高炉热风炉自动控制系统1.l 概述1.1.1 研究背景高炉热风炉是给高炉燃烧提供热风以助燃的设备，是一种储热型热交换器。
国内大部分高炉均采用每座高炉带3至4台热风炉并联轮流送风方式，保证任何瞬时都有一座热风炉给高炉送风，而每座热风炉都按：燃烧-休止-送风-休止-燃烧的顺序循环生产。
当一座或多座热风炉送风时，另外的热风炉处于燃烧或休止状态。
送风中的热风炉温度降低后，处于休止状态的热风炉投入送风，原送风热风炉即停止送风并开始燃烧、蓄热直至温度达到要求后，转入休止状态等待下一次送风。
热风炉是一个非线性的、大滞后系统，影响热风炉的因素有很多，并且各种因素相互牵制，因此导致它的控制过程非常复杂，很难用精确的数学模型描述。
用传统的方法建模，使整个控制系统置于模型框架下，缺乏灵活性及应变性，很难胜任对复杂系统的控制。
1.1.2 国内热风炉控制系统现状及存在的问题目前许多钢厂热风炉控制系统采用由可编程控制器（PLC)与过程控制器（或集散系统）分别完成电气与仪表控制的方法进行控制。
例如改造前的广钢3#高炉热风炉采用HONEYWELL S9000过程控制器完成仪表控制，采用西门子S5115U可编程控制器完成换炉控制；莱钢1#750M3高炉热风炉控制系统采用美国MODICON公司的E984-685 PLC完成顺序控制和回路控制；鞍钢10号高炉热风炉采用英国欧陆公司生产的网络6000过程自动化（DCS）控制系统完成热风炉燃烧控制，通过接口与MODICON(PLC)通讯，由PLC完成热风炉自动换炉、送风控制；宝钢1#高炉热风炉电控系统采用日本安川CP-3500H PLC,仪表控制系统采用日本横河CENTUM-CS集散控制系统，上位机采用HP-9000，电气的PLC和仪表的现场控制站间以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4个(或3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。
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3个。
热风炉系统图如图1.1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状态，其它各阀（切断阀）均处于关闭状态。
(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：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(1) 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。
(2) 净煤气总管温度检测、压力检测和控制(3) 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 4.1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。
图1.2 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1.3.1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。
