斯坦因數字化加熱爐溫度控制系統

趙興武

（山信軟件股份有限公司萊蕪自動化分公司，萊蕪 271104）

1 引言

萊鋼大H型鋼產線國內重要的H型鋼生產中心。其加熱爐采用斯坦因公司的自動化控制系統。根據模塊化設計原則，控制系統分為順控系統和燃燒系統。順控系統主要完成鋼坯從入爐至出爐的流程控制，燃燒系統通過控制煤氣空氣等實現精準的溫度控制。本文主要介紹燃燒控制系統。

2 自動化架構

斯坦因加熱爐自動化控制系統由一級基礎級控制系統和二級過程級控制系統構成。一級控制系統與安裝于加熱爐的各檢測元件關系密切，完成煤氣壓力、空氣壓力、爐壓、爐溫、助燃風溫度等重要參數的控制及數據采集，主要負責加熱爐生產流程的自動化，包括了燃燒控制系統和順控控制系統。二級控制系統不在此贅述。

3 空燃比設定

3.1 傳統PID控制

用傳統PID溫度調節控制回路如圖1所示。

圖1 加熱爐傳統PID控制回路圖

Tc：設置值/控制值

溫度Tm由熱電偶測定。誤差信號為：

傳統調控裝置的輸出信號形式如下：

其中：

Kp-比例增益

Ti-積分時間

Kp與Ti為內PI參數，由操作員調節一次。輸出信號u（t）按下式轉換成加熱需求：

其中：

a，b=常數

y（t）必須保持在設定值范圍之內，并且煤氣閥控制回路和空氣閥控制回路均適用。Y用于確定煤氣閥控制回路的設定值。Y1用于確定空氣閥控制回路的設定值，其用途是為保持規定時間間隔內的空氣/燃氣比率。為了檢查空氣/燃氣比率，煤氣閥控制回路和空氣閥控制回路采用交叉控制方式裝配。

采用傳統PID控制回路的加熱爐溫度控制系統，在狀態穩定時可以取得不錯的溫度調節效果。但是在實際生產中，這幾乎是不可能的。

3.2 模糊邏輯及模糊監控

由于加熱爐是一個具有純滯后、強耦合、非線性以及慢時變等特點的工業系統，如果采用傳統的控制理論，很難建立精確的數學模型，從而導致爐溫控制精度不高，對工序造成不利影響。而模糊控制具有強魯棒性，對輸入參數的變化不敏感，抗干擾能力強，且不依賴精確的數學模型。同時，模糊控制中的知識表示、模糊規則及合成推理算法是基于專家知識或熟練操作者的成熟經驗，通過學習可自動更新，具有一定的智能性。因此萊鋼大H型鋼加熱爐采用模糊邏輯來計算空燃流量比設定值，再通過經典的PID控制器進行溫度調節。

如圖2所示，通過模糊控制器來獲取各個不同狀態下的PID參數。模糊控制器有兩種模式：Steady state和Transient state。當溫度偏差小于一定范圍時認為系統處于穩定狀態，在穩態模式下，Kp和Ki通過溫度偏差調節。當溫度偏差太大時，系統進入瞬態模式。這時必須動態控制測量溫度以符合加熱爐的實際響應。模糊中斷器用于控制工作模式的改變，保證模式之間的平衡過渡。通過上述模式，我們得到Kp和Ki的初始值，在后續模式中，這些初始值將被調整，這些值在計算Kp和Ki偏移量的第二個模糊模塊中被調整，同時還將計算實際工作條件函數中的Kp與Ki偏差，即重量與定步速度。最后，將用加總穩態與瞬態模式組的中間結果值，之后再乘以各步驟運用的級次的方法計算最終結果值。

此時所計算的區域設定值就是在有影響區域的每件產品的設定值的加權平均值。對于兩個不同出爐目標的連續產品，該加權平均值能夠相對增加一件產品的熱量影響，為避免兩個連續的設定值之間太大的差異，要篩選計算設定值。

圖2 模糊監控功能圖

4 結束語

斯坦因數字化加熱爐通過先進的控制手段，分區域實現了精準的溫度控制，在萊鋼大H型鋼生產線中發揮了重要作用，值得業內借鑒。