马弗炉钢丝热处理的计算机控制及仿真

D0I:10.13374/i.issm1001053x.2003.05.0M5 第25卷第5期 北京科技大学学报 Vol.25N0.5 2003年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2003 马弗炉钢丝热处理的计算机控制及仿真 杨晶王立童莉葛王勇 北京科技人学机械学院，北京100083 摘要开发了一种用于钢丝热处理过程的自动控制系统和相应的模拟系统.控制系统山 控机和可编程逻辑控制器(PLC)组成.控制系统软件包括组态程序、加热模型程序、PLC逻 辑控制程序和数据作，该控制系统可以根据产地、产品规格和工艺要求控制马弗炉和铅浴炉 的温度，或调整钢丝的拉迷以适应当前马弗炉的温度，获得最佳热处理效果和产量.模拟系 统包括模拟软件，燃烧数学模型软件和两块数据采集卡， 关键词热处理：钢丝：白动控制：模拟仿真：马弗炉 分类号TP230 在钢丝的生产流程中，热处理是一个相当重 进行控制，但缺点是内存较小、计算能力不强 要的工艺过程，它对钢丝成品的质量有着重要的 工控机恰好具有PLC所不具备的优点：它具有人 影响).传统钢丝马弗炉所能加热的钢丝直径比 机交互界面和很强的计算能力，可以方便地求解 較固定，如果钢丝直径变化较大，在马弗炉作 复杂的数学模型.由亚控公司开发的组态软件 制度·定的情况下，钢丝出炉时的温度就会有较 “组态王”(Kingview)运行于工控机上.亚控公司 大偏差，钢丝内晶体组织就达不到规定的要求， 提供了该软件与西门子公司的PLCSP7-200的/ 从而影响钢丝的质量水平和生产效率，本文开发 O接口驱动器程序，使两者的优点可以结合 了适用于马弗炉一铅浴钢丝热处理工艺的自动控 起来， 制系统Muffle1..0.考虑到控制系统的适应性和应 当使用仿真系统代替受控对象时，PLC的输 用开发速度，本文还开发了与之相适应的仿真软 出通道接在由两块台湾凌华公司生产的PCI9118 件模拟现场设备的运行，以实现控制系统的离线 HG数据采集卡组成的仿真硬件对应的输入通道 控制，检测控制系统的控制效果.该软件用当前 上，PLC的输入通道接在仿真硬件对应的输出通 比较流行的开发软件Delphi作为开发平台，并使 道上.T控机和PLC之间通过~根带有RS232/ 用了凌华公司开发的基于ActiveX技术的组态控 RS485转换功能的PPI电缆进行通信，工控机~ 件，经验参数存储和物性计算时采用了Microsoft 方面可以通过组态软件的驱动程序读取PLC内 公可的SQL Server7.0作为数据库支持. 存中的变量信息(PLC发送给设备的控制信息和 计算机 1系统体系结构 PPI电缆 输出 PLC Muffle1.0控制的示意图如图1所示.h两块 数据采集卡来模拟被控设备的运行，为了结合 输入 装汽 PLC和微型计算机的优点，Muffle1.0控制系统采 装置2 装置3 州了上位机和下位机进行分级控制，工控机为上 位机，PLC为下位机.PLC运行时很稳定，比较容 马弗炉和浴炉 温度 易接收和输出数字量、模拟量，对继电器等硬件 传感器 收稿1期2002-11-22杨品女，41岁，刷我投 图1控制系统示意图 *教行部科学技术[究重点项目(No,00020) Fig.1 Schematic of the control system

第 2 5 卷 第 5 期 2 0 0 3 年 1 0 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s i ty o f S e i e n o e a n d eT c h n o of gy B e ij i n g V 匕1 . 2 5 N o . 5 O C t . 2 0 0 3 马弗炉钢丝热处理 的计算机控制及仿真 杨 晶 王 立 童莉 葛 王 勇 北 京科技 大学 机械 学院 , 北 京 10 0 0 8 3 摘 要 开 发 了 一 种用 于钢 丝 热处理 过程 的 自动 控制 系统 和相 应 的模 拟 系统 . 控制 系统 由 l _ 控机 和 可 编程 逻 辑控制 器 (P L C ) 组 成 . 控 制系 统软 件包 括组 态程 序 、 加 热模 型程 序 、 P L C 逻 辑 控制 程序 和数 据库 . 该控 制系 统 可 以根 据产 量 、 产 品规格 和工 艺要求 控制 马 弗炉和 铅浴 炉 的温 度 , 或 调整 钢丝 的拉 速 以适应 当前马 弗炉 的温度 , 获得最 佳 热处 理效 果和产 量 . 模拟 系 统 包括 模拟 软 件 , 燃 烧数 学模 型 软件和 两 块数 据采 集卡 . 关键词 热 处 理 ; 钢 丝 ; 白动 控制 ; 模拟 仿真 : 马 弗炉 分类号 T P 2 3 0 在 钢 丝 的生 产流 程 中 , 热 处理 是 一个 相 当重 要 的工 艺 过程 , 它对 钢 丝成 品 的质 量有着 重 要 的 影响 l ’ , ” . 传统 钢 丝 马弗 炉所 能加 热 的钢 丝 直 径 比 较 固定 , 如果钢 丝 直 径变 化 较大 , 在 马 弗炉 工 作 制度 1 定 的情 况 下 , 钢 丝 出炉 时 的温度 就会 有 较 大偏 差 , 钢 丝 内晶体 组 织 就达 不 到规 定 的要求 , 从而 影 响钢 丝 的质量 水 平 和生产 效 率 . 本 文开 发 了适用 于 马弗 炉一 铅浴 钢 丝 热 处理 工 艺 的 自动 控 制 系统 M u fn e l . O . 考虑 到控 制 系 统 的适 应性 和 应 用 开发速 度 , 本 文还 开发 了与 之相 适应 的仿真 软 件 模拟现 场 设 备 的运 行 , 以实现控 制 系统 的 离线 控 制 , 检测 控 制 系统 的控制 效 果 . 该软 件 用 当前 比 较 流行 的开 发 软件 D e lP hi 作 为 开 发平 台 , 并使 用 了凌华 公 司开 发 的基 于 A ct i ve X 技术 的组 态控 件 , 经验 参 数 存储 和 物性 计 算 时采 用 了M i er os o ft 公 司 的 SQL S e vr er 7 . 0 作 为 数据 库 支 持 , 进行 控 制 , 但 缺 点是 内存较 小 、 计 算 能 力不 强`3] . 工控 机恰 好 具有 P L C 所 不具 备 的优 点 : 它具 有人 机交 互界 面 和很 强 的计算 能力 , 可 以方便地 求解 复 杂 的数 学模 型 ’ 41 . 由亚 控 公 司开 发 的组 态软 件 “ 组态 王 ” ( iK n vg ie w ) 运 行 于工 控 机 上 . 亚控 公 司 提 供 了该 软件 与 西 门子 公 司 的 P L C S P 7一 2 0 的 I/ O 接 口 驱 动 器 程 序 , 使 两 者 的 优 点 可 以 结 合 起 来 . 当使 用仿 真系统 代 替受 控 对象 时 , P L C 的输 出通道 接 在 由两块 台湾凌 华 公司 生产 的 PCI 9 1 18 H G 数据 采 集卡 组成 的仿真 硬件 对应 的输入 通道 上 , P L C 的输 入 通道 接 在 仿真 硬件 对 应 的输 出通 道 上 . 工 控 机 和 P L C 之 间通 过 一 根 带有 R S 2 3 2/ R s 4 85 转 换 功 能 的 P PI 电缆 进行 通信 , 工 控 机 方 面可 以通 过 组 态 软件 的驱 动 程序 读 取 P L C 内 存 中的变 量信 息 ( P L C 发 送 给 设备 的控 制 信 息和 1 系统 体 系 结构 M u if el . 0 控 制 的示 意 图如 图 1 所 示 . 由两 块 数 据 采 集 卡 来模 拟 被 控 设 备 的运 行 . 为 了结 合 P L C 和 微 型 计算 机 的优 点 , M u m e l . 0 控 制 系统 采 用 了 卜位机 和 下位 机进 行 分 级控制 , l二控 机 为 上 位 机 , P L C 为下位 机 . P L C 运行 时 很稳 定 , 比 较 容 易接 收 和输 出数 字量 、 模 拟量 , 对 继 电器 等 硬件 收稿 1 期 2 0 02 一 1 一 2 杨 品 女 , 41 岁 , 副教授 * 教育 部科 学技 术研究 重 点项 目 ( N 以 00 0 2 0) 计算机 装置 1 装置 装置 3 2 马弗炉和铅浴炉 温度 传感器 图 1 控制 系统 示意 图 F ig . l S e h e m a t i e o f t h e e o n t r o l s y s t e m DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2003. 05. 045

Vol.25 No.5 杨品等：马弗炉钢丝热处理的计算机控制及仿真 ·463· 从现场采集的信号)，另一方面可以向PLC发出 + Fm人 指令，也就是改变PLC内存中变量的值来控制设 2= 1 Fb (6) 备的运行. a.Fad 本课题中软件由控制软件Mufflel.0和仿真 式中，G为产量，kg/h:n为钢丝根数：v为钢丝的拉 软件两大部分组成，其中控制软件部分又由四个 速，m/min:d为钢丝的直径，mm;L为炉子的有效 子部分组成：组态程序部分、加热模型求解部分、 长度，m:t为钢丝的加热时间，min:Z为单位加热 PLC逻辑控制程序部分和数据库.组态程序部分 时间，即td,min/m:t,为马弗砖外表面温度，℃：2 实现人机交互，可以监视设备的运行，设定工艺 为马弗砖内表面温度，℃：，”为钢丝加热开始和 参数：加热模型求解软件部分求解不同直径钢丝 终止的温度，℃：c为钢丝在和之间的平均比 在当前炉温制度下的加热时间，或者给定钢丝直 热，kJ/(kg℃)片K为马弗砖外表面被遮挡的系数， 径和产量校核马弗炉的工况：PLC逻辑控制程序 如被挡25%时则K=0.75:b为马弗砖平均传热厚 部分执行组态软件传送来的命令，对设备直接进 度，m:F为钢丝受热面积，m:F为马弗砖上、下 行控制并采集现场的数据：数据库用于存储工艺 传热面积之和，每个孔的传热面积等与孔距的2 参数和常用参数.程序之间的关系如图2所示. 倍，：Fm'为马弗孔向钢丝辐射传热的传热面，可 近似的认为与F相等，m:a为马弗砖对钢丝的综 合给热系数，以F,为基准，kJ(ms℃)：a,为马弗 组态程序 数据文件 求解加热 砖内表面对钢丝的辐射给热系数，以F为基准， 时间模型 PPI通讯 数据文件 kJ/(m2s·℃)：e,em为钢丝和马弗砖的黑度：，为 钢丝的温度，℃：1为马弗砖的导热系数，kW/ PLC程序 控制部分 (m℃). 数据库 对于给定的线材种类、产品规格、炉内温度 硬件界面 网络 分布，求解上述方程，可以求得钢丝的拉速及产 模拟程序 模拟部分 燃烧模型 量：反之，给定产品的种类、规格及产量可求出炉 子的温度， 图2控制软件结构示意图 铅锅与马弗炉紧密连接，钢丝从马弗炉出来 Fig.2 Relationship schematic between control and 以后马上进入铅液.铅锅的长度决定于钢丝在铅 simulating softwares 中等温转变所需的时间.有效在铅时间的经验公 2数学模型及其求解 式为： 0=2.3dt8(s) (7) 为了实现钢丝的加热控制，使钢丝的加热温 铅锅的长度应大于L=江，为钢丝的拉速.由于铅 度达到铅淬火工艺要求，必须建立和求解钢丝加 锅的最大长度是固定的，所以钢丝的最大拉速为 热数学模型.在对马弗炉热处理系统进行自动控 va=L/e(m/s). 制时，上位机根据实时的马弗炉炉温求解此模 此数学模型的求解程序在Delphi平台上编程 型，可以得到钢丝的最佳拉速， 完成.计算过程中所用的物性参数由后台的数据 21钢丝加热数学模型及其求解 库取出.求解钢丝加热模型的程序如图3所示， 钢丝加热的数学模型由下面的方程组成： 2.2燃烧模型 G=0.370ndL (1) 仿真模型实际是一个零维的燃烧模型，它描 G L 述了燃煤量、进风量和马弗炉炉温之间的关系， v-0.370nd (2) t=118dc 这样在进行离线控制时可以模拟电机设备的运 Ka -In (3) 行和马弗炉炉温的反馈.建立燃烧模型的目的是 a=1 F.b (4) 为了能够根据数据采集卡采集来的控制端发出 a FA 的电信号模拟现场设备动作，计算有多少燃料、 空气进入马弗炉进行燃烧反应，有多少钢丝通过 5.67 a=1F1-1 5) 马弗炉加热，最后通过计算得到马弗炉的炉温， 其数学模型由以下方程组成：

从) 1 . 2 5 N 0 . 5 杨 晶等 : 马 弗炉钢 丝 热处 理 的计 算机 控制 及 仿真 · 4 6 3 · 从现 场 采 集 的信 号 ) , 另 一 方面 可 以 向 P L C 发 出 指令 , 也 就 是改 变 P L C 内存 中变量 的值 来控 制 设 备 的运 行 . 本 课题 中软 件 由控制 软 件 M u if e 1 . 0 和 仿 真 软件 两 大部 分 组成 , 其 中控 制软 件 部分 又 由四个 子部 分组 成 : 组 态程 序 部分 、 加热 模 型求 解 部分 、 P L C 逻 辑 控制 程 序 部 分和 数 据库 . 组 态 程序 部 分 实现 人 机 交 互 , 可 以监 视设 备 的 运 行 , 设定 工 艺 参数 ; 加热 模 型求解 软 件 部分 求解 不 同直径 钢 丝 在 当前炉 温 制度 下 的加 热 时 间 , 或 者 给 定钢 丝直 径 和 产量 校 核 马 弗 炉 的工 况 ; P L C 逻 辑 控 制程 序 部分 执行 组 态软 件传 送 来 的命 令 , 对 设 备直 接进 行 控 制并 采集 现 场 的数 据 ; 数 据库 用 于存 储 工 艺 参 数 和 常用 参 数 . 程 序 之 间 的 关系 如 图 2 所 示 . 只 b . 乙 一 = 一二 乙 十 , 户, 式 -a , , , 、 八 = 写冥 ~ L。 , a s ’I m九 p 髻井箫 求解加热 组态程序 时间模型 P L C 程序 硬件界面 网络 匝盆协恤司丛应} 图 2 控 制 软件 结构 示 意 图 F ig . 2 R e l a t i o n s h i P s e h e m a t i e b e wt e e n c o n t r o l a n d s im u l a t i n g s o ft w a er s 2 数 学 模型 及 其 求 解 为 了实 现 钢丝 的加 热控 制 , 使钢 丝 的加 热 温 度达 到 铅淬 火 工 艺要求 , 必 须建 立和 求 解钢 丝 加 热数 学模 型 . 在对 马弗 炉 热处 理 系统 进 行 自动 控 制 时 , 上位 机 根 据 实 时 的 马 弗 炉 炉温 求解 此模 型 , 可 以得 到 钢 丝 的最 佳 拉 速 . .2 1 钢 丝 加 热数 学 模 型 及其 求 解 钢 丝加 热 的数 学模 型 由下 面 的方 程 组成 : 、z , 1 ,, 勺`,J `` 4 气了了 ` G 一 鱼业9丝丝 G L v = 正巧石元沪二 下 1 1 8dc , t 】一 ’st 丁 一 万而 m 万巧歹 l “ 一 耳辱互 {左叹2 3} L 1 0 0 ) 5 . 6 7 L 10 0 ) L 10 0 ) {竺竺旦丫 L 10 0 ) 1 . 只 ` 1 、 、 乙一 长 — 十- 二二二 , — 一 ! . ￡, 户加 ’ L ￡m 一 ) ( 5 ) 式 中 , G 为产 量 , k g / h ; n 为钢 丝 根 数 ; v 为钢 丝 的 拉 速 , m m/ in ; d 为钢 丝 的直 径 , m m ; L 为炉 子 的 有 效 长 度 , m ; : 为钢 丝 的加热 时 间 , m in ; Z 为单 位 加热 时 间 , 即r/ d , m i川m ; t 、为 马 弗砖 外 表 面温 度 , ℃ ; 人 为 马弗砖 内表 面温 度 , ℃ ; ’st, 扩为 钢丝 加 热开 始和 终止 的温度 , ℃ ; c 为钢 丝 在’st 和扩之 间 的平 均 比 热 , kJ (/ k g · ℃ ) ; K 为 马 弗砖 外 表 面 被遮 挡 的 系 数 , 如 被 挡 25 % 时则 K = .0 75 ; b 为 马 弗 砖 平均 传 热 厚 度 , m ; sF 为钢 丝 受热 面积 , m , ; mF 为 马 弗砖 上 、 下 传 热 面 积之 和 , 每 个 孔 的传 热 面 积 等 与孔 距 的 2 倍 , m , ; mF ,为 马弗 孔 向钢 丝辐 射 传热 的传热 面 , 可 近 似 的认 为与 mF 相 等 , 耐 ; a 为 马 弗砖对 钢 丝 的综 合 给 热 系数 , 以sF 为基 准 , kJ (/ m , · s · ℃ ) ; a , 为 马弗 砖 内表 面 对 钢 丝 的辐 射 给 热 系 数 , 以sF 为 基准 , kJ (/ m , · s · ℃ ) ; 矶 , 岛 为 钢 丝 和 马 弗 砖 的 黑 度 沐 为 钢 丝 的 温 度 , ℃ ; 几为 马 弗 砖 的 导 热 系 数 , k w/ (m · ℃ ) . 对 于给 定 的线材 种 类 、 产 品 规 格 、 炉 内温 度 分布 , 求 解 上述 方 程 , 可 以求得 钢 丝 的拉 速 及 产 量 ; 反之 , 给定 产 品 的种类 、 规格 及产 量 可求 出炉 子 的温度 . 铅 锅 与 马 弗炉 紧 密连 接 , 钢 丝 从 马 弗炉 出来 以后 马上 进 入铅 液 . 铅 锅 的长 度 决定 于钢 丝 在铅 中等温 转 变所 需 的 时 间 . 有效 在铅 时 间 的经 验公 式 为 l5] : 8 = 2 . 3 +d 8 ( s ) ( 7 ) 铅锅 的长 度 应 大 于 L 二 vr , 为 钢 丝 的拉 速 . 由于 铅 锅 的最 大长 度 是 固定 的 , 所 以钢 丝 的最 大 拉速 为 v m 。 、 = L /0 ( m / s ) . 此 数 学模 型 的求 解程 序 在 D el pih 平 台 上编程 完 成 . 计 算 过程 中所 用 的物性 参 数 由后 台 的数据 库 取 出 . 求 解 钢 丝 加热 模 型 的 程序 如 图 3 所 示 . .2 2 燃 烧模 型 仿真 模 型 实 际是 一 个 零维 的燃烧 模 型 , 它 描 述 了燃 煤 量 、 进 风 量和 马 弗 炉 炉温 之 间的 关系 , 这 样 在 进 行 离线 控 制 时可 以模 拟 电机 设 备 的运 行 和 马 弗炉 炉温 的反馈 . 建 立燃 烧模 型 的 目 的是 为 了能 够 根 据 数 据 采 集 卡 采 集 来 的 控 制 端 发 出 的 电信 号模 拟 现 场 设 备动 作 , 计 算 有 多 少燃 料 、 空气 进 入 马 弗炉 进 行燃 烧 反应 , 有 多少 钢丝 通过 马 弗 炉 加热 , 最 后 通 过计 算 得 到 马 弗炉 的炉温 . 其数 学模 型 由 以下方 程 组 成 :

·464· 北京科技大学学报 2003年第5期 (开始 2.=16 I(Tn-To)F (11) 局部段平均温度 aλa' 其中，a,a'分别为马弗炉炉墙内外侧的平均综合 设T,为该段的外表面温度· 换热系数（为简化起见假设为常数），6为炉墙的 设T:为该段的内表面温度 厚度，1为炉墙的导热系数，Tn,Tn分别为炉气和 环境的平均温度，F为马弗炉炉墙外表面积.联立 计算该段入口内表面辐射给热系数a: 公式(10)，(11)可以解得炉气的温度Tn,将此温度 计算该段入口内表面综合给热系数a 作为马弗炉炉温反馈给PLC. 计算该段入口内表面温度T: 3离线控制及其结果分析 T-k20 否 离线控制实验的主要目的是检测Mufflel.0 是 设该段出口内表面温度为T 自动控制的效果，进行离线控制的实验时，首先 开启24V电源，将PLC上的运行模式开关置于 计算该段出口内表面辐射给热系数a “RUN”模式，然后启动组态王软件运行Muf 计算该段出口内表面综合给热系数a, el.0,在另外一台工控机上运行仿真软件，登陆 章 进入Muffle1..0系统以后，转到自动控制模式，首 计算该段出口内表面温度a 先设置PID参数.由于离线控制和实际控制时控 Tn-7分<20 查 制的对象温度特性有一些区别，在仿真软件反馈 是 温度变化时，温度的变化不是连续的，而是阶跃 计算该段综合给热系数a, 式的变化，如果保留微分控制就会造成PID输出 ★ 计算该段出口内表面温度了 的控制值波动非常大，因此在实验时去掉了微分 控制，只保留了比例控制和积分控制.PID参数的 <T-k20 否 设置如下：设定值为0.369，也就是温度应该保持 是 在1600℃×0.369=590℃时炉温才算是稳定；积分 计算该段内钢丝加热所需时间 青 时间为50min,微分时间为0s,采样时间为1s,积 (结束) 分项前值设为015.设置好这些参数以后，就可 图3钢丝加热数学模型求解程序框图 以直接点击“运行”按钮，开始观察仿真软件反馈 Fig.3 Flowchart of the mathematical model for heating 回的温度情况，从马弗炉的自动升温曲线来看， the wire Mufflel..0的PID控制效果还是比较明显的.它 L=0.0902we+0.269wu,+0.338(ws-wo) (8) 采用上位机一下位机一设备的控制方式，通过仿 Ln=K;Lo (9) 真实验收到了良好的控制效果，克服了使用单片 式中，L。为完全燃烧时理论空气量，mkg:wc,wH, 机作为控制端时容易受到干扰和因计算机操作 w,wo为燃料中含碳、氢、硫、氧的质量分数：L为 系统可能死机而无法长时间对现场设备进行控 实际燃烧空气量，m'kg:k为空气过剩系数. 制的弊端. 为了描述马弗炉的炉温和燃煤量、空气过剩 系数、钢丝拉速之间的关系，本文假设在某一单 4结论 位时间内马弗炉鼓风机鼓入空气带入的热量和 本文研究了马弗炉中，钢丝进行热处理的过 煤燃烧产生的燃烧热之和为Q,烟气带走的热量 程和马弗炉燃料燃烧情况，确定了开发工业控制 为Q,钢丝吸收的热量为2，炉体散热量为Q,空 系统Muffle1..0以及仿真软件的总体方案，并相应 气过剩系数K不变时，任一时刻烟气带走的热量 与炉体的散热量之比为一常数受-化.则 地设计了这两套软件.在功能上，Muffle1.0有手 动和自动控制两种操作方式，并提供了后台数据 有： 库支持，使合适的操作参数可以记录下来供操作 e-但-eo0,-但-e+R) (10) 者参考

北 京 科 技 大 学 学 报 2 00 3 年 第 5 期 局部段平均温度 。 = 裂阵 ( 几 一 “ 冲 ( 11 ) 设T. 为该段 的外表面温度 设兀 ,为该段的内表面温度 计算该段入 口 内表面辐射给热系数 asl 计算该段入 口 内表面综合给热系数 a 其 中 , a, a 尸分 别 为 马 弗 炉 炉 墙 内外 侧 的平 均 综 合 换热 系 数 ( 为简 化起 见 假 设 为常 数 ) , 咨为炉 墙 的 厚 度 从为 炉 墙 的 导 热 系 数 , 几 ,几 分 别 为 炉 气 和 环境 的平 均温度 , F 为 马弗炉 炉 墙外表 面积 . 联立 公式 ( 10 ) , ( 11) 可 以解 得 炉气 的温 度 几 , 将 此温 度 作为 马 弗炉 炉温 反 馈给 P L C . 计算该段入 口 内表面温度 写 赓引泛6一 . ) 适 该段 出口 内表面温度为几 计算该段出 LJ 内表面辐射给热系数 a 计算该段 出口 内表面综合给热系数几 计算该段出口 内表面温度凡 !兀 2 一 川2 查 计算该段内钢丝加热所需时间 (互鼓) 图 3 钢丝 加热 数学 模型 求解 程序框 图 Fi g . 3 F fo w e h a r t o f t h e m a t h e m a it c a l ln o d e l fo r h e a it n g t h e w i代 L 。 = 0 . 0 90 Z w e + 0 . 2 6 9 w H + 0 . 3 3 8 ( w s 一 w o ) ( 8 ) L 。 = KS L 。 ( 9 ) 式 中 , L 。 为完全 燃 烧 时理 论 空气 量 , m 3吨 ; w c, 叭 络 w s , 肠 为燃 料 中含 碳 、 氢 、 硫 、 氧的 质 量分 数 ; L n 为 实际燃烧 空 气量 , m 3 k/ g ; ak 为 空气 过剩 系 数 . 为 了描 述 马 弗炉 的炉 温和 燃煤 量 、 空气过 剩 系数 、 钢 丝拉 速之 间 的关系 , 本文 假 设在 某 一单 位 时 间 内马 弗 炉 鼓风 机 鼓 入 空气 带 入 的热 量和 煤燃 烧 产 生的燃 烧 热 之和 为 Q , 烟 气 带走 的 热量 为 Q f , 钢 丝 吸收 的 热量 为 g , 炉 体散 热量 为 Q d , 空 气过 剩 系数 aK 不变 时 , 任 一 时刻烟气 带走 的热量 * 卜。 、 。 , , , * 卜* 、 _ , , =D且 二 、 。 、 。 ` , 月 . 四玉 口 J 挂长 欺粤兰旦 门 碑 <一 卜匕 / 丫 巾 只人 “ 矛, J 饼 ` a, , 界 , 匕 d 有 : 。 一 (Q 一 。儡 一 (。 一 。 )/( 1。 ) ( 10 ) 3 离线 控 制及 其 结 果 分析 离 线 控 制 实验 的主 要 目的 是 检 测 M u if le . 0 自动 控制 的效果 . 进 行离 线控 制 的实验 时 , 首先 开启 2 4 V 电源 , 将 P L C 上 的运 行 模 式 开关 置于 “ R UN ” 模 式 , 然 后 启 动 组 态 王 软件 运 行 M -uf fle l . o , 在 另 外一 台工 控 机 上运 行 仿真 软 件 , 登陆 进入 M u if el . 0 系统 以后 , 转 到 自动控 制模 式 , 首 先 设置 PI D 参 数 . 由于 离线 控制 和 实 际控 制 时控 制的对象 温度 特性 有一 些 区别 , 在 仿真 软件 反馈 温度 变 化 时 , 温 度 的变 化不 是连 续 的 , 而是 阶跃 式 的变化 , 如 果保 留微 分 控 制就 会 造成 PI D 输 出 的控 制值 波动 非常 大 , 因 此在 实验 时去 掉 了微分 控制 , 只 保 留了 比例 控制 和积 分控 制 . IP D 参数 的 设 置如 下 : 设 定值 为 .0 369 , 也 就 是温 度 应 该保持 在 1 60 0 ℃ x0 .3 69 = 59 0 ℃ 时 炉温 才 算是稳 定 ; 积分 时 间为 5 0 m in , 微 分 时间 为 0 5 , 采 样 时 间为 1 5 , 积 分 项前 值 设为 0 . 1 5 . 设 置好 这 些参 数 以后 , 就 可 以 直接 点击 “ 运 行 ” 按钮 , 开 始观 察仿真 软 件反馈 回 的温 度情 况 , 从 马 弗炉 的 自动 升温 曲线来 看 , M u if el . 0 的 IP D 控 制 效 果还 是 比较 明显 的 环, . 它 采 用上 位机一下 位机一设 备 的控制 方 式 , 通过 仿 真 实验 收到 了 良好 的控制 效 果 , 克服 了使 用单 片 机 作 为 控 制端 时 容 易 受 到干 扰 和 因 计 算机 操 作 系 统 可 能死 机 而 无 法 长 时 间对 现 场 设备 进 行 控 制 的弊端 . 4 结 论 本 文 研究 了马弗炉 中 , 钢 丝进 行 热处 理 的过 程 和 马弗 炉燃 料燃烧 情况 , 确 定 了 开发 工 业控 制 系统 M u m el . 0 以及 仿真 软件 的总 体方 案 , 并 相应 地 设计 了这 两 套软 件 . 在 功 能上 , M u m el . 0 有手 动和 自动 控制 两种 操作 方 式 , 并提供 了后 台数据 库 支 持 , 使合 适 的操作 参数 可 以记录 下 来供操 作 者参 考

Vol.25 No.5 杨晶等：马弗炉钢丝热处理的计算机控制及仿真 ·465· 自动控制时系统不仅能够根据钢丝直径的 ture control and performance at Essar steel engineer [J] 大小和马弗炉的实时温度确定钢丝的拉速，从而 Iron Steel Eng,1998,75(11):31 控制钢丝的加热时间，使钢丝的加热效果符合钢 2 Yamamoto S,Kimura R,Miyhar H.Automatic knowledge acqusition system for blast furnace [J].Iron Steel Eng. 丝热处理的要求，而且能够根据规定的马弗炉运 1989,66(3:38 行参数校验在目前工作制度下是否能够完成计 3王卫兵，高俊山，韩剑辉，等.可编程序控制器原理 划产量. 及应用M.北京：机械工业出版社，1999 Muffle1.0在功能上实现了对马弗炉运行进 4 Rivera D E.Jun K S,Sater V E,et al.Teaching process 行自动化控制，但是控制部分还有一些不足，比 dynamics and control using an industrial-scale real-time 如还可以增加PD回路控制参数的自动整定功 computer environment [J].Comput Appl Eng Educ,1996, 能，这样就可以免除大量的调试工作，可以方便 43):191 整定比例常数、积分常数和微分常数.这些功能 5《钢铁「工业炉设计参考资料》编写组.钢铁厂工业 炉设计参考资料[M).北京：治金工业出版社，1979 可以在后续的控制系统版本中得到补充 6干勇.马弗炉钢丝热处理计算机自动控制及控制仿 参考文献 真系统的研究与开发DI北京：北京科技大学，2002 1 Acharya A D Chattopadhyay S.Reheat furnace tempera- Automatic Control and Operating Simulation System for Steel Wire Heat Treat- ment YANG Jing,WANG Li.TONG Lige,WANG Yong Mechanical Engineering School,University of science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT An automatic control system and its corresponding simulation system developed for steel wire heat treatment were presented.The control system consists of an industry control system and a Programmable Logic Con- troller(PLC)system.The software,including configuration program,heating model program,PLC logical control program and a database,could control the temperature of a muffle furnace and lead a bath furnace based on produc- tion plan,product specification and technique or adapt the speed of steel wires to match the temperature of the cur- rent muffle furnace so as to abtain the optimum effect of heat treatment.The simulation system contained a simu- lation software,a combustion mathematical model and two data acquisition cards. KEY WORDS thermal treatment;steel wire;automatic control;simulation;muffle furnace

从 , 1 . 2 5 N o . 5 杨 晶等 : 马弗炉 钢 丝热 处 理 的计算 机 控制及 仿真 一 4 6 5 · 自动 控 制 时 系 统 不 仅 能 够 根 据 钢 丝直 径 的 大 小和 马 弗炉 的实 时温 度 确 定钢 丝 的拉 速 , 从 而 控制 钢 丝 的加 热 时间 , 使 钢丝 的加热 效 果符 合钢 丝热 处 理 的要 求 , 而且 能够根 据 规 定的 马 弗炉运 行 参 数校 验 在 目前 工 作 制 度 下 是 否 能 够 完 成 计 划 产量 . M u if e 1 0 在 功 能 上 实现 了对 马 弗 炉运 行 进 行 自动 化 控 制 , 但 是 控制 部 分 还 有 一些 不 足 , 比 如还 可 以增 加 PI D 回 路控 制 参 数 的 自动 整 定 功 能 , 这 样 就 可 以免 除 大量 的调试 工 作 , 可 以方便 整 定 比 例 常 数 、 积 分 常 数和 微 分 常 数 . 这 些 功 能 可 以在 后 续 的控 制 系 统版 本 中得 到补 充 . 参 考 文 献 tu r e e o n tr o l a n d Pe r fo mr an e e a t E s s ar s t e e l e n g i n e e r [ J』 . I r o n S t e e l E n g , 1 9 9 8 , 7 5 ( 1 1 ) : 3 1 2 aY m a m o t o S , K im u ar R , M iy h a r H . A u t o m at i e kn o w l e dg e a e q u s i ti o n s y s t e m fo r bl a s t fu m a e e [ J ] . I r o n St e e l E n g , 1 9 8 9 , 6 6 ( 3 ) : 3 8 3 工 卫兵 , 高俊 山 , 韩 剑 辉 , 等 . 可编 程 序控 制器 原理 及应 用 [M ] . 北京 : 机械 工 业 出版 社 , 1 99 4 R i v e ar D E , J u n K S , S a t e r V E , e t a l . eT a e h i ng P or e e s s d y n am i e s an d e o n t r o l u s in g an i n d u s t r i a l 一 s e a l e er a l 一 ti m e e o m P u te r e vn i r o nm e nt [J ] . C o m P u t A P I E n g E du e , 19 9 6 , 4 ( 3 ) : 1 9 1 5 《钢 铁 厂 工业 炉设 计 参考 资料 》编 写组 . 钢铁 厂 工 业 炉 设 计参 考 资料 〔M ] . 北 京 : 冶 金 工业 出版 社 , 1 9 79 6 王 勇 . 马弗 炉钢 丝 热处 理计 算 机 自动控 制及 控 制仿 真 系统 的研 究与 开发 [D ] . 北京 : 北京科 技大 学 , 2 0 02 A e h a yr a A D C hat o Pa d h y ay 5 . Re h e a t 几nr a e e t e m P e r a - A u t o m a t i c C o n tr o l an d O P e r a t i n g S im u l a t i o n S y s t e m fo r S t e e l Wi r e H e a t rT e a t - m C l t YA N G iJ ng, 环叼刀 G Li, 刃O N G L Zg e , 洲刃 G oY gn M e e h an i e a l E n g i n e e r i n g S e h o o l , U n i v e r s ity o f s e i e n e e an d 介 e hn o l o 罗 B e ij i n g , B e ij i n g l 0 0 0 8 3 , C h i n a A B S T R A C T A n aut o m a ti e e o n t r o l s y s t e m an d i t s e o re s P o n d i n g s im u l a ti o n s y s t e m d e v e lop e d of r s t e e l w ire h e at tre a t m e n t w e re Pre s e n t e d . hT e c o in r o l s y s t e m e o n s i s t s o f an i n d u s try e o n otr l s y s t e m an d a P or g r a m m ab l e L o g i e C o n - tr o l l e r ( P L C ) s y s t e m . hT e s o if w ar e , i n e l u d i n g e o n if g ur at i o n P r o g r a l l l , h e a t ign m o d e l P or g r a m , P L C l o g i e a l c o n tr o l P r o gr am an d a d at ab a s e , c o u ld e o n tr o l ht e t e m P e r a t u r e o f a m u if e fu r n a e e an d l e ad a b a ht fu m a e e b a s e d o n P or d u c - t i o n P l a n , P r o du e t s P e c i if c a t i o n an d t e e h n i q u e o r a d aP t ht e s P e e d o f s t e e l w i r e s t o m at e h t h e t e m P e r a t u r e o f ht e e ur - r ent m u if e fu nr a c e 5 0 a s t o ab ta i n ht e o P t im um e fe e t o f h e at etr a mt e in . hT e s im u l at i o n s y s t e m e o n t a i n e d a s im u - l at i on s o fl w ar e , a c o m b u s t i o n m a th e m a ti c al m o d e l an d wt o d at a a e q u i s iti o n e a r d s . K E Y W O R D S ht e n m al tr e at m e flt ; s t e e l w i r e ; a ut o m at i e e o n tr o l ; s im u l at i o n ; m u m e fu m ac e