祁學鵬

摘要：課題以某鋼廠高線加熱爐為研究對象，使用Matlab數(shù)學仿真軟件建立步進式加熱爐溫度控制仿真模型，使用西門子200Smart PLC建立實物控制系統(tǒng)，并使用S7-200 PC Access Smart OPC服務器實現(xiàn)了仿真模型與實物平臺的通信，建立了步進式加熱爐溫度控制半實物仿真平臺，為高級加熱爐溫度高級控制方法的研究提供基礎平臺。

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.

關鍵詞：步進式加熱爐;PLC;半實物仿真

0? 引言

步進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，在冶金行業(yè)中得到廣泛應用。對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，實現(xiàn)加熱爐溫度的最優(yōu)控制，采用更加高級的控制算法精準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

加熱爐爐體共設有1個上部加熱段、1個下部加熱段;2個上部均熱段（左、右），2個下部均熱段（左、右）等6個供熱段，對于溫度的自動控制過程主要集中在上、下兩個加熱段[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，將爐溫設定值和溫度變送器實時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)設定煤氣控制流量設定值，并采用雙交叉限幅的控制方法不斷修正實時傳遞給煤氣空氣流量控制器的設定值參數(shù)，煤氣控制控制器根據(jù)設定值及采樣得到的煤氣空氣流量自動對氣體流量調(diào)節(jié)閥進行調(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? 爐溫動態(tài)數(shù)學模型

加熱爐爐溫控制現(xiàn)場條件復雜，爐溫控制受制因素較多，模型計算以加熱爐爐溫控制均勻穩(wěn)定為前提將現(xiàn)場條件歸結(jié)為三類：①供熱因素，為加熱爐爐溫控制主要因素，包含燃氣熱值、空氣流量、燃氣氣流量、空燃比、燃氣燃燒效率、廢氣排出速率等。②鋼坯因素，包含鋼坯種類、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象，假設進入加熱爐的燃氣均可以充分燃燒，可以建立一加熱段加熱爐動態(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）為實時爐溫，Qp，a為預熱段空氣帶來的熱量，Qp，g為預熱段混合煤氣帶來的熱量，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）為煤氣實時流量。

考慮到爐體穩(wěn)定生產(chǎn)過程中預熱段空氣、煤氣帶來的熱量及廢氣、爐壁、鋼坯耗散的熱量將在長時間保持在一個穩(wěn)定值，將各熱量因素使用一個總值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態(tài)數(shù)學模型為：

3? 爐溫控制半實物仿真平臺

3.1 半實物仿真平臺內(nèi)部通信

本文中采用西門子S7-200 PC Access Smart 軟件構建OPC服務器平臺，使用內(nèi)置于Simulink仿真軟件的OPC工具庫搭建Matlab數(shù)學仿真模型客戶平臺，同時利用Profinet通信技術將實物200smartPLC與OPC服務器通信，共同完成了半實物仿真平臺的通信。半實物仿真平臺內(nèi)部通信方式如圖2所示。

3.2 Matlab數(shù)學仿真模型平臺

Matlab數(shù)學仿真模型平臺主要運用Matlab軟件Simulink組件下各功能庫和OPC工具箱進行開發(fā)，將爐溫控制動態(tài)數(shù)學模型進行拉氏變換并代入加熱爐現(xiàn)場采集的各種參數(shù)，最終建立了Matlab數(shù)學仿真平臺如圖3所示。

平臺中“OPC Configuration”負責設置“OPC client manager”將localhost與S7200SMART.OPCServer對應連接?！癘PC Read”將實物PLC控制器的控制參數(shù)讀取至數(shù)學仿真平臺，通信Items為OPC server上對應的參數(shù)，通訊模式選擇同步，采樣時間0.5，數(shù)據(jù)類型double?！癘PC Write”將仿真模型的實時溫度反饋給PLC控制器，Items對應相連，通信模式選擇同步方式，采樣時間設置為0。

3.3 PLC控制系統(tǒng)設計

PLC實物選用200Smart ST40，控制系統(tǒng)采用STEP 7-MicroWIN SMART編程軟件進行設計，使用MicroWIN的PID設置向?qū)гO計PLC控制器，回路數(shù)選擇LOOP0，采樣時間0.1s，過程變量標定單極，過程變量與回路設定值設置下限0對應0，上限27648對應27648，回路輸出標定方式類型為模擬量，單極，上下限分別為0和27648，不啟用上下限報警，子例程命名為PID_Ctrl，點擊生成完成PID向?qū)гO置。在main程序中調(diào)用PID_Ctrl，將PV_I段利用VD0與數(shù)學模型“OPC Write”端相連接，輸入模型實時溫度，將Output利用VD4與“OPC Read”端相連接，輸出實時控制信號。運行整個半實物仿真平臺（運行過程中應運行PC Access軟件OPC Server后再運行Simulink軟件），修正調(diào)節(jié)比例、積分、微分參數(shù)，半實物仿真平臺穩(wěn)定運行，控制效果良好。使用Simulink Scope示波器采集實時溫度調(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

本文分析了步進式加熱爐爐溫控制系統(tǒng)結(jié)構，采用機理建模的數(shù)學建模方法建立了加熱爐一加熱段爐溫控制的數(shù)序動態(tài)模型，結(jié)合西門子200SmartPLC控制器設計開發(fā)了即熱爐爐溫控制半實物仿真實驗平臺。半實物仿真實驗平臺運行結(jié)果顯示，PLC硬件控制器與模型計算機控制模型通信效果良好，控制器可以實時對控制模型進行監(jiān)視與控制，爐溫的在控制器的調(diào)節(jié)下穩(wěn)定的跟隨爐溫的設定值，控制效果良好。

參考文獻：

[1]胡玲艷.步進梁加熱爐爐溫綜合優(yōu)化控制策略研究[D].大連海事大學，2017.

[2]蘇兩河，陳重洪.步進式加熱爐溫度控制系統(tǒng)設計[J].煤炭技術， 2016，36（9）：267-268.

[3]岳忠.步進式加熱爐電氣控制方式的研究與應用[J].機械工程與自動化，2016，2（1）：181-182.

[4]鐘新建，李建華，張南風.雙交叉限幅混合燃燒控制系統(tǒng)在CSP中的應用[J].中國冶金，2013，23（9）：37-40.

[5]徐立云，張斌，王景成，等.基于動態(tài)數(shù)學模型的冶金加熱爐實時仿真器的研究[J].控制與決策，2002，17（2）：207-210.