高速线材轧机装备技术专业委员会学术年会
任玉辉1 张涛1 柏庆岩1 张东平2 王云川2
(1.鞍钢股份有限公司线材厂2.鞍山市戴维冶金科技开发有限公司)
摘要： 本系统采用参数实时跟踪检测，将数值计算、专家系统与智能推理相结合，利用离线数学模型为基础上建立在线实时专家系统主控模型和基于传感器的在线实时最佳燃烧状态、轧制节奏、钢坯开轧温度、待轧、待温、冷热坯料混装、空燃比例、炉膛炉压等辅助状态参数动态优化模型；强大的统计分析功能，使得生产过程更具有追溯性；信息传送自动化与智能控制系统的三位一体应用，实现了信息网络化与管理－技术－控制一体化；采用DNA(Distribute Network Application)的三重结构对在不同加热炉上的应用更具灵活性。 关键字：加热炉 模块 专家系统
1.前言
随着现代化轧机向连续、高速、高精度和多品种方向发展，对钢坯加热质量的要求越来越高，从而对加热炉加热工艺及计算机自动控制也提出了更高的要求。目前，国外高速线材加热炉应用计算机控制已较普遍，但其控制水平多数尚停留在燃烧控制水平上。应用数学模型进行在线状态估计及计算机优化加热过程控制目前还处在研究阶段。国内高速线材加热炉模型化及计算机控制的研究起步较晚，虽也取得了很大的进步，但由于加热炉控制规律十分复杂，较完备的数学模型不易建立，现场原燃料、计量仪表的检测精度也难以满足要求。迄今为止，线材加热炉的控制（常规仪表控制或计算机控制）大都处在燃烧控制，或是半经验的设定值控制阶段。为解决加热炉工艺稳定并持续优化控制问题，我们开发了加热炉智能加热过程优化控制系统。通过在鞍钢线材厂一年多的运行，加热品质及降低燃料消耗水平有了很大的提高，产生了很大的市场效益和经济效益。
2.鞍钢线材加热炉特点及生产普遍存在的问题
2．1 鞍钢股份线材厂加热炉的特点：
（1） 采用步进梁底复合式结构。
（2） 加热炉有效尺寸24940×13400mm，分三段供热、五段控制。
（3） 三线轧制，设计产量125t/h，实际为150t/h，燃料为高焦混和煤气。
2．2 轧钢加热炉生产普遍存在的问题：
（1）加热质量不稳定，各班人员根据个人经验进行手动加热，由于每个操作人
员经验及生产节奏的动态变化，造成各班加热质量及燃耗差别较大。
（2）统计分析功能不完善，缺少对影响加热质量因素的可追溯性。
（3）加热炉设备劣化趋势严重。操作人员手动加热，调节滞后，致使加热炉炉膛压力波动较大，加热炉设备故障率不断上升，严重影响了加热炉的使用寿命和生产过程的连续性。
（4）工人劳动强度大：操作人员加热时采用手动调节，在借助仪器仪表监测的同时仍然频繁来往于仪表室与加热炉现场；煤气热值波动经常导致空燃比调节不及时，燃料燃烧不充分，严重影响工作环境。
(5) 钢坯热装潜能不能得到充分体现，造成能源的浪费。
2． 加热炉控制系统的设计原理
3．1 从控制论角度阐述轧钢加热炉加热过程的控制复杂性：
（2）加热过程能量消耗的非线性带来过程控制的非线性。
（3）炉温控制与炉况控制、轧线状况控制的交叉与运筹。
（4）实时控制与预测控制的交叉与运筹。
（5）调控参数、调控时间、调控力度的组合优化及调控优先级的确定。
（6）加热炉加热过程控制效果的统计、分析和效果评估。
3．1．1 离线数学模型的建立
炉温控制与传统控制理论中的“温度控制“概念不同之处在于：炉温控制不仅与提供的能量有关，而且与物理化学反应过程、流体力学过程有关。连续加热炉作为分布参数系统，炉内钢坯加热过程可以用下列偏微分方程描述，即：
式中：
b―钢坯热物理参数（厚度、导热系数等）归纳为b=b（x）或b=cρs/α，其中c－比热；ρ－钢的密度；s－钢的厚度；α－钢坯与介
质交换的热交换系数；
t（x，τ）－炉长坐标x随时间τ而变的钢坯温度。在加热炉入口处(x＝0)，t（x，τ）＝t（0，τ）＝t0（τ）；
u（x，τ）－在时间区间0≤τ≤T，沿炉长（0≤x≤L）分布的炉膛温度。X轴以钢坯运动的方向为正。
ν（τ） －钢坯沿x轴正向的推进速度。
要建立严格完整的加热炉热工理论模型，至少必须由下列几个基本方程构成：
连续方程：
动量方程：
能量方程：
化学组成方程：
（式中各项物理意思可参阅传热学与燃烧动力学的有关部分）
连续方程和动量方程用于确定流场，能量方程则主要确定温度场，化学组成方程主要确定浓度场，后两个方程涵盖化学反应生产率和辐射传热源。但由于加热传热过问题太复杂，本系统以加热炉炉膛传热机理分析为基础，研究开发了以加热炉炉膛各段燃料量分配为主的离线数学模型，具体表示形式可描述为：
Φi= ƒ (i,x1，x2，x3，x4，…，xn)
式中：
i 加热炉的段号(i=1～5)
Φi 为第i段燃料的分配量
xi 钢坯的钢种、规格、尺寸、轧制节奏、煤气热值、热装率、钢坯开轧温度等输入变量。
步进式加热炉以此为基础设计加热炉离线数学模型表格式数据库，表1给出了加热炉各个工况下主要过程参数，应用表1的数据可以确定加热炉在不同工况下的各段炉温设定、各段煤气流量、空燃比、空气流量等过程控制所需的调节参数。加热炉热过程离线数学模型的建立，为构造加热炉专家规则库，实现计算机实时在线控制与智能化奠定了基础。
Table1 Simple of database on the offline mathematic model of reheating furnace
项目 轧 制 计 划 号
111 112 113 114 211 212 213 214 311
左均热段煤气流量/(m3*h-1) 1190 1200 1195 1170 1190 1210 1225 1215 1170
中均热段煤气流量/(m3*h-1) 1200 1340 1210 1290 1500 1300 1320 1225 1900
右均热段煤气流量/(m3*h-1) 1200 1150 1220 1500 1200 1210 1225 1915 1200
上加热段煤气流量/(m3*h-1) 8000 8750 8900 7800 8000 9100 8755 8550 8200
下加热段煤气流量/(m3*h-1) 2000 2100 1900 2500 2300 1800 1995 2150 2550
左均热段炉温设定 /℃ 1220 1225 1210 1250 1215 1220 1216 2100 1215
中均热段炉温设定 /℃ 1250 1245 1230 1260 1215 1225 1235 1240 1245
右均热段炉温设定 /℃ 1220 1225 1210 1250 1215 1220 1216 1240 1215
上加热段炉温设定 /℃ 1250 1245 1230 1265 1215 1235 1236 1245 1235
下加热段炉温设定 /℃ 1250 1245 1230 1250 1215 1235 1225 1245 1225
钢坯出炉温度 /℃ 900 890 910 915 895 920 930 880 885
钢坯通条温差 /℃ 30 25 20 30 35 30 20 25 15
轧制速度 /(m*s-1) ••••• ••••• ••••• ••••• ••••• •••
入炉温度 /℃ 120 136 216 224 257 246 221 280 298
•••••
••••
生成策略代号 103 104 102 109 116 102 117 103 114
3．1．2 专家知识和判别规则
轧钢加热炉的控制仅仅依靠数学模型是远不能符合实际生产情况的。实践表明采用在离线数学模型的基础上建立一系列加热过程的“专家知识”和“判别规则“实现计算机的智能化判断和计算，进而确定调控参数、调控时间和调控力度及优先级是高效可行的，即摆脱了复杂的计算又解决了加热炉控制的时滞、多扰动等问题。
炉温控制与炉况控制、轧线状况控制的交叉与运筹：炉温控制的好坏直接导致炉况和轧线
状况的变动，而炉况状态和轧线状况的变动则决定炉温控制的模式。实时控制与预测控制的交叉与运筹：在正常生产下，炉况顺行时，炉温的控制相对比较单纯，是炉温的微调控制。但在正常生产情况下，如果不能预见炉温发展的趋势进行预测控制，那么炉温的微调控制无法改变炉温波动的趋势，进而引起待轧停轧。
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