廖君華

(西安電力高等?？茖W(xué)校,陜西 西安 710048)

隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，使加熱爐成為熱軋帶鋼廠生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一，加熱爐可直接影響板坯的質(zhì)量以及設(shè)備的穩(wěn)定性，通過(guò)將加熱爐應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)生中，有利于降低燃料的消耗，并提升工業(yè)領(lǐng)域?qū)δ茉吹睦眯?。但是傳統(tǒng)加熱爐存在燃料消耗大、控制精度低等問(wèn)題，如何提高加熱爐對(duì)板坯的控制精度成為亟待解決的問(wèn)題。為此，本研究將厚板生產(chǎn)工藝作為主要研究對(duì)象，設(shè)計(jì)出厚板加熱爐自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)，將該系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中，有利于降低工業(yè)領(lǐng)域的成本消耗。

1 加熱爐燃燒控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)與原理

為滿足軋線生產(chǎn)的實(shí)際需求，本研究將厚板生產(chǎn)工藝作為主要研究對(duì)象，并設(shè)計(jì)出厚板加熱爐自動(dòng)燃燒控制(furnace automatic combustion control，簡(jiǎn)稱FACC)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是厚板生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)該系統(tǒng)可控制加熱爐內(nèi)部板坯按照軋線軋制節(jié)奏移動(dòng)，使其移動(dòng)到板坯的出爐位置。板坯到達(dá)出爐位置后，利用加熱爐自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)對(duì)板坯進(jìn)行加熱，直至板坯溫度滿足目標(biāo)溫度的要求為止。采用加熱爐自動(dòng)燃燒控制對(duì)板坯進(jìn)行控制時(shí)，應(yīng)盡可能地降低能量消耗[1]。

加熱爐自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)的控制方法為：首先，將板坯裝入加熱爐時(shí)的處理信息作為主要依據(jù)，在此基礎(chǔ)上完成板坯裝爐時(shí)刻溫度的計(jì)算，通過(guò)溫度計(jì)算結(jié)果，即可建立板坯熱跟蹤的初始數(shù)據(jù)；其次，利用加熱爐的熱電偶測(cè)量加熱爐的溫度，并采用中心差分計(jì)算模型對(duì)各個(gè)板坯當(dāng)前時(shí)刻所在位置的爐氣溫度進(jìn)行推算，爐氣溫度數(shù)值計(jì)算完畢后，推算上一時(shí)刻加熱爐內(nèi)板坯的溫度分布，結(jié)合板坯在加熱爐內(nèi)剩余的時(shí)間實(shí)現(xiàn)板坯溫度的計(jì)算；最后，根據(jù)加熱爐的溫度數(shù)據(jù)設(shè)定規(guī)則庫(kù)RULE BASE，以此推算各個(gè)板坯的加權(quán)系數(shù)，并計(jì)算出各階段加熱爐內(nèi)設(shè)定值。若按照系統(tǒng)設(shè)定的溫度對(duì)板坯進(jìn)行加熱時(shí)，仍無(wú)法滿足板料出爐的目標(biāo)溫度，則需要延長(zhǎng)板料在加熱爐內(nèi)的時(shí)間。本研究為進(jìn)一步提高加熱爐自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)的控制精度，采用軋機(jī)開(kāi)軋入口溫度和計(jì)算溫度對(duì)板坯的出爐溫度進(jìn)行自學(xué)習(xí)控制。若軋線或者加熱爐出現(xiàn)故障問(wèn)題時(shí)，可通過(guò)工作人員加熱爐進(jìn)行干預(yù)，也可將修路規(guī)則作為主要依據(jù)，以此實(shí)現(xiàn)加熱爐的修爐處理。加熱爐燃燒控制系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)如圖1所示[2]。

圖1 加熱爐燃燒控制系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)圖

2 加熱爐燃燒控制系統(tǒng)應(yīng)用功能程序接口設(shè)計(jì)

2.1 FACC模型和應(yīng)用功能程序的接口

加熱爐燃燒控制系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)接口之間的關(guān)系具有5方面特點(diǎn)：①加熱爐的應(yīng)用功能與模型西歐阿西隊(duì)列接口之間時(shí)域消息的接收與發(fā)送關(guān)系，通過(guò)應(yīng)用于模型消息隊(duì)列接口可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為“CORBA”平臺(tái)下的數(shù)據(jù)類型，該過(guò)程需要將程序讀寫(xiě)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換；②加熱爐燃燒控制系統(tǒng)可利用應(yīng)用與模型數(shù)據(jù)接口以及共享映像內(nèi)存方式，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為“CORBA”平臺(tái)下的數(shù)據(jù)類型，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和發(fā)送；③為實(shí)現(xiàn)加熱爐燃燒控制系統(tǒng)運(yùn)算速度的提高，可通過(guò)共享內(nèi)存的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模型與應(yīng)用程序之間數(shù)據(jù)的存??；④對(duì)系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮操作人員的修正，并采用同步數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)模型及應(yīng)用程序完成設(shè)計(jì)，該方式可使操作人員在板坯的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)HMI直接完成相關(guān)數(shù)據(jù)的設(shè)定與修改；⑤為保證板坯在生產(chǎn)過(guò)程中的可追溯性，采用Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量數(shù)據(jù)的保存，有利于提高加熱爐燃燒控制系統(tǒng)的控制精度。FACC模型和應(yīng)用功能程序的接口如圖2所示[3]。

圖2 FACC模型和應(yīng)用功能程序的接口示意圖

2.2 FACC模型與其他模塊的接口關(guān)系

本研究為保證加熱爐燃燒控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在系統(tǒng)外部接入加熱爐應(yīng)用系統(tǒng)和加熱爐電氣與儀表系統(tǒng)。加熱爐燃燒控制系統(tǒng)內(nèi)部包含功能模塊系統(tǒng)及軋機(jī)等設(shè)備，通過(guò)外接系統(tǒng)與內(nèi)部設(shè)備的共同作用，有利于提高加熱爐燃燒控制系統(tǒng)的控制精度。其中加熱爐應(yīng)用系統(tǒng)可對(duì)加熱爐內(nèi)板料的位置進(jìn)行跟蹤，并將數(shù)據(jù)上傳至加熱爐燃燒控制系統(tǒng)，由系統(tǒng)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果返回至加熱爐應(yīng)用系統(tǒng)。厚板在系統(tǒng)中主負(fù)責(zé)將PDI數(shù)據(jù)上傳至FACC模型。操作工可實(shí)現(xiàn)加熱爐燃燒控制系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果的修正，有利于保證系統(tǒng)內(nèi)參數(shù)的正確性。加熱爐電氣與儀表系統(tǒng)可對(duì)爐內(nèi)溫度和流量的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果發(fā)送至加熱爐燃燒控制系統(tǒng)，由加熱爐燃燒控制系統(tǒng)對(duì)加熱爐電氣與儀表系統(tǒng)的數(shù)值進(jìn)行設(shè)定[4]。

3 加熱爐燃燒控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

FACC模型為整個(gè)系統(tǒng)的核心，可將板坯的鋼種、規(guī)格、加熱爐內(nèi)分布情況、加熱情況等作為主要依據(jù)，以此計(jì)算出加熱爐各燃燒階段的溫度值，根據(jù)溫度計(jì)算結(jié)果完成加熱溫度的設(shè)定，有利于精準(zhǔn)控制加熱爐，使加熱爐達(dá)到最佳的燃燒狀態(tài)。加熱爐燃燒控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型關(guān)聯(lián)圖如圖3所示[5]。

圖3 加熱爐燃燒控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型關(guān)聯(lián)圖

本研究設(shè)計(jì)FACC模型的主要目的為：通過(guò)FACC模型對(duì)板料的出爐時(shí)間進(jìn)行控制，以此保證板坯在出爐時(shí)可達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的溫度，并適應(yīng)軋線的節(jié)奏控制要求，將燃料使用情況控制在最低。

3.1 板坯數(shù)據(jù)信息的建立

將板坯裝入加熱爐時(shí)，需要對(duì)板坯的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行建立，板坯的數(shù)據(jù)信息包括基本數(shù)據(jù)、熱工模型溫度結(jié)點(diǎn)計(jì)算等。加熱爐燃燒控制系統(tǒng)采用熱工模型計(jì)算板坯的溫度分布時(shí)，應(yīng)在板坯進(jìn)入加熱爐之前完成板坯基本數(shù)據(jù)的獲取，只有在加熱爐燃燒控制系統(tǒng)確定能表征整塊板坯溫度分布情況溫度結(jié)點(diǎn)的情況下，方可實(shí)現(xiàn)板坯溫度分布的精準(zhǔn)計(jì)算。板坯裝爐溫度分布的計(jì)算過(guò)程為：將板坯裝入至進(jìn)料輥道，通過(guò)對(duì)板坯表面的溫度進(jìn)行推算，即可得到板坯各層結(jié)構(gòu)的實(shí)際溫度，結(jié)合板坯在上料輥道上的停留時(shí)間，即可計(jì)算出板坯裝爐溫度的分布情況[6]。

3.2 板坯溫度計(jì)算熱工模型

板坯溫度的計(jì)算實(shí)際上是一種在線計(jì)算，該過(guò)程需要利用二元有限差分模型。采用熱工模型實(shí)現(xiàn)板坯溫度的計(jì)算時(shí)，可精準(zhǔn)地計(jì)算出加熱爐內(nèi)每塊板坯的溫度分布情況，該模型可說(shuō)明爐內(nèi)的輻射、對(duì)流、熱交換等情況。在計(jì)算板坯溫度過(guò)程中，應(yīng)將水梁遮蔽對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響考慮在內(nèi)，并對(duì)板坯的黑印點(diǎn)進(jìn)行專門的計(jì)算。

3.3 加熱爐爐溫設(shè)定值管理

本研究對(duì)加熱爐爐溫的數(shù)值進(jìn)行設(shè)定的主要目的是：通過(guò)設(shè)定加熱爐的溫度，有利于精準(zhǔn)控制加熱爐在燃燒控制階段的溫度設(shè)定值，使加熱爐燃燒控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型可實(shí)時(shí)控制板坯到達(dá)控制段的末端，將板坯加熱至理想溫度。對(duì)板坯進(jìn)行溫度控制過(guò)程中，可將軟件的周期設(shè)定為半分鐘，每半分鐘進(jìn)行一次板坯溫度的計(jì)算。根據(jù)加熱爐燃燒控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型設(shè)定的板坯在爐時(shí)間，使板坯運(yùn)輸至系統(tǒng)各個(gè)燃燒階段時(shí)，均可計(jì)算各階段的出口溫度，將該數(shù)值與系統(tǒng)的預(yù)期數(shù)值進(jìn)行比較，即可計(jì)算出加熱爐各個(gè)階段的溫度設(shè)定值。

3.4 延遲策略

為使加熱爐燃燒控制系統(tǒng)可在延時(shí)結(jié)束時(shí)迅速恢復(fù)至正常生產(chǎn)狀態(tài)，需要將加熱爐燃燒控制系統(tǒng)對(duì)燃料的消耗降至最低，該方式有利于防止系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)燒或者加熱質(zhì)量降低的情況。在加熱爐燃燒控制系統(tǒng)實(shí)行延時(shí)策略時(shí)，應(yīng)在軋機(jī)不要鋼的時(shí)刻起實(shí)行該策略。通過(guò)加熱爐燃燒控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型可實(shí)現(xiàn)非計(jì)劃性延時(shí)的自動(dòng)檢測(cè)。操作者可通過(guò)人機(jī)界面或者計(jì)算機(jī)的通訊輸入，以此實(shí)現(xiàn)計(jì)劃性延時(shí)時(shí)間的控制，同時(shí)操作者可隨時(shí)延長(zhǎng)或者取消延時(shí)的時(shí)間[7]。

4 加熱爐燃燒控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型優(yōu)化與改進(jìn)

由于厚板的加熱模式較多，使板坯厚度、規(guī)格、鋼種在加熱過(guò)程中可產(chǎn)生多個(gè)種類，本研究為及時(shí)應(yīng)對(duì)厚板在生產(chǎn)情況下產(chǎn)生的問(wèn)題，需要對(duì)FACC模型進(jìn)行優(yōu)化。在FACC模型調(diào)試過(guò)程中，應(yīng)從實(shí)際生產(chǎn)需要出發(fā)，必要時(shí)需對(duì)原設(shè)計(jì)模型的功能進(jìn)行擴(kuò)展，并對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化。

4.1 模型功能的優(yōu)化

為保證L2可實(shí)時(shí)接收板坯出爐的實(shí)績(jī)數(shù)據(jù)，需要對(duì)內(nèi)存共享數(shù)據(jù)文件MMF的讀取時(shí)序進(jìn)行修改。通過(guò)完善L2的電文處理邏輯，有利于提升L2的接收功能，便于L2及時(shí)進(jìn)行道次計(jì)劃的預(yù)計(jì)算。熱裝溫度可對(duì)加熱爐產(chǎn)生一定影響，本研究為有效避免熱裝溫度對(duì)加熱爐產(chǎn)生的影響，在入爐處理模塊程序中實(shí)現(xiàn)入爐板坯溫度的修改，并在生產(chǎn)管理程序中增加出爐溫度的命中率和煤氣流量統(tǒng)計(jì)的程序模塊。為提高加熱爐燃燒控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的預(yù)測(cè)精度，利用離散事件的仿真原理完成本批剩余在爐時(shí)間的預(yù)測(cè)。將L2軋制節(jié)奏模型的MIPA模塊程序結(jié)構(gòu)作為依據(jù)，以此實(shí)現(xiàn)加熱爐數(shù)學(xué)模型剩余在爐時(shí)間發(fā)送程序、時(shí)序的修改。為使加熱爐燃燒控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型滿足軋制的節(jié)奏，在設(shè)計(jì)控制程序時(shí)，應(yīng)不斷增加板坯在爐時(shí)間的最小值，有利于操作者結(jié)合加熱爐的加熱工藝制度，對(duì)加熱爐的最少在爐時(shí)間進(jìn)行設(shè)定與修改[8]。

對(duì)加熱爐燃燒控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，應(yīng)充分考慮跟蹤程序模塊中不同爐列抽鋼的時(shí)間差，計(jì)算出板坯在出爐列到達(dá)除鱗箱處所需要的時(shí)間，將最終的計(jì)算結(jié)果作為主要依據(jù)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)出爐節(jié)奏的計(jì)算。對(duì)加熱爐燃燒控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的操作畫(huà)面進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，需要增加編制B爐跟蹤程序和出爐順序管理程序，通過(guò)該程序保證車底爐板坯的正常抽出功能。除此之外，應(yīng)不斷完善與修改加熱爐燃燒控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的剩余在爐時(shí)間、出爐節(jié)奏等功能。

4.2 模型參數(shù)的優(yōu)化

本研究對(duì)加熱爐燃燒控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，將加熱爐對(duì)厚板的實(shí)際生產(chǎn)情況作為主要依據(jù)，建立理論、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的技術(shù)路線，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐燃燒控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型加熱情況的測(cè)試，并積極開(kāi)展板坯加熱溫度分布的測(cè)試。通過(guò)建立熱吸收率離線仿真模型和軟件，有利于完善加熱爐燃燒控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的參數(shù)。將加熱爐燃燒控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型置于非正常生產(chǎn)條件下，在此基礎(chǔ)上建立模型休爐優(yōu)化溫度制度。非水印點(diǎn)和水印點(diǎn)平均溫度模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較如圖4、圖5所示[9]。

圖4 非水印點(diǎn)平均溫度模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較

圖5 水印點(diǎn)平均溫度模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較

通過(guò)對(duì)加熱爐燃燒控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，有利于提高數(shù)學(xué)模型的控制精度。該模型的優(yōu)化結(jié)果顯示，加熱爐燃燒控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的出爐溫度與實(shí)際測(cè)量溫度之間的偏差值小于10 K，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

本研究為滿足軋線生產(chǎn)的實(shí)際需求，將厚板生產(chǎn)工藝作為主要研究對(duì)象，并設(shè)計(jì)出厚板加熱爐自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)可控制加熱爐內(nèi)部板坯按照軋線軋制節(jié)奏移動(dòng)，使其移動(dòng)到板坯的出爐位置，有利于最大限度地降低能量消耗。為保證加熱爐燃燒控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在系統(tǒng)外部接入加熱爐應(yīng)用系統(tǒng)和加熱爐電氣與儀表系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其計(jì)算結(jié)果顯示，該系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。