板坯加熱爐上的過程自動控制系統(tǒng)

摘要：南京鋼鐵集團中厚板卷廠板坯加熱爐上的過程自動控制系統(tǒng)是由法國斯坦因公司供貨與調(diào)試，作為一項技術(shù)決竅，投產(chǎn)五年來該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，為我廠高品種鋼的開發(fā)與生產(chǎn)提供了優(yōu)質(zhì)板坯.

關(guān)鍵詞：過程自動控制；二級；熱模型；長短火焰；氧化鐵皮；能源消耗

1、前言

國內(nèi)許多的鋼鐵企業(yè)都有先進的軋鋼設(shè)備與自動控制，然而加熱爐方面都普遍配置不高，勞動強度大，燃耗高，燒損大，板坯實際出鋼溫度不確定是目前的主要現(xiàn)象.南京鋼鐵集團中厚板卷廠板坯加熱爐上的過程自動控制系統(tǒng)以其獨特的方式改變了加熱爐的現(xiàn)狀，實現(xiàn)了爐子溫度的全自動控制，實現(xiàn)了爐內(nèi)每一塊板坯的位置與溫度的跟蹤.

2、過程自動控制系統(tǒng)的配置

過程自動控制系統(tǒng)的硬件包括一臺ALPHA服務(wù)器（機型HP DS25 位于二級計算機的機房內(nèi)），兩臺操作員站（位于加熱爐操作臺）. 過程自動控制系統(tǒng)的軟件包括：在服務(wù)器上操作系統(tǒng)為OPEN VMS，應(yīng)用軟件為The reheating furnace optimizing control system步進式加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)（以下簡稱為二級系統(tǒng)），操作員站為兩臺商用臺式電腦并配有功能強大的INTOUCH監(jiān)控界面，讓操作員能實時了解爐內(nèi)的加熱情況.

3、二級系統(tǒng)由四個功能層組成：通信功能層，工藝功能層，模型功能層，控制功能層.

3.1、通信功能層主要是負(fù)責(zé)與外部設(shè)備的通信.如采集數(shù)據(jù)的PLC與PL2、DCS與DC2.發(fā)送數(shù)據(jù)的LV3.

PLC有兩個功能：一是實時監(jiān)控與1#爐一級順控的通信狀態(tài)，中斷時有紅色報警，以此來提醒操作員檢查相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)線路；二是負(fù)責(zé)與1#爐的一級順控通信.每次裝鋼時，從一級獲得板坯的ID，爐內(nèi)的橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)，單排長坯裝鋼或者是雙排短坯裝鋼，每次出鋼時獲得ID與單雙排信息，有步進信息時提供向前或向后步進一次。PL2是實時監(jiān)控2#爐，功能與PLC相同。

DCS有兩個功能：一是實時監(jiān)控與1#爐一級燃控的通信狀態(tài)，中斷時有紅色報警，以此來提醒操作員檢查相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)線路；二是負(fù)責(zé)與1#爐的一級燃控通信，每分鐘或者有事件發(fā)生時，從一級獲得幾乎所有的加熱爐的相關(guān)信息，如煤氣主管的壓力，流量，空氣主管的壓力，流量，爐內(nèi)壓力，各區(qū)電偶的實際溫度與二級設(shè)定溫度，各區(qū)火焰長短比例值與二級設(shè)定值，各區(qū)模糊邏輯的設(shè)定值與實際值等。從一級獲得數(shù)據(jù)被其它功能處理完后再把各區(qū)的溫度等發(fā)送到一級燃控。DC2是實時監(jiān)控2#爐，功能與DCS相同。

LV3是與三級數(shù)據(jù)庫的通信，把裝出鋼的每決板坯的相關(guān)信息傳給三級數(shù)據(jù)庫。

3.2、工藝功能層是負(fù)責(zé)爐內(nèi)板坯的跟蹤與熱平衡的計算。

PTR（product tracking）從DCS獲得板坯的信息后，實現(xiàn)爐內(nèi)板坯的跟蹤。為溫度跟蹤和溫度設(shè)定等功能的計算提供必要的信息，鼠標(biāo)單擊相應(yīng)的板坯號碼，能顯示出該板坯的所有入爐，爐內(nèi)與目標(biāo)出爐的信息。如圖1.

FBL（Furnace heat balance） 根據(jù)物料跟蹤和加熱爐內(nèi)溫度實測值等信息，本功能可建立一個加熱爐和換熱器之間的熱平衡，可提供不同時段（按小時，班次，天，星期，或月計算）的燃耗數(shù)據(jù)以及能源輸入和輸出的詳細(xì)分布，這些信息可用于跟蹤和分析爐子性能。

3.3模型功能層是整個二級系統(tǒng)的核心，主要為每塊板坯計算加熱曲線，剩余的在爐時間與當(dāng)前的的上下表溫度，中心溫度，溫度均均性

OHC（Optimal Heating Curves）：根據(jù)板坯的物理特性，在爐時間，目標(biāo)出鋼溫度爐子區(qū)段最大功率等，在線計算每塊板坯的加熱曲線，計算的一條重要原則是板坯入爐時計劃在爐時間越長，板坯越晚加熱。

THE（Thermal tracking）此物理熱模型考慮產(chǎn)品尺寸數(shù)據(jù)、鋼種、每塊坯料在加熱爐區(qū)的停留時間、裝出鋼端加熱爐溫度的波動。計算機用物理熱模型確定所有爐內(nèi)坯料的溫度，該物理熱模型描述了發(fā)生在爐內(nèi)的熱交換，這個模型也確定了坯料在厚度方向上的溫度均勻性。任何時候，操作員可通過顯示畫面來查看任一產(chǎn)品的計算溫度（上表面，中心，下表面），以及當(dāng)前平均溫度和目標(biāo)溫度的偏差。

3.4控制功能層實現(xiàn)了爐子的實時自動控制，包括火焰長度控制，模糊邏輯控制，溫度設(shè)定，待軋策略等。

FLM（flame length）火焰長度調(diào)節(jié)功能是通過控制可調(diào)焰燒嘴的火焰長度來優(yōu)化坯料長度方向上的溫度曲線，針對每一周期（大約60S）和每一對燒嘴，火焰長度的輸出是長火焰和短火焰脈沖的百分?jǐn)?shù)。每次計算后，火焰長度的設(shè)定值下裝到1級燃控系統(tǒng)中?；鹧骈L度設(shè)定值的計算考慮了下列輸入值：爐內(nèi)的布料情況（坯料在爐內(nèi)的位置），粗軋機檢測的坯料溫曲線。設(shè)定值分為兩個部分：前饋計算值，反饋修正值。前饋預(yù)測是基于爐內(nèi)不同布料情況的一個數(shù)據(jù)庫，反饋修正是基于模糊邏輯控制。

模糊邏輯控制（Fuzzy Logic）：由于標(biāo)準(zhǔn)PID控制器廣為人知的局限性，斯坦因公司開發(fā)了模糊邏輯系統(tǒng)。當(dāng)設(shè)定控制器時，綜合考慮準(zhǔn)確性和超過預(yù)期操作范圍的快速響應(yīng)。結(jié)果是溫度測量值和燃料流量更穩(wěn)定，在溫度精確性和響應(yīng)時間上，1級的響應(yīng)速度得到了極大的提高。

二級系統(tǒng)考慮計劃和非計劃性的待軋。這樣能夠使燃料消耗達(dá)到最小，同時因為極大的降低了坯料過熱的情況，所以提高了坯料的加熱質(zhì)量。根據(jù)坯料在爐內(nèi)停留的剩余時間，二級系統(tǒng)對設(shè)定值進行調(diào)節(jié)，同時當(dāng)系統(tǒng)檢測到當(dāng)前的待軋情形沒有被操作員通過交互顯示畫面作出聲明確認(rèn)時，系統(tǒng)對此也會作出反應(yīng)。

3.5二級系統(tǒng)還有豐富的報警功能，及時到反映到畫面上，不同的報警顏色也不同并伴有聲音，能讓操作員快速地做出響應(yīng)。

結(jié)論：

二級系統(tǒng)能避免由于操作者不同的操作水平等人為因素而導(dǎo)致爐溫控制不穩(wěn)定，也能減少氧化鐵皮的形成，降低金屬損耗。改善加熱坯料溫度的均勻性，在生產(chǎn)中避免出現(xiàn)瓶頸現(xiàn)象，以最小的能源消耗達(dá)到最大生產(chǎn)率。另外操作員可能從爐子本身的控制中解放出來，去監(jiān)視爐子本身的設(shè)備運行情況，降低了設(shè)備的故障率。

作者信息：

單承勤（1979-）男，漢族，江蘇省南京市，現(xiàn)供職于南京南鋼股份有限公司中厚板卷廠，中級工程師.