| 板坯加熱爐控制技術現狀和發展趨勢 |
| 鋼鐵工業是工業領域的基礎產業，軋鋼生產是鋼鐵工業生產過程中一個重要環節。軋鋼生產中燃料消耗主要以為最多。作為能耗大戶的鋼鐵行業對于節能降耗問題起著舉足輕重的作用。這里面占整個冶金行業能耗四分之一強的加熱爐工藝設備的節能降耗問題就擺在首當其沖的位置。隨著加熱爐生產工藝的不斷完善和優化以及加熱爐生產工業自動化水平的提高和計算機技術應用的不斷普及，隨著鋼鐵工業的大型化和自動化技術的發展；深入研究軋鋼加熱爐熱過程的控制及應用計算機技術實現優化燒鋼的計算機控制，不論從軋鋼生產過程節能降耗、提高產品質量和產量方面看，還是從軋鋼加熱爐在鋼鐵工業生產中的地位看，都有著十分重要的現實意義。作為從事加熱爐自動化控制工作的工程師，了解加熱爐控制技術的現況和新技術的應用前景，將對我們在工程設計中選擇合理的控制解決方案起著一定的參考作用。 1 板坯加熱爐控制技術歷史和構成 1.1 板坯加熱爐發展歷史和現狀 加熱爐作為軋鋼廠中的重要熱能設備，其功能主要把板坯加熱成溫度均勻的熱坯，且能滿足高質量軋制要求。1967 年4 月，由美國美蘭德公司設計的第一座步進梁式加熱爐問世；同年5 月，由日本中外爐公司為日本名古屋鋼鐵廠設計的步進梁式加熱爐加熱爐正式投產。從此，作為加熱高質量的板坯的新型加熱爐克服了推鋼式加熱爐固有的板坯水印溫差和表面磨損等確定，確定了其在連續式加熱爐的中流砥柱的地位。隨著能源危機的迫近，如何節能降耗日漸成為加熱爐行業一個焦點問題。1858 年，William Siemens 發明了蓄熱室。1982年，英國的British Gas 公司和Hot work 公司開發出世界第一套蓄熱式陶瓷燃燒器（Regenerativeceramic Burner），并將其成功地應用在玻璃爐窯上，取得了良好的節能、增產效果。隨后，美國的北美制造公司（North American Manufacturingcompany）購買了該專利，迅速將其運用到軋鋼加熱爐、熱處理爐等場合。在中國國內，1998 年9 月，江西萍鄉棒材公司高線加熱爐，由寧波市神光電爐有限公司和萍鄉高線合作，領先將蓄熱式燒嘴應Heurtey）公司致力于寬火焰燒嘴的研發，首先將該燒嘴運用在加拿大伊利湖鋼廠420t/h 的加熱爐上，于2000 年3 月建成投產。此外，斯坦因（SteinHeurtey）公司將脈沖技術試圖應用在板坯加熱爐上。于1997 年11 月，它和德國第森克虜伯公司一起研究，將杜伊斯堡鋼鐵廠420t/h 的加熱爐上的所有下部段改用脈沖控制技術，有效地改善了中間 坯的溫度均勻性和鋼卷的特性。為此，斯坦因（Stein Heurtey）公司提出了數字型加熱爐的概念并進行了專利申報在數字型加熱爐上，對每一個單獨的燒嘴，都可以進行測試和調節，取消了段流量策略和控制，替代了傳統的雙交叉限幅的加熱爐經典控制，并在美國的謝菲爾德鋼廠127t/a 加熱爐得到成功的驗證。在中國國內，中冶賽迪在太鋼2250mm 熱軋的加熱爐中，成功的開發具有獨立知識產權的中冶賽迪加熱爐控制軟件（2009 年度冶金行業工程軟件一等獎），將數字化脈沖技術成功的運用到大型不銹鋼加熱爐和蓄熱式加熱爐中去，并獲得成功應用。板坯加熱爐名稱繁雜，種類較多，可大體分為：根據燃料分為：重油加熱爐；混合煤氣加熱爐；高爐煤氣加熱爐和天然氣加熱爐。根據板坯在爐內的運動方式：分作推鋼式加熱爐；步進梁式加熱爐以及輥底式加熱爐；根據燒嘴加熱爐形式：分為普通的平焰燒嘴、調焰燒嘴的常規加熱爐；單（雙）蓄熱加熱爐；根據加熱形式：分為明火式加熱爐和輻射管式加熱爐。根據換向燒嘴控制技術：常規的雙用在工程實踐中。從此，蓄熱式加熱爐以其節能效果明顯而深受歡迎。截止2009 年8 月份，中冶賽迪公司分別為寶鋼1880mm 熱軋，武鋼1580mm 熱軋，本鋼2300mm 熱軋，太鋼2250mm，承鋼1780mm熱軋機組以工程總承包或技術總負責的方式提供了蓄熱式加熱爐。與此同時，為提高加熱爐質量，保證熱負荷降低的情況下燒嘴的火焰鋼度保持不變，數字化脈沖控制技術也日漸進入加熱爐人的視野，日漸為人關注。法國斯坦因（Stein Heurtey）公司在前期發展投入了很多的精力和時間。首先斯坦因（Stein交叉限幅控制策略；模糊控制策略，脈沖控制技術和換向控制技術。 1.2 加熱爐的結構和自動化系統主要功能 冷坯或者熱坯經爐前輥道精確定位到加熱爐裝爐側，推正后由（推鋼機）裝鋼機送到加熱爐熱回收段。在加熱爐內，由步進梁根據過程計算機的指令有序地將逐步加熱的板坯送到加熱爐的均熱段。被均勻加熱的板坯輸送到出口激光定位的位置時，步進梁繼續前行完成這個步距然后挺下來或作踏步處理。接到軋機L2 的要鋼信號后，基礎自動化（L1）控制出鋼機將加熱爐后的板坯送到爐后出爐輥道上。這樣就完成了一塊板坯的自動化加熱過 程。加熱爐自動化控制系統通常分為兩級，由基礎自動化（Basic Automation）和過程自動化（ProcessAutomation）自動化構成。加熱爐L1 級：即基礎自動化系統，主要完成 加熱爐的順控、裝鋼機和出鋼機的APC 控制、步進梁控制、加熱爐燃燒控制、介質的測量和控制等。加熱爐L2 級：即過程控制計算機系統，主要完成加熱爐的材料跟蹤、燃燒設定計算和數據處理及數據通信、班管理、報表打印等功能。自動化系統滿足工藝和設備的控制要求。 2 國內外研究現狀 自動控制原理（經典控制理論）和現代控制理論、系統參數辨識和大系統理論是加熱爐的控制技術的理論基礎。從發展順序和控制水平進行歸納，加熱爐燃燒控制水平大體上經歷了以下兩大階段：第1 階段為常規燃燒控制：以提高利用效率、維持合理空燃比為目的，實現燃燒過程的基礎自動化控制，達到控制加熱爐爐氣溫度；第2 階段為以優化鋼坯加熱過程為目標，實現爐溫或者燃燒量的過程自動化控制（以板坯溫度為控制目標）； 2.1 常規燃燒控制 早在上世紀五十年代，世界各國就開始對軋鋼加熱爐熱過程及板坯加熱過程進行較為深入的研究。在以后的四十多年來，各國學者做了大量的工作，并取得一定的研究成果，但他們的關注的重點是爐內輻射換熱和鋼坯加熱。近二十年來，控制工程師已不滿足于爐內輻射換熱和鋼坯加熱過程的離線數值計算，而是把離線模型在線化，并把他們應用到計算機控制中去。在60 年代以前，一些設備齊全的大型工業爐上配置了爐溫策略熱電偶，爐壓測量變送器和流量測量儀表外，還設置了爐溫、爐壓、燃燒量、空氣量等重要控制回爐的PID 調節器，以經典控制理論為依據，實現單個參數的自動調節，同時進行人工現場操作控制，完成加熱爐的監控。這一階段主要體現在“以人為本”上。在國外，70 年代以前，加熱爐控制的理論研究主要停留在以加熱爐爐溫控制為目標的燃燒控制上。即控制技術主要體現在基礎自動化（L1）級別上。其標志為發展完善了經典的常規加熱爐自動控制：加熱爐爐溫自動控制；加熱爐爐壓自動控制和換熱器自動控制。爐溫自動控制集中于爐溫控制器和流量控制器構成的串級控制系統：經歷了單純比例控制的串級燃燒系統，燃料，空氣的單交叉限幅控制系統（SCL），燃料，空氣的雙交叉限幅控制系統（DCL）。爐壓控制以加熱爐均熱段爐壓為被控量，通過控制常規煙道的閘板開度達到控制爐壓的目的。換熱器保護集中體現在熱風放散控制和煙道摻冷風控制。隨著常規燃燒控制的成熟和發展，人們又把目光投向智能燃燒控制。智能燃燒控制包括自學習理論、解耦控制、自校正PID 控制策略等。這方面發表的論文很多，研究成果也很斐然。但從工程應用方面上看，業績不是太廣泛。如在加熱爐爐壓控制上，就使用了自學習理論的思想，在加熱爐爐溫控制方面，解耦控制理論也得到了應用，但應用得較為膚淺。只有模糊控制理論的應用規模稍大一些。但隨著計算機技術的發展，智能燃燒控制必將受到更廣泛的應用。 2.2 加熱爐控制模型 進入70 年代，燃燒控制技術基本成型完善。隨著計算機應用技術的廣泛使用和人們對加熱爐工藝的領會加深，加熱爐控制技術有向前邁進一大步。控制理論的重心轉移到以優化鋼坯加熱爐為目標，實現爐溫或者燃燒量的過程自動化控制。根據板坯的化學成分，物理特性，根據爐內熱電偶測溫數值以及板坯爐內位置，加熱爐時間，通過對進入加熱爐的板坯進行有限元計算，計算出板坯的理論溫度，并將合理的個溫度加熱爐出口設點值傳輸到L1 基礎自動化系統中去，實現加熱爐全自動燒鋼。加熱爐是具有強耦合、純滯后及大性及慢時變等特點的典型非線性系統。加熱爐數學模型一可以歸納為經驗型和理論型兩種：經驗型數學模型是通過分析大量的現場實驗數據和統計數據的基礎上，得到可以反映加熱爐主要因素的一種函數關系。其關系簡單，實用，但應用范圍窄，不能適應現代多鋼種，多牌號的實際生產。理論型數學模型的建模是通過有限元分析或有限差分分析對鋼坯進行離散化，根據現場的測量確定方程中邊界條件，形成板坯加熱模型。Misaka.J Takahashi.R 運用總擴括熱吸收法在日本Simitomo 金屬工業公司建立了數學模型，進行了鋼坯溫度預測，取得了一定的節能效果[8]。Pike.H.E ,Citron,S.J 運用分布式參數理論 建立了加熱爐數學模型，并且應用近似集中參數模型來研究加熱爐的靜態和動態優化問題。Wick,H.J 應用卡爾曼濾波器實現了對加熱爐內板坯溫度的分布估算，但該法的不足是必須取得板坯在加熱爐內的表面溫度，限制了其進一步應用。針對多段式結構的加熱爐，A.Kusters 提出了一種運用多邊量參數估計的方法，建立多區段步進梁ARX 自回歸模型。該方法首先是根據加熱爐的結構特點，將加熱爐分成六個區段，在建模的過程中，考慮到各個區段的相互耦合作用，建立了表示各個區段爐溫的模型結構，最后應用最小二乘法辨識得到各個參數。法國的斯坦因（Stein Heurtey）公司開發的由最佳加熱、熱狀態模型、出爐鋼坯溫度模型、最佳設定值計算組成的加熱爐最優化控制系統，解決了裝爐鋼坯溫度品種規格變化大或軋制出現計劃與非計劃生產停頓時精確控制鋼坯出爐溫度和溫度均勻性問題，并在該公司設計的加熱爐中得到較為廣泛的應用。Yoshitani.N.,Ueyama.T.,Usui.M 等在連續加熱爐控制系統中通過減少能耗和提高板坯加熱質量：一是在以非線性、分布式參數數學模型的基礎上，通過在線仿真器實時地修改板坯溫度的加熱曲線；二是采用一些加速優化過程的手段盡量是控制效果明顯。Dirk.S, Arend K 等描述了現代熱軋廠的一種控制系統。該系統由兩部分構成：板坯溫度計算模型和預想的溫度控制器。數學模型的輸出結果是大約95%的板坯溫度計算誤差不超過±20℃。根據板坯在爐子各段中的情況及板坯的理論加熱曲線，及時調節板坯的實際溫度，使其盡量和設定溫度接近。在國內，八十年代初出現了基于小型機的加熱爐控制系統。提出的以加熱爐離散狀態空間模型和最優控制論為基礎的計算機控制策略。控制策略分為兩部分：穩態最優化爐溫設點的計算和爐溫設定值的動態補償。穩態最優化采用啟發式搜索方法，而動態補償基于前饋－反饋原理，實現了降低加熱爐能耗的目的。由于爐內鋼坯加熱溫度測量的困難，通常的采用多元回歸的方法對鋼坯的升溫過程進行計算，揚澤寬等人[16]提出一維穩態導熱數學模型，優點是計算機計算方便，但精度不足。如武鋼1700mm 熱軋從日本引進的加熱爐的數學模型就采用這種方法。采用熱交換原理大多采用一維熱傳導方程，只考慮厚度方向的溫差變化。所建立的多元回歸模型準確性較差，特別是在生產條件和軋制節奏發生變化后，其次系數較多，而且這些系數沒有直接的物理意義。考慮到冷坯與水印的因素，陳男岳提出采用二維熱傳導方程，來計算鋼坯的的爐內升溫過程，對方坯加熱爐數學模型有這一定的現實意義。尉 士民等通過鋼坯加熱爐氣氛計算，把氧化因素加熱爐最優控制的目標函數中，綜合鋼坯加熱過程中氧化燒損和燃料消耗兩個因素，對加熱爐進行了溫度預示計算、最優化空氣系數及最優化爐溫計算。杜佳璐等人通過分析鋼坯在加熱爐內被加熱的機理，利用有限差分法，建立了描述加熱爐內板坯溫度分布的數學模型，成功地運用了極大值原理同乘子法相結合的優化算法解決了不同鋼種、尤其是不銹鋼、高工鋼等特種鋼的節能操作難題。 ACC數學模型的功能關聯如圖2所示。中冶賽迪公司推出了自已的ACC 加熱爐數學模型。該模型由裝爐處理模塊、出爐處理模塊、休爐處理模塊、出爐鋼坯溫度模型、最佳設定值計算組成的加熱爐最優化控制系統，解決了裝爐鋼坯溫度品種規格變化大或軋制出現計劃與非計劃生產停頓時精確控制鋼坯出爐溫度和溫度均勻性問題，在太鋼2250mm 熱軋不銹鋼加熱爐，本鋼2300mm 熱軋加熱爐，承德鋼鐵廠1780mm 熱軋加熱爐上得到成 功的應用。以太鋼為例，L2 投運率超過90%，板坯出爐溫度命中率（以粗軋末道次±10℃為考核依據）達95%以上；板坯上表面和中心溫度的溫差<30℃,板坯上表面溫差<20℃，出爐板坯板間溫差<20℃，板坯水印溫差<10℃。 3 自動化系統解決方案 控制理論再先進，控制策略再好，歸根到底都要通過合理的自動化解決方案得以實施。要達到節能降耗，提高加熱質量，選擇合理的自動化系統解決方案非常重要。早在上世紀70 年代，DCS 系統或PLC 系統已成功應用到世界各地的工業加熱爐上。自80 年代以 來，國際鋼鐵大發展主要集中在中國。80 年代以后尤其是近20 年，中國國內的加熱爐的裝配水平基本上可以反映國際上加熱爐的計算機控制水平。下表中集中反映了國內外加熱爐控制系統的配置情況。 4 控制技術主要內容 4.1 設備控制功能 包括爐前、爐后輥道控制；裝鋼機位置及行程4.2 燃燒控制功能包括爐溫控制（常規燃燒控制，蓄熱式燒嘴換向控制、間拔控制、數字脈沖控制、解耦控制、模糊控制）；爐膛壓力控制（單回爐PID 控制；煤氣流量前饋控制；自學習控制；預測函數－PD 控制； 模糊控制）；換熱器保護控制（稀釋風控制、熱風放散控制）；汽化冷卻系統汽包水位控制；各種過程參數（溫度、壓力、流量、液位等）監控； 4.3 過程控制計算機系統功能 包括軋制計劃數據處理；板坯核對；跟蹤及跟蹤修正（入口側板坯跟蹤，爐內板坯位置跟蹤、出爐側板坯跟蹤、爐內板坯位置修正）；加熱爐設定（裝鋼機設定，出鋼機設定，步進梁運轉設定，加熱爐爐溫設定，休爐設定）；ACC 數學模型；班管理；報表系統；人機接口（L2 HMI）；系統間通信； 5 關鍵技術和技術難點 自動化系統分級不同，關鍵技術體現的形式也不盡相同。對L1 基礎自動化級而言，控制內容分成電氣傳動控制（Handling Control，簡稱HC）和燃燒控制（CombustionControl，簡稱CC）；對L2過程自動化級而言， 主要內容分成應用控制 （Application Control，簡稱AC）和自動燃燒控制模型（ACC Model）；以及系統間的接口。對于HC 控制而言，技術進步主要體現在傳動裝置的技術進步，傳動設備的參數整定和行程計算、連鎖控制的完善程度。AC 控制而言，技術難點體現在和L1 之間的數據通信，和第三方系統的數據通信上。所有的技術是剛性的，而且較為成熟。加熱爐控制中關鍵技術主要體現在燃燒控制和ACC 模型控制。而燃燒控制技術的進步主要集中于加熱爐溫度控制和爐壓控制；ACC 模型主要體現在算法、爐群控制技術和專家系統知識庫方面。 板坯加熱爐爐溫控制的經典控制策略是改進型雙交叉限幅。為提高板坯加熱質量，在熱負荷較低的狀況下，關掉一些閥門，保證燒嘴的火焰剛度，可在某些加熱段實施間拔控制。隨著節能和板坯加熱質量要求的提高，一些新的技術和理念也逐漸為自動化工程師接受和應用。 （1）解耦控制。板坯加熱爐通常分為多段控制，各段之間的溫度控制存在很強的耦合影響。目前國內、外對加熱爐進行解耦控制的報道很少，成功運用解耦技術的案例更是鳳毛麟角。目前僅在攀鋼熱軋1、2 號加熱爐上有相關應用。它采用的權值補償+前饋法。權值補償系數采用專家智能庫策略。 （2）蓄熱式燒嘴換向控制[21]：加熱爐兩側設置蓄熱式燒嘴：當一個燒嘴燃燒時，對應的燒嘴吸入煙氣，對蓄熱體進行加熱爐。經過一個換向時間后，冷空氣（冷煤氣）流過蓄熱體，變成熱空氣（熱煤氣）；同時，對面的燒嘴又吸入煙氣，對蓄熱體進行加熱。蓄熱式控制就是根據成對燒嘴的特性進行時序控制。技術難點是換向時間的確定，小負荷時的處理模式，燒嘴故障的處理模式以及換向控制對爐壓的影響。成熟應用業績較多，如寶鋼1580 mm熱軋3 座加熱爐，本鋼23000 mm 熱軋4 座加熱爐，太鋼2250 mm 熱軋1 座加熱爐，寶鋼1580mm 熱軋3座加熱爐等。 （3）數字脈沖控制。脈沖燃燒控制采用間斷燃燒的方式，使用脈寬調制技術，通過調節燃燒時間的占空比（通斷比）來實現加熱爐的溫度控制。在脈沖燃燒控制技術的控制下，燃燒器一旦燃燒，就處于其設計的最佳燃燒狀態，保證燃燒器燃燒時的燃氣出口速度不變。控制系統使爐內燃燒器交替燃燒：當需要升溫時，燃燒器燃燒時間加長，關斷時間減少；當需要降溫時，燃燒器燃燒時間減小，關斷時間加長。技術難點是脈沖周期的確定，空燃 比的控制，小負荷時的處理模式，燒嘴故障的處理模式以及脈沖控制對爐壓的影響。數字脈沖控制的應用先驅是以斯坦因（Stein Heurtey）公司；在國內大型板坯加熱爐上成功應用有太鋼2250mm 熱軋1～3#加熱爐，鞍鋼4#加熱爐和南鋼中板廠1#加熱爐。 （4）模糊控制技術。模糊控制技術將模糊控制理念運用到加熱爐控制技術上去。將模糊概念運用于加熱爐燃燒控制系統的實例也有一些報道，大部分是采用的控制算法仍然是常規PID，僅對P、I、D 的參數進行了模糊計算、設定。安陽高線加熱爐模糊控制系統完全用模糊控制代替常規的PID 算法，并構成串級并聯控制系統對加熱爐的加熱溫度進行控制，取得良好的調節品質。模糊控制技術的技術難點是模糊控制器的構成。集中體現在輸入語言變量、輸出語言變量選擇，隸屬度賦值表的確定原則。 （5）前饋控制。加熱爐爐壓控制采用經典策略是單回爐PID＋爐壓自學習或煤氣流量的前饋控制。新穎的控制策略是預測函數PFC＋PID 控制；模糊控制。預測函數PFC＋PD 控技術是利用PID控制器作為內層控制，實現精細控制；預測函數PFC作為外層控制器，實現系統快速特性。技術難點是過程通道模型的確定，預測函數PFC 的構建以及相關邊界條件的確定。 （6）ACC 模型。ACC 模型的是過程自動化（L2）的核心技術。節能效果好壞、加熱質量高低很大程度上取決于ACC 模型的成功應用與否。其核心技術是：爐溫處理技術；板坯剩余在爐時間的預測技術；板坯溫度計算預測技術；板坯出爐溫度自學習技術；爐群協調控制技術。技術難點是板坯溫度預測計算技術，爐群協調控制技術以及加熱爐混合加熱 控制技術。ACC模型能夠根據軋線計算機的軋制節奏，動態調節板坯的加熱速度，保證板坯的加熱效果；同時，實時協調加熱爐爐群的出爐節奏，滿足軋線的要鋼要求。 6 新技術發展 展望加熱爐控制技術的發展，從技術角度看，主要體現在硬件技術和軟件技術發展；從流程研發角度，主要體現在標準化和核心化技術的研發和技術服務。 （1）硬件技術。目前加熱爐自動化控制系統大多數采用諸如SIEMENS 公司，GE 公司等國外品牌的PLC 系統，或者是Honeywell 公司或橫河公司的DCS 系統。國產的控制系統如浙大中控的控制系統；北京和利時公司的控制系統以及國電自深的控制系統也開始嶄露角，控制系統的國產化將會是一個發展方向，也是我們自動化工程師的一個期望。 （2）控制單元。目前主要采用的32 位處理器，從技術的發展來看，64 位處理器也開始進入工控領域，它將成倍地提高控制器的計算能力，存儲能力，將各種復雜的算法和控制策略變為現實。 （3）容錯服務器的應用和推廣。為保證服務器系統的穩定性和安全性，通常采用兩臺配置相同的服務器共同構成一套冗余服務器系統。采用2 套硬件，2 套軟件。而容錯服務器采用硬件級的容錯技術，采用一套系統軟件，以達到消除系統切換時間的目的。其代表是Strautus fTserver W 系列的容錯服務器技術。 （4）現場總線技術。現場總線技術是一種前沿的應用技術，在化工、油氣、煉油、石化尤其是汽車生產線等行業得到非常廣泛的應用。它可以使工程總投資節省15～30％，工廠運營效益提高2％。在可以預見的將來，必將在加熱爐控制技術得到推廣應用。目前的代表技術是：CAN，FF，Profibus，Lonworks 等。 （5）三維監控軟件。目前主流監控軟件以Intouch，IFix，WinCC 和RSView 等為主。他們都建立在二維層面上。美國ICONICS“愛康諾”公司針對微軟的Windows® Vista™ 和Windows Server2008 設計開發了最新一代的監控組態軟件GENESIS64™ ，它充分利用了AMD 和Intel 的64 位技術，大大降低了自動化項目在軟件開發上的工作量、加快整個自動化解決方案的實施，從而能夠節省大量的費用。GENESIS64 充分利用Windows Vista 中DirectX10 的先進圖形硬件加速功能，GraphWorX64 與Windows Presentation Foundation結合，給用戶提供令人注目的3D 視圖，同時具有實時的數據顯示。想象一下，可以從各個角度看見設備是如何實時運行的感受！ （6）服務的遠程化。充分利用Internet 網絡的強大功能，對遠在千里之外的運行設備進行監控，數據分析和遠程服務，提供全流程的技術服務。 |