蔡曉峰

（中冶南方工程技術(shù)有限公司，武漢 430223）

退火是鋼鐵企業(yè)冷軋產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的一道工序，而退火爐是連續(xù)退火機(jī)組極其關(guān)鍵的設(shè)備，退火爐爐溫控制效果直接影響冷軋產(chǎn)品的質(zhì)量，是連續(xù)退火控制關(guān)鍵技術(shù)之一。

由于退火爐本身大慣性、大滯后的特點(diǎn)，給其爐溫的高精度調(diào)節(jié)帶來(lái)了難度。目前在國(guó)內(nèi)的爐溫控制中，占主導(dǎo)地位的仍然是傳統(tǒng)簡(jiǎn)單的PID溫度控制器。但傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)在處理退火爐這樣非線(xiàn)性、大時(shí)滯性且難以建立準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型的控制對(duì)象時(shí)，存在著固有的缺陷，易造成振蕩、超調(diào)等現(xiàn)象。

本文針對(duì)傳統(tǒng)退火爐溫度控制的缺陷，提出一種高精度溫度控制器設(shè)計(jì)。

1 溫度控制器結(jié)構(gòu)

高精度溫度控制器主要由以下幾部分構(gòu)成：帶輸出干預(yù)的改進(jìn)型PID控制器、基于數(shù)據(jù)表的帶鋼參數(shù)修正器及快速升/降溫調(diào)節(jié)器、燃?xì)鈮毫ρa(bǔ)正器等，溫度控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 溫度控制器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of temperature controller

2 溫度控制器實(shí)現(xiàn)

2.1 改進(jìn)型PID控制器

對(duì)于常用的PID控制器，其比例、積分、微分3個(gè)環(huán)節(jié)位于控制器的前向通道上，控制器的輸入信號(hào)為設(shè)定值與實(shí)際反饋值的偏差信號(hào)。這種控制器適于小時(shí)延的穩(wěn)定調(diào)節(jié)過(guò)程，但對(duì)于退火爐爐溫控制這樣具有遲滯性、振蕩的被控過(guò)程，控制效果不佳。為此，采用改進(jìn)型PID控制器設(shè)計(jì)，選擇更適于溫度控制的比例微分優(yōu)先型PID，輔以P、I、D參數(shù)可變及輸出干預(yù)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)溫度主環(huán)路的控制。

1）I-PD 控制器

比例微分優(yōu)先型PID即I-PD控制器，它對(duì)偏差e只進(jìn)行積分運(yùn)算，對(duì)過(guò)程參數(shù)PV進(jìn)行比例和微分運(yùn)算，克服了由于偏差值的階躍變化而引起的比例和微分沖擊，有效減小調(diào)節(jié)過(guò)程的超調(diào)，并且算法簡(jiǎn)單、直觀，容易實(shí)現(xiàn)[1-2]。其原理如圖2所示。

圖2 I-PD控制器原理圖Fig.2 Principle diagram of I-PD controller

數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：MV（s）為輸出值；E（s）為偏差值；PV（s）為過(guò)程值；KP、TI、TD分別為比例系數(shù)、積分、微分時(shí)間常數(shù)。

2）PID參數(shù)可變環(huán)節(jié)

由于I-PD控制器對(duì)過(guò)程參數(shù)PV進(jìn)行比例和微分作用，對(duì)偏差e進(jìn)行積分運(yùn)算，在爐溫設(shè)定值修改或因某種原因造成爐溫較大波動(dòng)時(shí)，能快速響應(yīng)的只有積分作用，會(huì)使調(diào)節(jié)速度變慢。為解決這個(gè)問(wèn)題，當(dāng)控制器偏差e值大于設(shè)定值時(shí)（5℃），分別引入PID參數(shù)可變環(huán)節(jié)及輸出直接干預(yù)環(huán)節(jié)，通過(guò)增大控制器自身的調(diào)節(jié)速度及對(duì)控制器輸出增加一個(gè)偏置量，使控制器在偏差增大時(shí)能快速反應(yīng)，從而使控制器在全過(guò)程既具有穩(wěn)定調(diào)節(jié)的性能同時(shí)具有較快的響應(yīng)速度。

當(dāng)爐溫設(shè)定值與實(shí)際值偏差e在5℃以?xún)?nèi)時(shí)，可使用較小的比例系數(shù)、較大的積分系數(shù)和微分系數(shù)，此時(shí)控制器以消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)偏差為主。在偏差e的大小超過(guò)5℃時(shí)，增大比例系數(shù)，同時(shí)減小積分系數(shù)和微分系數(shù)，使積分時(shí)間變小并減弱微分作用，使控制器的輸出響應(yīng)增快。在偏差e回落到5℃以?xún)?nèi)時(shí)，控制器 P、I、D 參數(shù)恢復(fù)至預(yù)設(shè)值。P、I、D 計(jì)算如式（2）～式（4）所示：

式中：P0、I0、D0分別為 PID 控制器初始設(shè)定的 P、I、D參數(shù)；ΔP、ΔI、ΔD為預(yù)設(shè)的各參數(shù)最大變化量。

3）輸出干預(yù)環(huán)節(jié)

在PID處于自動(dòng)模式，當(dāng)SV與PV偏差e較大時(shí)，根據(jù)偏差e值的大小在PID控制器輸出量U上直接增加一個(gè)偏置量ΔU，增大或減小控制器輸出，達(dá)到快速響應(yīng)的目的。而在偏差e值逐漸回落的過(guò)程中，偏置量ΔU的值也逐漸減小，相當(dāng)于增加一個(gè)較大的微分作用，使控制器的實(shí)際輸出值提前變化，避免調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)?？刂破髌昧喀為

式中：US為預(yù)先設(shè)置的最大偏置量幅值。PID控制器最終輸出值Y為

2.2 基于數(shù)據(jù)表的帶鋼參數(shù)修正器、快速升/降溫調(diào)節(jié)器

在傳統(tǒng)的純PID控制溫控方式中，當(dāng)出現(xiàn)以下幾種工況時(shí)會(huì)引起爐溫大幅波動(dòng)：

1）根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃的改變，更改生產(chǎn)帶鋼的牌號(hào)。帶鋼牌號(hào)改變時(shí)，爐內(nèi)傳熱過(guò)程變化，同時(shí)爐溫設(shè)定值及帶速也可能變化，造成爐溫的上升或下降，需控制器經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的調(diào)節(jié)重新到達(dá)穩(wěn)態(tài)。

2）生產(chǎn)中某些不可預(yù)知的故障因素，會(huì)造成運(yùn)行帶鋼的突然降速或停止運(yùn)行，待故障排除后又迅速升速并達(dá)到工藝設(shè)定帶速，造成爐溫的急速上升或急速下降，并帶來(lái)嚴(yán)重的超調(diào)。

3）退火爐由停爐/保溫狀態(tài)轉(zhuǎn)至生產(chǎn)狀態(tài)，或由生產(chǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)至停爐/保溫狀態(tài)，需要爐溫快速上升或下降至設(shè)定值。

上述情況，單純依靠PID調(diào)節(jié)在生產(chǎn)中會(huì)造成爐溫反應(yīng)的滯后、嚴(yán)重超調(diào)及振蕩。目前，爐溫的調(diào)節(jié)多由人工干預(yù)，由于退火爐爐段數(shù)較多，這種操作模式給操作人員帶來(lái)較大的工作量，且較大依賴(lài)于操作人員的水平及經(jīng)驗(yàn)，效果不是很好。

生產(chǎn)中由于帶鋼規(guī)格及運(yùn)行參數(shù)、工藝設(shè)定參數(shù)改變而引起的爐溫波動(dòng)及調(diào)節(jié)具有可預(yù)見(jiàn)性，若在參數(shù)變化時(shí)提前給溫度控制器輸出一個(gè)預(yù)設(shè)定值，抑制爐溫的偏差變化，既可增加爐溫的響應(yīng)速度，亦可減小爐溫的波動(dòng)。預(yù)設(shè)定值可基于查詢(xún)退火爐保溫參數(shù)表及帶鋼工藝參數(shù)表相關(guān)數(shù)據(jù)并通過(guò)計(jì)算得出，數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)根據(jù)退火爐調(diào)試及生產(chǎn)期間真實(shí)記錄所得，也可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)先設(shè)定。

表1所示為退火爐保溫參數(shù)表，存儲(chǔ)退火爐各段爐溫分別在750℃～1000℃區(qū)間內(nèi) （間隔50℃記錄一個(gè)點(diǎn)Tp，p=1～6），退火爐內(nèi)無(wú)帶鋼時(shí)保持相應(yīng)爐溫所需的負(fù)荷值，此時(shí)的熱量主要用于爐殼及管道的熱損失、爐內(nèi)保護(hù)氣及燃燒廢氣帶出熱量。表中m表示爐段號(hào)。

表1 退火爐保溫參數(shù)表Tab.1 Table of heat-preservation parameters for annealing furnace

表2為帶鋼工藝參數(shù)表，存儲(chǔ)退火爐生產(chǎn)的各種帶鋼牌號(hào)，其對(duì)應(yīng)的工藝速度、各爐段工藝溫度及正常穩(wěn)定生產(chǎn)過(guò)程中該速度溫度下對(duì)應(yīng)的爐段負(fù)荷值，表中n為帶鋼牌號(hào)序號(hào)，m為爐段號(hào)。

表2 帶鋼工藝參數(shù)表Tab.2 Table of strip process parameters

2.2.1 帶鋼參數(shù)修正器

根據(jù)帶鋼牌號(hào)查詢(xún)表2，判斷退火爐實(shí)際工藝參數(shù)與工藝設(shè)定參數(shù)相近（即退火爐處于正常生產(chǎn)狀態(tài)）時(shí)，啟用修正器。

帶鋼參數(shù)修改包括2方面：①生產(chǎn)過(guò)程中帶鋼牌號(hào)修改，各段爐溫設(shè)定值及帶鋼速度需根據(jù)表2中工藝設(shè)定值修改；②牌號(hào)未更改，由于某故障因素造成帶速的急速下降，及故障排除后帶速的急速上升。當(dāng)檢測(cè)到帶鋼牌號(hào)或速度發(fā)生變化時(shí)，首先根據(jù)帶鋼牌號(hào)查詢(xún)表2，獲得當(dāng)前帶鋼牌號(hào)序號(hào)n對(duì)應(yīng)的各段爐溫設(shè)定值再查詢(xún)表1，采用插值計(jì)算法，計(jì)算退火爐各段（爐內(nèi)無(wú)帶鋼）在保持爐溫下的理論負(fù)荷值

式中：下標(biāo)n為表2中帶鋼種類(lèi)序號(hào)；下標(biāo)m為爐段序號(hào)；p為爐溫序號(hào)。

計(jì)算牌號(hào)為Nn的帶鋼，在當(dāng)前帶鋼速度VPV，對(duì)應(yīng)爐段m保持其工藝溫度的理論負(fù)荷值（當(dāng)帶鋼速度為0時(shí)，帶鋼自身帶走熱量為0，可近似認(rèn)為該情況下?tīng)t段負(fù)荷值，與爐內(nèi)無(wú)帶鋼時(shí)對(duì)應(yīng)爐溫保溫負(fù)荷值一致）可采用式（8）計(jì)算：

式中：Un_Zm為帶鋼參數(shù)變化時(shí)的近似理論負(fù)荷值。

當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程中帶鋼參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，帶鋼參數(shù)修正器先將PID置于手動(dòng)模式并直接將PID輸出賦值于計(jì)算獲得的理論負(fù)荷值，隨后將PID轉(zhuǎn)入自動(dòng)模式對(duì)爐溫設(shè)定值進(jìn)行跟蹤調(diào)節(jié)。

2.2.2 快速升/降溫調(diào)節(jié)器

此調(diào)節(jié)器主要用于當(dāng)退火爐由保溫狀態(tài)轉(zhuǎn)換至生產(chǎn)狀態(tài)，或由生產(chǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)至保溫狀態(tài)時(shí)，需爐溫快速上升至工藝溫度值或快速下降至保溫溫度的情況。這種情況下，退火爐未處于正常生產(chǎn)狀態(tài)，爐溫設(shè)定值為T(mén)Zm_SV、爐溫實(shí)際值為T(mén)Zm_PV、帶速實(shí)際值為VPV。快速升/降溫調(diào)節(jié)器流程如圖3所示。

圖3 快速升/降溫調(diào)節(jié)器Fig.3 Adjuster of heating or cooling with high speed

在TSV與TPV偏差|e|較大時(shí)，使內(nèi)部PID控制器為手動(dòng)狀態(tài)且輸出為預(yù)設(shè)定的最大值Umax（或最小值Umin），使控制器以最快速度升溫（或降溫）；當(dāng)調(diào)節(jié)一段時(shí)間偏差|e|值小于設(shè)定值時(shí)，查詢(xún)數(shù)據(jù)表并計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)下控制器預(yù)設(shè)定值Un_Zm，將PID控制器輸出值置為預(yù)設(shè)定值后，將控制器置為自動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

根據(jù)表1計(jì)算當(dāng)前溫度設(shè)定值TZm_SV下?tīng)t段理論保溫負(fù)荷值（Tp≤TZm_SV≤Tp+1）：

設(shè)當(dāng)前溫度設(shè)定值TZm_SV下、帶速為工藝帶速時(shí)爐段理論負(fù)荷為同規(guī)格帶鋼在爐內(nèi)帶速一致的情況下，換熱系數(shù)及單位時(shí)間內(nèi)換熱面積相同，因此帶鋼在爐內(nèi)吸收熱量與爐溫及帶鋼溫度差值成正比，為計(jì)算簡(jiǎn)便，忽略2種情況下廢氣帶走熱量的差異，則可簡(jiǎn)化為

式中：TStrip_Zm_SV、TStrip_Zm分別為在爐溫設(shè)定 TZm_SV、下對(duì)應(yīng)爐段的帶鋼溫度。因爐內(nèi)帶鋼溫度未知，且在退火爐入口處帶鋼溫度最低，爐溫、帶溫溫差最大，在退火爐后段爐溫帶溫溫差變小，相應(yīng)換熱量減少，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，式（11）可簡(jiǎn)化為

式中：m 為爐段序號(hào)，綜合式（9）、（10）、（12）可得在爐溫設(shè)定值TZm_SV、帶速為VPV時(shí)理論負(fù)荷值：

因爐內(nèi)換熱過(guò)程的復(fù)雜性，該計(jì)算公式僅能得到一個(gè)近似值，隨后需PID轉(zhuǎn)入自動(dòng)調(diào)節(jié)，保持溫度的穩(wěn)定、精確調(diào)節(jié)。

2.3 煤氣壓力修正

退火爐采用煤氣輻射管進(jìn)行加熱，當(dāng)煤氣、空氣壓力在穩(wěn)定值時(shí)，煤氣空氣在燒嘴內(nèi)混合燃燒產(chǎn)生的火焰長(zhǎng)度最佳，燒嘴工作在額定狀態(tài)下，傳熱效率最高。實(shí)際生產(chǎn)中，受煤氣外管網(wǎng)壓力波動(dòng)的影響，或管網(wǎng)煤氣減壓閥組工作特性的影響，會(huì)造成退火爐的煤氣壓力發(fā)生改變。至退火爐煤氣壓力過(guò)高時(shí)，會(huì)使調(diào)節(jié)閥關(guān)至最小開(kāi)度值后至燒嘴的煤氣壓力仍舊偏高，造成燒嘴內(nèi)火焰長(zhǎng)度增長(zhǎng)，燒嘴燃燒超出額定狀態(tài)，在爐段負(fù)荷給定值未發(fā)生改變的情況下?tīng)t溫升高；煤氣壓力過(guò)低，調(diào)節(jié)閥開(kāi)至最大仍無(wú)法達(dá)到額定壓力，造成燒嘴火焰減小，燒嘴熱功率及熱效率降低，使在爐段負(fù)荷給定值未發(fā)生改變的情況下?tīng)t溫降低。

當(dāng)煤氣壓力偏差值大于0.5 kPa時(shí)啟用式（14）對(duì)負(fù)荷值進(jìn)行修正

式中：PSV為煤氣壓力設(shè)定值；PPV為煤氣壓力實(shí)際值；a為壓力修正系數(shù)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)節(jié)效果修改，初值設(shè)為0.5；Y′為最終溫度控制器輸出負(fù)荷值。

3 結(jié)語(yǔ)

該溫度控制器已成功在某鋼廠(chǎng)新建硅鋼連退線(xiàn)上運(yùn)用，實(shí)際效果表明，在帶鋼規(guī)格不變的情況下，實(shí)際爐溫控制精度在±2℃以?xún)?nèi)，當(dāng)出現(xiàn)帶速的突然變化或帶鋼規(guī)格改變時(shí)，爐溫超調(diào)較常規(guī)控制大幅減小，可控制在±10℃以?xún)?nèi)，同時(shí)具有快速升降溫的特點(diǎn)和較高的精度及穩(wěn)定性，使溫度控制在全工況范圍內(nèi)，能有效提高產(chǎn)品合格率，減少能源消耗。

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