基于計算機的加熱爐過程控制應用系統設計

劉彩利

（西安外事學院工學院計算機系，陜西 西安 710077）

在社會經濟快速發展趨勢下，能源短缺開始備受社會各界積極關注。而加熱爐是軋鋼生產企業中能耗最為突出的設備，隨著加熱爐生產工藝逐漸優化改進，其自動化水平也有了明顯提升。現階段，以節能環保，提高產品質量為目標的加熱爐過程控制系統已經在現代化企業加熱爐生產控制中實現了廣泛應用。加熱爐過程控制系統的主要目標是根據生產工藝的具體要求，全過程跟蹤并控制爐內板坯加熱過程，對出爐溫度與均勻度進行嚴格控制，并大大降低其氧化損傷程度，在提高加熱效率與質量的基礎上，實現節能環保目標[1]。基于計算機的加熱爐過程控制應用系統設計主要是基于信息管理技術、計算機技術、網絡技術，充分發揮加熱爐的過程控制功能，其是熱軋自動化控制系統的重要組成部分。熱軋自動化控制系統主要劃分為三級，即制造執行（L3）、過程控制（L2）、基礎自動化（L1）。其中，過程控制（L2）的任務是進行材料跟蹤、參數設定計算、質量數據匯總分析等等，主要包含加熱爐過程控制計算機與軋線過程控制計算機兩大系統部分。

1 基于計算機的加熱過程控制應用系統配置

首先，系統設備，一臺服務器與高性能工控機，以此作為此過程控制的主機部分，對加熱爐板坯進行實時跟蹤，并計算處理燃燒數據設定等等。其次，操作終端，利用客戶機或者服務器，在操作室內安裝終端PC服務器與終端客戶機，以操作整個過程控制。再次，通訊網絡，加熱爐過程控制計算機系統與軋線過程控制計算機系統之間，其中加熱爐過程控制計算機應用系統和基礎自動化，終端服務器和客戶機，基礎自動化和終端服務器各自彼此之間，都是基于以太網實現通訊，而基礎自動化與遠程I/O、傳動裝置間則是基于現場總線實現通訊[2]。加熱爐過程控制系統結構具體如圖1所示。

圖1 加熱爐過程控制系統結構

2 基于計算機的加熱過程控制應用系統設計與實現

基于計算機的加熱爐過程控制應用系統功能具體如圖2所示。

圖2 基于計算機的加熱爐過程控制應用系統功能模塊

2.1 數據跟蹤修正

2.1.1 前后輥道

工作人員發現板坯爐前爐后輥道實際位置與跟蹤映像之間出現偏差的時候，應基于畫面及時修正映像，促使兩者位置相一致。工作人員把所需修正板坯號輸入操作終端（HMI），并基于此畫面加以修正。通過過程控制計算機應用系統處理后臺，就輸入信息為依據進行板坯位置信息更新，在完成跟蹤信號處理之后，及時優化并保留映像文件，并進行畫面刷新。

2.1.2 爐 內

在爐內激光檢測器發生故障，或者L1出現通信故障的時候，應進行爐內跟蹤修正，確保板坯位置符合實際需求。工作人員則應選擇所需修正的爐號與步進梁運行狀態，對跟蹤數據進行有效修正。基于過程控制計算機應用系統處理合理檢測所輸入的數據信息，并據此信息更新板坯位置映像，同時刷新畫面。

2.1.3 強制上料

在上料輥道上安裝完成板坯之后，加熱爐L2沒有及時獲得數據信息，工作人員應及時輸入數據信息，強制上料。過程控制計算機應用系統對數據的合法性與科學性進行實時檢測，并構建映像數據，儲存到輥道映像表中去，同時刷新畫面。

2.1.4 板坯吊銷

處于核對位置的板坯或者在核對后需要進行吊銷的時候，工作人員及時操作，且利用跟蹤程序修正映像。工作人員將板坯號與吊銷原因代碼正確輸入，啟動吊銷過程。過程控制計算機應用系統對數據的合格性進行檢查，同時將實時跟蹤映像刪除，進行畫面刷新，通知軋線L2與MES。

2.1.5 強制裝入

板坯完成裝爐后，數據沒有隨之進入加熱爐，工作人員應強制性確認，跟蹤程序則修正映像。工作人員在HMI畫面上明確指出數據強制裝入信息，啟動裝入。過程控制計算機應用系統就裝入信息，編制跟蹤數據表，進行畫面刷新。以設置狀態為依據，對軋線L2與MES發出通知指令。

2.1.6 強制抽出

板坯抽出后，數據依舊停留在爐內，此時工作人員應強制確認抽出。在HMI 畫面上明確指出強制抽出的數據信息，啟動抽出。過程控制計算機應用系統把爐內跟蹤映像及時刪除，并對軋制順序相關表格進行修正，同時刷新畫面。就通信設置狀態為依據，對軋線L2與MES發出通知指令。

2.1.7 裝入返回

將已經裝入爐內的板坯退到輥道，工作人員將裝入返回相關信息加以輸入，并啟動裝入返回。過程控制計算機應用系統對目標爐前輥道的空位進行判斷，一旦成立，則及時刪除板坯跟蹤映像，重構軌道跟蹤映像，并對裝爐的順序表格進行修改更新。而不成立的狀況下，則立即輸出警告，同時進行畫面刷新。

2.1.8 返裝入爐

在出爐輥道上的板坯，應及時進行重新返裝入爐，這時工作人員應及時處理數據信息，輸入返裝入爐相關信息，加以啟動，同時手動返送爐內。過程控制計算機應用系統變更映像具體位置與生產規劃表格狀態，并適當處理軋制順序，進行畫面刷新，就通信設置狀態為依據，及時向軋線L2發出通知[3-5]。

2.2 輥道數據

2.2.1 跟蹤內容

從板坯上料開始進行跟蹤，直到裝入之前與抽出之后的輥道的整個過程。其中材料跟蹤程序則應實時跟蹤板坯，而輥道跟蹤則應實時跟蹤上料、爐前、爐后等所有過程輥道，物料跟蹤則應實時跟蹤上料處理、核對、輥道映像。

2.2.2 輥道跟蹤

（1）上料處理，L3將板坯信息電文發送到L2，然后再傳輸給L1，并啟動上料，而跟蹤程序則把板坯數據信息及時輸入影響數據表格中，同時進行畫面刷新。

（2）影響跟蹤處理，L2在接收到L1電氣儀表傳輸的跟蹤信息之后，對信號進行詳細分析。在信號校驗完成之后，全面更新映像表，同時刷新畫面。

（3）核對處理，板坯在進入核對輥道后，設定程序對板坯的長度與重量進行一一核對。在核對不合格的時候，向工作人員發出警報，進行吊銷處理。在核對合格的時候，基于設定程序合理設置相關數據信息，同時刷新畫面[6]。

2.3 爐內數據

2.3.1 跟蹤內容

從板坯裝入環節開始，直到抽出爐后輥道進行實時跟蹤。材料跟蹤程序全程跟蹤板坯，在板坯到達既定區域后，跟蹤程序對整個程序進行協調運行。爐內跟蹤包含三部分，即裝入處理、爐內跟蹤、抽出處理。

2.3.2 數據處理

首先，裝入處理，L2在接收到L1結束電文之后，就裝鋼機的實際績效，獲得裝入量，以此對前端位置進行計算，并構建跟蹤映像，向L2與MES 發送裝入電文，同時進行畫面刷新。其次，映像處理，爐內跟蹤是針對在裝入之后直到抽出前輥道，整個過程的物理位置。在加熱爐內，板坯基于步進梁向前進完成之后，位置信息發送到L2，如果映像數據信息出現變更，則及時進行畫面刷新。再次，抽出處理，對板坯是否滿足出鋼要求進行判別。設定程序設定抽鋼機，并傳輸相關電文。L2在接收到L1抽出結束的時候，及時將跟蹤映像刪除。ACC 計算出爐溫度，傳輸抽出結束電文給軋線L2與MES，同時刷新畫面[7]。

2.4 設定值處理

板坯到達指定輥道位置的時候，工作人員基于畫面一一核對長度與質量等信息，確保正確后，點擊確認，啟動設定模塊自動設定爐號與列號等，并向PLC傳輸設定電文，以便于啟動輥道進行運轉。

2.5 實績收集

實績數據信息處理具有搜集PLC與DCS設備數據并加以處理的功能，而且還可以對其他應用程序起到激發作用。

2.6 生產數據管理

MES 投入運行的時候，生產計劃應全面交于MES進行安排，確定板坯軋制順序、爐號、PDI數據等，并向L2傳輸相關電文[8]。

3 軋鋼加熱爐過程控制系統的實現

3.1 建立“透明加熱爐”

其一，實時跟蹤并提示加熱爐內的鋼坯位置狀態，以給相關工作人員提供明確的鋼坯位置，從而實現爐內分布透明化的目標。其二，實時跟蹤并提示加熱爐內鋼坯的加熱環境，以為相關工作人員提供正確的實際爐溫狀態和溫控規則，進而實現加熱環境的透明化狀態。其三，實時跟蹤并提示加熱爐內鋼坯溫度狀態，以為相關工作人員提供鋼坯芯部和表面的溫度，以實現鋼坯溫度的透明化。

3.2 支持加熱爐生產操作決策

首先，提示加熱爐內部的優化控制系統是否存在，是否可以實際檢測鋼坯的入爐時間、可用空間，以有效協助工作人員完成裝爐操作。其次，提示加熱爐出鋼條件，一旦鋼坯與出鋼條件不相符，系統就會明確提示具體的等待時間，幫助工作人員進行鋼坯出爐操作。為了保證工作人員工作的精確性和可靠性，控制系統可以實時提示加熱爐最新出爐鋼坯和開軋表面檢測溫度等。再次，加熱爐內部具體加熱狀態控制系統可以提示工作人員所生產的鋼坯數量以及與具體要求的相符程度，如果鋼坯無法滿足施工工藝要求，系統則提示鋼坯與預期目標要求之間的時間差異，以幫助工作人員適當調整爐溫。最后，提示加熱爐各爐段最優化參照溫度和實際爐溫之間的差異，從而幫助工作人員完成爐溫調整量相關運作[9]。

4 鋼坯加熱過程自動控制的實現

4.1 實時跟蹤爐內運行速度

通過實時跟蹤加熱爐各個輥道與板坯運行狀況，能夠科學合理計算運行速度，并據此作為溫度模型的邊緣信息。

4.2 實時判斷鋼坯預期爐段溫度

基于詳細分析各爐段內加熱環境、運行速度、板坯溫度等信息，對板坯在到達出口時候的離段溫度進行詳細計算。如果離段溫度尚未達到相關工藝標準具體要求，可以以離段溫度偏差作為重要輔助，或者適當調整虛擬爐段溫度（板坯預期爐溫），以此促使離段溫度與既定標準要求相符。

4.3 實時計算各爐段最佳爐溫參考

就各爐段內部鋼坯預期溫度，以鋼坯鋼種加熱優先級與鋼坯位置優先級作為參考依據，進一步確定爐段最佳爐溫參考。而在基礎控制系統內部出現爐溫控制回路，則要求工作人員通過交互的方式進行最佳爐溫參考干預，以此構成爐溫預定信息，并及時傳送到基礎控制系統，以此實現爐溫的自動調節。

4.4 實時計算加熱煤氣最佳流量參考

在基礎控制系統中，不出現爐溫控制回路，那么優化控制系統將會就具體爐溫和最佳爐溫參考，以及爐段內部鋼坯溫度與數量等作為重要依據，進一步計算最佳煤氣流量參考。在此形勢下，要求工作人員采取交互方式進行最佳煤氣流量參考干預，以形成煤氣流量控制回路的具體預設信息，同時傳輸到基礎控制系統，實現燃氣流量自動調整，從而實現自動控制加熱爐溫度的目標。因為系統中的信息都會實時存儲到數據庫中，因此過程控制應用系統支持工作人員針對爐內的鋼坯加熱過程進行查詢和追溯[10]。

5 結 論

綜上所述，加熱爐L2控制系統的目標是在滿足軋機產量的基礎上，促使板坯的出爐溫度與目標值相接近，板坯的截面溫差處于最小狀態，染料消耗最低，氧化燒損與脫碳最少，而加熱爐的生產則處于均衡狀態，同時降低工作人員勞動強度，實現加熱爐設備的節能環保目標。據此，本文進行了基于計算機的加熱爐過程控制應用系統設計，以熱軋步進式加熱爐生產工藝為依據，利用此系統可以最大程度上滿足生產需求，其具有十分突出的可靠性、開放性、可維護性、可擴展性等優勢特性，并能夠明顯提高加熱爐設施設備的自動化與信息化控制水平，從而保證生產效率與質量，為鋼鐵企業帶來良好的綜合效益。