高炉本体计算机监控系统——PLC设计.doc

1、目 录摘要.Abstract.第1章 前言.1.1 概述.1.2 课题背景.1.3 设计的内容与目标.第2章 高炉炼铁的工艺流程.2.1 高炉炼铁的工艺流程2.2 高炉本体的结构及主要参数第3章 控制系统的总体设计方案.3.1 高炉控制系统改造的目的和原则3.2 高炉控制系统的控制功能3.3 控制系统的构成 3.3.1 高炉自动化控制系统总体结构 3.3.2 控制规律的选择 3.3.3 WINCC组态. 3.3.4 控制系统的通讯第4章 可编程控制器的概述.4.1 PLC发展概况.4.1.1 PLC的产生.4.1.2 PLC的发展趋势.4.2 PLC的分类及特点.4.2.1 PLC的分类.4.

2、2.2 PLC的特点.4.2.3 PLC的应用.4.3 PLC的结构与工作原理.4.3.1 PLC的基本结构.4.3.2 PLC的工作原理.第5章 控制系统PLC硬件的设计5.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤.5.1.1 PLC控制系统设计的基本原则.5.1.2 PLC控制系统设计的一般步骤5.2 控制系统PLC的选型与硬件配置. 5.2.1操作站控制部分的选择5.2.2 PLC型号的选择5.2.3 S7-300CPU的选择5.2.4 模块的选择.5.2.5 热电偶的选择.5.2.6 西门子PID控制模块FB41各参数的解释.第6章 控制系统PLC软件的设计.6.1 编程软件step7概

3、述.6.1.1 step7简介6.1.2 step7的编程语言6.1.3 step7的编址方法6.1.4 step7的编程方法6.2 程序设计.6.2.1 设计思路.6.2.2 各程序块的功能.6.2.3 编写梯形图程序.第7章 结论参考文献.谢辞.附录第1章 前言1.1 概述钢铁是现代社会最重要的原材料之一，钢铁工业往往是国家的支柱产业之一，钢铁的产量和质量是一个国家的发达程度和经济实力的重要标志。在钢铁联合企业中，首先要求为炼钢持续地提供稳定的、高质的铁水，从而使高炉处于咽喉位置。此外，高炉炼铁过程十分复杂，它涉及到气、固、液三相的交互作用， 因此， 全面而正确地理解高炉内发生的各种现象很

4、困难。长期以来，炼铁工人操作高炉基本上依赖于自身的经验。正是这些特点使得高炉过程控制成为计算机的最佳应用领域，计算机控制是高炉现代化的一个重要标志。计算机控制系统在高炉过程控制中的一个最重要的应用就是实现高炉自动化。由于高炉是密闭组织，其可靠运行的前提必须是有可供处理的信息或数据，而这些信息或数据多是由传感器提供的，只有靠先进的自动检测仪表才能正确掌握炉况。高炉要及时地、正确地按规定的顺序和一定配比装入大量的原料，并且要求炉料均匀下降和使之与煤气气流良好接触以及保持一定的炉缸热状态，这些在很大上程度依赖自动化来实现，故近代高炉都把自动化作为关键环节重点发展。1.2 课题背景早期的高炉计算机控制

5、以美国和德国、法国、比利时等欧洲国家为代表，主要功能是数据采集和处理、报表的制作、上料设备的顺序控制和热风炉的PID控制等，与过程本身有关的功能仅限于用统计模型及物料平衡和热平衡模型研究影响焦比的操作因素。到了二十世纪七十年代，高炉计算机控制的发展重心逐渐转移到日本，以新日铁、川崎、日本钢管和神户为代表的几家大钢铁公司，在名古屋大学等高等院校的密切合作下，先后开发并实际应用了很多数学模型，如最著名的鞭和八木的高炉一维模拟模型、杉山等的高精度二维数模、川崎公司的GO-STOP系统等。同期，还研制了许多先进的检测仪表，如微波料面仪、炉身探尺、软熔带探测仪等。从二十世纪八十年代中期开始， 以日本钢管

6、公司为先导，开始将人工智能技术特别是专家系统应用到高炉上，大大提高了控制的可靠性和精度。在此期间，美国和加拿大也急起直追，在检测仪表和数学模型方面投入了大量人力和物力，取得了很大进展。目前除了日本、澳大利亚、德国、法国、英国、芬兰、瑞典和意大利等发达国家以外，巴西、韩国等国家也在高炉过程计算机控制上达到了较高的水平。我国虽然起步较晚，但是发展迅速。进入20世纪90年代以来，在信息技术和控制技术迅猛发展和广泛应用推动下，钢铁工业向高精度、连续化、自动化、高效化快速发展，使钢铁生产工艺、产品和技术装备呈现出如下特点：1.流程短、投资少、能耗低、效益高、适应性强和环境污染少、新技术和新工艺被不断应用

7、；2.提高产品外形尺寸精度、改进表面形貌和改善内部质量技术受到重视；3.生产技术装备向大型化、现代化、连续化迈进。目前，我国钢铁行业的自动化技术经过多年研究和发展，水平得到显著提高。有的企业已经达到了国际先进水平，特别是有的企业已经具有了自主知识产权并形成了产品在行业内推广应用，这些技术成果曾获得了国家级、省部级大奖。之所以有这样的结果，一是在经济全球化、市场国际化的大环境下，企业认识到自动化技术在企业发展中的重要作用，不采用新技术搞自动化，就难于提高生产效率和产品质量，就难于在激烈的国际国内市场的竞争中占有一席之地；二是企业看到了应用自动化技术所产生的实实效果，为企业带来的巨大效益；三是企业

8、基础建设和技术改进项目上重视自动化项目，肯于投资。 在高炉本体监测控制系统中使用自动控制系统可大大改善了对高炉本体的监控品质，提高了平均热效率，从而节省了能源和减少了污染。自动控制包括对主机、辅助设备和公用系统的控制。热工控制系统的功能是控制各种热工过程的参数，包括温度、压力、流量、液位（或料位）等，使其处于最佳状态，以达到高炉炼铁的安全运行。高炉各部分（炉喉、炉身、炉底、炉基）的温度监测与控制是高炉本体监测控制中最基本也是最主要的一个系统。因为它能保证铁矿石从上到下依次有序的被还原。因此，自动控制系统在高炉炼铁的生产过程中的应用越来越广泛，而且，工业生产过程自动化也是我国企业发展的趋势。1.

9、3 设计的内容与目标本次设计的内容是高炉本体计算机监控系统PLC设计。要完成此次设计任务，首先要了解高炉炼铁工艺过程和高炉本体自动控制的原理，进而设计高炉本体计算机监控系统,然后基于设计要求建立系统的模型，确定可编程控制器的硬件选择，继而建立了流程图，用可编程控制器的语言对PLC进行编程，完成对高炉本体系统生产过程中各个物理量的数据采集显示及自动控制。最后用Wincc组态高炉本体计算机监控系统主界面历史数据记录及变化趋势界面、报警界面等,并且绘制系统检测和控制流程图。第2章 高炉炼铁的工艺流程2.1 高炉炼铁的工艺流程用于炼钢和机械制作等行业的生铁绝大多数是由高炉生产出来的。高炉是炼铁生产中的

10、主体设备。高炉炼铁生产主要由以下几个部分组成:上料系统、渣铁处理系统、送风系统、煤气除尘设施、喷吹系统及高炉本体。高炉炼铁所用的原料是经过处理符合化学成分及粒度要求后，由上料系统装入高炉的;经冶炼生产出来的主产品生铁，可直接送炼钢厂炼钢或铸成铁块;炉渣可制成水渣用于水泥工业;高炉煤气除去灰尘后可用作燃料:高炉用鼓风机鼓风，鼓出的风经热风炉加热后送入高炉。高炉炼铁生产是冶金(钢铁)工业最主要的环节。高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程焦炭、铁矿石(烧结矿、球团矿、块矿等)和溶剂(石灰石、白云石、硅石、锰矿等)等固体炉料从高炉上部装入，到达风口的焦炭被从风口鼓入的热风中的氧燃烧而产生平均温度

11、为1700左右的高温煤气，同时燃烧的还有随鼓风一道喷入的煤粉、重油、煤水混合物等辅助燃料。高温煤气自下而上地流动，温度不断下降，含氧量不断增加，最终从高炉炉顶引出。而铁矿石在从上向下的运动过程中不断被煤气加热和还原，温度不断升高，含氧量不断下降。根据炉料的温度、化学成分和物理形态，高炉可以化分为块状带、软熔带、滴下带、风口姗烧带和炉缸等五大部分 。由于软熔带内的矿石层处于软化和熔融状态，对煤气有很大阻力，所以煤气在软熔带内基本上只能从焦炭层，即所谓的焦炭气窗中流过。滴下带内的焦炭柱又可以划分为活动焦炭区和死料柱两部分。焦炭主要是在活动焦炭区内向下运动而最终到达风口燃烧带，死料柱中的焦炭主要消耗

12、Feo和锰、硅、磷等元素的还原，生铁的脱硫和渗碳等。死料柱更新一次的时间为7-10天。在块状带和软熔带内，铁矿石中的铁氧化物差不多已经全部被还原，脉石和溶剂发生反映生成低熔点的熔渣。在滴下带内，液态渣铁要发生分离。熔渣中的氧化亚铁在穿过焦炭柱时被还原成金属铁，而熔铁在滴下的过程中继续被渗碳并吸收硫及硅、锰、磷等合金元素，最终在炉缸内汇积贮存起来。铁水和炉渣定期或连续地从铁口/渣口中排放来。高炉炼铁的工艺流程图如图1所示。矿槽矿筛称量斗料车焦仓焦筛称量斗料车杂矿槽振动器称量斗煤粉鼓风机热风炉高 炉除尘器燃气厂铁罐铸铁铁库渣罐渣厂 图1 高炉炼铁的工艺流程图2.2 高炉本体的结构及主要参数用于炼钢

13、和机械制作等行业的生铁绝大多数是由高炉生产出来的。因此，高炉是炼铁生产中的主体设备。高炉是一个符合炼铁需要的竖式圆筒型炉子，且中间粗两头细。按部位分为五段:炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸,炉缸设有风口、铁口和渣口(如图2)。高炉壳内由耐火材料砌成，其外壳为钢板制成，从炉身下部到炉底有冷却设备保护炉墙和炉壳。高炉炉顶为封闭式的，铁口中心线至大料钟下降时下沿的距离称为高炉的有效高度，对应此高度的高炉容积称为有效容积。以下是对高炉本体的主要组成部分的具体介绍：高炉炉壳：现代化高炉广泛使用焊接的钢板炉壳，只有极少数最小的土高炉才用钢箍加固的砖壳。炉壳的作用是固定冷却设备，保证高炉砌体牢固，密封炉体，有的

14、还承受炉顶载荷。炉壳除承受巨大的重力外，还要承受热应力和内部的煤气压力，有时要抵抗崩料、坐料甚至可能发生的煤气爆炸的突然冲击，因此要有足够的强度。炉壳外形尺寸应与高炉内型、炉体各部厚度、冷却设备结构形式相适应。 炉喉：高炉本体的最上部分，呈圆筒形。炉喉既是炉料的加入口，也是煤气的导出口。它对炉料和煤气的上部分布起控制和调节作用。炉喉直径应和炉缸直径、炉腰直径及大钟直径比例适当。炉喉高度要允许装一批以上的料，以能起到控制炉料和煤气流分布为限。 炉身：高炉铁矿石间接还原的主要区域，呈圆锥台简称圆台形，由上向下逐渐扩大，用以使炉料在遇热发生体积膨胀后不致形成料拱，并减小炉料下降阻找力。炉身角的大小对

15、炉料下降和煤气流分布有很大影响。 炉腰：高炉直径最大的部位。它使炉身和炉腹得以合理过渡。由于在炉腰部位有炉渣形成，并且粘稠的初成渣会使炉料透气性恶化，为减小煤气流的阻力，在渣量大时可适当扩大炉腰直径，但仍要使它和其他部位尺寸保持合适的比例关系，比值以取上限为宜。炉腰高度对高炉冶炼过程影响不很显著，一般只在很小范围内变动。 炉腹：高炉熔化和造渣的主要区段，呈倒锥台形。为适应炉料熔化后体积收缩的特点，其直径自上而下逐渐缩小，形成一定的炉腹角。炉腹的存在，使燃烧带处于合适位置，有利于气流均匀分布。炉腹高度随高炉容积大小而定，但不能过高或过低，一般为3036m。炉腹角一般为7982；过大，不利于煤气流

16、分布；过小，则不利于炉料顺行。 炉缸：高炉燃料燃烧、渣铁反应和贮存及排放区域，呈圆筒形。出铁口、渣口和风口都设在炉缸部位，因此它也是承受高温煤气及渣铁物理和化学侵蚀最剧烈的部位，对高炉煤气的初始分布、热制度、生铁质量和品种都有极重要的影响。 炉底：高炉炉底砌体不仅要承受炉料、渣液及铁水的静压力，而且受到14004600的高温、机械和化学侵蚀、其侵蚀程度决定着高炉的一代寿命。只有砌体表面温度降低到它所接触的渣铁凝固温度，并且表面生成渣皮（或铁壳），才能阻止其进一步受到侵蚀，所以必需对炉底进行冷却。通常采用风冷或水冷。目前我国大中型高炉大都采用全碳砖炉底或碳砖和高铝砖综合炉底，大大改善了炉底的散热

17、能力。 炉基：它的作用是将所集中承担的重量按照地层承载能力均匀地传给地层，因而其形状都是向下扩大的。高炉和炉基的总重量常为高炉容积的1018倍（吨）。炉基不许有不均匀的下沉，一般炉基的倾斜值不大于0.105。高炉炉基应有足够的强度和耐热能力，使其在各种应力作用下不致产生裂缝。炉基常做成圆形或多边形，以减少热应力的不均匀分布。 炉衬：高炉炉衬组成高炉的工作空间，并起到减少高炉热损失、保护炉壳和其它金属结构免受热应力和化学侵蚀的作用。炉衬是用能够抵抗高温作用的耐火材料砌筑而成的。炉衬的损坏受多种因素的影响，各部位工作条件不同，受损坏的机理也不同，因此必须根据部位、冷却和高炉操作等因素，选用不同的耐

18、火材料。 炉喉护板：炉喉在炉料频繁撞击和高温的煤气流冲刷下，工作条件十分恶劣，维护其圆筒形状不被破坏是高炉上部调节的先决条件。为此，在炉喉设置保护板（钢砖）。小高炉的炉喉保护板可以用铸铁做成开口的匣子形状；大高炉的炉喉护板则用100150mm厚的铸钢做成。炉喉护板主要有块状、条状和变径几种形式。变径炉喉护板还起着调节炉料和煤气流分布的作用。图2 高炉内部结构因此，高炉本体参数主要包括高炉本体的温度、冷却水、冲渣水、蒸汽总管压力， 入炉风温、掺入冷风的压力、流量和温度、炉顶压力等多个数据的采集和调节。第3章 控制系统的总体设计方案3.1 高炉控制系统改造的目的和原则本着从满足用户的实际需要出发，

19、我们立足于建设高度集成的自动化系统的宗旨，严格遵循投资合理、规划统一、立足现在、适度超前的设计方向，为用户提供一个完整全面的控制系统方案，力求使系统既满足用户目前的应用需求，又考虑到今后技术的发展趋势，以使生产线的综合功能服务能够迅速适应和领导未来的变化。具体而言，根据用户的需求，该系统设计原则为:(1)用户至上原则本方案以满足用户需求为目标，最大限度地满足用户提出的功能需求，并针对冶金行业生产工艺的特点，确保安全性、可靠性和稳定性。(2)标准化和开放性应采用国内、国际最新的规范和标准来设计、施工和测试系统，应采用符合最新国内、国际标准，得到国际权威机构认证的产品，保证系统能兼容不同厂商、不同

20、协议的设备，并须考虑开放的接口、易实现的通讯方式，以便用户日后对系统进行扩容乃至二次开发。(3)先进性系统的先进性主要体现在系统的整体统一性以及系统设计和设备选型的最优化和适当的超前性。为从根本上提高系统的自动化水平，把系统作为一个整体来进行设计，通过完善的系统集成的方式，充分利用现有资源，最大限度地发挥使用效能。在保证经济实用性的原则下，选用优秀的进口设备和技术，参考国内外冶金行业同类设计方案，从设计规划到设备选型，力求反映当今世界最新的科技文明成果。(4)经济性和节能性在实现先进性的前提下，达到功能和经济的最优性价比。(5)可靠性和易维护性为了最大限度地做到所需维护人员少、维护工作量小、维

21、护强度和维护费用低，在设计过程中，尽可能选用易于安装和维护的产品和平台 。根据以上控制系统设计的原则，在对高炉的控制系统进行设计时借鉴了国内外同类型的高炉在自动化仪表方面的先进技术和先进经验，对新高炉的过程检测和自动控制系统进行了全新的设计。采用过程计算机监控系统(PCS),监控高炉的生产过程，由PCS系统完成对高炉的过程检测及自动控制，包括数据处理及数据图形显示和记录。坚持采取集中操作监视，分散控制，充分发挥计算机网络系统的功能和通讯的优势，以主操作站为中心实现集中操作、分散控制，尽可能减少计算机系统外围的布线量， 并充分发挥高炉工长指挥全局的功能。3.2 高炉控制系统的控制功能高炉本体参数

22、主要包括高炉本体的温度、冷却水、冲渣水、蒸汽总管压力， 入炉风温、掺入冷风的压力、流量和温度、炉顶压力等多个数据的采集和调节。高炉本体的温度监控是为了了解高炉炉壁和炉底各部分耐火砖的侵蚀情况，为此在高炉的炉壁各部安装大量的热电偶，炉底各部安装约80点热电偶。高炉炉体的温度采样周期炉壁各点为5s，炉底为5s，控制系统对各点温度周期采样，并记下越限温度及其次数，同时报警。此外，还按下式检查各点温度的瞬时值T和班内平均值的温度上升变换率T，当T越限时，即报警:此外，将采样得到的温度数据分别建立10min, lh, 8h、每日的平均值和每班、每日、每旬最大值时序文件，以供CRT显示和编制高炉炉体管理日

23、报。高炉的冷却水、冲渣水蒸汽总管压力进行检测和调节，以保证高炉炉体的温度正常和炼铁产生的矿渣的顺利冲出;高炉的入炉风温、掺入冷风的压力、流量和温度的采集和调节，以确保入炉风温和掺入冷风的流量和温度满足生产工艺要求;同时包括炉顶压力的采集和调节，确保能正常布料。当高炉炉体的参数超过正常生产的最大允许值时提供报警，使得操作工能及时采取措施确保生产正常进行和防止危险发生 。基于西门子S7-300系列PLC的高炉监控系统利用了自动控制及仪表、计算机、通信以及信息集成等相关领域的技术，实现了高炉炼铁可靠方便的远程自动控制，保证生产平稳、安全的进行，减轻劳动强度，提高工作效率。整个系统对整个生产过程实现的

24、控制功能主要包括电气设备控制和工艺参数的控制。1.电气设备的控制高炉电气的设备主要包括生产现场的电机、开关阀、调节阀等。监控系统对电气设备的启动和停止进行控制，属于数字量的控制。电机的启停和开关阀的开关有三种控制方式，分别是手动方式、自动方式和现场手动方式。每个电机和开关阀在生产现场控制柜面板上配有一个远程/本地方式设定开关，可以进行远程和本地选择。当设定为本地方式，启停控制由现场操作人员决定，实现现场手动控制;当设定为远程方式，由监控系统控制。监控系统又可以确定其自动方式和手动方式，自动方式和手动方式分别由PLC和上位机实现。在自动控制方式下，电气设备运行与否受到连锁信号的控制，连锁关系是根

25、据工艺要求和工艺过程建立的，连锁条件主要是其它一些相关的工艺参数和电气设备的状态条件，或以它们之间逻辑运算后的结果作为条件，连锁条件满足与否决定电气设备启动还是停止。在手动方式下，电气设备的启停由上位机指令控制。在这三种控制方式中，以现场手动控制优先级最高。而且，监控系统对部分电机的工作电流和工作频率进行检测，并通过上位机进行监视。2.工艺参数的控制高炉炼铁监控系统在整个生产流水线的适当位置上安装了流量计、温度传感器、压力传感器等现场智能仪表，经变送器将流量、压力和温度等工艺参数送至PLC控制站，监控系统对其进行模拟量控制。因为整个生产过程是连续的，各个工艺环节较为复杂，控制对象又较多，所以控

26、制回路之间连锁关系复杂，通过互锁信号建立它们之间的关系。在高炉监控系统中，很多地方的控制都要符合一定的工艺参数和技术参数要求，一旦这些参数出问题，不但影响设备的工作状况，同时也影响到后继工作的正常运行，所以为了保证生产的平衡畅通和铁水的高质量，监控系统根据给定的工艺参数，对大部分测得的实际工艺参数值进行变速积分的PID闭环控制，闭环控制的输出控制管道上的调节阀的开度以及对温度的控制，达到改变工艺参数的目的，使其满足工艺要求，生产过程顺利进行。这里的PID闭环控制的初始设定值一种来自于由上位机直接给定;另一种根据工艺流程，根据与其相关的其它工艺参数计算得出，这样就将整个生产过程联系起来了。3.3

27、 控制系统的构成3.3.1 高炉自动化控制系统总体结构整个高炉自动化系统按其总体结构分为三级。第一级为现场级，主要设备有气动执行机构，测量仪表和伺服机构等。这些设备主要用于现场设备的直接控制，部分过程信号采集和初步转换;另外，当现场设备系统出现故障的情况下，进行紧急处理操作。第二级为基础级，即对过程信号进行深加工，以满足控制要求。在这一级，部分可以实现全自动化功能，部分可以实现半自动化功能;此外，还可以显示其采集的信号变化情况和监视系统状况。第三级为控制级，主要由工业控制计算机(IPC)完成其功能。工业控制计算机系统接受下级系统发送的信号并进行处理和存储，它可以显示过程参数、模拟现场设备的运行

28、情况。3.3.2 控制规律的选择尽管不同类型的控制器，其结构、原理各不相同，但是基本控制规律只有三个：比例（P）控制、积分（I）控制和微分（D）控制。这几种控制规律可以单独使用，但是更多场合是组合使用。如比例（P）控制、比例-积分（PI）控制、比例-积分-微分（PID）控制等。 1.比例（P）控制单独的比例控制也称“有差控制”，输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系，偏差越大输出越大。实际应用中，比例度的大小应视具体情况而定，比例度太大，控制作用太弱，不利于系统克服扰动，余差太大，控制质量差，也没有什么控制作用；比例度太小，控制作用太强，容易导致系统的稳定性变差，引发振荡。 对于反应灵敏、放大

29、能力强的被控对象，为提高系统的稳定性，应当使比例度稍大些；而对于反应迟钝，放大能力又较弱的被控对象，比例度可选小一些，以提高整个系统的灵敏度，也可以相应减小余差。 单纯的比例控制适用于扰动不大，滞后较小，负荷变化小，要求不高，允许有一定余差存在的场合。工业生产中比例控制规律使用较为普遍。 2.比例积分（PI）控制比例控制规律是基本控制规律中最基本的、应用最普遍的一种，其最大优点就是控制及时、迅速。只要有偏差产生，控制器立即产生控制作用。但是，不能最终消除余差的缺点限制了它的单独使用。克服余差的办法是在比例控制的基础上加上积分控制作用。 积分控制器的输出与输入偏差对时间的积分成正比。这里的“积分

30、”指的是“积累”的意思。积分控制器的输出不仅与输入偏差的大小有关，而且还与偏差存在的时间有关。只要偏差存在，输出就会不断累积（输出值越来越大或越来越小），一直到偏差为零，累积才会停止。所以，积分控制可以消除余差。积分控制规律又称无差控制规律。 积分时间的大小表征了积分控制作用的强弱。积分时间越小，控制作用越强；反之，控制作用越弱。 积分控制虽然能消除余差，但它存在着控制不及时的缺点。因为积分输出的累积是渐进的，其产生的控制作用总是落后于偏差的变化，不能及时有效地克服干扰的影响，难以使控制系统稳定下来。所以，实用中一般不单独使用积分控制，而是和比例控制作用结合起来，构成比例积分控制。这样取二者之

31、长，互相弥补，既有比例控制作用的迅速及时，又有积分控制作用消除余差的能力。因此，比例积分控制可以实现较为理想的过程控制。 比例积分控制器是目前应用最为广泛的一种控制器，多用于工业生产中液位、压力、流量等控制系统。由于引入积分作用能消除余差，弥补了纯比例控制的缺陷，获得较好的控制质量。但是积分作用的引入，会使系统稳定性变差。对于有较大惯性滞后的控制系统，要尽量避免使用。 3.比例微分（PD）控制比例积分控制对于时间滞后的被控对象使用不够理想。所谓“时间滞后”指的是：当被控对象受到扰动作用后，被控变量没有立即发生变化，而是有一个时间上的延迟，比如容量滞后，此时比例积分控制显得迟钝、不及时。为此，人

32、们设想：能否根据偏差的变化趋势来做出相应的控制动作呢？犹如有经验的操作人员，即可根据偏差的大小来改变阀门的开度（比例作用），又可根据偏差变化的速度大小来预计将要出现的情况，提前进行过量控制，“防患于未然”。这就是具有“超前”控制作用的微分控制规律。微分控制器输出的大小取决于输入偏差变化的速度。 微分输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差的大小以及偏差是否存在与否无关。如果偏差为一固定值，不管多大，只要不变化，则输出的变化一定为零，控制器没有任何控制作用。微分时间越大，微分输出维持的时间就越长，因此微分作用越强；反之则越弱。当微分时间为0时，就没有微分控制作用了。同理，微分时间的选取，也是需要根据

33、实际情况来确定的。 微分控制作用的特点是：动作迅速，具有超前调节功能，可有效改善被控对象有较大时间滞后的控制品质；但是它不能消除余差，尤其是对于恒定偏差输入时，根本就没有控制作用。因此，不能单独使用微分控制规律。 比例和微分作用结合，比单纯的比例作用更快。尤其是对容量滞后大的对象，可以减小动偏差的幅度，节省控制时间，显著改善控制质量。 4.比例积分微分（PID）控制最为理想的控制当属比例-积分-微分控制规律。它集三者之长：既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。 当偏差阶跃出现时，微分立即大幅度动作，抑制偏差的这种跃变；比例也同时起消除偏差的作用，使偏差

34、幅度减小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制规律，因此可使系统比较稳定；而积分作用慢慢把余差克服掉。只要三个作用的控制参数选择得当，便可充分发挥三种控制规律的优点，得到较为理想的控制效果。因此，本设计采用PID控制闭环控制，主要对高炉炉顶压力的控制和热风炉送来的热风温度的控制。（1）PID控制的原理及特点在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难

35、以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 a.比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 b.积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后

36、存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 c.微分（D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节

37、）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 (2)PID对系统性能的影响a.比例系数P对系统性能的影响比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加

38、快，稳态误差减小;P偏大，振荡次数加多，调节时间加长;P太大时，系统会趋于不稳定;P太小，又会使系统的动作缓慢。b.积分控制I对系统性能的影响积分作用使系统的稳定性下降，I小(积分作用强)会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。c.微分控制D对系统性能的影响微分作用可以改善动态特性，D偏大时，超调量较大，调节时间较短;D偏小时，超调量也较大，调节时间也较长;只有D合适，才能使超调量较小，减短调节时间。(3)PID控制器的参数整定PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多

39、，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先

40、预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。3.3.3 WINCC组态本设计上位机监控使用工业控制软件WINCC。工业控制组态软件WinCC是一个集成的人机界面(HMI )系统和监控管理(SCADA)系统。利用对WinCC软件的二次开发来完成高炉本体生产过程的监控和管理， 并且可用来显示所有现场的模拟量数据，如温度、压力、流量等。同时利用WinCC的报警记录还可以发现和控制炉顶的压力，可以提供关于错误和操作状态的综合信息，用于及早检测重要情况

41、，保证高炉顺行。组态软件是数据采集监控系统SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）的软件平台工具，是工业应用软件的一个组成部分。它具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。组态软件由早先单一的人机界面向数据处理机方向发展，管理的数据量越来越大。随着组态软件自身以及控制系统的发展，监控组态软件部分与硬件发生分离，为自动化软件的发展提供了充分发挥作用的舞台。OPC（OLE for Process Control）的出现，以及现场总线尤其是工业以太网的快速发展，大大简化了异种设备间互连，降低了开发IO设备驱动软件的工作量。IO驱动软件也逐渐向标

42、准化的方向发展。实时数据库的作用进一步加强。实时数据库是SCADA系统的核心技术。从软件技术上讲，SCADA系统的实时数据库，实质上就是一个可统一管理的、支持变结构的、支持实时计算的数据结构模型。在实时数据库技术中，还有对工业标准的支持（如OPC规范等），对分布式计算的支持和对实时数据库系统冗余的支持等等。很多新技术将不断的被应用到组态软件当中，促使组态软件向更高层次和更广范围发展。西门子公司的WINCC是Windows Control Center（视窗控制中心）的简称。它集成了SCADA、组态、脚本语言（Script）和OPC等先进技术，为用户提供了Windows操作系统环境下使用各种通用

43、软件的功能。WINCC继承了西门子公司的全集成自动化（TIA）产品的技术先进和无缝集成的特点。WINCC在1996年进入世界工控组态软件市场，以最短的时间发展成为第三个在世界范围内成功的SCADA系统，在欧洲成为第一。作为SIMATIC全集成自动化系统的重要组成部分，WINCC确保与SIMATIC S5，S7和505系列的PLC连接的方便和通讯的高效.。WINCC与STEP7编程软件的紧密结合缩短了项目开发的周期。此外，WINCC还有对SIMATIC PLC进行系统诊断的选项，给硬件维护提供了方便 。WINCC是一个功能强大的全面开放的监控系统，既可以用来完成小规模的简单的过程监控应用，也可以

44、用来完成复杂的应用。在任何情况下WINCC都可以生成漂亮而便捷的人机对话接口，使操作员能够清晰地管理和优化生产过程。 WINCC几乎拥有先进人机界面产品的所有功能，其集成的功能已包括：1.图形系统用于自由地组态画面，并完全通过图形对象进行操作，图形对象具有动态属性并可对属性进行在线组态。WINCC的图形系统可处理运行时在屏幕上的所有输入和输出。你可使用WINCC图形设计器来生成用于工厂可视化和操作的图形。不管是少而简单的操作和监视任务，还是复杂的管理任务，利用WINCC标准，可为任何应用生成个性化组态的用户界面，以期实现安全的过程控制和整个生产过程的优化。2.消息系统借助报警和消息，使停机时间最短。SIMATIC WINCC 不仅可以获取过程消息和本地事件，而且还能将这些信息存储在循环归档系统中，然后在需要时，通过过滤或分类加以利用。消息可从某个位导出，亦可以直接来自自动化系统的一个报警消息帧，或者是超出极限条件时的模拟量报警。你还可对消息进行组态，以便使用户对它作出响应。可自由定义消息结构