CN210765374U - 基于经验值模型的热风炉空燃比快速寻优系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于经验值模型的热风炉空燃比快速寻优系统，其包括上位机、经验值数据模型、PLC控制系统、空燃比寻优调节器、空气流量调节模块PID‑01、煤气流量调节模块PID‑02；所述经验值数据模型创建于上位机的操作系统；所述PLC控制系统通过Profibus‑DP总线连接上位机；所述PLC控制系统电信号连接空气流量调节模块PID‑01和煤气流量调节模块PID‑02；所述PLC控制系统电信号连接空燃比寻优调节器；所述空气流量调节模块PID‑01、煤气流量调节模块PID‑02均电信号连接空燃比寻优调节器。本实用新型实现了热风炉煤气、空气控制回路的空燃比全自动调节优化运行，降低了煤气消耗，保证了热风炉整体运行工况的平稳性，同时也大大降低了运行人员的劳动强度，也明显延长了设备的使用寿命。

Description

基于经验值模型的热风炉空燃比快速寻优系统

技术领域

本实用新型涉及热风炉燃烧控制技术领域，尤其涉及一种基于经验值模型的热风炉空燃比快速寻优系统。

背景技术

目前热风炉自动燃烧控制主要采用数学模型和人工智能两种方式。数学模型方式出现较早，现阶段仍是国外热风炉燃烧控制的主流方式，通过数学模型，保证热风炉产生的热量能够满足工艺要求，同时保证煤气的充分燃烧，减少能源的浪费，获得最大的经济效益。热风炉人工智能控制是近些年发展出来的新型控制方式，利用神经网络或者模糊控制，对各项参数进行智能优化，实现自动燃烧。但是，上述两种自动燃烧控制方式均存在一些缺陷：

对于数学模型方式，理论上具有更大的优势。但是除了数学模型相当复杂外，还需设置高炉煤气成分分析仪器或者热值仪(针对混合煤气)，这些设备不仅昂贵，而且还需良好的维护和完善的基础自动化系统。因此，对于中小型高炉而言，数学模型方式成本过高，维护难度大。

对于人工智能方式，神经网络控制有极强的自学习能力，但抗干扰能力较弱；模糊控制不需数学模型，且有较强的抗干扰能力，但模糊规则表及比例因子不可变，难以同时保证稳定拱顶温度的需要和烟气温度控制的要求。同时，人工智能方式虽然对现场仪器仪表要求降低，但对后台计算有较高要求，同样成本不菲。

因此迫切需要一种经济、实用、有效的热风炉燃烧控制技术。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种基于经验值模型的热风炉空燃比快速寻优系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：所述基于经验值模型的热风炉空燃比快速寻优系统包括上位机、经验值数据模型、PLC控制系统、空燃比寻优调节器、空气流量调节模块PID-01、煤气流量调节模块PID-02；

所述经验值数据模型创建于上位机的操作系统，且所述上位机分别采集热风炉的空气温度、空气压力、煤气温度、煤气压力、拱顶温度、尾气温度、装料比的参数输入经验值数据模型中，并输出的空燃比初始设定值；

所述PLC控制系统通过Profibus-DP总线连接上位机；

所述PLC控制系统电信号连接空气流量调节模块PID-01和煤气流量调节模块PID-02，分别对空气流量调节模块PID-01和煤气流量调节模块PID-02的调节阀门进行调节；

所述PLC控制系统电信号连接空燃比寻优调节器；

所述空气流量调节模块PID-01、煤气流量调节模块PID-02均电信号连接所述空燃比寻优调节器。

在本实用新型提供的基于经验值模型的热风炉空燃比快速寻优系统的一种较佳实施例中，所述上位机采用WinCC工作站。

在本实用新型提供的基于经验值模型的热风炉空燃比快速寻优系统的一种较佳实施例中，所述PLC控制系统采用西门子S7-400PLC，通过Profibus-DP总线接口扩展了带DP接口的远程I/O模块。

在本实用新型提供的基于经验值模型的热风炉空燃比快速寻优系统的一种较佳实施例中，所述PLC控制系统还配置了工业以太网接口模块。

与现有技术相比，本实用新型提供的基于经验值模型的热风炉空燃比快速寻优系统的有益效果是：本实用新型实现了热风炉煤气、空气控制回路的空燃比全自动调节优化运行，降低了煤气消耗，保证了热风炉整体运行工况的平稳性，同时也大大降低了运行人员的劳动强度，也明显延长了设备的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本实用新型提供的基于经验值模型的热风炉空燃比快速寻优系统的控制原理图；

图2本实用新型提供的所述空燃比寻优调节器快速寻优原理图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语″中心″、″上″、″下″、″左″、″右″、″竖直″、″水平″、″内″、″外″等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制；术语″第一″、″第二″、″第三″仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语″安装″、″相连″、″连接″应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

请参阅图1，所述基于经验值模型的热风炉空燃比快速寻优系统包括上位机、经验值数据模型、PLC控制系统、空燃比寻优调节器、空气流量调节模块PID-01、煤气流量调节模块PID-02；

所述经验值数据模型创建于上位机的操作系统，且所述上位机分别采集热风炉的空气温度、空气压力、煤气温度、煤气压力、拱顶温度、尾气温度、装料比的参数输入经验值数据模型中，并输出的空燃比初始设定值；

本实施例中的经验值数据模型采用多远线性回归分析，通过最小二乘法求取经验值模型参数，具体算法如下：

假定最优空燃比μ和输入工艺参数δ1，δ₂，...，δ_m之间存在线性相关关系，则可设多元线性回归方程为：

该方程大致描述了最优空燃比μ和输入工艺参数δ1，δ₂，...，δ_m之间存在的线性相关关系，然后通过最小二乘法求得其中的未知参数a，b₁，b₂，...，b_m，此处的最小二乘法求解线性回归文献较多，在此不做过多赘述。

本实施例中确定上述参数对象的原则是所有已知的和热风炉燃烧相关的物理量或设定值，按照这一原则，初步确定的参数包括：空气温度、空气压力、煤气温度、煤气压力、拱顶温度当前值、拱顶温度设定值、尾气温度当前值、尾气温度设定值、烧炉时间、装料比(其中的拱顶温度设定值、尾气温度设定值、烧炉时间为上位机中的预先设定值)。

需要说明的是：由于目前大多数热风炉所用的高炉煤气均为就地直通使用，未经过煤气柜，所以在没有煤气分析仪表的情况下，根据高炉装料制度中的矿石、焦炭、喷煤量及料批的含铁、含碳量化验指标综合求得的装料比，同煤气热值有一定关联关系。

装料比

式中：M_p、M_k和M_c分别为一个料批中的矿石、焦炭和喷煤重量；E_f、E_k和E_c分别为矿石的含铁量，焦炭和喷煤的含碳量。

根据高炉炼铁的原理可知，装料比K越高，综合焦比或煤比越低，相应的高炉煤气CO含量越低，其热值也越低；反之，K越高，则高炉煤气CO含量越高，热值也越高，总体上呈反比关系。

本实施例将上述参数对象作为经验值数据模型初始输入条件，经验值数据模型根据初始条件算出空燃比初始设定值。

所述PLC控制系统通过Profibus-DP总线连接上位机，上位机将空燃比初始设定值下装到PLC控制系统；

所述PLC控制系统电信号连接空气流量调节模块PID-01和煤气流量调节模块PID-02，分别对空气流量调节模块PID-01和煤气流量调节模块PID-02的调节阀门进行调节；

所述PLC控制系统电信号连接空燃比寻优调节器；将空燃比初始设定值输入空燃比寻优调节器

所述空气流量调节模块PID-01、煤气流量调节模块PID-02均电信号连接所述空燃比寻优调节器。所述空气流量调节模块PID-01、煤气流量调节模块PID-02将调节量反馈至空燃比寻优调节器。

请查阅图2，图中Ue为空燃比初始设定值、Uc为调节输出、Rt为拱顶温度变化率，Rt＝(dT/dt)，当空气和煤气流量均达到设定值后，启动空燃比寻优调节器，开始执行快速寻优调节，本实施例的热风炉快速寻优控制原理如下：

当工作阶段空气阀门开到设定值并保持流量稳定，往某一方向调节煤气流量，如果当前空燃比已经达到最优，则往任何一个方向调节煤气流量，均会导致燃烧不充分，从而使拱顶温度上升率Rt下降；如果当前空燃比还未达到最优，则向最优方向的调节会导致Rt的升高。通过寻优调节器的不断优化，空燃比达到最优范围。

烧炉完成后，记录达到空燃比最优状态时的工作参数，并将相关参数传回上位机并保持到经验值数据模型中。

通过上位机的统计分析功能，对经验值数据模型进行定期维护优化，通过分段多元线性回归算法对经验值数据模型进行实时更新。

本实施例例中的所述空气流量调节模块PID-01、煤气流量调节模块PID-02分别是通过空气、煤气的流量设定值和目标值比较对空气、煤气的调节阀门进行PID控制。

在本实施例中，所述上位机采用WinCC工作站。

在本实施例中，所述PLC控制系统采用西门子S7-400PLC，通过Profibus-DP总线接口扩展了带DP接口的远程I/O模块。

在本实施例中，所述PLC控制系统还配置了工业以太网接口模块。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于经验值模型的热风炉空燃比快速寻优系统，其特征在于：包括上位机、经验值数据模型、PLC控制系统、空燃比寻优调节器、空气流量调节模块PID-01、煤气流量调节模块PID-02；

所述经验值数据模型创建于上位机的操作系统，且所述上位机分别采集热风炉的空气温度、空气压力、煤气温度、煤气压力、拱顶温度、尾气温度、装料比的参数输入经验值数据模型中，并输出的空燃比初始设定值；

所述PLC控制系统通过Profibus-DP总线连接上位机；

所述PLC控制系统电信号连接空气流量调节模块PID-01和煤气流量调节模块PID-02，分别对空气流量调节模块PID-01和煤气流量调节模块PID-02的调节阀门进行调节；

所述PLC控制系统电信号连接空燃比寻优调节器；

所述空气流量调节模块PID-01、煤气流量调节模块PID-02均电信号连接所述空燃比寻优调节器。

2.根据权利要求1所述的基于经验值模型的热风炉空燃比快速寻优系统，其特征在于：所述上位机采用WinCC工作站。

3.根据权利要求1所述的基于经验值模型的热风炉空燃比快速寻优系统，其特征在于：所述PLC控制系统采用西门子S7-400PLC，通过Profibus-DP总线接口扩展了带DP接口的远程I/O模块。

4.根据权利要求3所述的基于经验值模型的热风炉空燃比快速寻优系统，其特征在于：所述PLC控制系统还配置了工业以太网接口模块。

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