·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< 0 ~ ~ 丫德 计算该段综合给热系数仇 计算该段出口 内表面温度刀 < 迢彭> 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