轧钢加热炉温度自动控制——热值模型和实现（设计）完整版.doc

1、内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 轧钢加热炉温度自动控制热值模型和实现摘 要在钢铁企业中，为了将钢坯加热到轧制所规定的工艺要求，必然地要求对加热炉内的温度进行有效的控制，使之保持在某一特定的范围内。而温度的维持又要求燃料在炉内稳定地燃烧。加热炉燃烧过程是受随机因素干扰的，具有大惯性、纯滞后的非线性过程。所以加热炉的温度控制一直钢铁企业的重要研究问题。本次设计是以包钢2#轨梁轧钢加热炉为背景展开的，控制系统用的是浙大中控的Advantro-Pro 集散控制系统，温度控制方案采用串级控制，副回路在流量控制的基础上采用热值作为前馈，克服了来自煤气混合比的影响；燃烧控制采用具有逻辑规律的比值控

2、制，采用动态空然比，使燃烧得到最大优化。各回路控制策略选择PID控制。关键词：轧钢加热炉；串级控制；比值控制；空燃比Steel Rolling Heating Furnace Temperature Automatic Control- Calorific value model and the realizationAbstractIn the enterprises where producing iron and steel, in order to heat up billet to the technological requirements of rolling, the temp

3、erature inside the furnace must be controlled effectively so that it remains in a specific range. While maintaining the temperature needs the stable burning of fuel inside the furnace. Furnace combustion process is a non-linear process which is subject to the random interference, great inertia and t

4、he pure time delay. Therefore, heating furnace temperature control is continuously the important research issue of iron and steel enterprises. My current design is based on the second track # beam furnace of Baotou steel as the background, using Advantro-Pro Distributed Control System of Zhejiang Un

5、iversity as the control system, using cascade control as the temperature control. The Deputy objects adds the impact of heat value on the basis of flow control as to overcoming the influence from the ratio of gas mixture; using the ratio control with the laws of logic, and dynamic space ratio in the

6、 combustion control, to reach maximum combustion optimization. The loop use PID as the control strategy options. Key words : Reheat Furnace, cascade control, ratio control, air-fuel ratio 目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 绪 论11.1 概论11.2 国内现状2第二章 加热炉工艺及难点分析52.1 加热炉的工艺流程52.2 燃烧的分析62.2.1 燃料的成分62.2.2 燃气与空气的关系8

7、2.3 加热炉的工艺要求102.3.1 炉膛温度102.3.2 燃烧102.4 加热炉控制难点11第三章 国产控制系统AdvanTrol-Pro123.1 软件支持的系统结构123.2 系统软件功能特点及性能指标133.3 系统软件构成介绍143.3.1 用户授权管理软件（SCReg）163.3.2 系统组态软件（SCKey）163.3.3 图形化编程软件（SCControl）173.3.4 语言编程软件（SCLang）203.3.5 二次计算组态软件（SCTask）203.3.6 流程图制作软件（SCDrawEx）203.3.7 报表制作软件（SCFormEx）203.3.8 实时监控软件（

8、AdvanTrol）213.3.9 故障分析软件（AdvDiagnose）213.3.10 ModBus 数据连接软件(AdvMBLink)213.3.11 实时数据服务器软件（AdvOPCServer）213.3.12 C/S 网络互连功能22第四章 系统控制方案及策略234.1 加热炉控制系统234.1.1 控制方案234.1.2 控制策略264.2 燃烧控制系统274.2.1 燃烧控制系统的分析274.2.2 具有逻辑规律的比值控制系统28第五章 控制系统在Advantrol-Pro中的实现315.1 位号的定义315.2 功能块335.3 程序的实现385.3.1 热值与华白的计算38

9、5.3.2 空燃比的计算415.3.3 具有逻辑规律的串级比值控制系统42结束语45参考文献46致 谢4748内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 绪 论1.1 概论自18世纪后半期的工业革命以来，世界对于煤、石油、天然气等不可再生能源的消耗不断扩大，能源危机日益加深。在1973年发生第一次能源危机后，开发新能源和节能的研究便成为世界各国关注的主要课题，各工业先进国家对各种燃烧设备的节能控制进行了广泛深入的研究，大大降低了能耗。加热炉是热轧生产过程的重要热工设备，其能耗占到钢铁工业总能耗的25%。它的主要作用是提高钢坯的塑性，降低变形抗力，以满足轧制工艺的要求。其温度控制性能直接影响

10、到加热炉的能耗和最终钢材产品质量、钢坯成材率、轧制设备寿命以及整个轧线的有效作业率。但是加热炉的燃烧过程是受随机因素干扰的、具有时变性的非线性随机过程。对于这种复杂的控制对象，即使是经验丰富的操作工人，也很难全面的考虑各种因素的影响进行准确的控制，这将影响钢坯的加热质量，甚至影响正常的生产。目前，国内仍有大量的加热炉停留在简单的人工控制或者通过电子仪表进行手工电动操作，这种操作方式劳动强度大、控制粗糙、节能效果不好、对操作工的水平要求较高。随着要求高效利用能源和降低环境污染等问题的日益急迫，急需对加热炉之类的工业炉窑实行优化控制以实现节能降耗和降低对环境的污染。因此，必须提高加热炉控制水平，建

11、立良好的炉温自动控制系统。加热炉燃烧过程是受随机因素干扰的、具有大惯性、纯滞后的非线性过程。钢坯加热炉一般是多段式复合结构，分段加热，各段之间相互耦合，要描述炉内热交换机理除包括有关辐射、对流和传导的关系式外，还有很多不确定因素，如压力、各段之间相互影响、燃烧热值的波动等，要以数学方法建立加热炉这种复杂、粗糙对象的精确模型十分困难。传统的控制技术是基于模型的控制，建立在模型已知或可以通过辨识得到的基础上的。因此，当炉内工况发生变化或出现大的扰动时，传统的线性近似模型显然具有较大的局限性。工程技术人员经过多年的工程实践，已充分认识到，要想彻底解决加热炉的控制问题，必须跳出以简化的数学模型为基础的

12、经典控制框架，面对其复杂性，应提出新的概念和模型，探索新的方法和手段，开发出能感知复杂环境、控制复杂对象、解决复杂任务的新策略。近年来，随着计算机的广泛应用和人工智能技术的迅速发展，出现了一种以人工智能、控制理论和计算机科学为基础的新型控制技术智能控制。智能控制从人工智能的角度出发，充分重视大量定性的先验知识，采用模糊、推理、逻辑的知识库和推理方式，通过离线训练在线学习，建立起智能动态控制系统，为解决复杂工业过程建模和优化控制问题提供了一种很好的解决方案，逐渐成为工业过程控制研究的热点。将智能控制技术应用于炉窑的过程控制，能继承熟练工人的操作经验，并解决传统工艺理论、控制理论建立的数学模型无法

13、适合非稳定工况的问题，在异常情况下也能很好地控制，从而可大大提高加热炉窑控制过程的快速性和控制精度，保证控制过程的稳定性，提高产品的合格率和优质率。智能控制技术的出现，为解决钢铁工业领域内的控制难题提供了全新的思路，为今后我国钢铁冶金企业在世界钢铁强国中谋得一席之地，提供了较好的途径。可以预见，智能控制技术在将来的加热炉的综合优化控制技术研究中将占有举足轻重的地位。1.2 国内现状我国从80年代初开始进入加热炉计算机控制系统研究阶段。就国内来说，我国钢铁企业现有轧钢炉窖近千座，其中加热炉700多座。有些加热炉可达到国外90年代水平，但发展极不平衡，先进与落后差距很大。目前，国内大多数加热炉的计

14、算机控制水平很低，虽然引进了一些先进的控制系统和设备，但绝大部分加热炉计算机控制系统仍然处在计算机过程控制的水平上，甚至还有少数加热炉由人工操作，其加热质量和能耗与国外同行相比相距甚远。在理论研究方面，近年来，国内对加热炉数学模型的研究越来越活跃起来，我国的科学工作者进行了大量的卓有成效的研究工作，取得了一些研究成果。有很多学者，对钢坯升温的数学模型进行了研究，还有学者将燃料消耗与钢温联系起来，构成燃料消耗最低的真实目标函数，从而可以运用最优升温曲线。同时，智能控制技术的研究也在积极开展，有学者将智能控制的思想和方法与自校正控制技术相结合，提出了一个基于知识和在线辨识机制加热炉混合智能控制系统

15、。但目前国内外开发的加热炉钢坯温度预报数学模型, 无论是根据加热过程本身的内在机理, 运用能量平衡、物料平衡等建立起来的机理模型, 还是根据加热炉的输入输出数据建立起来的辨识模型, 其实质都是实验模型。建立的模型依赖于建模时的炉况和实验条件, 当炉况变化或炉子更新、老化后, 模型的误差就会大大增加。另外, 建立炉内加热钢坯温度预报模型时, 通常忽略热辐射和热对流,仅考虑热传导, 加热的三维空间被简化成一维或二维空间的热传导模型。由于这些方法假设太多, 以至使用起来误差较大。在实际工程应用中，计算机控制应用也日趋广泛，提出了新的控制策略，控制水平有所提高。例如:首钢板材有限公司加热炉计算机控制系

16、统，避开许多难以检测的物理量及建立精确数学模型的困难，而直接根据系统中易于检测的温度、压力、流量等三种物理量，采用智能控制技术设计了智能控制器，进行系统辨识，实现了加热炉的智能和优化控制，氧化烧损从1.67%下降到0.96%；莱钢热轧窄带钢步进式加热炉计算机优化控制系统中的热工控制由直接数字控制(DCC)和计算机监督控制(SCC)两级组成，DCC级的燃烧控制实现了双交叉限幅控制，同时以软件的方式实现了煤气热值的动态实时估算，保证了空气消耗系数随热值同步变化，SCC级提出了考虑二维效应的一维平板模型，提高了模拟的精度，并以段法的离线分析解决了总括热吸收率的动态补偿问题，还建立了金属氧化烧损模型，

17、对金属氧化烧损量进行在线实时跟踪计算，有利于降低氧化烧损，实现了加热炉的优化控制。总之，我国的理论研究虽已赶上国际水平，但国内加热炉的控制水平与先进国家相比还存在较大的差距，加热炉控制大多停留在常规的燃烧控制阶段，更有许多处于手工操纵阶段。总的来说，加热炉的高级计算机控制策略尚处在初级阶段，有关技术还不成熟。第二章 加热炉工艺及难点分析2.1 加热炉的工艺流程要对加热炉进行温度控制就首先要对加热炉熟悉，加热炉的作用是将钢坯加热到轧制工艺要求的温度。在此温度下进行轧制既能保证燃料的合理利用又能使轧制力在正常范围内。图2.1 轧钢机抛面简图加热炉为三段式加热炉，沿炉长方向分为预热段、II加热段、I

18、加热段和均热段，如上图所示。预热段主要是依靠炉内尾气余热来预热装炉钢坯，从而提高燃料的利用率。为了把钢坯加热到目标温度，加热炉以高炉焦炉混合煤气为燃料，分成五个控制区域对加热炉的燃烧过程和炉温进行控制，即 II 加热段上区，并将 I 加热段和均热段各分成上、下两个区域，每个区域单独控制，分别设置有热电偶温度传感器，空气流量控制器、煤气流量控制器，对每段的炉温以及燃烧状况进行实时监控，各控制器的设定值可用手动方式，亦可根据不同规格、材质的钢坯自动设定， 预热段内由于没有设置烧嘴而不参与控制。在加热炉工作时，钢坯被整齐排列在加热炉内，并在推钢机的推动下不断地从炉尾推入炉膛，首先利用加热段和均热段排

19、出的高温烟气缓慢加热钢坯，这样钢坯开始升温不大，温度应力小，不会造成裂纹和断裂；钢坯运行到加热二段时，钢坯的中心温度已超过 500摄氏度，进入塑性范围，此时快速加热钢坯使钢坯表面温度迅速升高到出炉温度；在均热段钢坯表面温度不再升高，段面温差逐步减小。这样，钢坯经过预热、加热、均热三个过程，就被加热成温度适宜、温差较小、可供轧制的热坯。此时钢坯被出钢机构推上滚道，由滚道传送给轧机进行轧制。根据加热工艺要求，一般每块钢坯在炉内大约停留 2 小时，但具体钢种以及生产要求不同，该时间有差异。为了将钢坯加热到轧制所规定的工艺要求，必然地要求对加热炉内的温度进行有效的控制使之保持在某一特定的范围内，出钢温

20、度过高既不必要且又导致钢坯过多烧损和能源浪费，甚至造成粘钢的严重事故。过低则会使轧机轧制困难而影响到最终产品质量和轧机的使用寿命(或维护周期)。而温度的维持又要求燃料在炉内稳定地燃烧。另外，不同种类的钢坯对炉内的气氛有不同的要求， (这里气氛主要是指氧化气氛和还原气氛，具体要求视加热工艺要求而定)如果氧化气氛过重，会使被加热金属表面生成较厚的氧化皮，不仅浪费材料而且给除鳞带来困难，严重的还会影响产品表面质量。如果还原气氛过重，不仅白白浪费大量燃料，同时还污染了空气，可见，燃烧过程是影响加热炉系统的关键。2.2 燃烧的分析燃烧过程是燃料的氧化过程，而氧化反应生成的热正是我们所需要的热量。2.2.

21、1 燃料的成分在钢铁联合企业中现在使用的气体燃料有人造煤气，副产煤气，及天然气，人造煤气有发生炉煤气，水煤气，副产煤气有高炉煤气，焦炉煤气，转炉煤气。这些煤气都具有不同的特性，作为燃料它们最重要的性质就是热值。两种或两种以上的煤气混合就能够产出用户需要的有一定特性的混合气体。如果各用户使用单一煤气，当某些生产煤气的单位因某种原因煤气量减少了，那么用户的生产就会受到影响。反之用户因某些原因对煤气需求减少，这样煤气就会产生过剩的现象，使用混合煤气就可以适当的解决高低峰值煤气的使用，另外也给煤气的平衡调度及用户的正常生产带来很大好处。包钢轨梁2#加热炉的燃料来源为高炉煤气和焦炉煤气的混合气，混合比会

22、随煤气站的各种煤气量的变化而变化，而高炉煤气和焦炉煤气的热值和密度都是不同的，这样供应到加热炉的煤气的热值和密度就会不断改变。这里我们不得不提到一个概念-热值指数，即华白。热值：单位体积可燃气体燃烧放出的热量，以表示。华白以表示为： （2.1）为什么要引进这一概念呢，因为采用流量孔板或其它类似装置产生差压来测量燃气流量的，其基本公式如下： （2.2）式中：流量； 气体绝对压力； 常数； 气体绝对温度； 节流装置流通面积； 节流装置前后差压； 标准状态下燃气的密度由式可见，当节流装置流通面积和结构形式确定后，且P,T为常数时，上式可简化为。由此可见，当不变时，与成正比，当变时实际通过孔板燃气流量

23、也发生了变化，从而造成燃气供应不足或过量。因此要使加热炉正常工作就得保证单位时间内供给加热炉的总热量接近或等于恒定值。由于燃气的混合比是在不断变化的，所以是一直在变的，以此表上指示的流量不是真实流量，即使所供的燃气单位体积发热量及仪表指示流量恒定，也不能保证进入加热炉单位时间总供热量接近恒定。为此我们不采用热值控制，而引进华白这一概念。用华白可以指示和记录混合煤气热值可以修正比率系统因煤气混合比变化而引起的混合煤气热值的变化。2.2.2 燃气与空气的关系当燃料燃烧时，燃烧产物连同其他可能存在的蒸汽都被提高到火焰温度，火焰温度的高低并不由燃料数量的多少来决定，而取决于燃料是否完全燃烧，是否发出最

24、大的热效率，故需要空气过量。同时，从安全角度考虑，空气不足也会使燃料在炉子中聚集起来，而一点燃就可能发生爆炸，因此，燃烧过程一般都是在空气过量的情况下进行的。但是空气中的氮气不仅不参与燃烧，而且还要起一种稀释作用，从而降低了火焰的温度，由此可见，在实际工况中，最高火焰温度是发生在空气微过量的情况下。根据热力学的原理，辐射的能量与火焰绝对温度的四次方成正比，所以炉子的最高效率总是在火焰温度最高的情况下才能出现。燃烧系统的曲线描述图如下：图2.2 燃烧系统的曲线描述上图表示了空气过剩率与燃烧效率及污染之间的关系，可以看出，燃烧系统的质量跟空气过剩率有很大的关系。同时，空气过剩率还可以用空气和燃气的

25、配比，即空燃比来描述。理论空燃比为为单位体积或质量的燃料完全燃烧所需的空气量，为一个常数。实际空燃比=实际空气量/煤气量，设u为剩余空气系数 ,u=实际空气量/理论空气量，/u=,则实际空燃比与空气剩余系数成正比。从上图可看出当u1和1u1.02分别为空气不足燃烧区域和超低空气过剩燃烧区域，在这两个燃烧区中，会有不完全燃烧现象，这样的热损失就比较大，而且从环境污染角度看，由于不完全燃烧，将会产生大量的黑烟，污染大气。但是如果处于高过剩空气燃烧区，即当u1.10时，由于过多的过剩空气，不但使出钢时钢坯表面的氧化铁皮增多，影响钢加热质量，而且使烟气中带走了大量的热量，使燃烧系统热效率过低，同时会使

26、氮硫氧化物增加，对环保不利。因此，在实际燃烧系统中，空气过剩率设定在过剩空气燃烧区1.02u1.1是最佳的燃烧方案。2.3 加热炉的工艺要求加热炉系统非常复杂，很多环节相互耦合，共同影响炉内的氛围，为了达到工艺水平，保证出钢的质量，对以下几个部分做出了相应的要求：炉膛温度、煤气和空气流量及华白、炉膛压力、送风总管压力等。2.3.1 炉膛温度在加热炉系统中，炉温的高低直接决定钢坯的温度。如果炉温偏低，导致钢坯温度偏低，钢坯软度不够将会损坏轧钢机；如果炉温偏高，钢坯会在加热炉中发生粘结，因此，对炉膛的温度范围有较高的要求。炉膛温度是个复杂的被调量，受到很多因素的干扰，如各段之间温度的相互影响，冷钢

27、入炉导致的温度降低，预热空气温度的波动，炉膛压力的变化。对于炉膛温度，我们的要求是，当加热炉内的温度稳定不变时，喷入炉内的煤气流量也能恒定不变；而当炉温受到外界扰动作用偏离给定值时，则煤气流量又必须作相应地变化，以使热能的供需达到新的平衡，从而保持炉内温度恒定不变。在动态过程中，必须要保证响应的快速性和较高的鲁棒性。2.3.2 燃烧燃烧的基本条件是燃料和空气，通过燃烧器将燃料和空气充分混合是燃料完全燃烧的关键，根据对燃烧机理的剖析，为了节能和保护环境，不管是在燃烧稳定的状态下还是在过渡状态下，都必须将空气流量和燃料流量的比率(空燃比)控制在正常值上。在通常的燃烧系统中，常常是根据大量的经验总结

28、给出操作(包括人工操作和自动化操作)中应遵循的空燃比要求，然后在燃烧中保持此空燃比，同时稳定炉温在设定范围内。但是加热炉中使用的燃料性能不高，燃料的热值的时变是不可避免的，当燃料的热值变化较大时，继续保持预先设定的空燃比就没有意义了。这就意味着燃烧控制系统要根据燃料的具体情况使燃烧状况符合一定的要求，在这种情况下如果仍然人为设定一固定的空燃比显然是无法使燃烧保持最优的，所以，在要求较高的燃烧系统中最好具备动态优化空燃比的功能。因此，燃烧过程应满足以下两点要求:保证空气流量和煤气流量按照设定的空燃比实现快速调节，在工艺要求和外界干扰的情况下，空燃比设定值的在线优化问题。炉膛压力与送风总管压力的问

29、题与本次设计关系不大，因此在此不做论述。2.4 加热炉控制难点我国的加热炉自动化系统，大多还处于第1代的水平，只有10%左右用上了第2代PLC/DCS系统。由于加热炉复杂的工艺对象特性以及检测/驱动设备较差，给加热炉实施全面自动控制带来种种困难。具体表现在:首先，加热炉是一个复杂对象。钢坯加热炉一般是多段式复合结构，分段加热，各段之间温度相互影响。其燃烧升温过程是一个典型的具有时变性、非线性、滞后性等特性的过程。要描述炉内热交换机理除包括有关辐射、对流和传导的关系式外，还有很多不确定因素。因此，要以数学方法建立加热炉这种复杂、粗糙对象的模型是十分困难的。其次，燃料波动大。由于煤气是供应全厂区生

30、产，每一处使用都会对其他地方产生影响，故压力波动非常大,且混合煤气的成分也在发生变化，使煤气的燃值也发生变化，进而引起炉温的波动。第三是生产节奏波动。由于加热炉车间是为轧钢生产线服务的从属车间，故轧钢生产线故障及生产节奏的变化对加热炉生产影响较大，造成加热生产节奏经常波动。第三章 国产控制系统AdvanTrol-ProAdvanTrol-Pro 软件包是基于 Windows2000 操作系统的自动控制应用软件平台，在 SUPCON WebField 系列集散控制系统（Distributed Control SystemDCS）中完成系统组态、数据服务和实时监控功能。AdvanTrol-Pro

31、软件使用说明书分为两部分：系统使用说明书和在线帮助。系统使用说明书按控制系统组态工作流程介绍软件包中各软件的主要功能、使用方法及相互间关系。适合于初次使用 AdvanTrol-Pro 软件的工程师掌握控制系统的组态工作流程和各软件的基本使用方法。使用说明书虽然是按各个章节来写，但各章之间存在一定的联系。在线帮助链接在各软件的帮助菜单中，详细介绍软件的工作界面、菜单和对象画面等的功能以及一些具体功能的操作方法和举例等。功能齐全，能快速查找指定功能的操作方法。3.1 软件支持的系统结构图3.1 AdvanTrol-Pro软件支持的系统结构AdvanTrol- Pro 在网络策略和数据分组的基础上实

32、现了具有对等 C/S 特征的操作网，在该操作网上实现操作站之间包括实时数据，实时报警，历史趋势，历史报警，操作日志等的实时数据通信和历史数据查询。AdvanTrol-Pro 支持用户根据实际情况构建系统结构，与异构系统的数据交换即可通过数据站来实现，也可通过各种网关接口卡执行。3.2 系统软件功能特点及性能指标 采用多任务、多线程，32 位代码 良好的开放性能 系统组态结构清晰，界面操作方便 控制算法组态采用国际标准，实现图形组态与语言组态结合，功能强大 流程图功能强大，使用方便 报表功能灵活，应用简捷，并具有二次计算能力 采用大容量、高吞吐量的实时数据库和两级分层（分组分区）的数据结构 操作

33、站数据更新周期 1 秒，动态参数刷新周期 1 秒 按键响应时间0.2 秒 流程图完整显示时间2 秒，其余画面1 秒 命令响应时间0.5 秒 实时和历史趋势操作灵活，支持历史数据离线浏览 强大的报警管理功能，可以分区分级设置报警，支持语音报警 提供基于 API 接口的多种数据访问接口 系统安全、可靠，长期运行稳定 支持在线下载功能 在网络策略和数据分组基础上实现了具有对等 C/S 模式特征的操作网络服务3.3 系统软件构成介绍AdvanTrol-Pro 软件包可分成两大部分，一部分为系统组态软件，包括：用户授权管理软件（SCReg）、系统组态软件（SCKey）、图形化编程软件（SCControl

34、）、语言编程软件（SCLang）、流程图制作软件（SCDrawEx）、报表制作软件（SCFormEx）、二次计算组态软件（SCTask）、ModBus协议外部数据组态软件（AdvMBLink）等等；另一部分为系统运行监控软件，包括：实时监控软件（AdvanTrol）、数据服务软件（AdvRTDC）、数据通信软件（AdvLink）、报警记录软件（AdvHisAlmSvr）、趋势记录软件（AdvHisTrdSvr）、ModBus 数据连接软件(AdvMBLink)、OPC 数据通信软件（AdvOPCLink）、OPC 服务器软件（AdvOPCServer）、网络管理和实时数据传输软件（AdvOPN

35、et）、历史数据传输软件（AdvOPNetHis）等。系统运行监控软件安装在操作员站和运行的服务器、工程师站中，监控软件构架如下图所示：图3.2 监控软件构架图系统组态软件通常安装在工程师站，各功能软件之间通过对象链接与嵌入技术，动态地实现模块间各种数据、信息的通讯、控制和管理。这部分软件以 SCKey 系统组态软件为核心，各模块彼此配合，相互协调，共同构成了一个全面支持 SUPCON WebFeild 系统结构及功能组态的软件平台。系统组态软件构架图如下所示：图3.3 系统组态软件构架图本次设计主要用到的软件为系统组态软件（SCKey）和图形化编程软件（SCControl），所以对这两个软件

36、做详细介绍，其他的也是功能十分强大且使用方便的软件，但不作详细介绍。3.3.1 用户授权管理软件（SCReg）在软件中将用户级别共分为十个层次：观察员、操作员-、操作员、操作员+、工程师-、工程师、工程师+、特权-、特权、特权+。不同级别的用户拥有不同的授权设置，即拥有不同范围的操作权限。对每个用户也可专门指定（或删除）其某种授权。3.3.2 系统组态软件（SCKey）SCKey 组态软件主要是完成 DCS 的系统组态工作。如设置系统网络节点、冗余状况、系统控制周期；I/O 卡件的数量、地址、冗余状况、类型；设置每个 I/O 点的类型、处理方法和其他特殊的设置；设置监控标准画面信息；常规控制方

37、案组态等。系统所有组态完成后，最后要在该软件中进行系统的联编、下载和传送。该软件用户界面友好，操作方便，充分支持各种控制方案。SCKey 组态软件通过简明的下拉菜单和弹出式对话框建立友好的人机交互界面，并大量采用Windows 的标准控件，使操作保持了一致性，易学易用。该软件采用分类的树状结构管理组态信息，使用户能够清晰把握系统的组态状况。另外，SCKey 组态软件还提供了强大的在线帮助功能，当用户在组态过程中遇到问题，只须按 F1 键或选择菜单中的帮助项，就可以随时得到帮助提示。软件界面如下所示：图3.4 系统组态软件（SCKey）界面3.3.3 图形化编程软件（SCControl）图形化编

38、程软件（SCControl）是 SUPCON WebField 系列控制系统用于编制系统控制方案的图形编程工具。按 IEC61131-3 标准设计，为用户提供高效的图形编程环境。图形化编程软件集成了 LD 编辑器、FBD 编辑器、SFC 编辑器、ST 语言编辑器、数据类型编辑器、变量编辑器。该软件编程方便、直观，具有强大的在线帮助和在线调试功能，用户可以利用该软件编写图形化程序实现所设计的控制算法。在系统组态软件（SCKey）中使用自定义控制算法设置可以调用该软件。SCControl 的特点可归纳为： 使用 Windows 友好的图形界面，可以使用鼠标或者键盘进行编辑，工具条上所有功能按钮都有

39、文字提示； 编辑环境采用工程文件管理器来管理多个图形文件，用户容易操作； 组态对象放置灵活，自动格线对齐，触点、线圈、功能块和变量等可用文本进行注释； 图形绘制采用矢量方式，具备块剪切、拷贝、粘贴、删除等功能，达到事半功倍的效果； 具备对前次操作步骤的撤消和恢复功能，提高了组态效率； 智能连线处理，数据类型匹配的模块引脚接近时自动连接； 连线时动态检查数据类型，数据类型不一致拒绝连接； 强大的查找和替换功能，可在当前程序段也可在当前整个工程中查找变量、常数、位号、模块，并进行标记，用户只需用鼠标点击相应的信息就可以直接跳到所要查找的位置。替换功能亦然，可在当前程序段或当前整个工程中逐个替换或全

40、部替换所选择的变量、常数、位号、模块； 提供缩放功能，使用户更清晰地查看页面或按照缩小的比例看到页面中更多的内容； 系统为用户管理定义的位号和变量，用户不用关心具体物理内存； 在每个编辑器中可以使用系统已定义的基本功能模块（EFB）和用户自己定义的功能模块(DFB)。每个编辑环境中内嵌自定义模块（DFB）编辑器。极大地提高了程序的重用性，减少编程工作量； 用户可以用 EFB 和 DFB 再组成新的 DFB。具有无限的功能扩展性。方便用户做二次开发； 可以使用工程的导入导出功能重用功能模块； 用户可通过数据类型编辑器生成自定义的数据类型； 功能块编辑器（FBD）、梯形图编辑器（LD）、顺控图编辑

41、器(SFC)集成在一起，可相互嵌套调用，具有无限的功能扩展性； 提供在线调试功能； 强大的在线帮助功能。图形化编程软件（SCControl）界面图如下：图3.5 图形化编程软件（SCControl）界面3.3.4 语言编程软件（SCLang）语言编程软件（SCLang）又叫 SCX 语言，是 SUPCON WebField 系列控制系统控制站的专用编程语言。在工程师站完成 SCX 语言程序的调试编辑，并通过工程师站将编译后的可执行代码下载到控制站执行。SCX 语言属高级语言，语法风格类似标准 C 语言，除了提供类似 C 语言的基本元素、表达式等外，还在控制功能实现方面作了大量扩充。用户可以利用

42、该软件灵活强大的编辑环境，编写程序实现所设计的控制算法。3.3.5 二次计算组态软件（SCTask）二次计算组态软件（SCTask）是 AdvanTrol-Pro 软件包的重要组成部分之一，用于组态上位机位号、事件、任务，建立数据分组分区，历史趋势和报警文件设置，光字牌设置，网络策略设置，数据提取设置等。目的是在 SUPCON WebField 系列控制系统中实现二次计算功能、提供更丰富的报警内容、支持数据的输入输出、数据组与操作小组绑定等。把控制站的一部分任务由上位机来做，既提高了控制站的工作速度和效率，又可提高系统的稳定性。SCTask 具有严谨的定义、强大的表达式分析功能和人性化的操作界

43、面。3.3.6 流程图制作软件（SCDrawEx）流程图制作软件（SCDrawEx）是 SUPCON WebField 系列控制系统软件包的重要组成部分之一，是一个具有良好用户界面的流程图制作软件。它以中文 Windows2000 操作系统为平台，为用户提供了一个功能完备且简便易用的流程图制作环境。3.3.7 报表制作软件（SCFormEx）报表制作软件（SCFormEx）是全中文界面的制表工具软件，是 SUPCON WebField 系列控制系统组态软件包的重要组成部分之一。该软件提供了比较完备的报表制作功能，能够满足实时报表的生成、打印、存储以及历史报表的打印等工程中的实际需要，并且具有良

44、好的用户操作界面。自动报表系统分为组态（即报表制作）和实时运行两部分。其中，报表制作部分在 SCFormEx报表制作软件中实现，实时运行部分与 AdvanTrol 监控软件集成在一起。3.3.8 实时监控软件（AdvanTrol）实时监控软件（AdvanTrol）是控制系统实时监控软件包的重要组成部分，是基于 Windows2000中文版开发的 SUPCON WebField 系列控制系统的上位机监控软件，用户界面友好。其基本功能为：数据采集和数据管理。它可以从控制系统或其他智能设备采集数据以及管理数据，进行过程监视(图形显示)、控制、报警、报表、数据存档等等。实时监控软件所有的命令都化为形象

45、直观的功能图标，只须用鼠标单击即可轻而易举地完成操作，再加上操作员键盘的配合使用，生产过程的实时监控操作更是得心应手，方便简捷。 3.3.9 故障分析软件（AdvDiagnose）故障诊断软件（AdvDiagnose）是进行设备调试、性能测试以及故障分析的重要工具。故障诊断软件主要功能包括：故障诊断、以太网络测试、网络响应测试、节点地址管理簿、控制回路管理、网络通讯监听等。3.3.10 ModBus 数据连接软件(AdvMBLink)ModBus 数据连接软件(AdvMBLink)是连接 AdvanTrol 控制系统及与其他设备进行数据连接的软件。它可以与其他支持 ModBus 串口通讯协议的

46、设备进行数据通讯，同时与 AdvanTrol 控制系统进行数据交互。软件本身包括了组态与运行两部分。通过对 ModBus 设备进行位号组态后可直接与设备通讯测试；运行时 AdvMBLink 作为后台程序负责数据的流入与流出。软件界面如图 1.4-12 所示，界面为浏览器风格，左边是树型列表框，显示的是组态的各个设备；右边为对应设备下属的位号列表。3.3.11 实时数据服务器软件（AdvOPCServer）OPC 实时数据服务器软件（AdvOPCServer）是将 DCS 实时数据以 OPC 位号的形式提供给各个客户端应用程序。AdvOPCServer 的交互性能好，通讯数据量较大、通讯速度也快

47、。该服务器可同时与多个 OPC 客户端程序进行连接，每个连接可同时进行多个动态数据(位号)的交换。3.3.12 C/S 网络互连功能AdvanTrol-proV3.0 在网络策略和数据分组的基础上实现了具有对等 C/S 特征的操作网，在该操作网上实现操作站之间包括实时数据，实时报警，历史趋势，历史报警，操作日志等的实时数据通信和历史数据查询。该项功能主要通过程序 AdvOPNet.exe 和 AdvOPNetHis.exe(历史数据传输)及其他相关模块实现。第四章 系统控制方案及策略4.1 加热炉控制系统4.1.1 控制方案根据我们学的知识，加热炉控制系统可以考虑单回路和串级控制系统，假如我们采用单回路控制系统，现分析如下。加热炉单回路温度控制系统框图如下：图4.1 单回路控制系统方框图采用此系统，在平衡状态下如果炉温突然上升，那么此回路将控制煤气阀和空气