专利名称：随高炉风温变化而改变热风炉燃烧节奏的自动控制系统的制作方法
技术领域：
本发明属于高炉热风炉自动控制技术领域，特别涉及一种基于高炉风温操作变化而改变热风炉燃烧节奏的自动控制系统。
背景技术：
热风炉是高炉冶炼系统的重要组成部分，它承担着为高炉提供热风的重要任务。由于燃烧过程的复杂性以及工艺设备的局限性，热风炉自动燃烧一直成为人们研究的热点。尤其在数学模型与人工智能理论得到广泛应用以后，热风炉自动燃烧先后出现了基于最佳空燃比的模糊控制系统、基于专家系统的燃烧控制系统、废气残氧量的自组织模糊控制系统、基于实例库的一种热风炉协调控制系统。所有这些研究只针对热风炉自动燃烧过 程，然而高炉风温的变化又对热风炉控制目标提出了新的要求，虽然热风炉与高炉是两个相对独立的工艺系统，由于风温需求的关系，使得高炉与热风炉又紧密的联系在一起，热风炉燃烧过程的好坏直接决定其为高炉的供风能力，高炉炉况的变化迫使对风温的动态调整。如何将高炉的风温调节过程，及时、动态、自动的传递给热风炉，使热风炉的自动燃烧节奏跟随高炉的变化，这就是本发明探讨的一种随高炉风温变化而改变热风炉燃烧节奏的自动控制系统。该系统需要解决两个方面的问题，I、热风炉自动燃烧的问题；2、热风炉燃烧节奏动态控制的问题。通过模糊控制理论、专家知识库及专家推理、自动寻优等方法来实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种随高炉风温变化而改变热风炉燃烧节奏的自动控制系统，使热风炉的燃烧节奏及时动态的跟随高炉风温的变化，提高高炉和热风炉的整体效益。本发明从解决燃烧过程的自动控制，燃烧节奏的动态改变，实现无人干预入手，采用专家系统和模糊控制相结合的方法，实现热风炉燃烧过程的全自动控制。本发明可应用于高炉内燃式或者顶燃式热风炉，由空气、煤气调节阀及切断阀、PLC控制器、工控机及智能控制软件四部分组成，其连接关系如图5，智能控制软件安装在工控机内，工控机通过以太网或工业控制总线与PLC控制器相连，PLC控制器通过信号线与空气、煤气调节阀及切断阀相连。空气、煤气调节阀的作用是控制空气或煤气的流量；PLC控制器的作用是收集煤气、空气压力及流量信息，实现逻辑连锁及保护等功能，同时输出给定阀位来控制调节阀的动作；工控机作为智能控制软件的硬件载体，从PLC控制器中采集煤气压力、空气压力、煤气流量、空气流量及煤气调节阀信号、空气调节阀信号，通过智能控制软件算出适当的阀位，下发到PLC控制器中。智能控制软件是本发明的核心，承载着在外部条件(高炉风温、煤气热值等)发生变化的情况下，实现燃烧过程的自动控制，通过专家知识库及模糊控制策略来控制空气和煤气调节阀的开度，达到热风炉的燃烧节奏跟随高炉风温变化的目的。智能控制软件主要包括数据通讯、用户界面及控制策略三部分，数据通讯完成从PLC中数据采集及将控制信号下发到PLC的任务；用户界面实现人机互动的目的，完成参数修改及实时监控；控制策略完成系统在不同的条件下给出不同的操作指令的目的，主要包括燃烧前最佳燃烧参数的确定和正常燃烧过程控制两个阶段。燃烧前最佳燃烧参数的确定包括以下步骤( I)高炉风温监测与处理对高炉风温进行实时、动态地监测，根据其变化情况，进行有效的量化和模糊化处理，为专家知识库提供科学的决策依据。(2)专家知识库建立根据量化后的风温变化，利用专家知识库，提供控制热风炉燃烧节奏的最佳参数，包括燃烧时间、送风时间、烟道温度、拱顶温度；根据专家经验和模糊化处理，将高炉常用风温分为若干个档次；根据不同档次的风温，分别计算烟道温度、拱顶温度、燃烧时间、送风时间；建立风温、燃烧时间、送风时间、烟道温度、拱顶温度的专家知识库； 实时监测现场风温的变化情况，经过模糊化处理以后，通过专家知识库能够得到控制燃烧节奏的合理参数。(3)根据历史数据自动寻找最佳的空燃比、煤气流量和空气流量，作为热风炉自动燃烧的初始设定值；正常燃烧过程控制阶段包含以下步骤(4)点火过程调节阀初始阀位的确定，调节阀初始阀位过大或过小都不利于点火成功，系统实时跟踪流量及阀位的变化，参考(3)获得的调节阀初始阀位，根据专家经验动态获得合理的点火调节阀初始阀位，在安全监测模块未出现异常的情况下，进行点火操作；点火阀位参考(3)获得的调节阀初始阀位，根据专家经验动态获得，达到点火顺利同时平稳过渡到热风炉初始燃烧状态的目的。点火过程中，各阀的实际动作和煤气、空气流量的变化是我们监测的重点，开发了一套专门的点火安全监测与控制程序，固化在PLC控制器中，按照先开空气调节阀后开煤气调节阀的原则，如果空气调节阀出现故障，没有开到指定的位置就开煤气调节阀，可能发生煤气爆炸，因此安全监测与控制程序就会自动报警提示用户并切断煤气调节阀，防止意外事故的发生。点火成功后，过渡到通过(3)获得的调节阀初始阀位，开始进入热风炉快速升温的自动燃烧阶段；(5)点火成功后按照专家知识库确定的热风炉控制参数进行自动燃烧，等待燃烧进入稳定状态，系统选择拱顶温度作为寻优空燃比的依据，根据拱顶温度的实际变化情况，启动寻优空燃比过程；(6)在燃烧过程进入稳定状态后，高炉风温没有变化的条件下，系统开始热风炉燃烧节奏的控制，采用模糊控制的方法，根据目标废气温度与当前废气温度差及剩余燃烧时间来计算热风炉的目标控制速率与初始计算的标准控制速率进行比较，根据比较结果快速修正燃料供给来控制燃烧节奏；根据烟道温度、燃烧时间，热风炉燃烧特性，将热风炉燃烧过程分为三个阶段，分别为快速升温期、稳定燃烧期及饱和期；根据三个阶段的特性，分配三个阶段的燃烧参数，同时计算每个阶段的目标速率，作为控制燃烧节奏的标准；
根据当前烟道温度与阶段目标烟道温度之差及距离阶段结束剩余燃烧时间来计算需要控制的燃烧速率；根据阶段目标速率与实际需要控制的燃烧速率比较结果，来快速修正燃料供给，控制燃烧节奏；(7)在高炉风温发生变化的条件下，启动高炉风温监测与处理模块，通过专家决策过程来控制燃烧节奏；当风温发生变化时，启动风温监测与处理过程，形成专家知识库所需要的条件；查找专家知识库，获得燃烧节奏控制主要参数，燃烧时间及烟道温度；获取本次燃烧时间，确定当前燃烧所处的阶段；在获取上述参数的基础上,通过专家决策过程,采取相应的控制策略。 (8)燃烧过程的安全监测与控制，在设备故障或操作不当的情况下，导致空燃比失调，有爆炸或者设备烧坏的危险，所以热风炉自动燃烧系统中，安全监测与控制是极其重要的，其措施主要是监测煤气压力、流量、空气压力流量、空燃比、阀位等等，一旦出现异常采取报警或停烧等措施；(9)异常控制模块自动燃烧过程中会出现很多异常现象，必须有比较完备的异常控制模块才能使自动燃烧正常进行。发生调节阀阀位处于极限位置，而实际的流量仍然没有达到设定值时，系统自动按照标准的空燃配比对流量进行重新折算，保证燃烧过程稳定，当异常状态消除后，则自动恢复正常的燃烧状态；当拱顶温度超出设定值时，启动顶温保护程序，防止顶温过高而损坏设备；( 10)当系统需要完成手自动切换时，通过手自动控制程序，实现无扰动切换。本发明的优点在于，解决了热风炉自动燃烧的问题及热风炉燃烧节奏动态控制的问题。通过模糊控制理论、专家知识库及专家推理、自动寻优等方法来实现。
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步说明。图I为本发明具体实施的功能模块关系图。图2为本发明具体实施的投入燃烧过程的总体流程图。图3为本发明具体实施的寻优最佳配比的控制流程图。图4为本发明具体实施的燃烧节奏的控制流程图。图5为本发明具体实施的系统控制流程图。
具体实施例方式本发明提出的一种基于高炉风温操作变化而改变热风炉燃烧节奏的控制系统，应用了专家系统和模糊控制理论，结合附图和实例详细说明如下本实施例选用的高炉热风炉的主要参数为高炉容积5500m3热风炉个数4个燃烧制度两烧两送
热风炉类型顶燃式燃料类型高炉煤气燃烧周期120min废气温度的最高值450°C该系统可以分为燃烧前最佳燃烧参数的确定阶段和正常燃烧过程控制阶段两个阶段。总体控制的流程图如图I所示。( I)高炉风温监测与处理对高炉风温进行实时、动态地监测，根据其变化情况，进行有效的量化和模糊化处理，为专家知识库提供科学的决策依据。(2)专家知识库建立根据量化后的风温变化，利用专家知识库，提供控制热风炉燃烧节奏的最佳参数，包括燃烧时间、送风时间、烟道温度、拱顶温度；·根据专家经验和模糊化处理，将高炉常用风温分为若干个档次；根据不同档次的风温，分别计算拱顶温度、燃烧时间、送风时间；建立风温、燃烧时间、送风时间、烟道温度、拱顶温度的专家知识库；实时监测现场风温的变化情况，经过模糊化处理以后，通过专家知识库能够得到控制燃烧节奏的合理参数。(3)根据历史数据自动寻找最佳的空燃比、煤气流量和空气流量，作为热风炉自动燃烧的初始设定值；正常燃烧过程控制阶段包含以下步骤(4)点火过程调节阀初始阀位的确定，调节阀初始阀位过大或过小都不利于点火成功，系统实时跟踪流量及阀位的变化，参考(3)获得的调节阀初始阀位，根据专家经验动态获得合理的点火调节阀初始阀位，在安全监测模块未出现异常的情况下，进行点火操作；点火阀位参考(3)获得的调节阀初始阀位，根据专家经验动态获得，达到点火顺利同时平稳过渡到热风炉初始燃烧状态的目的。点火过程中，各阀的实际动作和煤气、空气流量的变化是我们监测的重点，开发了一套专门的点火安全监测与控制程序，防止意外事故的发生。点火成功后，过渡到通过(3)获得的调节阀初始阀位，开始进入热风炉快速升温的自动燃烧阶段；(5)点火成功后按照专家知识库确定的热风炉控制参数进行自动燃烧，等待燃烧进入稳定状态，系统选择拱顶温度作为寻优空燃比的依据，根据拱顶温度的实际变化情况，启动寻优空燃比过程；(6)在燃烧过程进入稳定状态后，高炉风温没有变化的条件下，系统开始热风炉燃烧节奏的控制，采用模糊控制的方法，根据目标废气温度与当前废气温度差及剩余燃烧时间来计算热风炉的目标控制速率与初始计算的标准控制速率进行比较，根据比较结果快速修正燃料供给来控制燃烧节奏；根据烟道温度、燃烧时间，热风炉燃烧特性，将热风炉燃烧过程分为三个阶段，分别为快速升温期、稳定燃烧期及饱和期；根据三个阶段的特性，分配三个阶段的燃烧参数，同时计算每个阶段的目标速率，作为控制燃烧节奏的标准；
根据当前烟道温度与阶段目标烟道温度之差及距离阶段结束剩余燃烧时间来计算需要控制的燃烧速率；根据阶段目标速率与实际需要控制的燃烧速率比较结果，来快速修正燃料供给，控制燃烧节奏；(7)在高炉风温发生变化的条件下，启动高炉风温监测与处理模块，通过专家决策过程来控制燃烧节奏；当风温发生变化时，启动风温监测与处理过程，形成专家知识库所需要的条件；查找专家知识库，获得燃烧节奏控制主要参数，燃烧时间及烟道温度；获取本次燃烧时间，确定当前燃烧所处的阶段；在获取上述参数的基础上,通过专家决策过程,采取相应的控制策略。(8)燃烧过程的安全监测与控制，在设备故障或操作不当的情况下，导致空燃比失调，有爆炸或者设备烧坏的危险，所以热风炉自动燃烧系统中，安全监测与控制是极其重要的，其措施主要是监测煤气压力、流量、空气压力流量、空燃比、阀位等等，一旦出现异常采取报警或停烧等措施；
(9)异常控制模块自动燃烧过程中会出现很多异常现象，必须有比较完备的异常控制模块才能使自动燃烧正常进行。发生调节阀阀位处于极限位置，而实际的流量仍然没有达到设定值时，系统自动按照标准的空燃配比对流量进行重新折算，保证燃烧过程稳定，当异常状态消除后，则自动恢复正常的燃烧状态；当拱顶温度超出设定值时，启动顶温保护程序，防止顶温过高而损坏设备；(10)当系统需要完成手自动切换时，通过手自动控制程序，实现无扰动切换。
权利要求
1.一种随高炉风温变化而改变热风炉燃烧节奏的自动控制系统，应用于高炉内燃式或者顶燃式热风炉，其特征在于，该系统由空气、煤气调节阀、PLC控制器、工控机及智能控制软件四部分组成，智能控制软件安装在工控机内，工控机通过以太网或工业控制总线与PLC控制器相连，PLC控制器通过信号线与空气、煤气调节阀及切断阀相连；空气、煤气调节阀的作用是控制空气或煤气的流量；PLC控制器的作用是收集煤气、空气压力及流量信息，实现逻辑连锁及保护功能，同时输出给定阀位来控制调节阀的动作；工控机作为智能控制软件的硬件载体，从PLC控制器中采集煤气压力、空气压力、煤气流量、空气流量及煤气调节阀信号、空气调节阀信号，通过智能控制软件算出适当的阀位，下发到PLC控制器中，智能控制软件承载着在外部条件发生变化的情况下，实现燃烧过程的自动控制，通过专家知识库及模糊控制策略来控制空气和煤气调节阀的开度，达到热风炉的燃烧节奏跟随高炉风温变化的目的；外部条件包括高炉风温、煤气热值； 智能控制软件包括数据通讯、用户界面及控制策略三部分，数据通讯完成从PLC中数据采集及将控制信号下发到PLC的任务；用户界面实现人机互动的目的，完成参数修改及实时监控；控制策略完成系统在不同的条件下给出不同的操作指令的目的，主要包括燃烧前最佳燃烧参数的确定和正常燃烧过程控制两个阶段。
2.根据权利要求I所述的系统，其特征在于， 所述的燃烧前最佳燃烧参数的确定包括以下步骤 (1)高炉风温监测与处理对高炉风温进行实时、动态地监测，根据其变化情况，进行有效的量化和模糊化处理，为专家知识库提供科学的决策依据； (2)专家知识库建立根据量化后的风温变化，利用专家知识库，提供控制热风炉燃烧节奏的最佳参数，包括燃烧时间、送风时间、烟道温度、拱顶温度； 根据专家经验和模糊化处理，将高炉常用风温分为若干个档次； 根据不同档次的风温，分别计算烟道温度、拱顶温度、燃烧时间、送风时间； 建立风温、燃烧时间、送风时间、烟道温度、拱顶温度的专家知识库； 实时监测现场风温的变化情况，经过模糊化处理以后，通过专家知识库能够得到控制燃烧节奏的合理参数； (3)根据历史数据自动寻找最佳的空燃比、煤气流量和空气流量，作为热风炉自动燃烧的初始设定值。
所述的正常燃烧过程控制包含以下步骤 (4)点火过程调节阀初始阀位的确定，调节阀初始阀位过大或过小都不利于点火成功，系统实时跟踪流量及阀位的变化，参考(3)获得的调节阀初始阀位，根据专家经验动态获得合理的点火调节阀初始阀位，在安全监测模块未出现异常的情况下，进行点火操作； 点火阀位参考(3)获得的调节阀初始阀位，根据专家经验动态获得，达到点火顺利同时平稳过渡到热风炉初始燃烧状态的目的； 点火过程中，各阀的实际动作和煤气、空气流量的变化是我们监测的重点，开发了一套专门的点火安全监测与控制程序，固化在PLC控制器中，防止意外事故的发生； 点火成功后，过渡到通过(3)获得的调节阀初始阀位，开始进入热风炉快速升温的自动燃烧阶段； (5)点火成功后按照专家知识库确定的热风炉控制参数进行自动燃烧，等待燃烧进入稳定状态，系统选择拱顶温度作为寻优空燃比的依据，根据拱顶温度的实际变化情况，启动寻优空燃比过程； (6)在燃烧过程进入稳定状态后，高炉风温没有变化的条件下，系统开始热风炉燃烧节奏的控制，采用模糊控制的方法，根据目标废气温度与当前废气温度差及剩余燃烧时间来计算热风炉的目标控制速率与初始计算的标准控制速率进行比较，根据比较结果快速修正燃料供给来控制燃烧节奏； 根据烟道温度、燃烧时间，热风炉燃烧特性，将热风炉燃烧过程分为三个阶段，分别为快速升温期、稳定燃烧期及饱和期； 根据三个阶段的特性，分配三个阶段的燃烧参数，同时计算每个阶段的目标速率，作为控制燃烧节奏的标准；根据当前烟道温度与阶段目标烟道温度之差及距离阶段结束剩余燃烧时间来计算需要控制的燃烧速率； 根据阶段目标速率与实际需要控制的燃烧速率比较结果，来快速修正燃料供给，控制燃烧节奏； (7)在高炉风温发生变化的条件下，启动高炉风温监测与处理模块，通过专家决策过程来控制燃烧节奏； 当风温发生变化时，启动风温监测与处理过程，形成专家知识库所需要的条件； 查找专家知识库，获得燃烧节奏控制主要参数，燃烧时间及烟道温度； 获取本次燃烧时间，确定当前燃烧所处的阶段； 在获取上述参数的基础上，通过专家决策过程，采取相应的控制策略； (8)燃烧过程的安全监测与控制，在设备故障或操作不当的情况下，导致空燃比失调，有爆炸或者设备烧坏的危险，所以热风炉自动燃烧系统中，安全监测与控制是极其重要的，其措施是监测煤气压力、流量、空气压力流量、空燃比、阀位等等，一旦出现异常采取报警或停烧等措施； (9)异常控制模块自动燃烧过程中会出现很多异常现象，必须有比较完备的异常控制模块才能使自动燃烧正常进行； 发生调节阀阀位处于极限位置，而实际的流量仍然没有达到设定值时，系统自动按照标准的空燃配比对流量进行重新折算，保证燃烧过程稳定，当异常状态消除后，则自动恢复正常的燃烧状态； 当拱顶温度超出设定值时，启动顶温保护程序，防止顶温过高而损坏设备； (10)当系统需要完成手自动切换时，通过手自动控制程序，实现无扰动切换。
全文摘要
一种随高炉风温变化而改变热风炉燃烧节奏的自动控制系统，属于高炉热风炉自动控制技术领域。由空气、煤气调节阀、PLC控制器、工控机及智能控制软件四部分组成。空气、煤气调节阀的作用是控制空气或煤气的流量；PLC控制器是收集煤气、空气压力及流量信息，实现逻辑连锁及保护，同时输出给定阀位来控制调节阀的动作；工控机作为智能控制软件的硬件载体，从PLC控制器中采集煤气压力、空气压力、煤气流量、空气流量及煤气调节阀信号、空气调节阀信号，通过智能控制软件算出适当的阀位，下发到PLC控制器中，智能控制软件是本发明的核心，承载着在外部条件发生变化的情况下，实现燃烧过程的自动控制。优点在于，解决了热风炉自动燃烧及热风炉燃烧节奏动态控制的问题。
文档编号C21B9/00GK102888479SQ201210406348
公开日2013年1月23日 申请日期2012年10月23日 优先权日2012年10月23日
发明者周检平, 张贺顺, 王晓朋, 任立军, 王洪庚, 苏殿昌, 霍吉祥, 陈军, 王有良, 张铁志, 甄昆泰, 黄俊杰, 刘原 申请人:北京首钢自动化信息技术有限公司, 首钢京唐钢铁联合有限责任公司