板坯加热炉上的过程自动控制系统

摘要：南京钢铁集团中厚板卷厂板坯加热炉上的过程自动控制系统是由法国斯坦因公司供货与调试，作为一项技术决窍，投产五年来该系统运行稳定可靠，为我厂高品种钢的开发与生产提供了优质板坯.

关键词：过程自动控制；二级；热模型；长短火焰；氧化铁皮；能源消耗

1、前言

国内许多的钢铁企业都有先进的轧钢设备与自动控制，然而加热炉方面都普遍配置不高，劳动强度大，燃耗高，烧损大，板坯实际出钢温度不确定是目前的主要现象.南京钢铁集团中厚板卷厂板坯加热炉上的过程自动控制系统以其独特的方式改变了加热炉的现状，实现了炉子温度的全自动控制，实现了炉内每一块板坯的位置与温度的跟踪.

2、过程自动控制系统的配置

过程自动控制系统的硬件包括一台ALPHA服务器（机型HP DS25 位于二级计算机的机房内），两台操作员站（位于加热炉操作台）. 过程自动控制系统的软件包括：在服务器上操作系统为OPEN VMS，应用软件为The reheating furnace optimizing control system步进式加热炉优化控制系统（以下简称为二级系统），操作员站为两台商用台式电脑并配有功能强大的INTOUCH监控界面，让操作员能实时了解炉内的加热情况.

3、二级系统由四个功能层组成：通信功能层，工艺功能层，模型功能层，控制功能层.

3.1、通信功能层主要是负责与外部设备的通信.如采集数据的PLC与PL2、DCS与DC2.发送数据的LV3.

PLC有两个功能：一是实时监控与1#炉一级顺控的通信状态，中断时有红色报警，以此来提醒操作员检查相关的网络线路；二是负责与1#炉的一级顺控通信.每次装钢时，从一级获得板坯的ID，炉内的横坐标与纵坐标，单排长坯装钢或者是双排短坯装钢，每次出钢时获得ID与单双排信息，有步进信息时提供向前或向后步进一次。PL2是实时监控2#炉，功能与PLC相同。

DCS有两个功能：一是实时监控与1#炉一级燃控的通信状态，中断时有红色报警，以此来提醒操作员检查相关的网络线路；二是负责与1#炉的一级燃控通信，每分钟或者有事件发生时，从一级获得几乎所有的加热炉的相关信息，如煤气主管的压力，流量，空气主管的压力，流量，炉内压力，各区电偶的实际温度与二级设定温度，各区火焰长短比例值与二级设定值，各区模糊逻辑的设定值与实际值等。从一级获得数据被其它功能处理完后再把各区的温度等发送到一级燃控。DC2是实时监控2#炉，功能与DCS相同。

LV3是与三级数据库的通信，把装出钢的每决板坯的相关信息传给三级数据库。

3.2、工艺功能层是负责炉内板坯的跟踪与热平衡的计算。

PTR（product tracking）从DCS获得板坯的信息后，实现炉内板坯的跟踪。为温度跟踪和温度设定等功能的计算提供必要的信息，鼠标单击相应的板坯号码，能显示出该板坯的所有入炉，炉内与目标出炉的信息。如图1.

FBL（Furnace heat balance） 根据物料跟踪和加热炉内温度实测值等信息，本功能可建立一个加热炉和换热器之间的热平衡，可提供不同时段（按小时，班次，天，星期，或月计算）的燃耗数据以及能源输入和输出的詳细分布，这些信息可用于跟踪和分析炉子性能。

3.3模型功能层是整个二级系统的核心，主要为每块板坯计算加热曲线，剩余的在炉时间与当前的的上下表温度，中心温度，温度均均性

OHC（Optimal Heating Curves）：根据板坯的物理特性，在炉时间，目标出钢温度炉子区段最大功率等，在线计算每块板坯的加热曲线，计算的一条重要原则是板坯入炉时计划在炉时间越长，板坯越晚加热。

THE（Thermal tracking）此物理热模型考虑产品尺寸数据、钢种、每块坯料在加热炉区的停留时间、装出钢端加热炉温度的波动。计算机用物理热模型确定所有炉内坯料的温度，该物理热模型描述了发生在炉内的热交换，这个模型也确定了坯料在厚度方向上的温度均匀性。任何时候，操作员可通过显示画面来查看任一产品的计算温度（上表面，中心，下表面），以及当前平均温度和目标温度的偏差。

3.4控制功能层实现了炉子的实时自动控制，包括火焰长度控制，模糊逻辑控制，温度设定，待轧策略等。

FLM（flame length）火焰长度调节功能是通过控制可调焰烧嘴的火焰长度来优化坯料长度方向上的温度曲线，针对每一周期（大约60S）和每一对烧嘴，火焰长度的输出是长火焰和短火焰脉冲的百分数。每次计算后，火焰长度的设定值下装到1级燃控系统中。火焰长度设定值的计算考虑了下列输入值：炉内的布料情况（坯料在炉内的位置），粗轧机检测的坯料温曲线。设定值分为两个部分：前馈计算值，反馈修正值。前馈预测是基于炉内不同布料情况的一个数据库，反馈修正是基于模糊逻辑控制。

模糊逻辑控制（Fuzzy Logic）：由于标准PID控制器广为人知的局限性，斯坦因公司开发了模糊逻辑系统。当设定控制器时，综合考虑准确性和超过预期操作范围的快速响应。结果是温度测量值和燃料流量更稳定，在温度精确性和响应时间上，1级的响应速度得到了极大的提高。

二级系统考虑计划和非计划性的待轧。这样能够使燃料消耗达到最小，同时因为极大的降低了坯料过热的情况，所以提高了坯料的加热质量。根据坯料在炉内停留的剩余时间，二级系统对设定值进行调节，同时当系统检测到当前的待轧情形没有被操作员通过交互显示画面作出声明确认时，系统对此也会作出反应。

3.5二级系统还有丰富的报警功能，及时到反映到画面上，不同的报警颜色也不同并伴有声音，能让操作员快速地做出响应。

结论：

二级系统能避免由于操作者不同的操作水平等人为因素而导致炉温控制不稳定，也能减少氧化铁皮的形成，降低金属损耗。改善加热坯料温度的均匀性，在生产中避免出现瓶颈现象，以最小的能源消耗达到最大生产率。另外操作员可能从炉子本身的控制中解放出来，去监视炉子本身的设备运行情况，降低了设备的故障率。

作者信息：

单承勤（1979-）男，汉族，江苏省南京市，现供职于南京南钢股份有限公司中厚板卷厂，中级工程师.