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1、分类号 学号2003821836011 学校代码10487 密级 硕士学位论文高炉喷煤自动控制软件系统的设计与开发学位申请人：学科专业：软件工程指导教师：答辩日期：2006.10.20A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirementsfor the Degree of Master of EngineeringDesign and Development of the PCI Automatic Control software System of Blast FurnaceCandidate: Fang GeMajor:
2、 Software EngineeringSupervisor: Hu WenQiangHuazhong University of Science & TechnologyWuhan 430074,P.R.China20th October, 2006摘 要近几年，我国的钢铁企业生产已步入了一个十分重要的阶段。许多企业为了节约生产成本，将降焦比作为进行市场竞争的重要砝码，而喷煤是钢铁企业降比增效的有效途径。高炉喷煤自动控制软件系统工程，是喷煤系统能否正常运行，能否完成节能降耗重任的关键。结合安钢炼铁厂2200m3高炉喷煤自动控制软件系统的开发项目，对高炉喷煤自动控制软件系统的设计和开发进行了
3、研究。在详细分析了传统喷煤自动控制软件系统特点的基础上，结合安钢炼铁厂2200m3高炉喷煤自动控制系统应用环境，针对传统系统中煤量输送不稳定的问题，提出运用结构化分析工具，应用数学原理创建煤量计算模型，并利用该模型及PLC软件编程工具，应用面向对象方法和控件技术，在Monitor Pro7.2开发平台上开发完成了整个高炉喷煤自动控制软件系统。利用微积分原理思想设计的煤量计算模型，解决了工艺系统中没有气固两相流测量元件的问题，同时，对喷煤量的均匀稳定控制起到了关键作用。整个系统具有应用新型煤量计算模型、新型工艺控制方式、采用可视化控件技术及遵循瀑布模型实现下位程序及上位监控界面的开发设计的特点。
4、系统调试及投运后，采集大量的实验数据，并利用建模工具Origin进行理论分析研究，验证了采用新型煤量计算模型的2200m3高炉喷煤自动控制软件设计是成功的，效果良好，为将软件工程的思想融入到工业控制软件开发设计提供了一个交流的平台。 关键词：高炉喷煤， 煤量计算模型， 自动控制软件系统设计， 控制软件开发。AbstractIn recent years, the Iron & Steel Enterprises in our country have step into a very important phase. Many of them consider the reducing of
5、coke ratio as the main weigh of Market Competition in order to economize production cost. Coal injection is an effective method of reducing coke ratio and increasing benefits. The automatic control system engineering of blast furnace（BF） coal injection is a critical aspect which affects the normally
6、 running of coal injecting system and whether it can fulfill the important task of cost reducing and efficiency increasing. Combined with the project of the pulverized coal injection (PCI) automatic control system of 2200m3 BF in AnGang Iron Making Factory, this thesis researches the design and deve
7、lopment of blast furnace coal injection automatic control software system.Associating with the application environment of 2200m3 BF PCI automatic control software system in AnGang Iron Making Factory and analyzing the characteristics of the PCI automatic control system in detail, a model of pulveriz
8、ed coal measurement, which aiming at the solution of coal transportation instability of traditional PCI system and utilizing structured analyzing tool and Advanced Mathematics principles, is putted forward in order to develops the whole system on Monitor Pro7.2 platform with PLC program tool and Obj
9、ect-Oriented method and groupware technique. The model of pulverized coal measurement based on fluxionary calculus thought settled on a solution to the problem of none of measure component on gas-solid phases in arts and crafts system, and has been crucial to the stability and uniformity of PCI. The
10、 design and development of this project has some characteristics of utilizing the new model of pulverized coal measurement, new control mode, visual Programming and groupware technique and waterfall model.The PCI automatic control system based on a new model of coal measurement was proved to be succ
11、essful and effective through the analyzing and researching of a mass of experiments data by the model tool Origin after the system testing and running. This subject offers a intercommunion platform for bringing the application of software engineering ideas into designing of the industrial control so
12、ftware and to a new stage. Key words：blast furnace coal injection, a model of pulverized coal measurement, automatic control software system design, control software develop.目 录摘 要IABSTRACTII目 录IV1 绪论1.1 课题的研究背景(1)1.2 课题的研究目的和意义(2)1.3 国内外研究概况(4)1.4 论文的主要研究内容(5)2 系统特点分析及基本理论介绍2.1 喷煤工艺简介(7)2.2 高炉喷煤新发展
13、(8)2.3系统应用背景及特点(9)2.4PLC基本知识(12)2.5课题硬件及软件选择(15)2.6 本章小结(17)3 煤量计算模型设计3.1 煤量计算模型提出(18)3.2 煤量计算的IPO模型(19)3.3 煤量计算的数学模型(20)3.4 煤量计算模型设计(21)3.5 本章总结(23)4 喷煤自动控制软件系统的设计及实现4.1 需求分析与规范确定(24)4.2 总体设计(25)4.3 系统详细设计(26)4.4 系统实现(34)4.5 本章小结(41)5 系统测试与维护5.1 硬件系统测试(42)5.2 软件系统测试(43)5.3 系统维护(53)5.4本章小结(56)6 全文总结
14、与展望6.1 全文总结(57)6.2 展望(58)致 谢(59)参考文献(60)附录1 攻读学位期间发表论文目录(63)1 绪论软件的开发是一个繁杂的工作过程，无论是普通意义上的应用软件还是工业过程的自动控制软件，都需要一个正确的开发方法指导其过程，并由此产生出符合工艺要求且实用的软件。软件工程学科是一门指导计算机软件开发和维护的工程学科，是一类求解软件的工程。它应用计算机科学、数学及管理科学等原理，借鉴传统工程的原则、方法，创建软件以达到提高质量，降低成本的目的。其中，计算机科学、数学用于构造模型与算法，工程科学用于制定规范设计模型、评估成本及确定权衡，管理科学用于计划、资源、质量、成本等管
15、理1。控制的前提就是要能够度量。Lord Kalvin曾说过：当你能够度量你所谈论的事物，并且用数字把它表达出来，那你对此事物已经有所了解。当你无法度量它，则你的知识并不足以了解它2。软件亦是如此，如果软件工程想成为研究软件过程及其相关内容的科学，那它就必须以数学为基础。如何能够在基于计算机系统的自动控制软件系统设计中应用数学模型，取得系统的资金及功能上的优势，是控制软件系统的关键。1.1 课题的研究背景如今，随着IT业的总体水平的提升，软件工程的思想被融入到各种软件开发技术中。而20世纪60年代开始发展起来的计算机系统工程，是计算机硬件、软件、数据通信装置、数据存储设备、规章制度和有关人员的
16、统一体。它广泛存在于医疗、机械、电力、钢铁冶金及制造业等领域内，在各个领域有着广泛的应用，如计算机辅助设计（CAD）系统、计算机辅助制造（CAM）系统、计算机辅助教学系统、计算机辅助医疗系统、军用的计算机指挥系统、通信软件工程、公用或专用的现代通信系统和信息服务系统都各具特色，管理软件是一类最具代表性的软件工程。基于计算机的系统是“某些要素的一个集合，这些要素被组织起来以实现某种方法、过程或借助处理信息进行控制”3。图1.1给出了基于计算机系统的系统要素及相互之间关系。因此，基于计算机的自动控制软件系统设计，是“计算机系统工程”中的一个活动，它指与构造基于计算机系统有关的过程、方法和技术，它是
17、一种问题求解活动，目的是揭示、分析所期望的功能，并把它们分配到各个单独的系统要素中去。图1.1基于计算机系统的系统要素及相互之间关系2200m3高炉喷煤自动控制系统是一个计算机系统工程，它来源于安阳钢铁公司炼铁厂2200m3高炉总承包项目中的子项目，是由安阳钢铁公司炼铁厂自行开发设计的项目。它作为一个计算机系统工程，具有上述的几方面的要素，即喷煤工艺过程、计算机自动控制系统、相关人、硬件系统、控制软件、文档及实时数据库等，它是一个繁杂的大型控制系统，通过计算机系统，将控制软件、数据库及硬件系统等要素有机地结合起来完成一定的工艺要求及生产控制过程。在以往类似的高炉喷煤自动控制软件系统设计中，没有
18、按照软件工程的思想将工程化应用于整个系统的设计过程，并且不能够有效地应用计算机科学、数学及管理科学等原理，构造模型与算法，为系统提供良好的控制功能，以达到提高质量，降低成本，对将来的生产运行过程产生指导性意义的目的，因此，在这种背景下，我们提出了本研究课题，它将对今后的基于计算机系统的工业自动控制软件系统设计发挥有效的促进作用。1.2 课题的研究目的和意义目前，我国的钢铁企业生产已步入了一个十分重要的阶段，许多企业为了节约生产成本，将降焦比作为进行市场竞争的重要砝码，而喷煤是钢铁企业降比增效的有效途径。高炉喷煤自动控制工程，是喷煤系统能否正常运行，能否完成节能降耗重任的关键。在2200m3高炉
19、喷煤自动控制软件系统的开发设计及调试投运过程中，我们本着先进性和适用性的原则，在实现基本控制功能的基础上，希望能够有效的利用喷煤自动控制模型，为我们的系统提供良好的控制功能，通过模块化的设计和所开发设计的煤量计算模型，使喷煤自动控制系统能够实现均匀、稳定、大喷吹，对将来的生产运行过程产生指导性意义。本课题是在安钢2200m3高炉喷煤自动控制软件系统开发之际，为了更好的建立高质量的控制程序而提出的。在对软件工程专业知识有了一定的学习和掌握之后，希望在工程项目的全过程中有意识的应用软件工程设计模式来建立高质量的控制系统，按照建立和使用一套合理的工程化原则，将系统化的，严格约束的可量化的方法应用于软
20、件的开发、运行和维护，即将工程化应用于软件4。有针对性地使用结构化方法与面向对象的方法来改善整个系统设计，为系统提供良好的系统架构。在项目进行过程中以及调试投运后，采集大量的实验数据，来分析研究应用煤量计算模型的高炉喷煤自动控制软件系统的具体应用及效果。安钢2200m3高炉喷煤自动控制软件系统设计与开发，为今后类似工程项目开发积累了经验，具有一定的推广应用价值。计算机软件的开发和维护过程中常遇到的一系严重问题，归纳起来有：1、软件开发无计划性；2、软件需求不充分；3、软件开发过程无规范；4、软件产品无评测手段。这些矛盾，表现在上个世纪60年代尤为突出，使得许多大的软件项目资源耗尽，不可维护，中
21、途流产。1968年北大西洋公约组织的计算机科学家在德国开会，讨论软件危机问题，正式提出了软件工程问题。以往在基于计算机系统的自动控制软件设计过程中，往往只是简单地根据工艺要求，做出相应的控制软件设计，没有一个有序的、有计划的过程，而软件工程思想建议用一定的流程将各个环节连接起来，并可用规范化的方式操作全过程5。本次课题项目的完成过程中，有意识地利用所学的软件工程的相关知识，对整个软件系统的设计及模型的研究过程进行规范化的设计，并对利用高等数学原理构造的煤量计算模型应用做进一步研究，工程学科中的一大原则是总结经验和利用实践证明有效的方案6，本课题在他人的经验基础上，提出了自己独特的算法思路，并在
22、生产实践中采集大量的数据来证明其有效性，这对目前国内的喷煤自动控制软件系统的设计可以作为一个有益的借鉴，对实现喷煤生产的稳定、连续、大喷吹的实践，有一定的指导意义，同时，对我们在进行基于计算机系统的工业控制软件设计过程中，能够有意识地将软件工程的观念融入到工业自动控制软件设计中去，提供了一个交流的平台。大多数软件设计问题都有多个候选解决方案，但是随着时间和经验的检验，只有少数解决方案成为最佳选择。在本系统中，提出了两个实现均匀喷吹的煤量计量的模型，同时通过分析，采用了一个适宜的模型，并在特定的软硬件环境里实现了程序代码设计，通过深入的研究，对这一模型进行全面深入的探讨，并运用在生产控制中。1.
23、3 国内外研究概况高炉喷煤就是从高炉风口向炉内直接喷吹磨细了的无烟煤粉、烟煤粉或两者的混合煤粉，以代替部分焦炭提供热量和还原剂。高炉喷煤后，可以扩展风口前的回旋区，缩小呆滞区；可以降低风口前的理论燃烧温度，有利于提高风温使用水平和富氧鼓风；可以改善高炉炉缸的工作状态，有利于高炉的稳定顺行7。因此，高炉喷煤成为高炉炼铁系统结构优化的核心。衡量高炉喷煤技术水平的高低，除了要看它的喷煤量高低之外，还要考察它的稳定性。影响高炉喷煤量高低的因素很多，除了喷煤罐罐内压力、输送煤粉的气量之外，还包括喷吹的煤种、喷煤罐内煤粉的温度、贮存时间、贮存量等诸多因素的影响。而喷煤工艺、装备水平、检测手段和自动控制模型
24、则决定了喷煤量的稳定水平。而从某种意义上来说，自动控制软件及其控制模型的设计，在最大程度上制约了喷煤技术的发展水平，成为喷煤生产水平进一步提高的瓶颈。我国对高炉喷煤技术的开发和应用尽管较早，但从近几年的发展情况来看，已不再处于领先地位，国外不少高炉的喷煤量越来越高，而且多数高炉是喷吹烟煤。目前，我国与日本和西欧一些喷煤先进国家相比，尚有如下几方面的差距：喷煤量和喷煤高炉少，煤焦置换比低，喷吹煤种单一，自动控制水平低，而氧煤喷吹、浓相输送和单支管计量等虽已开发成功，但还有待于进一步完善和推广。高炉喷煤技术对于我国钢铁工业乃至国民经济都具有十分重要的意义，而现阶段，我国的软件行业正在如火如荼地发展
25、着，但是无论从规模还是从年限都无法和发达国家相比8。就喷煤生产自动化控制方面而言，我国的大部分企业也都实现了控制功能，但是随着钢铁工业的迅猛发展，在现代喷煤技术中，煤粉喷吹稳定性、喷吹准确性是高炉喷煤量调节操作的基本要求9，这对于高炉操作的优化及炉况的顺行有重要的意义。在高炉喷煤自动控制软件系统设计中，如何实现喷吹的稳定性和准确性，成为喷煤自动控制系统的关键因素。自动控制首先是基本控制功能的实现，即所控制设备的动作次序等符合工艺的要求；其次是控制模型的设计及应用；再者，是人机交互界面的方便及人性化。而要实现这一过程，最主要的便是控制模型的设计及应用，在欧洲、日本1989年已实现200kg/tF
26、e的高炉喷煤示范作业，1991年56月喷煤量增加到300kg/tFe，目前正在进行喷煤量目标值为400kg/tFe的探索试验10，取得这些成果的关键因素是其自动化控制水平很高。目前，我们国内的一些大中型钢铁企业在喷煤生产自动控制方面也投入了大量的资金，但却收效甚微，总结原因，是没有采用一个较好的开发方法与控制模型来设计喷煤自动控制软件。实现一般的开关逻辑控制，不能成为一个成功的自动控制软件系统，目前，高炉喷煤最主要的一个参数，便是小时喷煤量，即每小时喷入高炉内的煤粉量，控制它的稳定性，就成为了整个喷煤自动控制的关键。企业迫切需要的是怎样把理论运用到实际的工程项目中去11，安钢2200m3高炉喷
27、煤自动控制软件系统设计与开发，将先进的控制理论引入高炉喷煤控制系统中，能够很好地解决煤粉均匀稳定性控制问题，有良好的适用性、可移植性。1.4 论文的主要研究内容喷煤工艺系统中常常以每小时的喷煤量反映喷吹能力的大小及均匀性，而传统的喷煤自动控制软件设计，不能按照一定的开发模型进行系统的开发，缺乏一个有效的数学模型控制喷煤量，导致喷煤系统控制不能真正达到均匀、稳定。本文结合安钢2200m3高炉喷煤自动控制软件系统的设计与开发项目，应用软件工程的思想，利用高等数学的微积分原理，采用结构化方法，提出一种新的煤量控制算法模型，并完成了高炉喷煤自动控制软件系统的开发，采用建模工具Origin对其控制效果进
28、行了测试。具体而言，论文的研究内容主要有：1）针对高炉喷煤自动控制软件系统的特定应用领域和背景，深入分析了传统的喷煤控制软件系统，归纳总结出系统设计与开发的难点和特点，并针对难点和特点，结合系统工艺，确定了系统的软硬件平台。2）针对喷煤自动控制软件系统中的关键控制数据“喷煤量”，即喷煤量的控制难题，倒罐过程喷煤量的均匀性问题，利用结构化分析技术，建立了小时煤量计算模型，应用输入处理输出（IPO）模型及高等数学原理提出小时煤量计算模型算法思路，并在整个系统设计与开发中得到具体应用。3）自动控制软件系统的具体设计及实现。包括系统硬件工程及软件工程的设计及实现。整个系统按照瀑布模型进行开发，并应用所
29、设计的煤量计算模型，解决了工艺系统中没有气固两相流测量元件的问题，同时，对喷煤量的均匀稳定控制起到了关键作用。系统针对新型工艺控制方式，采用结构化方法进行下位程序设计，模块化分尽量减少耦合，采用面向对象技术进行基于控件的人机监控画面的开发，界面具有通用性、方便性特点，并能够连入整个高炉控制系统局域网，实现重要数据信息的共享，通讯速率高，控制程序效果良好，符合工艺要求。4）对于开发的高炉喷煤自动控制软件系统完成了测试，通过条件组合逻辑覆盖方法完成模块测试，并采集大量数据验证煤量计算控制模型，得到了控制软件系统设计所期望的应用效果，证明了系统的正确性。2 系统特点分析及基本理论介绍通过PLC系统基
30、础知识介绍，结合安钢炼铁厂2200m3高炉喷煤工艺及其发展，分析了本课题所设计的2200m3高炉喷煤自动控制软件系统的背景和特点。2.1 喷煤工艺简介安钢炼铁厂2200m3高炉喷煤工艺流程包括原煤储运系统、制粉系统、煤粉输送系统、喷吹系统、供气系统。工艺流程如图2.1所示。图2.1 2200 m高炉喷煤工艺流程1） 原煤储运系统该系统包括综合煤场、煤棚、储运方式。为控制原煤粒度和除去原煤中的杂物，在原煤储运过程中还必须设置筛分破碎装置和除铁器。筛分破碎即可以控制磨煤机入口的原煤粒度，又可以去除某些纤维状物质。而除铁器则主要用于清除煤中的磁性金属杂物12。2） 制粉系统煤粉制备是指在许可的经济条
31、件下，通过磨煤机将原煤加工成粒度和含水量均符合高炉喷吹需要的煤粉。制粉系统主要由给料、干燥与研磨、收粉与除尘几部分组成。在烟煤制粉中，还必须设置相应的惰化防爆抑爆及相应的监测控制装置。3） 煤粉的输送煤粉的输送有两种方式可供选择，即采用煤粉罐装专用卡车或采用管道气力输送，而气力输送连续性好、能力大且密封性好，2200m3高炉采用煤粉气力输送方式。4） 喷吹系统喷吹系统由并列式喷吹罐组和相应的钟阀、流化装置等组成。装煤与喷煤交替进行，煤粉喷吹通常是在喷吹罐组内充以高压氮气，再自混合器引入高压氮气将煤粉经管道和喷枪喷入高炉风口。如图2.2所示。5） 供气系统供气系统主要是高低压氮气和氧气。主要用于
32、维持系统的安全和正常喷吹运行，如烟煤制粉和喷吹时采用氮气惰化、灭火等，而氧气则用于富氧鼓风或氧煤喷吹13。图2.2 安钢炼铁2200m3高炉喷吹工艺简图2.2 高炉喷煤新发展经过最近十年来的研究和实践，高炉喷煤技术水平日益提高，获得了一大批研究成果。1）富氧喷煤技术得到普遍应用富氧鼓风不仅操作简便，而且还可以充分利用炼钢余氧资源，提高风口前理论燃烧温度，增加喷煤量和生铁产量14。尤其是在目前风温水平难以进一步大幅度提高的情况下，富氧喷煤已经成为许多高炉增铁节焦的重要手段，且技术成熟，操作简单，运行费用低，因而应用相当普遍。2）氧煤喷吹技术日益成熟氧煤喷吹技术是20世纪80年代末期才开始开发并得
33、到应用的一项新技术。通过氧煤喷吹可以显著地改善煤粉颗粒在风口前的燃烧条件，显著提高煤粉的燃烧率，大幅度增加喷煤量15。因此发展氧煤喷吹已经成为喷煤技术的一个发展方向。3）喷煤工艺简化，便于监控传统的制粉系统通常是采用一、二级旋风分离器加布袋除尘器，而最近设计的制粉系统多采用一级旋风分离器加布袋除尘器，或者干脆取消一、二级旋风分离器而采用一级布袋分离器，并应用新型流化技术减少排粉机的数目。此外，广泛采用新型检测传感器和计算机控制等技术16，不断提高煤粉计量的精确度和诸如温度、氧浓度、CO浓度等参数的在线监测水平，这样既能实现喷煤量的均匀调节，也能增加系统的严密安全连锁控制。4）粒煤喷吹和配煤混合
34、喷吹技术引人注目粒煤通常是指粒径在0.22mm之间（平均粒度约0.6mm）的颗粒煤17。粒煤喷吹可以获得较好的经济效益，同煤粉制粉相比仅磨煤系统设备投资就可节约一半，且粒煤制备的成本也很低。配煤混合喷吹是以煤种性能的互补性为基础，旨在改善喷吹煤粉特性如可燃性、可爆性等，以促进喷煤效果而采用的一种喷煤技术18。迄今国内外许多学者都进行了配煤混合喷吹方面的基础研究，有些成果已在一些高炉喷吹实践中得到了应用，是一种具有推广价值的高炉喷吹新技术。事实上，随着喷煤技术的不断发展，许多相关的或与喷煤并用的技术都取得了重大进展。这些技术涉及到了诸如煤粉的浓相输送技术、煤粉在高炉内气化燃烧及炉况调节等的基础研
35、究、喷煤高炉数学模型及计算机控制等19。2.3 系统应用背景及特点安阳钢铁公司炼铁厂2200m3高炉于2005年10月投产，投产后，生产形势较好，两个月后，日产铁水达到4000吨以上，由于高炉的生产成本较高，为了使大高炉生产指标更上一个新台阶，迫切要求喷煤自动控制软件系统的投产。根据安钢炼铁厂2200m3高炉喷煤系统电气设计，除贮运、制粉系统等具有相关工艺检测仪表参数，喷吹自动控制系统设有罐重、罐压、罐温、二次风压力、流量等仪表检测参数，没有设计主喷煤管道及各支管的煤粉测量装置。目前，煤粉计量主要有两类，即喷吹罐计量和单支管计量。单支管计量技术是实现风口均匀喷吹或根据炉况变化实施自动调节的主要
36、保证；喷吹罐计量，是高炉实现喷煤自动化的前提。实现煤粉计量的连续化和提高煤粉计量的准确性是煤粉计量技术的发展方向。本课题中，煤粉计量通过小时喷煤量参数反映，它是高炉操作人员掌握和了解喷煤效果，并根据炉况变化实施调节的重要依据，小时喷煤量的高低及均匀性，直接反映了高炉喷煤技术的发展水平。随着喷煤量的增加，喷煤系统的设备启动频率增高，操作间隙时间减少，喷吹操作周期缩短，手动操作已不能适应生产要求，尤其是当高炉喷吹烟煤或采用多煤种配煤混合喷吹时，高炉喷煤系统广泛采用计算机控制和自动化操作。根据安钢炼铁厂2200m3高炉本体部分的自动控制系统设计，本课题所研究项目将采用一个PLC控制站，采用C/S结构
37、，集中在喷煤控制系统中心，与高炉本体采用同一方式控制。传统喷煤自动控制软件系统的设计，往往没有根据软件生命周期过程及遵循较好的开发模型来进行软件的开发设计，导致所设计的软件没有好的应用效果。而工业自动控制系统软件，与传统狭隘意义上的软件既有一定的相同之处，也存在一定的不同。工业自动控制软件系统是主要为完成一定的生产工艺要求而进行的程序设计，它属于基于计算机的系统工程。如果只是一个简单的功能实现过程，这样产生的软件系统勉强能满足生产的基本要求。而这次开发设计的高炉喷煤自动控制软件系统，要实现无直接检测手段情况下的煤粉的计量，同时，应用此结果，参与PID回路控制模型，使其能够满足喷煤工艺系统的需求
38、，另外，如何使设计的系统具有良好的软件架构，易维护、易理解，是应用一定开发技术实现控制系统软件设计的难点。根据2200m3高炉喷煤工艺设计的要求，这次设计开发的控制软件系统与传统的控制软件系统具有很大的不同特点：1）工艺控制方式不同安钢炼铁厂2200m3高炉喷煤工艺与以往的喷煤工艺有很多的不同点，一是其制粉系统采用的是中速磨，而以前的系统中采用的是球磨机，中速磨的控制很严格，需要考虑到多种情况的安全保护，以防止设备的损坏。二是新工艺中的贮运系统中采用了称重给料机，来进行多煤种的配比，配比比例控制是新系统的功能。三是新工艺中具有多个回路调节，如主排粉风机流量回路调节、炉膛温度回路调节、稳压回路调
39、节、氮气包压力调节、二次风流量调节回路等。2）采用的技术不同安钢炼铁厂2200m3高炉喷煤自动控制软件系统采用了结构化方法进行下位控制软件的设计，并且根据使用的软件特点，使用面向对象及基于控件的设计方法设计了上位机监控人机界面系统，由于采用了控件技术及类方法，使设计的工作量大大减轻。3）设计模式不同安钢炼铁厂2200m3高炉喷煤自动控制软件系统是基于计算机的系统工程，传统工业控制软件设计往往只是简单地根据工艺实现控制功能要求，在设计的整个过程中没有按照一定的设计模型进行设计，导致所设计的软件不能很好地满足工艺需求，而且在运行后产生很大的维护量。本次设计的安钢炼铁厂2200m3高炉喷煤自动控制软
40、件系统是严格按照变异的瀑布模型进行设计，在设计的各个阶段均按照软件工程的思想进行，并按照基于计算机系统的软件开发周期（如图2.3所示）进行系统开发20。图2.3 计算机系统开发设计周期4）采用新型煤量计算模型喷煤自动控制软件系统的最终目的是要实现均匀稳定的煤粉喷吹。而如何实现煤粉的均匀与稳定，有多种因素，除了工艺设备的设计与安装外，最重要而最直接的是煤粉的计量，也就是小时煤量控制。小时煤量即每小时喷入高炉风口的煤粉总量，实现它的计量检测方法一般是采用煤粉流量计。煤粉在管道内气固两相流动过程中，其离散相的尺寸、空间分布和流动状态是随机变化的，利用气固两相电学特性介电常数的随机变化对电容探头极板施
41、加电场的随机调制作用，造成电容探头电容量的随机变化，电容探头电容量的变化不仅与气固两相混合物中两相流体的体积流量百分比有关，而且与离散相的局部浓度（即单位体积内含有离散相颗粒及体积）有关。通过对电容探头检测到的流动噪声信号进行深入分析，发现流动噪声信号对时间的变化率与被测两相流体中离散相的质量流量之间有确定关系。因此，在一定条件下可以根据流动噪声信号对时间变化率的幅度分析和频谱分析，确定气固两相流中离散相质量流量的大小，这就是煤粉流量计的测量原理21。安钢炼铁厂2200m3高炉喷煤系统中没有设置这样的测量装置，如何进行煤粉的计量，从“数字”上说明喷煤系统的稳定性、均匀性，成为这次项目设计中的关
42、键。此次喷煤自动控制软件系统设计提出煤量计算模型，利用高等数学原理实现煤粉小时煤量及瞬时平均煤量的计量，并由它参与PID回路的调节，自动控制喷煤量的大小。2.4 PLC基本知识在自动化控制领域，PLC是一种重要的控制设备。目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。2.4.1 PLC的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制及离散量的数据采集是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国
43、数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）22。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC23。PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操
44、作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程24。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。2.4.2 PLC的构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合
45、配置。CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作25。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。PLC与电气回路的接口，是通过
46、输入输出部分（I/O）完成的26。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（420mA，020mA）、电压型（010V，05V，-1010V）等，按精度分，有12b
47、it、14bit、16bit等。除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。PLC电源模块用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC）和直流电源（常用的为24VAC）。大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。2.4.3 PLC系统的其它设备1、编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器27，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器，针对不同的PLC类型，可以选择不同的下位编程软件。2、人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及，多数的组态软件可以和不同的PLC类型通讯，它通过不同的驱动程序来完成实时数据库的读写等操作
