带 来很大的影响,而在自动化程度较高的控制系统下,人为失误对产品质量造成的影 响就比较低,这样产品总体的良率就会达到比较高的水平,加热炉中生产过程的优 化控制和自动工艺管理控制可以缩短生产周期,并提高产量和质量,使得生产率提 高,增加企业效益。 (2) 安全生产得以实现 在加热炉这个特殊的工艺中,因为高炉和转炉煤气的大量使用,使得整个生产 环境的安全变得尤为重要,不仅要保证各种设备的安全运行,还要防止人员中毒事 件的发生,而一套先进的控制系统也应该能提供一个安全的生产环境,要对系统的 重要环节进行实时监控,如炉膛的压力,工作现场煤气的浓度等。只有在安全的环 境下,生产才能顺利进行。 (3) 节能减排,保护环境 通过优化提高加热炉控制性能的方法,可以使燃料的热量得到充分的利用,以 达到节约燃料的目的。此外,通过对燃烧过程进行有效控制,使燃烧在合理的空燃 比条件下运行,会大大减少加热炉过氧燃烧产生的氮氧化合物等有害气体和欠氧燃 烧时产生的大量黑烟,减少对周边环境的污染和对生态环境的破坏力度。具有关研 究表明,与人工操作相比,合理的燃烧控制能使化学不完全燃烧热损失由原来的

5%-15%降到1%以下,空气过剩系数由原来的1.3-1.6 准确的控制在1.1-1.3 之间, 而使排烟热损失降低12%-18%,燃耗降低4.8%-11.2%[1]。 (4) 对新技术发展和应用的促进作用 先进的控制系统完成了对生产的信息化管理,同时也为生产带来了极大的方便, 它不仅可以对生产过程中的参数可以进行直观的测量、记录、保存、分析,分析研 究的结果还可以给技术的发展带来很大的促进作用,而新发展的技术在一个先进的 平台上也可以方便的进行实验和应用。

1.2 温度控制系统的发展状况
温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用,在工农业生产、国防、科研以 及日常生活等领域占有重要的地位。温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的 驱动来源,它的出现迄今已有两百余年的历史。期间,从低级到高级,从简单到复 杂,随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高,温度控制系统的控制技 术得到迅速发展。当前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统,基 于 PLC 的温度控制系统,基于工控机(IPC)的温度控制系统,集散型温度控制系 统(DCS) ,现场总线控制系统(FCS)等。 单片机的发展历史虽不长,但它凭着体积小,成本低,功能强大和可靠性高等 特点,已经在许多领域得到了广泛的应用。单片机已经由开始的 4 位机发展到 32 位 机,其性能进一步得到改善。基于单片机的温度控制系统运行稳定,工作精度高。 但相对其他温度系统而言,单片机响应速度慢、中断源少,不利于在复杂的,高要 求的系统中使用。 PLC 是一种数字控制专用电子计算机,它使用了可编程序存储器储存指令,执 行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能,并通过模拟和数字输入、输出等组 件,控制各种机械或工作程序。PLC 可靠性高、抗干扰能力强、编程简单,易于被 工程人员掌握和使用,目前在工业领域上被广泛应用。相对于 IPC,DCS,FSC 等系 统而言,PLC 是具有成本上的优势。因此,PLC 占领着很大的市场份额,其前景也 很有前途。 工控机(IPC)即工业用个人计算机。IPC 的性能可靠、软件丰富、价格低廉, 应用日趋广泛。它能够适应多种工业恶劣环境,抗振动、抗高温、防灰尘,防电磁 辐射。过去工业锅炉大多用人工结合常规仪表监控,一般较难达到满意的结果,原 因是工业锅炉的燃烧系统是一个多变量输入的复杂系统。影响燃烧的因素十分复杂, 较正确的数学模型不易建立,以经典的 PID 为基础的常规仪表控制,已很难达到最 佳状态。而计算机提供了诸如数字滤波,积分分离 PID,选择性 PID。参数自整定等 各种灵活算法,以及“模糊判断”功能,是常规仪表和人力难以实现或无法实现的。 在工业锅炉温度检测控制系统中采用控机工可大大改善了对锅炉的监控品质,提高

了平均热效率。但如果单独采用工控机作为控制系统,又有易干扰和可靠性差的缺 点。 集散型温度控制系统(DCS)是一种功能上分散,管理上集中的新型控制系统。 与常规仪表相比具有丰富的监控、协调管理功能等特点。DCS 的关键是通信。也可 以说数据公路是分散控制系统 DCS 的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提 供通信网络, 因此, 数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。 基本 DCS 的温度控制系统提供了生产的自动化水平和管理水平,能减少操作人员的劳动强度, 有助于提高系统的效率。但 DCS 在设备配置上要求网络、控制器、电源甚至模件等 都为冗余结构,支持无扰切换和带电插拔,由于设计上的高要求,导致 DCS 成本太 高。 现场总线控制系统(FCS)综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、 网络技术和智能仪表等多种技术手段的系统。其优势在于网络化、分散化控制。基 于总线控制系统 (FCS) 的温度控制系统具有高精度, 高智能, 便于管理等特点, FCS 系统由于信息处理现场化,能直接执行传感、控制、报警和计算功能。而且它可以 对现场装置(含变送器、执行器等)进行远程诊断、维护和组态,这是其他系统无法达 到的。但是,FCS 还没有完全成熟,它才刚刚进入实用化的现阶段,另一方面,目 前现场总线的国际标准共有 12 种之多,这给 FSC 的广泛应用添加了很大的阻力。 各种温度系统都有自己的优缺点,用户需要根据实际需要选择系统配置,当然, 在实际运用中,为了达到更好的控制系统,可以采取多个系统的集成,做到互补长 短。 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛,但从生产的温度控制 器来讲,总体发展水平仍然不高,同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差 距。成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主。它只能适应一般温度系 统控制,难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能 化、自适应控制仪表,国内技术还不十分成熟,形成商品化并在仪表控制参数的自 整定方面,国外已有较多的成熟产品。但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后, 还没有开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。 国外温度控制系统发展迅速,并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。 日本、美国、德国、瑞典等技术领先,都生产出了一批商品化的、性能优异的温度 控制器及仪器仪表,并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点:①是适应于 大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制;②是能够适应于受控数学模型难以建 立的温度控制系统的控制;③是能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控 制系统的控制;④是温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、 人工智能等理论及计算机技术,运用先进的算法,适应的范围广泛;⑤是温度控制 器普遍具有参数自整定功能。有的还具有自学习功能,能够根据历史经验及控制对

象的变化情况,自动调整相关参数,以保证控制效果的最优化;⑥是具有控制精度 高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。目前,国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、 智能化、小型化等方面快速发展。

二、 主要研究内容、应用价值、改进及创新 2.1 主要研究内容
本课题通过对轧钢加热炉的工艺过程的全面了解,深入研究轧钢加热炉的炉膛 温度、钢坯温度、钢坯损耗与燃料及空燃比等参数关系,确定温度控制模型,并设 计温度控制过程控制系统,实现对轧钢加热炉的温度自动控制。温度控制系统大致 可分别用 3 种方式实现,一种是用仪器来控制温度,这种方法控制的精度不高。另 一种是基于单片机进行 PID 控制, 然而单片机控制的 DDC 系统软硬件设计较为复杂, 特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处, 而 PLC 在这方面却是公认的最佳选择。 随着 PLC 功能的扩充在许多 PLC 控制器中都扩充了 PID 控制功能。因此本设计选用 西门子 S7-200PLC 来控制加热炉的温度。

2. 2 国外的研究及应用情况、改进及创新
随着计算机技术和智能控制技术飞速发展,各国都开始尝试用微机对工业加热 炉进行控制的研究。由于20 世纪70 年代以后,燃烧控制技术的发展和研究已经成 熟,近十几年,研究重点都是以追求加热炉某种性能指标的优化控制为目标。主要 集中在两个方向,一个方向是加热炉控制模型的研究,另一个就是智能控制技术优 化加热炉控制。 在国外, 这些研究工作开展的比较早, 取得了很多成果。 V.G.Lisienko 研究了直通式火焰炉在产量变化时的金属加热控制模型,该模型以加热费用为目标 函数,研究了产量变化时热负荷的变化规律,建立了以每个区段的产量来控制各区 段工作温度的模型[2]。 Y.Misaka 等人采用分布参数理论与热交换机理相结合的方法进行建模,通过近 似集中参数模型研究了加热炉的静态、动态优化问题[3]。Lu 等人从描述钢坯内部不 稳定导热的二维偏微分方程及相应的边界条件出发,把炉内钢坯看作按几何位置排 列的一系列相互关联的子系统,开发出描述钢坯加热状态的离散状态空间模型 。针 对多段式结构的加热炉 A.Kusetrs 提出一种运用多变量参数估计的方法,建立多区 段步进梁加热炉的ARX 模型。该法首先是根据加热炉的结构特点,将该加热炉分成6 个区段,在建模的过程中,考虑到各个区段的相互耦合作用,建立了表示各个区段 炉温的模型结构,最后运用最小二乘法辨识得到各个参数[5]。由于国外在加热炉控制 方面的研究进行的比较早,所以一些先进的智能控制技术应用的也比较广泛。如日 本钢厂Kashima 热轧机、瑞典ABB 公司Donmarvet 厂、美国Conshohoehen 厂、芝加
[4]

哥内陆钢厂80 英寸热轧机、美国Dofaseo 公司、新西兰Hoogovens公司56 英寸热轧 机、美国YmatakeHoneyell 公司等,均实现了钢坯温度预报和炉温优化预设定[6]。

2.3 国内的研究及应用情况、改进及创新
在国内,八十年代初期才出现以微机为工具的加热炉控制系统,一些学者在此 方面做了大量的研究工作。杨永耀等人利用炉内热量传递的物理机制,推导了一类 时间、空间离散化的状态空间模型。根据所得模型,按照炉内加热耗能最小的原则, 实现了最优递阶计算机控制[7-9]。罗麦丰等人对某轧钢加热炉燃烧过程控制中存在的 问题,提出了一种基于分离方法的模糊专家控制策略。同时按照生产率模型调节空 气流量,并在实际中获得了较好的控制效果 [10]。惠爽爽等人针对加热炉温度控制中 存在的非线性、大滞后问题,提出了一种基于BP 神经网络的内模控制方法,即用神 经网络对复杂系统的辨识能力来实现内模控制中被控对象的正模型及内模控制器, 从而为加热炉的控制问题提出了一种新的方法[11]。李振刚等人提出一种改进后的交 叉限幅控制以及模糊控制方法,并在实际运用中获得了满意的控制效果 [12]。中南大 学的廖迎新,吴敏提出了一种基于免疫FNN 算法的炉温优化控制,有效的解决了非 线性、不确定复杂蓄热式加热炉钢坯加热过程炉温控制问题 [13]。国内虽然在加热炉 智能控制的研究方面起步比较晚,但是发展却十分迅速,在一些技术设备比较先进 的工厂,智能控制的研究成果也得到了一定的应用。莱芜特钢厂以Neuroshell 神经 网络为基本控制平台,采用BP 网络中带阻尼反馈的Recurrent 网络寻优功能寻找最 佳空燃比,投入运行后取得良好控制效果,炉温控制精度在设定值的± 10℃内[14]。 上海宝山钢铁公司1580 热连轧厂钢坯加热过程实现了数学模型网络控制,根据粗轧 出口带钢要求的目标温度,采用炉温或流量设定方法,对钢坯温度周期性地进行计 算,通过加热炉控制模型中的数字识别,实现了对新增的不同规格与钢种的钢坯出 炉温度进行控制[15]。

三、 拟采用的研究方法、手段及实验准备情况
本课题通过对轧钢加热炉的工艺过程的全面了解,深入研究轧钢加热炉的炉膛 温度、钢坯温度、钢坯损耗与燃料及空燃比等参数关系,确定温度控制模型,并设 计温度控制过程控制系统,实现对轧钢加热炉的温度自动控制。 1.在资料和现场调研的基础上确定设计方案; 2.按工艺要求和理论计算(利用工具书)对现场测控设备选型; 系统硬件组成由 PC 机、PLC 控制器、晶闸管调功器、加热炉对象等组成;加热 炉对象由温度内胆、夹套、加热器、温度检测变送器等组成。 总体方案是采用PLC控制器来对系统进行总体控制,温度变送器采集夹套和内胆 温度信号;两个数显仪表分别对夹套温度和内胆温度的实际值进行实时显示;两个

启动按钮对系统的运行与停止进行手动控制;指示灯来显示系统的运行状态;模拟 量扩展模块承担两个模拟量输入和一个模拟量输出的任务;调功器根据PLC的控制信 号对加热器进行控制,来实现对温度的控制。 加热炉温的控制系统实现过程是:首先温度传感器将加热炉的温度转化为电压 信号,PLC的扩展模块EM235将送过来的电压信号转化为西门子S7-200PLC可识别的数 字量,夹套温度主给定量SV1与夹套温度主反馈量PV1比较后得到误差信号e1,然后 PLC将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过 PID运算处理,输出控 制量OUT1 作为副控制器的给定,并与内胆温度副反馈量 PV0 进行比较得到误差信号 e0,经副控制器进行PID运算输出控制量OUT0作为晶闸管调功器的输入信号,来控制 输出电压的变化,从而控制内胆加热器上电压的高低,实时控制内胆温度副被控量 和夹套温度主被控量,构成双闭环温度控制系统。如图1所示

图 1

加热炉软件控制部分组成图

四、 进度安排
2014.2.25-2014.3.22 2014.3.23-2014.4.5 2014.4.6-2014.4.25 2014.4.26-2014.5.6 2014.5.7-2014.5.20 2014.5.21-2014.6.10 认真收集有关资料,完成开题报告 提出总体方案并进行论证 论文主体设计 论文撰写,完成初稿 程序调试和修改论文 编写设计说明书,准备答辩提纲,进行答辩

五、主要参考文献
1. 张卫军, 海耿等 . 对我国轧钢加热炉计算机控制应用现状的分析及发展中几个 问题的探讨[J], 冶金能源, 1997, 16(6): 52-55. 2. Lisienkov.G.直通式火焰加热炉在产量变化时的金属加热控制 [C], IFAC第八届 世界大会钢铁自动化论文集, 1980,81-86.

3. Misaka.Y, Takaharhi.R, ShinjoA,ete. Computer control of a reheat furnace at KashimaSteel Works’hot strip mill [J], Iron&Steel Engineer, 1982, 59(5): 51-55. 4. LuY.Z., Williams.T.J. Energy savings and Productivity inerease with computers a casestudy of the steel ingot handling proeess [J], Computers in Industry, 1983, 10(4): l-18. 5. A.Kuster, Ditzhuijzen. MIMO System Identification of a Slab Reheating Furnace [C],Proceedings of the Third IEEE Conference on Control Applications, 1994, 1557-1563. 6. 冯春. 加热炉燃烧过程智能优化[D], 长沙: 中南大学, 2007. 7. 杨永耀 , 吕勇哉 . 钢坯加热炉计算机控制动态数学模型的开发 [J], 自动化学 报, 1987,13(4): 257-264. 8. 杨永耀, 周晓听 . 连续加热炉计算机控制系统 [J]. 冶金自动化 , 1987, 11(6): 9-13. 9. 杨永耀, 吕勇哉, 梁军. 变结构加热炉计算机控制策略[J], 自动化学报, 1991, 17(4):495-497. 10.罗麦丰, 吴敏, 曹卫华. 基于分离方法的加热炉模糊专家控制策略 [J], 计算机 测量与控制, 2009, 17(1): 102-104. 11. 惠爽爽, 李鸣 , 张宇, 朱峰 . 基于神经网络内模的电加热炉温度控制研究 [J], 装备制造技术, 2008, 12(9): 60-62. 12. 李振刚, 李淑英 . 轧钢加热炉燃烧过程控制算法的研究 [J], 电子测试, 2008, 24(10):13-16. 13. 廖迎新, 吴敏 . 基于免疫 FNN算法的加热炉炉温优化控制 [J], 国防科技大学学 报,2006, 28(3), 116-119. 14.吴晓锋, 李恩伟, 都锡才等. 神经元网络在加热炉自控系统中的应用 [J], 冶金 自动化,1997, 21(4): 32-34. 15. 饶文 涛 , 金学 俊 . 宝钢 1580 热 轧加 热 炉控制 系统 [J], 冶 金自动 化 , 2000, 17(4): 15-18.


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