加热炉二级优化控制系统的应用

加热炉二级优化控制系统的应用

【摘要】介绍加热炉二级优化控制系统在唐钢不锈钢公司加热炉中的应用，简单介绍二级过程控制系统的组成、控制原理和系统构架。

【关键词】加热炉；物料跟踪；数学模型优化

前言

唐钢不锈钢公司1580mm热轧生产线加热炉二级优化控制系统借助先进的信息管理技术、计算机技术和网络通讯技术，实现加热炉生产全过程的自动跟踪、统一物流与信息流、热工过程全自动控制。

1加热炉二级控制系统的目标及描述

1.1 加热炉计算机控制的目标

（1）生产效率高：在保证质量的前提下，钢坯的加热速度越快越好，这样可以提高加热炉的生产率，减少炉子座数或缩小炉子尺寸。快速加热还能降低钢坯的烧损和单位燃料消耗，节约维护费用；

（2）加热质量好：钢坯的轧制质量与钢坯的加热质量有密切的关系。加热时钢坯的出炉温度应符合工艺要求，断面上温度分布均匀，钢坯的烧损率低，防止过烧和表层的脱碳现象；

（3）燃料消耗低：轧钢厂能量消耗的10-15%用于加热炉上，节省燃料对降低成本和节约能源都有重大意义。

1.2 加热炉二级优化控制

二级优化控制系统是在直接数字控制系统（DDC）的基础上，增加一套二级计算机作为监控机，通过工业以太网与基础燃烧控制工控机及生产管理计算机进行通讯而组成的控制系统。

各生产设备上的DDC将生产控制参数传输给上位二级监控机，由二级控制系统对加热炉内传热过程进行数值计算，得到钢坯的整体温度及其分布；根据优化算法，动态地确定加热炉最佳的热工操作方案，实现各生产参数的实时动态显示和在线优化控制。二级控制系统起到了集中监督管理的作用，达到了提高加热质量、降低炉子消耗和满足产量需求的最终目的。

1.3 加热炉数学模型概述

加热炉的二级控制系统成功实施的关键是建立准确、可靠的加热炉数学模

型。加热炉内的热过程包括流体流动、传热传质、燃料燃烧等复杂的物理化学过程，建立的模型包括加热炉内炉膛的辐射传热模型、钢坯的导热模型、钢坯的氧化模型以及黑印模型等。

加热炉数学模型，实际上是加热炉热过程的数学描述，即一系列的数学方程（也可以是代数方程、常微分方程、偏微分方程、积分方程或积分微分方程）及其定解条件（边界条件或初始条件）。它描述加热炉炉内发生的热过程的基本规律和热状态，确定炉内热过程参数间的定量关系。数学模型可以用于炉子热工理论研究、炉子优化设计和炉子热工过程计算机控制。

建立数学模型并进行数值求解是确定热过程参数关系的有效手段。随着计算机数值模拟技术的发展，使得利用计算机数值求解带有传热、传质、传动量及化学反应等的复杂过程成为可能，目前，计算流体动力学（CFD）软件已经成为工业热过程模拟计算的有力工具。利用CFD软件离线模拟分析加热炉内的热过程，对加热炉数学模型及优化控制具有重要的指导意义。而对在线控制数学模型而言，模型的计算精度和计算速度都直接影响控制效果，因此，如何构造简单、高效、可靠的在线控制数学模型是实现在线数学模型优化控制的重点问题。

2 加热炉二级控制系统网络结构

加热炉二级控制系统的网路拓扑结构如上图。二级的服务器、工程师站、操作员工作站及打印机通过交换机与一级PLC、板坯库、连铸L2及轧线L2相连。完成以下通信内容：

（1）加热炉二级系统内部的数据传输；（2）从加热炉一级采集数据，经过计算和优化再下达给一级PLC；（3）将加热完成后的钢坯数据发送给轧线L2，并从轧线L2采集轧制反馈信息；（4）从连铸L2和板坯库获取进入上料辊道的钢坯信息。

3 加热炉二级优化控制系统的构成及主要功能

3.1 流程

轧线、加热炉、板坯库物流流程如下图所示。板坯库接收连铸坯或其他外来坯入库。板坯出库进入加热炉区，经过加热炉核对后入炉。不合格板坯吊销退回板坯库。加热炉出炉坯进入轧线，板坯在炉后的不合格坯返装入炉或返回板坯库。热送坯直接入炉。

3.2 加热炉物流管理

加热炉的物流管理主要针对钢坯的入炉、出炉以及在炉内和炉外辊道等一系列的运行而设计和管理的，操作人员通过计算机来掌握炉区钢坯的物流状况，对炉区的钢坯进行管理并实现各台加热炉的组炉实绩。其主要功能有：

3.2.1 与轧线的衔接

轧线计算机系统根据轧制计划向加热炉L2发送接受钢坯信息，热送或板坯库来的钢坯经过加热炉加热后，按照生产计划及轧制周期向轧线输送钢坯。本加热炉可以根据生产计划和轧制能力实时调整出钢计划满足生产。

3.2.2 轧制计划的处理

轧制计划管理的目的是对生产必要的轧制计划数据和实际数据进行管理。本系统具备自动从接收轧线计算机系统发送来的轧制计划，在钢坯进入加热炉L2跟踪区域时，向轧线L2请求该块钢坯的PDI数据。在钢坯离开加热炉L2跟踪区域时，向轧线L2返回该钢坯的加热质量信息。

同时，本系统向管理人员提供人工录入和修改生产计划数据的接口，以保证在通讯故障和其它特殊情况时不影响加热炉的生产。

3.2.3 钢坯炉区跟踪

包括加热炉区域入口侧钢坯位置跟踪、加热炉内跟踪、加热炉出口侧钢坯位置跟踪、跟踪修正等。

（1）加热炉入口侧钢坯位置跟踪

加热炉入口侧钢坯位置跟踪的范围从钢坯核对完毕开始，到钢坯装入加热炉结束。加热炉L2过程控制计算机根据来自基础自动化（L1）的钢坯跟踪实际，建立钢坯在装料辊道上的跟踪映像，实时启动相关程序。

（2）加热炉内跟踪

加热炉内钢坯位置跟踪的范围从钢坯装入加热炉开始，到钢坯出加热炉定位到出炉辊道上为止。加热炉L2过程控制计算机根据来自基础自动化的各钢坯装料时装入行程和步进梁每周期的移动量等信号，对加热炉内各钢坯在加热炉的位置进行实时跟踪。

（3）加热炉出口侧钢坯位置跟踪

加热炉出口侧钢坯位置跟踪的范围从钢坯出加热炉开始，到除鳞箱入口辊道为止。加热炉L2过程控制计算机根据来自基础自动化的信号，建立钢坯在出炉辊道上的跟踪映像。

4 加热炉二级优化控制系统使用效果

该系统在唐钢不锈钢公司加热炉投用以来，加热炉设备的自动化程度达到了很高的水平，板坯上料、辊道运行、数据跟踪、装钢、出钢全程实现了自动操作，