退火爐高精度溫度控制器研究

蔡曉峰

（中冶南方工程技術有限公司，武漢 430223）

退火是鋼鐵企業冷軋產品生產過程中的一道工序，而退火爐是連續退火機組極其關鍵的設備，退火爐爐溫控制效果直接影響冷軋產品的質量，是連續退火控制關鍵技術之一。

由于退火爐本身大慣性、大滯后的特點，給其爐溫的高精度調節帶來了難度。目前在國內的爐溫控制中，占主導地位的仍然是傳統簡單的PID溫度控制器。但傳統的PID控制技術在處理退火爐這樣非線性、大時滯性且難以建立準確數學模型的控制對象時，存在著固有的缺陷，易造成振蕩、超調等現象。

本文針對傳統退火爐溫度控制的缺陷，提出一種高精度溫度控制器設計。

1 溫度控制器結構

高精度溫度控制器主要由以下幾部分構成：帶輸出干預的改進型PID控制器、基于數據表的帶鋼參數修正器及快速升/降溫調節器、燃氣壓力補正器等，溫度控制器結構如圖1所示。

圖1 溫度控制器結構Fig.1 Structure of temperature controller

2 溫度控制器實現

2.1 改進型PID控制器

對于常用的PID控制器，其比例、積分、微分3個環節位于控制器的前向通道上，控制器的輸入信號為設定值與實際反饋值的偏差信號。這種控制器適于小時延的穩定調節過程，但對于退火爐爐溫控制這樣具有遲滯性、振蕩的被控過程，控制效果不佳。為此，采用改進型PID控制器設計，選擇更適于溫度控制的比例微分優先型PID，輔以P、I、D參數可變及輸出干預環節，實現溫度主環路的控制。

1）I-PD 控制器

比例微分優先型PID即I-PD控制器，它對偏差e只進行積分運算，對過程參數PV進行比例和微分運算，克服了由于偏差值的階躍變化而引起的比例和微分沖擊，有效減小調節過程的超調，并且算法簡單、直觀，容易實現[1-2]。其原理如圖2所示。

圖2 I-PD控制器原理圖Fig.2 Principle diagram of I-PD controller

數學表達式為

式中：MV（s）為輸出值；E（s）為偏差值；PV（s）為過程值；KP、TI、TD分別為比例系數、積分、微分時間常數。

2）PID參數可變環節

由于I-PD控制器對過程參數PV進行比例和微分作用，對偏差e進行積分運算，在爐溫設定值修改或因某種原因造成爐溫較大波動時，能快速響應的只有積分作用，會使調節速度變慢。為解決這個問題，當控制器偏差e值大于設定值時（5℃），分別引入PID參數可變環節及輸出直接干預環節，通過增大控制器自身的調節速度及對控制器輸出增加一個偏置量，使控制器在偏差增大時能快速反應，從而使控制器在全過程既具有穩定調節的性能同時具有較快的響應速度。

當爐溫設定值與實際值偏差e在5℃以內時，可使用較小的比例系數、較大的積分系數和微分系數，此時控制器以消除系統穩態偏差為主。在偏差e的大小超過5℃時，增大比例系數，同時減小積分系數和微分系數，使積分時間變小并減弱微分作用，使控制器的輸出響應增快。在偏差e回落到5℃以內時，控制器 P、I、D 參數恢復至預設值。P、I、D 計算如式（2）～式（4）所示：

式中：P0、I0、D0分別為 PID 控制器初始設定的 P、I、D參數；ΔP、ΔI、ΔD為預設的各參數最大變化量。

3）輸出干預環節

在PID處于自動模式，當SV與PV偏差e較大時，根據偏差e值的大小在PID控制器輸出量U上直接增加一個偏置量ΔU，增大或減小控制器輸出，達到快速響應的目的。而在偏差e值逐漸回落的過程中，偏置量ΔU的值也逐漸減小，相當于增加一個較大的微分作用，使控制器的實際輸出值提前變化，避免調節系統產生超調。控制器偏置量ΔU為

式中：US為預先設置的最大偏置量幅值。PID控制器最終輸出值Y為

2.2 基于數據表的帶鋼參數修正器、快速升/降溫調節器

在傳統的純PID控制溫控方式中，當出現以下幾種工況時會引起爐溫大幅波動：

1）根據生產計劃的改變，更改生產帶鋼的牌號。帶鋼牌號改變時，爐內傳熱過程變化，同時爐溫設定值及帶速也可能變化，造成爐溫的上升或下降，需控制器經過一段時間的調節重新到達穩態。

2）生產中某些不可預知的故障因素，會造成運行帶鋼的突然降速或停止運行，待故障排除后又迅速升速并達到工藝設定帶速，造成爐溫的急速上升或急速下降，并帶來嚴重的超調。

3）退火爐由停爐/保溫狀態轉至生產狀態，或由生產狀態轉至停爐/保溫狀態，需要爐溫快速上升或下降至設定值。

上述情況，單純依靠PID調節在生產中會造成爐溫反應的滯后、嚴重超調及振蕩。目前，爐溫的調節多由人工干預，由于退火爐爐段數較多，這種操作模式給操作人員帶來較大的工作量，且較大依賴于操作人員的水平及經驗，效果不是很好。

生產中由于帶鋼規格及運行參數、工藝設定參數改變而引起的爐溫波動及調節具有可預見性，若在參數變化時提前給溫度控制器輸出一個預設定值，抑制爐溫的偏差變化，既可增加爐溫的響應速度，亦可減小爐溫的波動。預設定值可基于查詢退火爐保溫參數表及帶鋼工藝參數表相關數據并通過計算得出，數據表中數據根據退火爐調試及生產期間真實記錄所得，也可根據經驗預先設定。

表1所示為退火爐保溫參數表，存儲退火爐各段爐溫分別在750℃～1000℃區間內 （間隔50℃記錄一個點Tp，p=1～6），退火爐內無帶鋼時保持相應爐溫所需的負荷值，此時的熱量主要用于爐殼及管道的熱損失、爐內保護氣及燃燒廢氣帶出熱量。表中m表示爐段號。

表1 退火爐保溫參數表Tab.1 Table of heat-preservation parameters for annealing furnace

表2為帶鋼工藝參數表，存儲退火爐生產的各種帶鋼牌號，其對應的工藝速度、各爐段工藝溫度及正常穩定生產過程中該速度溫度下對應的爐段負荷值，表中n為帶鋼牌號序號，m為爐段號。

表2 帶鋼工藝參數表Tab.2 Table of strip process parameters

2.2.1 帶鋼參數修正器

根據帶鋼牌號查詢表2，判斷退火爐實際工藝參數與工藝設定參數相近（即退火爐處于正常生產狀態）時，啟用修正器。

帶鋼參數修改包括2方面：①生產過程中帶鋼牌號修改，各段爐溫設定值及帶鋼速度需根據表2中工藝設定值修改；②牌號未更改，由于某故障因素造成帶速的急速下降，及故障排除后帶速的急速上升。當檢測到帶鋼牌號或速度發生變化時，首先根據帶鋼牌號查詢表2，獲得當前帶鋼牌號序號n對應的各段爐溫設定值再查詢表1，采用插值計算法，計算退火爐各段（爐內無帶鋼）在保持爐溫下的理論負荷值

式中：下標n為表2中帶鋼種類序號；下標m為爐段序號；p為爐溫序號。

計算牌號為Nn的帶鋼，在當前帶鋼速度VPV，對應爐段m保持其工藝溫度的理論負荷值（當帶鋼速度為0時，帶鋼自身帶走熱量為0，可近似認為該情況下爐段負荷值，與爐內無帶鋼時對應爐溫保溫負荷值一致）可采用式（8）計算：

式中：Un_Zm為帶鋼參數變化時的近似理論負荷值。

當生產過程中帶鋼參數發生變化時，帶鋼參數修正器先將PID置于手動模式并直接將PID輸出賦值于計算獲得的理論負荷值，隨后將PID轉入自動模式對爐溫設定值進行跟蹤調節。

2.2.2 快速升/降溫調節器

此調節器主要用于當退火爐由保溫狀態轉換至生產狀態，或由生產狀態轉至保溫狀態時，需爐溫快速上升至工藝溫度值或快速下降至保溫溫度的情況。這種情況下，退火爐未處于正常生產狀態，爐溫設定值為TZm_SV、爐溫實際值為TZm_PV、帶速實際值為VPV?？焖偕?降溫調節器流程如圖3所示。

圖3 快速升/降溫調節器Fig.3 Adjuster of heating or cooling with high speed

在TSV與TPV偏差|e|較大時，使內部PID控制器為手動狀態且輸出為預設定的最大值Umax（或最小值Umin），使控制器以最快速度升溫（或降溫）；當調節一段時間偏差|e|值小于設定值時，查詢數據表并計算當前狀態下控制器預設定值Un_Zm，將PID控制器輸出值置為預設定值后，將控制器置為自動狀態進行自動調節。

根據表1計算當前溫度設定值TZm_SV下爐段理論保溫負荷值（Tp≤TZm_SV≤Tp+1）：

設當前溫度設定值TZm_SV下、帶速為工藝帶速時爐段理論負荷為同規格帶鋼在爐內帶速一致的情況下，換熱系數及單位時間內換熱面積相同，因此帶鋼在爐內吸收熱量與爐溫及帶鋼溫度差值成正比，為計算簡便，忽略2種情況下廢氣帶走熱量的差異，則可簡化為

式中：TStrip_Zm_SV、TStrip_Zm分別為在爐溫設定 TZm_SV、下對應爐段的帶鋼溫度。因爐內帶鋼溫度未知，且在退火爐入口處帶鋼溫度最低，爐溫、帶溫溫差最大，在退火爐后段爐溫帶溫溫差變小，相應換熱量減少，根據經驗，式（11）可簡化為

式中：m 為爐段序號，綜合式（9）、（10）、（12）可得在爐溫設定值TZm_SV、帶速為VPV時理論負荷值：

因爐內換熱過程的復雜性，該計算公式僅能得到一個近似值，隨后需PID轉入自動調節，保持溫度的穩定、精確調節。

2.3 煤氣壓力修正

退火爐采用煤氣輻射管進行加熱，當煤氣、空氣壓力在穩定值時，煤氣空氣在燒嘴內混合燃燒產生的火焰長度最佳，燒嘴工作在額定狀態下，傳熱效率最高。實際生產中，受煤氣外管網壓力波動的影響，或管網煤氣減壓閥組工作特性的影響，會造成退火爐的煤氣壓力發生改變。至退火爐煤氣壓力過高時，會使調節閥關至最小開度值后至燒嘴的煤氣壓力仍舊偏高，造成燒嘴內火焰長度增長，燒嘴燃燒超出額定狀態，在爐段負荷給定值未發生改變的情況下爐溫升高；煤氣壓力過低，調節閥開至最大仍無法達到額定壓力，造成燒嘴火焰減小，燒嘴熱功率及熱效率降低，使在爐段負荷給定值未發生改變的情況下爐溫降低。

當煤氣壓力偏差值大于0.5 kPa時啟用式（14）對負荷值進行修正

式中：PSV為煤氣壓力設定值；PPV為煤氣壓力實際值；a為壓力修正系數，可根據現場實際調節效果修改，初值設為0.5；Y′為最終溫度控制器輸出負荷值。

3 結語

該溫度控制器已成功在某鋼廠新建硅鋼連退線上運用，實際效果表明，在帶鋼規格不變的情況下，實際爐溫控制精度在±2℃以內，當出現帶速的突然變化或帶鋼規格改變時，爐溫超調較常規控制大幅減小，可控制在±10℃以內，同時具有快速升降溫的特點和較高的精度及穩定性，使溫度控制在全工況范圍內，能有效提高產品合格率，減少能源消耗。

[1]祝雪妹.新型 PID 控制器及參數整定[J].控制工程，2008，15（4）：80-82.

[2]楊曉生，彭志堅，肖益波，等.基于微分先行PID算法的鑄錠爐溫控系統[J].電子工業專用設備，2009，38（7）：42-45.

[3]王鳴.一種換熱器的變PID參數的整定方法及其實現[J].自動化儀表，2001，22（5）：18-19.