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 :