板坯加熱爐上的過程自動控制系統

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是由法國斯坦因公司供貨與調試，作為一項技術決竅，投產五年來該系統運行穩定可靠，為我廠高品種鋼的開發與生產提供了優質板坯.

關鍵詞：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

國內許多的鋼鐵企業都有先進的軋鋼設備與自動控制，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以其獨特的方式改變了加熱爐的現狀，實現了爐子溫度的全自動控制，實現了爐內每一塊板坯的位置與溫度的跟蹤.

2、過程自動控制系統的配置

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

3、二級系統由四個功能層組成：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責與外部設備的通信.如采集數據的PLC與PL2、DCS與DC2.發送數據的LV3.

PLC有兩個功能：一是實時監控與1#爐一級順控的通信狀態，中斷時有紅色報警，以此來提醒操作員檢查相關的網絡線路；二是負責與1#爐的一級順控通信.每次裝鋼時，從一級獲得板坯的ID，爐內的橫坐標與縱坐標，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是實時監控2#爐，功能與PLC相同。

DCS有兩個功能：一是實時監控與1#爐一級燃控的通信狀態，中斷時有紅色報警，以此來提醒操作員檢查相關的網絡線路；二是負責與1#爐的一級燃控通信，每分鐘或者有事件發生時，從一級獲得幾乎所有的加熱爐的相關信息，如煤氣主管的壓力，流量，空氣主管的壓力，流量，爐內壓力，各區電偶的實際溫度與二級設定溫度，各區火焰長短比例值與二級設定值，各區模糊邏輯的設定值與實際值等。從一級獲得數據被其它功能處理完后再把各區的溫度等發送到一級燃控。DC2是實時監控2#爐，功能與DCS相同。

LV3是與三級數據庫的通信，把裝出鋼的每決板坯的相關信息傳給三級數據庫。

3.2、工藝功能層是負責爐內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，實現爐內板坯的跟蹤。為溫度跟蹤和溫度設定等功能的計算提供必要的信息，鼠標單擊相應的板坯號碼，能顯示出該板坯的所有入爐，爐內與目標出爐的信息。如圖1.

FBL（Furnace heat balance） 根據物料跟蹤和加熱爐內溫度實測值等信息，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）的燃耗數據以及能源輸入和輸出的詳細分布，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前的的上下表溫度，中心溫度，溫度均均性

OHC（Optimal Heating Curves）：根據板坯的物理特性，在爐時間，目標出鋼溫度爐子區段最大功率等，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品尺寸數據、鋼種、每塊坯料在加熱爐區的停留時間、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坯料的溫度，該物理熱模型描述了發生在爐內的熱交換，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品的計算溫度（上表面，中心，下表面），以及當前平均溫度和目標溫度的偏差。

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

FLM（flame length）火焰長度調節功能是通過控制可調焰燒嘴的火焰長度來優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數。每次計算后，火焰長度的設定值下裝到1級燃控系統中?；鹧骈L度設定值的計算考慮了下列輸入值：爐內的布料情況（坯料在爐內的位置），粗軋機檢測的坯料溫曲線。設定值分為兩個部分：前饋計算值，反饋修正值。前饋預測是基于爐內不同布料情況的一個數據庫，反饋修正是基于模糊邏輯控制。

模糊邏輯控制（Fuzzy Logic）：由于標準PID控制器廣為人知的局限性，斯坦因公司開發了模糊邏輯系統。當設定控制器時，綜合考慮準確性和超過預期操作范圍的快速響應。結果是溫度測量值和燃料流量更穩定，在溫度精確性和響應時間上，1級的響應速度得到了極大的提高。

二級系統考慮計劃和非計劃性的待軋。這樣能夠使燃料消耗達到最小，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量。根據坯料在爐內停留的剩余時間，二級系統對設定值進行調節，同時當系統檢測到當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時，系統對此也會作出反應。

3.5二級系統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。

結論：

二級系統能避免由于操作者不同的操作水平等人為因素而導致爐溫控制不穩定，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，在生產中避免出現瓶頸現象，以最小的能源消耗達到最大生產率。另外操作員可能從爐子本身的控制中解放出來，去監視爐子本身的設備運行情況，降低了設備的故障率。

作者信息：

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