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1、分类号 密 级 U D C 学 位 论 文电熔镁炉控制仿真实验系统设计与开发作 者 姓 名 ：王富力指 导 教 师 ：李小平东北大学自动化研究中心申请学位级别：硕士学 科 类 别 ：工学学科专业名称：控制理论与控制工程论文提交日期：论文答辩日期：学位授予日期：答辩委员会主席：评 阅 人 ：东 北 大 学2009 年 07月A Thesis for the Degree of Master inTitleby Supervisor : Northeastern UniversityMonth 20独创性声明本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方
2、外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。 学位论文作者签名 ： 签 字 日 期 ： 学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。（如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意）学位论文作者签名 ： 导 师 签 名 ： 签 字 日 期 ： 签 字 日 期
3、：V东北大学硕士学位论文摘 要电熔镁炉控制半实物仿真实验系统设计与开发摘 要电熔镁炉是当前生产电熔镁的主要设备，从生产原理上， 电熔镁炉属于矿热炉，是电弧炉的一种。从电气特上，电熔镁炉又是一个具有较强非线性、时变性和强耦合性的被控对象，在工作过程中，功率大、能耗高、工作电流变化剧烈，会对电网产生波形畸变、电压闪变和波动、功率因数低及三相不平衡等多种不利影响。为了降低现场调试的成本和风险，在实验室中建立电熔镁炉控制半实物仿真实验系统具有重要的意义。本文以“985工程”流程工业综合自动化科技创新平台为依托，开展了电熔镁炉控制仿真实验系统设计与开发，为以后对电熔镁炉控制方法研究及电熔镁炉模型研究奠定
4、了实验平台基础。本文进行了如下工作：1. 结合平台通用性与扩展性，针对电熔镁炉的特点和相应的模型要求，运用MATLAB中提供的神经网络工具箱，建立了电熔镁炉系统模型，并建立模型库及算法库。同时利用MATLAB提供的GUI，开发了模型系统界面。2. 以德国SIEMENS公司的S7-200PLC系统为硬件平台，根据文献14、15中提出的控制方法，采用基于规则推理的控制策略，编写了异常控制规则程序、起炉控制规则程序、排气控制规则程序、打料控制规则程序、正常控制规则程序。3. 设计和开发了上位机监控系统软件，实现监控、历史趋势显示、报警、数据归档等功能。4. 在仿真实验系统上进行了实验研究，主要进行了
5、电熔镁炉虚拟对象动态跟踪特性实验和在控制系统正常控制规则下控制系统控制实验，从模型仿真实验曲线趋势上，可以反映出电熔镁炉的特性，并验证了实验系统的可行性及控制算法的有效性。关键词：电熔镁炉；Matlab GUI；基于规则推理；仿真实验系统东北大学硕士学位论文AbstractTitleAbstractKeywords：东北大学硕士学位论文目 录目 录独创性声明I摘 要IIABSTRACTIII第一章 绪 论11.1 课题背景及意义11.2 电熔镁行业发展现状11.3 电熔镁炉建模、控制及仿真技术的研究现状31.3.1 电弧炉建模研究现状31.3.2 电熔镁炉控制研究现状41.3.3 电熔镁炉仿真
6、技术现状51.4 本文主要工作6第二章 电熔镁炉熔炼工艺过程描述72.1 电熔镁炉结构概述72.1.1 电熔镁炉生产设备82.1.2 电熔镁炉电气设备92.2 电熔镁炉熔炼工艺过程与能耗分析102.2.1 工艺过程描述102.2.2 熔炼能耗分析122.3 电熔镁炉控制难点132.4 本章小结14第三章 电熔镁炉仿真实验系统设计153.1 电熔镁炉仿真实验系统整体结构153.1.1 电熔镁炉仿真实验系统的设计目标153.1.2 仿真实验系统的整体结构163.2 电熔镁炉虚拟对象系统设计233.2.1 虚拟对象界面设计233.2.2 模型的建立243.3 电熔镁炉控制系统设计283.3.1 控制
7、系统软件功能设计283.3.2 控制方法设计293.4 电熔镁炉监控系统人机界面设计323.5 本章小结33第四章 电熔镁炉控制仿真实验系统的开发334.1 电熔镁炉虚拟对象系统开发344.1.1 虚拟对象系统界面开发344.1.2 虚拟对象系统程序开发384.1.3 模型与研华数据采集板之间通讯394.2 电熔镁炉控制系统PLC程序开发404.2.1 系统程序开发404.2.2 控制系统与模型之间通讯454.3 电熔镁炉监控系统人机界面开发454.3.1 人机界面开发454.3.2 上位机与PLC控制系统之间的通讯494.4 本章小结49第五章 电熔镁炉控制仿真实验系统实验研究525.1 电
8、熔镁炉虚拟对象系统动态跟踪性能实验525.1.1 对象模型实验525.1.2 对象动态特性实验575.2 电熔镁炉系统控制实验585.2.1 系统设定控制实验585.2.2 系统干扰抑制实验595.3 本章小结60第六章 结论与展望61参考文献62致 谢65攻读硕士学位期间的主要工作66东北大学硕士学位论文第一章 绪 论第一章 绪 论1.1 课题背景及意义镁是重要的战略资源，在现代工业中有着举足轻重的地位，镁及其化合物在冶金、农业、医药、环保、电子、国防等部门都有着中要用途。电熔镁作为镁的氧化物，是菱镁矿在电熔镁炉高温下熔炼的产品。近年来，随着世界钢铁等行业的迅速发展，高温工业产品对耐火材料的
9、需求日益增大，对耐火材料品味的需求越来越高。电熔镁具有熔点高，密度大、耐高温、耐腐蚀、绝缘性能好等特点，是钢铁、水泥、玻璃、有色金属冶炼等行业不可缺少的重要耐火材料1、2其研究、生产和应用受到许多国家的高度重视。辽宁省菱镁资源以储量大、品质优、埋藏浅、易于开采闻名于世，保有储量29.69亿吨，占世界储量的四分之一。因此，电熔镁作为辽宁省镁资源工业的重中之重，其工业生产水平在全省工业生产中具有举足轻重的地位。几十年来，辽宁省电熔镁生产主要以圆柱形炉体的三相交流电熔镁炉来熔炼电熔镁，其产品质量和产率低，电能和电极消耗大，电压波动大，对电网冲击严重。全省目前约有电熔镁炉1000余台，大部分电熔镁炉的
10、技术水平低，产量和质量低，能耗高，生产过程中资源浪费严重。为了实现资源的充分利用，提高产品附加值和行业技术水平，提高电能利用效率。目前，辽宁省对新上的电熔镁项目的技术水平和产品质量都有严格要求，常规的三相交流电熔镁炉控制技术已不能满足行业的技术要求，行业发展对原有技术的改造提出了迫切的要求。因此提高电熔镁行业的技术水平，实现生产装备的升级换代和提高控制技术是刻不容缓的现实问题。电熔镁炉是当前生产电熔镁的主要设备，电熔镁炉属于矿热炉（亦称埋弧炉或电弧电阻炉），是电弧炉的一种。从电气特性来讲，它是一种剧烈变动的非线性负荷。在工作过程中，功率大、能耗高、工作电流变化剧烈，会对电网产生波形畸变、电压闪
11、变和波动、功率因数低及三相不平衡等多种不利影响。因此，研究对电熔镁炉控制方法，对提高产品质量，提高生产效率等方面具有着重要的意义。由于电熔镁炉熔炼设备昂贵，生产环境污染严重，难以在实验室复现电熔镁炉原型，在实验室中建立电熔镁炉系统仿真实验系统来代替现场设备，对于开发新型控制系统，研究先进的控制方法，对其进行试验、调试等具有重要意义。1.2 电熔镁行业发展现状我国是富产菱镁矿石的国家，多数为结晶性矿石，已探明储量为世界总探明储量的三分之一，主要分布在辽宁省大石桥市，海城市一带和山东掖县一带。辽宁省菱镁矿资源丰富，开发利用历史悠久，是世界“四大镁矿产地”之一。辽南大石桥一带的菱镁矿石MgO 含量很
12、高，品质优良，一级品率高达40%。大石桥市镁质矿产资源总储量丰富，居全国第一位，素有“世界镁都”之称。而且资源分布集中，矿床大而厚，埋藏浅，适宜露天开采和大规模经营。辽宁省镁质材料行业是以菱镁矿为主要原料的资源性行业。经过建60多年的发展，辽宁省镁质材料行业现有各类生产企业600 于家，行业固定资产达到76亿元，从业人员16余万人。全省年开采矿石1200余万吨，生产镁质耐火材料700余万吨，其产品在国内外市场的占有率分别达到90%和60%以上5。当前国内外生产电熔镁的主要方法有：（1）以海水MgO为原料生产高纯度电熔MgO，如英国等西方国家。（2）以菱镁矿石为原料生产电熔镁，如中国、俄罗斯等国
13、家。（3）以轻烧镁石粉为原料生产晶体电熔 MgO（MgO含量98%-99%）。如中国、俄 罗斯、加拿大等国家。国外原苏联对电熔镁生产及其制品的性能方面早已进行过研究。用菱镁矿石浮选法生产轻烧镁石粉（MgO含量96%-98.3%）在DBK-955H1200KVA电炉中生产出电熔MgO，其MgO含量为 97%-99%。原苏联大部分用MgO含量46.06%的镁石生产电熔镁。日本以海水MgO为原料生产电熔MgO和电熔铝镁尖晶石始于1978年，日本通常采用800KVA单相电炉生产电熔MgO，由于能源危机，早已停产，1980年开始从我国进口。我国对电熔镁生产工艺及其制品性能方面的研究开始于1964年，用
14、MgO 含量 46.5%的菱镁矿石可以生产出MgO含量96.80-99%的电熔镁。1965年研制并生产出电熔铝镁尖晶石及其制品，并对提高冶金炉炉衬使用寿命方面进行了论述。1980年开始以轻烧镁粉(MgO 含量95%)为原料，生产晶体电熔MgO，其MgO含量为98-99%的电熔镁占60%以上，晶体粒径最大为15-20mm4。总体来说，国外生产电熔镁的电熔镁炉容量比较大，是我国电熔镁炉的3-10倍。而前苏联是众多的国家中发展最好的，另外，美国、奥地利、挪威、法国、德国、前南斯拉夫等国 家生产电熔镁的规模和技术水平均在不断提高。目前，以菱镁矿石为原料生产电熔镁时，国内外普遍采用三相交流电熔镁炉电熔法生产工艺。以菱镁矿石为原料采用电熔法生产电熔镁的主要问题是：能耗高，产量低，效率低。因此降低能耗，节约能源，提高产品质量、产量，增加经济效益是当前的首要任务。但是至今无论从电熔工艺、电熔设备，还是产品质量等各方面均无大的改进。由于经济危机，高耗能产品大部分限产或停产，如硅铁、电熔镁。国外从事这方面的研究工作者，都在致力于提高原料纯度的电炉工艺参数方面的研究。为了降低能耗，节约能源，提高产品质量、产量，降低消耗，增加经济效益。我国采用电熔镁炉进行氧化镁晶体冶炼已有一
