劉彩利

（西安外事學(xué)院工學(xué)院計算機系，陜西 西安 710077）

在社會經(jīng)濟快速發(fā)展趨勢下，能源短缺開始備受社會各界積極關(guān)注。而加熱爐是軋鋼生產(chǎn)企業(yè)中能耗最為突出的設(shè)備，隨著加熱爐生產(chǎn)工藝逐漸優(yōu)化改進，其自動化水平也有了明顯提升。現(xiàn)階段，以節(jié)能環(huán)保，提高產(chǎn)品質(zhì)量為目標的加熱爐過程控制系統(tǒng)已經(jīng)在現(xiàn)代化企業(yè)加熱爐生產(chǎn)控制中實現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。加熱爐過程控制系統(tǒng)的主要目標是根據(jù)生產(chǎn)工藝的具體要求，全過程跟蹤并控制爐內(nèi)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(zhì)量的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標[1]。基于計算機的加熱爐過程控制應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計主要是基于信息管理技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，充分發(fā)揮加熱爐的過程控制功能，其是熱軋自動化控制系統(tǒng)的重要組成部分。熱軋自動化控制系統(tǒng)主要劃分為三級，即制造執(zhí)行（L3）、過程控制（L2）、基礎(chǔ)自動化（L1）。其中，過程控制（L2）的任務(wù)是進行材料跟蹤、參數(shù)設(shè)定計算、質(zhì)量數(shù)據(jù)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(tǒng)部分。

1 基于計算機的加熱過程控制應(yīng)用系統(tǒng)配置

首先，系統(tǒng)設(shè)備，一臺服務(wù)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(shù)據(jù)設(shè)定等等。其次，操作終端，利用客戶機或者服務(wù)器，在操作室內(nèi)安裝終端PC服務(wù)器與終端客戶機，以操作整個過程控制。再次，通訊網(wǎng)絡(luò)，加熱爐過程控制計算機系統(tǒng)與軋線過程控制計算機系統(tǒng)之間，其中加熱爐過程控制計算機應(yīng)用系統(tǒng)和基礎(chǔ)自動化，終端服務(wù)器和客戶機，基礎(chǔ)自動化和終端服務(wù)器各自彼此之間，都是基于以太網(wǎng)實現(xiàn)通訊，而基礎(chǔ)自動化與遠程I/O、傳動裝置間則是基于現(xiàn)場總線實現(xiàn)通訊[2]。加熱爐過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具體如圖1所示。

圖1 加熱爐過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 基于計算機的加熱過程控制應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

基于計算機的加熱爐過程控制應(yīng)用系統(tǒng)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(yīng)用系統(tǒng)功能模塊

2.1 數(shù)據(jù)跟蹤修正

2.1.1 前后輥道

工作人員發(fā)現(xiàn)板坯爐前爐后輥道實際位置與跟蹤映像之間出現(xiàn)偏差的時候，應(yīng)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(yīng)用系統(tǒng)處理后臺，就輸入信息為依據(jù)進行板坯位置信息更新，在完成跟蹤信號處理之后，及時優(yōu)化并保留映像文件，并進行畫面刷新。

2.1.2 爐 內(nèi)

在爐內(nèi)激光檢測器發(fā)生故障，或者L1出現(xiàn)通信故障的時候，應(yīng)進行爐內(nèi)跟蹤修正，確保板坯位置符合實際需求。工作人員則應(yīng)選擇所需修正的爐號與步進梁運行狀態(tài)，對跟蹤數(shù)據(jù)進行有效修正?；谶^程控制計算機應(yīng)用系統(tǒng)處理合理檢測所輸入的數(shù)據(jù)信息，并據(jù)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(shù)據(jù)信息，工作人員應(yīng)及時輸入數(shù)據(jù)信息，強制上料。過程控制計算機應(yīng)用系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的合法性與科學(xué)性進行實時檢測，并構(gòu)建映像數(shù)據(jù)，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(yīng)用系統(tǒng)對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)沒有隨之進入加熱爐，工作人員應(yīng)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(shù)據(jù)強制裝入信息，啟動裝入。過程控制計算機應(yīng)用系統(tǒng)就裝入信息，編制跟蹤數(shù)據(jù)表，進行畫面刷新。以設(shè)置狀態(tài)為依據(jù)，對軋線L2與MES發(fā)出通知指令。

2.1.6 強制抽出

板坯抽出后，數(shù)據(jù)依舊停留在爐內(nèi)，此時工作人員應(yīng)強制確認抽出。在HMI 畫面上明確指出強制抽出的數(shù)據(jù)信息，啟動抽出。過程控制計算機應(yīng)用系統(tǒng)把爐內(nèi)跟蹤映像及時刪除，并對軋制順序相關(guān)表格進行修正，同時刷新畫面。就通信設(shè)置狀態(tài)為依據(jù)，對軋線L2與MES發(fā)出通知指令。

2.1.7 裝入返回

將已經(jīng)裝入爐內(nèi)的板坯退到輥道，工作人員將裝入返回相關(guān)信息加以輸入，并啟動裝入返回。過程控制計算機應(yīng)用系統(tǒng)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(gòu)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(yīng)及時進行重新返裝入爐，這時工作人員應(yīng)及時處理數(shù)據(jù)信息，輸入返裝入爐相關(guān)信息，加以啟動，同時手動返送爐內(nèi)。過程控制計算機應(yīng)用系統(tǒng)變更映像具體位置與生產(chǎn)規(guī)劃表格狀態(tài)，并適當處理軋制順序，進行畫面刷新，就通信設(shè)置狀態(tài)為依據(jù)，及時向軋線L2發(fā)出通知[3-5]。

2.2 輥道數(shù)據(jù)

2.2.1 跟蹤內(nèi)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(yīng)實時跟蹤板坯，而輥道跟蹤則應(yīng)實時跟蹤上料、爐前、爐后等所有過程輥道，物料跟蹤則應(yīng)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(fā)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(shù)據(jù)信息及時輸入影響數(shù)據(jù)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?shù)母櫺畔⒅?，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(shè)定程序?qū)Π迮鞯拈L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(fā)出警報，進行吊銷處理。在核對合格的時候，基于設(shè)定程序合理設(shè)置相關(guān)數(shù)據(jù)信息，同時刷新畫面[6]。

2.3 爐內(nèi)數(shù)據(jù)

2.3.1 跟蹤內(nèi)容

從板坯裝入環(huán)節(jié)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(qū)域后，跟蹤程序?qū)φ麄€程序進行協(xié)調(diào)運行。爐內(nèi)跟蹤包含三部分，即裝入處理、爐內(nèi)跟蹤、抽出處理。

2.3.2 數(shù)據(jù)處理

首先，裝入處理，L2在接收到L1結(jié)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(gòu)建跟蹤映像，向L2與MES 發(fā)送裝入電文，同時進行畫面刷新。其次，映像處理，爐內(nèi)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(nèi)，板坯基于步進梁向前進完成之后，位置信息發(fā)送到L2，如果映像數(shù)據(jù)信息出現(xiàn)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(shè)定程序設(shè)定抽鋼機，并傳輸相關(guān)電文。L2在接收到L1抽出結(jié)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(jié)束電文給軋線L2與MES，同時刷新畫面[7]。

2.4 設(shè)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(zhì)量等信息，確保正確后，點擊確認，啟動設(shè)定模塊自動設(shè)定爐號與列號等，并向PLC傳輸設(shè)定電文，以便于啟動輥道進行運轉(zhuǎn)。

2.5 實績收集

實績數(shù)據(jù)信息處理具有搜集PLC與DCS設(shè)備數(shù)據(jù)并加以處理的功能，而且還可以對其他應(yīng)用程序起到激發(fā)作用。

2.6 生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理

MES 投入運行的時候，生產(chǎn)計劃應(yīng)全面交于MES進行安排，確定板坯軋制順序、爐號、PDI數(shù)據(jù)等，并向L2傳輸相關(guān)電文[8]。

3 軋鋼加熱爐過程控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 建立“透明加熱爐”

其一，實時跟蹤并提示加熱爐內(nèi)的鋼坯位置狀態(tài)，以給相關(guān)工作人員提供明確的鋼坯位置，從而實現(xiàn)爐內(nèi)分布透明化的目標。其二，實時跟蹤并提示加熱爐內(nèi)鋼坯的加熱環(huán)境，以為相關(guān)工作人員提供正確的實際爐溫狀態(tài)和溫控規(guī)則，進而實現(xiàn)加熱環(huán)境的透明化狀態(tài)。其三，實時跟蹤并提示加熱爐內(nèi)鋼坯溫度狀態(tài)，以為相關(guān)工作人員提供鋼坯芯部和表面的溫度，以實現(xiàn)鋼坯溫度的透明化。

3.2 支持加熱爐生產(chǎn)操作決策

首先，提示加熱爐內(nèi)部的優(yōu)化控制系統(tǒng)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(xié)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(tǒng)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(tǒng)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(nèi)部具體加熱狀態(tài)控制系統(tǒng)可以提示工作人員所生產(chǎn)的鋼坯數(shù)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(tǒng)則提示鋼坯與預(yù)期目標要求之間的時間差異，以幫助工作人員適當調(diào)整爐溫。最后，提示加熱爐各爐段最優(yōu)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(diào)整量相關(guān)運作[9]。

4 鋼坯加熱過程自動控制的實現(xiàn)

4.1 實時跟蹤爐內(nèi)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(xué)合理計算運行速度，并據(jù)此作為溫度模型的邊緣信息。

4.2 實時判斷鋼坯預(yù)期爐段溫度

基于詳細分析各爐段內(nèi)加熱環(huán)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(guān)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(diào)整虛擬爐段溫度（板坯預(yù)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(nèi)部鋼坯預(yù)期溫度，以鋼坯鋼種加熱優(yōu)先級與鋼坯位置優(yōu)先級作為參考依據(jù)，進一步確定爐段最佳爐溫參考。而在基礎(chǔ)控制系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)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(yù)，以此構(gòu)成爐溫預(yù)定信息，并及時傳送到基礎(chǔ)控制系統(tǒng)，以此實現(xiàn)爐溫的自動調(diào)節(jié)。

4.4 實時計算加熱煤氣最佳流量參考

在基礎(chǔ)控制系統(tǒng)中，不出現(xiàn)爐溫控制回路，那么優(yōu)化控制系統(tǒng)將會就具體爐溫和最佳爐溫參考，以及爐段內(nèi)部鋼坯溫度與數(shù)量等作為重要依據(jù)，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(yù)，以形成煤氣流量控制回路的具體預(yù)設(shè)信息，同時傳輸?shù)交A(chǔ)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)燃氣流量自動調(diào)整，從而實現(xiàn)自動控制加熱爐溫度的目標。因為系統(tǒng)中的信息都會實時存儲到數(shù)據(jù)庫中，因此過程控制應(yīng)用系統(tǒng)支持工作人員針對爐內(nèi)的鋼坯加熱過程進行查詢和追溯[10]。

5 結(jié) 論

綜上所述，加熱爐L2控制系統(tǒng)的目標是在滿足軋機產(chǎn)量的基礎(chǔ)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(tài)，染料消耗最低，氧化燒損與脫碳最少，而加熱爐的生產(chǎn)則處于均衡狀態(tài)，同時降低工作人員勞動強度，實現(xiàn)加熱爐設(shè)備的節(jié)能環(huán)保目標。據(jù)此，本文進行了基于計算機的加熱爐過程控制應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計，以熱軋步進式加熱爐生產(chǎn)工藝為依據(jù)，利用此系統(tǒng)可以最大程度上滿足生產(chǎn)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(yōu)勢特性，并能夠明顯提高加熱爐設(shè)施設(shè)備的自動化與信息化控制水平，從而保證生產(chǎn)效率與質(zhì)量，為鋼鐵企業(yè)帶來良好的綜合效益。