祁學(xué)鵬

摘要：課題以某鋼廠高線加熱爐為研究對(duì)象，使用Matlab數(shù)學(xué)仿真軟件建立步進(jìn)式加熱爐溫度控制仿真模型，使用西門(mén)子200Smart PLC建立實(shí)物控制系統(tǒng)，并使用S7-200 PC Access Smart OPC服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了仿真模型與實(shí)物平臺(tái)的通信，建立了步進(jìn)式加熱爐溫度控制半實(shí)物仿真平臺(tái)，為高級(jí)加熱爐溫度高級(jí)控制方法的研究提供基礎(chǔ)平臺(tái)。

Abstract： The project takes the high-speed heating furnace of a steel plant as the research object， uses Matlab mathematical simulation software to establish a stepping furnace temperature control simulation model， uses Siemens 200Smart PLC to establish a physical control system， and uses the S7-200 PC Access Smart OPC server to realize the communication between the simulation model and the physical platform， and establishes a semi-physical simulation platform for temperature control of the stepping furnace， which provides a basic platform for the research of advanced heating furnace temperature control methods.

關(guān)鍵詞：步進(jìn)式加熱爐;PLC;半實(shí)物仿真

0? 引言

步進(jìn)式加熱爐具有鋼坯加熱質(zhì)量均勻穩(wěn)定、加熱效率高、產(chǎn)品氧化脫碳率低等特點(diǎn)，在冶金行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于加熱爐溫度的控制直接決定了最終產(chǎn)品質(zhì)量的高低，實(shí)現(xiàn)加熱爐溫度的最優(yōu)控制，采用更加高級(jí)的控制算法精準(zhǔn)的控制爐溫具有重要研究意義[1-2]。

1? 加熱爐爐溫控制工藝概況

加熱爐爐體共設(shè)有1個(gè)上部加熱段、1個(gè)下部加熱段;2個(gè)上部均熱段（左、右），2個(gè)下部均熱段（左、右）等6個(gè)供熱段，對(duì)于溫度的自動(dòng)控制過(guò)程主要集中在上、下兩個(gè)加熱段[3]。傳統(tǒng)加熱爐溫度控制系統(tǒng)主要采用了雙閉環(huán)雙交叉限幅控制方法，將爐溫設(shè)定值和溫度變送器實(shí)時(shí)采集的爐溫值傳遞至爐溫控制器，爐溫控制器根據(jù)煤氣成分、平均密度、熱值、空燃比等參數(shù)設(shè)定煤氣控制流量設(shè)定值，并采用雙交叉限幅的控制方法不斷修正實(shí)時(shí)傳遞給煤氣空氣流量控制器的設(shè)定值參數(shù)，煤氣控制控制器根據(jù)設(shè)定值及采樣得到的煤氣空氣流量自動(dòng)對(duì)氣體流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證了出爐鋼坯具有符合要求的溫度值[4]。加熱爐溫度雙交叉限幅控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2? 爐溫動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型

加熱爐爐溫控制現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜，爐溫控制受制因素較多，模型計(jì)算以加熱爐爐溫控制均勻穩(wěn)定為前提將現(xiàn)場(chǎng)條件歸結(jié)為三類(lèi)：①供熱因素，為加熱爐爐溫控制主要因素，包含燃?xì)鉄嶂?、空氣流量、燃?xì)鈿饬髁?、空燃比、燃?xì)馊紵?、廢氣排出速率等。②鋼坯因素，包含鋼坯種類(lèi)、鋼坯產(chǎn)量、鋼坯形態(tài)等。③爐墻散熱因素，包含爐墻自然熱耗散、固定梁冷卻水散熱、大氣溫度等因素[5]。

以加熱爐一加熱段為研究對(duì)象，假設(shè)進(jìn)入加熱爐的燃?xì)饩梢猿浞秩紵?，可以建立一加熱段加熱爐動(dòng)態(tài)熱平衡方程：

其中，Ca爐內(nèi)氣體平均比熱，V1為爐體體積，T（t）為實(shí)時(shí)爐溫，Qp，a為預(yù)熱段空氣帶來(lái)的熱量，Qp，g為預(yù)熱段混合煤氣帶來(lái)的熱量，Qw，g為燃燒完成后廢氣帶走的熱量，Qf，w為爐壁散失的熱量，Qs，b為鋼坯吸收的熱量，qg為混合煤氣熱值，U（t）為煤氣實(shí)時(shí)流量。

考慮到爐體穩(wěn)定生產(chǎn)過(guò)程中預(yù)熱段空氣、煤氣帶來(lái)的熱量及廢氣、爐壁、鋼坯耗散的熱量將在長(zhǎng)時(shí)間保持在一個(gè)穩(wěn)定值，將各熱量因素使用一個(gè)總值Q代替并代入公式（1），則可以得到加熱爐爐氣與煤氣流量的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為：

3? 爐溫控制半實(shí)物仿真平臺(tái)

3.1 半實(shí)物仿真平臺(tái)內(nèi)部通信

本文中采用西門(mén)子S7-200 PC Access Smart 軟件構(gòu)建OPC服務(wù)器平臺(tái)，使用內(nèi)置于Simulink仿真軟件的OPC工具庫(kù)搭建Matlab數(shù)學(xué)仿真模型客戶平臺(tái)，同時(shí)利用Profinet通信技術(shù)將實(shí)物200smartPLC與OPC服務(wù)器通信，共同完成了半實(shí)物仿真平臺(tái)的通信。半實(shí)物仿真平臺(tái)內(nèi)部通信方式如圖2所示。

3.2 Matlab數(shù)學(xué)仿真模型平臺(tái)

Matlab數(shù)學(xué)仿真模型平臺(tái)主要運(yùn)用Matlab軟件Simulink組件下各功能庫(kù)和OPC工具箱進(jìn)行開(kāi)發(fā)，將爐溫控制動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行拉氏變換并代入加熱爐現(xiàn)場(chǎng)采集的各種參數(shù)，最終建立了Matlab數(shù)學(xué)仿真平臺(tái)如圖3所示。

平臺(tái)中“OPC Configuration”負(fù)責(zé)設(shè)置“OPC client manager”將localhost與S7200SMART.OPCServer對(duì)應(yīng)連接?！癘PC Read”將實(shí)物PLC控制器的控制參數(shù)讀取至數(shù)學(xué)仿真平臺(tái)，通信Items為OPC server上對(duì)應(yīng)的參數(shù)，通訊模式選擇同步，采樣時(shí)間0.5，數(shù)據(jù)類(lèi)型double?！癘PC Write”將仿真模型的實(shí)時(shí)溫度反饋給PLC控制器，Items對(duì)應(yīng)相連，通信模式選擇同步方式，采樣時(shí)間設(shè)置為0。

3.3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC實(shí)物選用200Smart ST40，控制系統(tǒng)采用STEP 7-MicroWIN SMART編程軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用MicroWIN的PID設(shè)置向?qū)гO(shè)計(jì)PLC控制器，回路數(shù)選擇LOOP0，采樣時(shí)間0.1s，過(guò)程變量標(biāo)定單極，過(guò)程變量與回路設(shè)定值設(shè)置下限0對(duì)應(yīng)0，上限27648對(duì)應(yīng)27648，回路輸出標(biāo)定方式類(lèi)型為模擬量，單極，上下限分別為0和27648，不啟用上下限報(bào)警，子例程命名為PID_Ctrl，點(diǎn)擊生成完成PID向?qū)гO(shè)置。在main程序中調(diào)用PID_Ctrl，將PV_I段利用VD0與數(shù)學(xué)模型“OPC Write”端相連接，輸入模型實(shí)時(shí)溫度，將Output利用VD4與“OPC Read”端相連接，輸出實(shí)時(shí)控制信號(hào)。運(yùn)行整個(gè)半實(shí)物仿真平臺(tái)（運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)運(yùn)行PC Access軟件OPC Server后再運(yùn)行Simulink軟件），修正調(diào)節(jié)比例、積分、微分參數(shù)，半實(shí)物仿真平臺(tái)穩(wěn)定運(yùn)行，控制效果良好。使用Simulink Scope示波器采集實(shí)時(shí)溫度調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)，可得溫度調(diào)節(jié)結(jié)果如圖4所示。

4? 結(jié)論

本文分析了步進(jìn)式加熱爐爐溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用機(jī)理建模的數(shù)學(xué)建模方法建立了加熱爐一加熱段爐溫控制的數(shù)序動(dòng)態(tài)模型，結(jié)合西門(mén)子200SmartPLC控制器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了即熱爐爐溫控制半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行結(jié)果顯示，PLC硬件控制器與模型計(jì)算機(jī)控制模型通信效果良好，控制器可以實(shí)時(shí)對(duì)控制模型進(jìn)行監(jiān)視與控制，爐溫的在控制器的調(diào)節(jié)下穩(wěn)定的跟隨爐溫的設(shè)定值，控制效果良好。

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