基于Java的烧结炉温控系统软件开发

摘 要

　　随着节能环保意识的？高，为了进一步改善炼钢工业生产过程的能源消耗，作为现代炼钢工业生产过程控制重要的环节之一就是烧结炉的燃烧控制，其控制手段亟待？高。

　　烧结属于炼钢工艺流程的关键工序之一，就目前现状来说，烧结过程能耗偏大，烧结点火控制效果比较差，其主要原因是现阶段的烧结炉温控系统主要凭借工作经验通过人工手动操作对烧结温度进行控制，这种方式的控制效果不太理想进而导致高炉煤气燃烧不充分加剧了环境的污染和能源的浪费。所以，在节约能源的前？下，充分利用计算机技术和控制技术实现烧结炉温控系统高效的自动调节和控制，？高高炉煤气燃烧效率、减少环境污染十分重要。

　　本文以鞍钢某烧结厂烧结炉改造为背景，根据烧结工艺过程特点的分析，为了降低能耗、节约煤气进行高效地烧结温度控制，设计了控制系统框图和架构以及空燃比计算模型，空燃比计算模型根据气体成分变化对烧结过程中高炉煤气及空气配比进行及时修正从而降低能耗。系统采用分布式结构，系统下位机主要由 PLC 控制器来完成，通过PLC 对现场数据进行采集和实现输入输出指令的控制。上位机利用自行开发的基于 Java设计的管理监控软件实现空燃比的优化控制，该软件可以实时查看及存储现场设备参数， 并且能够根据本文设计的空燃比计算模型对高炉煤气成分和烧结温度变化进行及时调 整实现了煤气和空气最佳的燃烧控制，从而？高了高炉煤气燃烧效率、降低能耗、减少了环境污染。软件人机交互功能的实现依赖于 Java Swing 架构，主要包括空燃比计算、实时控制功能、工艺流程、烧结温度曲线图、数据管理以及报警六个功能模块。这些模块能够对采集数据进行操作、显示和计算功能，既满足设计要求也能够降低能源消耗、？高燃气利用率。

　　最后对软件系统进行了整体测试，结果表明人机交互性能良好，操作简单，参数设置方便，可以按照需求分析完成功能且对异常信息可以及时报警并记录，达到检测与控制的要求。并出系统下一步需要改进？高的方向。

　　关键词：烧结炉；降低能耗；温度控制系统；空燃比计算；软件设计

Abstract

　　With the increasing awareness of energy conservation and environmental protection, inorder to further improve the energy consumption in the production process of steelmakingindustry, as one of the important links in the control of modern steelmaking industrialproduction process, the combustion control of sintering furnace, the control means are in urgentneed of improvement. Sintering is one of the key processes in the process of steelmaking. Asfar as the current situation is concerned, the energy consumption of the sintering process isrelatively large, and the sintering ignition control effect is relatively poor. The main reason isthat most of the sintering furnace temperature control system at the present stage controls thesintering temperature manually through manual operation based on work experience. Thecontrol effect of this method is not ideal, and the high energy consumption and serious pollutionlead to the insufficient combustion of blast furnace gas and the waste of energy. Therefore,under the premise of saving energy, it is very important to make full use of computer technologyand control technology to realize efficient automatic adjustment and control of temperaturecontrol system of sintering furnace, improve the combustion efficiency of blast furnace gas andreduce environmental pollution.

　　Based on the analysis of the sintering process characteristics of a sintering plant in AnshanIron and Steel Company, according to the analysis of the characteristics of the sintering process,in order to reduce energy consumption, save coal efficiently sintering temperature control, theblock diagram of the control system design and architecture and air-fuel ratio calculation model,the air-fuel ratio calculation model based on gas composition changes timely correction wascarried out on the sintering temperature to reduce energy consumption. The system adopts adistributed structure, and the lower computer of the system is mainly completed by a PLCcontroller. The PLC collects field data and regulates input and output instructions. The hostcomputer uses the self-developed Java-based management and monitoring software to realizethe optimal control of the air-fuel ratio. The software can view and store the field deviceparameters in real time, and can carry out the blast furnace gas composition and sinteringtemperature changes according to the air-fuel ratio calculation model designed in this paperAdjusted in time to achieve the best combustion control of gas and air, thereby improving thecombustion efficiency of blast furnace gas, reducing energy consumption, and reducing environmental pollution. The realization of the human-computer interaction function of thesoftware depends on the Java Swing architecture, which mainly includes six functional modulesof air-fuel ratio calculation, real-time control function, process flow, sintering temperaturecurve, data management and alarm. These modules can operate, display and calculate thecollected data, which can not only meet the design requirements but also reduce energyconsumption and improve gas utilization.

　　Finally, the software system was tested, and the results showed that the man-machineinteraction performance was good, the operation was simple, the parameter setting wasconvenient, the function could be completed according to the demand analysis, and theabnormal information could be timely alerted and recorded, so as to meet the requirements ofdetection and control. And put forward the system to improve the next step of the direction.

　　Key Words: Sintering furnace; reduce energy consumption; temperature controlsystem; calculation of air-fuel ratio; software design

目 录

　　1 绪论

　　1.1 课题研究背景及意义

　　建国以来我国大力发展各行各业，钢铁工业作为我国关键能源消耗的基础产业之一，具有极大的发展市场和可？升空间，随着对钢铁工业所生产制品的要求？高，结合正确的控制手段和技术，运用计算机控制工艺过程，实现大型、集中、高效、节能、环保、低成本工业体系已经是大势所趋。钢铁工业中的烧结厂冶炼的最终环节是要把烧结矿投入高炉进行冶炼，再经过转炉精炼、热轧冷轧最终成为合格铁制品，所以烧结矿的质量在冶炼过程的重要性不言而喻，同时它的使用量也影响着钢铁工业的产能。图 1.1 为中 国钢铁产量及全球比重数据图：

　　一般烧结工序往往比较复杂具有延迟、滞后的特性，所以不容易设计出一个含有明确参数的具体数学模型，燃烧控制通常依靠人工经验手动操作，所以？高烧结过程的自 动化迫在眉睫。根据目前鞍钢某烧结厂的使用状况，烧结过程燃烧的主要燃料采用的是高炉冶炼产生的副产品高炉煤气，但烧结点火过程为人工操作，凭借经验进行，此操作不仅控制准确度低且高炉煤气中所含主要成份为 CO,吸入对人体易造成极大伤害，浪费燃料且极易对环境造成污染[1].

　　这就需要通过研究设计出特别针对烧结过程的控制系统，保证烧结点火的准确、可及时调节合理的空燃比，这不但促进烧结工序的稳定运行，？高自动化程度，同时也？

　　高过程控制煤气利用率，？高燃烧效率进而满足节能的设计要求。根据烧结工艺的特点，对其控制涉及多方面，需要了解烧结技术特点、控制理论、计算机技术和系统工程学等科学知识，将多学科综合运用对烧结工艺进行控制，才能实现烧结过程的优化，具有十分重要的实用价值[2].

　　1.2 国内外研究现状的分析

　　炼钢工业技术的精深研究一直是我国基础制造业的一个重要领域。20 世纪 60 年代，随着炼钢工业技术的发展，发达国家也减轻了对技术上的垄断，我国的炼钢技术快速发展，有了一定进步，从最初只能原样照搬国外使用技术到开始自主研发，其关键生产设备烧结炉的性能指标要求越来越高，二十一世纪初我国在烧结品质、工艺技术和生产率各方面综合比较，鲜少有能比肩国外的企业，虽然发展晚，但我国的钢铁企业发展势头强劲，由于快速的经济发展，国内烧结矿供不应求，大批进口，于是引起了国内外钢铁行业多原料物价、运价上涨，造成了一定限制。为弥补我国钢铁工业起步较晚带来的不足，加速炼钢工业技术的发展，适应新的工艺需要，？高国内高炉的设计制造水平，经国家批准，从国外引进先进设备、聘请专家学习炼钢技术。

　　炼钢生产工艺流程中最耗能源的为烧结工序和入炉冶炼过程，其中烧结工艺对烧结矿质量好坏直接影响到后续炼钢能否良好进行，所以对烧结技术的研究一直我国工业发展的一个重要方向。改变过去由于烧结工艺不够先进带来巨大能源浪费的状况，积极调整国外优良先进技术，缩短我国处于初级设计阶段时间。针对其工艺参数不合理的现象我国开始了自主研究，总体来说经历了五次大型技术革新点，100%采用国外技术--改变物料配比，添加易同化的褐铁矿--为节约固体燃料？高料层--?出碱度矿烧结- -?出高负压，大风量--添加精矿粉，产量下降随着负压的？高[2].目前根据各钢厂的生产多样性会使用多种不同烧结技术，其中厚物料层技术在烧结领域应用较为广泛。

　　由于天然矿石的稀缺，多数国家都利用烧结技术烧制铁矿石进行冶炼，一般满足高炉冶炼要求的除了烧结矿还有球团矿，这种球团矿优点是有利于还原的微气孔，堆角小易于滚动，含硫低，当然也因为催化膨胀软熔性较差等缺点需要与其他物料搭配使用[2].

　　因为铁矿石本身结构、硬度、致密程度、氧化还原程度等等的缺陷，要使铁矿石能成为合格的烧结矿，把"粗矿"炼成"精料",就要不断改善烧结工艺，实现烧结过程的整体优化。虽然目前我国在钢铁基础行业的成就已经处在世界前列，但如果面对全球更为综合的挑战，就必须？质节能降耗，采用先进高新实用技术满足钢铁企业的要求，减少落后工艺，既能？高生产工艺又能物尽其用，为实现现代化工业技术创造良好环境[2].

　　1.3 论文结构安排

　　本课题依托于鞍钢某烧结厂烧结炉控制系统研发项目，对炼钢工业的烧结工艺进行深入的研究。根据生产工艺的实际要求，需要降低能耗、节约煤炭能源、？高高炉煤气使用效率，保证烧结温度的稳定控制，设计整体系统框图和空燃比计算模型，以自行研发软件作为上位机设计智能控制系统。本文共分为五章：

　　引言主要介绍了烧结工序在炼钢工业的特点及重要性，大力？高烧结技术、降低能耗迫在眉睫的现状。同时也介绍了目前烧结厂面临的问题是由于手动控制而使得燃烧不充分、污染严重所造成的，所以根据烧结工艺特点？出了采用空燃比计算的方法解决的设计思路，最后结合烧结工艺和设计思路对本文整体结构做了具体安排。

　　第二章对烧结工艺原理和要求、烧结过程的影响因素、硬件控制器基本信息做了具体介绍。对现场设备的做了详尽的介绍，比如关键的现场调控系统，通讯和数据转换，连接方式，因为对现场采集的数据进行准确处理才能保证计算、控制等功能的有效准确进行。

　　第三章详细介绍烧结系统控制策略。首先介绍了喷吹燃料技术，研究烧结点火的方法，设计了空燃比计算模型，根据控制系统要求以实现过程稳定，？高烧结矿质量、降低能耗为目的，？出适用于烧结领域的知识表达方式，设计了控制系统总体方案。

　　第四章介绍了如何开发实用性强的烧结炉温度控制系统软件，对烧结炉控制系统软件设计的设计思路、技术路线、基本单元及功能模块做了详细介绍。充分结合了用户的需求分析，设计出符合用户要求的系统软件[18].

　　第五章对设计软件进行了一个整体测试，测试结果表明该系统人机交互良好，设定方便、操作简单达到预期理想。

　　2 烧结工艺分析以及控制系统设计

　　2.1 烧结工艺介绍

　　2.1.1 烧结工艺技术要求

　　2.1.2 烧结工艺

　　2.1.3 影响烧结工艺的因素

　　2.2 系统整体结构图

　　2.3 整体硬件介绍及主要通讯方式

　　2.3.1 气体成分分析仪

　　2.3.2 温度传感器、压力变送器和气体流量计

　　2.3.3 现场调控系统的介绍

　　2.3.4 现场设备的连接

　　2.4 本章小结

　　3 烧结温度控制策略

　　3.1 烧结炉温控系统的点火燃料的配比

　　3.1.1 气体燃料喷吹技术

　　3.1.2 气体燃料配比

　　3.2 烧结炉温控系统的设计与实现

　　3.3 本章小结

　　4 软件设计

　　4.1 软件需求分析

　　4.2 软件开发工具介绍

　　4.2.1 编程语言的选择

　　4.2.2 编程工具

　　4.3 软件整体技术路线

　　4.3.1 软件设计模式

　　4.3.2 软件整体设计思路

　　4.3.3 各个功能模块设计思路

　　4.4 通讯模块设计

　　4.5 定时器

　　4.6 数据库设计

　　4.6.1 数据库设计原则

　　4.6.2 数据表设计

　　4.6.3 数据库设计

　　4.7 界面编程组件介绍

　　4.7.1 Swing 组件介绍

　　4.7.2 事件响应方法

　　4.8 功能模块详细？述

　　4.8.1 空燃比计算模块设计

　　4.8.2 实时控制模块设计

　　4.8.3 工艺流程模块设计

　　4.8.4 烧结温度实时曲线模块设计

　　4.8.5 数据管理模块设计

　　4.8.6 报警功能模块设计

　　4.9 本章小结

　　5 软件测试

　　5.1 软件功能模块测试

　　5.1.1 模块选择功能测试

　　5.1.2 空燃比界面显示测试

　　5.1.3 实时控制界面显示测试

　　5.1.4 工艺流程界面显示测试

　　5.1.5 温度实时曲线显示测试

　　5.1.6 数据管理显示测试

　　5.1.7 数据导出测试

　　5.1.8 报警功能显示测试

　　5.2 软件使用说明

　　5.3 本章小结

结 论

　　本文针对烧结过程中温度控制的实际问题，分析设计了烧结炉温度控制系统。由于目前烧结控制在现场由人工经验判断控制，现阶段的控制手段不足造成了燃烧效率低、能耗大、环境污染严重、不准确且存在危险性。为了降低工作人员工作强度，？高燃烧效率，减少环境污染，设计了采用基于最佳空燃比算法的控制系统实现对烧结温度的控制，设计了基于 Java 的上位机监控管理软件，使得该系统能够在烧结温度及煤气成分发生改变时，根据空燃比计算模型保证高炉煤气和空气的燃烧效果、减少由于高炉煤气成分变化带来的不稳定。本文完成的工作有：

　　1、研究了基于炼铁炼钢的烧结工艺过程，根据烧结工艺的特点，分析设计了具有针对性的温度控制系统和最佳空燃比的燃烧模型，解决了在使用高炉煤气的时候由于烧结温度变化或可燃气体含量变化造成燃烧效率低、浪费能源、污染严重的问题，？高了烧结过程的自动控制水平。 2、软件部分详细介绍了软件设计中的各模块功能，详细介绍了温度控制软件设计过程，将其分为空燃比计算功能、实时控制功能、工艺流程展示、烧结温度实时曲线图、数据管理功能、报警功能。使用 Java 的图形界面组件 Swing 来完成界面编程。使采集到的数据在软件中能够实时显示、计算、存储，在满足操作简单、设置方便、人计交互性能良好的前？下，同时也能够？高高炉煤气燃烧效率，极大的节约了能源。

　　3、使用多线程编程实现多个模块的具体功能。编写程序实现了对 MySql 数据库的增删查几种操作。采用了 HslCommunnication 来实现上位机和下位机的通讯，可以从 PLC采集到所有需要的的数据[19].软件设计完成后，对整体功能进行测试，并在逐步测试中及时修改出现的问题直到完全符合要求。

　　需要改进的地方：

　　1、目前 PID 算法虽然控制简单鲁棒性好，考虑到系统的惯性、非线性，今后可以采用更为先进的优化算法，？高控制整体的水平。

　　2、目前软件功能仅能在电脑端使用，考虑到实时监控的特点，之后还可以设计网页登陆、手机 App 等多用户端登陆，实现身处不同地方同步查看，方便用户实时监控和检测异常情况。

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致 谢

　　时光荏苒，两年悄然流逝，回忆起被录取的激动画面还仿佛就在昨天。有幸进入大工读书，接触到了很多博闻强识的老师并且认识许多优秀卓越的同学，使我的眼界和学习能力都有了？高，收获颇丰，这两年的种种经历都会是我最宝贵的财富。在此毕业之际，向所有给予过帮助的老师和同学表示衷心的感谢和祝福。

　　首先，要感谢我的导师杨建华教授，因为杨老师耐心和细心的指导我才能顺利完成科研中学习的任务，在论文撰写过程中，杨老师多次不辞辛劳？出修改意见，他的认真负责、博学多闻不仅令我在学业上有极大成长，也让我领悟到了很多人生哲理，使我终生受益。浓浓师恩，终生不忘。在此，我向杨老师表达我深深的感谢，也祝福您桃李满天下，春晖遍四方。

　　也要向卢伟老师表达谢意。卢老师治学严谨，对待科研认真负责，是我们学习的榜样。对我的论文研究？出许多了宝贵意见，感谢您在研途中的传道授业解惑，也祝福您在科研路上一帆风顺。

　　另外，遇见教研室里可爱的小伙伴们是我莫大的荣幸，感恩在这短暂岁月中可以与你们结识。优秀的你们常常让我备受鼓舞，每个人身上都有值得我学习的优点，在本该孤单严肃的科研路上，因为有了你们才让我的研途生活绚烂多彩。这段一起学习成长、分享快乐的时光会是我学生生涯最难忘的回忆。祝福所有小伙伴们幸福快乐、学业有成。

　　最后，感谢家人的理解和支持，我才能安心一往直前，有了妈妈多年的付出、鼓励和细心照顾才成就了现在的我。我知道无论遇到任何问题，你们都是我最强大的精神支柱。多年求学，现学业将成，未来的人生路我会加倍努力，不辜负家人的每一份期待。

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