PCS7在热轧带钢生产线推进式加热炉系统中的应用

赵光　王玉敏

【摘 要】随着经济的快速发展，产品质量要求越来越高。加热炉是工业生产中的一个重要装置，它的主要功能是把原料加热到一定温度，从而保证下道工序的顺利进行，因此加热炉的温度控制起着举足轻重的作用，直接关系到产品质量、产量、能源、污染及工人劳动强度等等。

【关键词】推进式加热炉；温度控制；双交叉限幅控制

0 引言

随着科学技术的迅速发展，生产系统规模越来越大，生产工艺对控制系统的可靠性、运算能力、扩展能力、开放性、操作及监控水平等方面要求越来越高。对于加热炉，工艺介质受热升温或同时进行气化，其温度的高低会直接影响下一道工序的操作工況和产品质量。加热炉的平稳操作可以延长炉管的使用寿命，所以，加热炉出口温度必须严加控制，保证加热炉相关设备可靠、稳定，生产节奏连续稳定。

1 温度控制设计

炉温控制：

根据工艺的要求，加热由3个供热段组成，即均热段、二加热段、一加热段。

对于每段的炉温控制回路，每段炉顶的2只热电偶测得温度值参与炉温调节，操作员可以在HMI上任意选择。

1.1 改进型双交叉限幅控制方法

相对于串级比值方法，为了对空燃比控制更加精细，出现了带有双交叉限幅的串级比值控制方法，简称双交叉控制方法。优点是有效控制了动态空燃比，但同时缺点是限幅牺牲了系统跟踪负荷变化的速度，降低了系统的响应速度。控制原理方框图如下图所示。为进一步提高响应速度，改进型双交叉方法还将限幅系数设为可以根据温度偏差自动修正，以便在温度偏差较大时减弱或取消限幅功能，即限幅系数是动态的。这样将大大提高控制系统的响应速度。

图1

1.2 空气过剩系数u自动修正策略

根据燃烧理论，理论空气过剩率与烧嘴负荷之间的关系如下图所示。也就是说随着生产负荷的变化，理论空气过剩系数也应该随之变化，这一点在实施温度控制时应该考虑到。这种变化的空气过剩系数修正策略对提高燃烧效率，降低氧化烧损有好处。另外，在常规控制的低负荷状态时，为了保证在小流量情况下，使空气和煤气能够很好的混合燃烧，必须在相应的煤气流量的情况下，适当加大空气的流量，才能保证在小流量情况下的合理燃烧。

1.3 炉温模糊控制技术

鉴于温度对象的大滞后，仅靠常规PID控制来调整造成响应速度慢，超调量大。一方面通过供热需求分析建立燃料的消耗量与生产能力（生产率）之间的基本函数关系；另一方面，根据操作经验将加热炉分为几种典型工况，制定相应的决策规则。在此基础上，建立炉温模糊控制器。为了保证系统运行的可靠性，模糊控制器采用前馈结构实现。这样既保证了根据生产情况，模糊决策对流量控制的作用，又兼顾了PID的控制作用。实际上，生产比较平稳时，炉温模糊控制器输出基本没有变化，主要是PID起作用；当生产率变化时，往往是在温度发生波动前，模糊控制器会超前PID起作用，而且直接作用流量改变。这种控制技术可以起到提前修正作用，从而提高控制系统的响应速度。

图2

1.4 回路基本报警、连锁等功能

超温报警功能：当相应段的温度超过允许值，系统发出报警信号；

热电偶断偶保护、报警功能：当任何一只热电偶被烧坏，本回路立即切换到手动模式，同时系统发出报警信号；

温度调节器输出限幅功能：根据最大加热速率对温度调节器输出限幅，防止钢坯过热。

1.5 设定值选择

本地方式：

当HMI选择本地方式设定时，炉温设定值由操作员根据实际情况来决定或从常用钢种参数数据库中选择。当从数据库中选择时，各段设定值同时被更新。

1.6 空燃比设定选择

（1）人工设定：在HMI上由操作员根据经验直接输入合适的空燃比值；

（2）空气过剩系数自适应：操作员只需给定理论空燃比，系统将根据负荷情况自动计算过剩系数，求出空燃比。

1.7 温度控制器工作模式

为方便操作，温度控制器设计手动（MAN）、本地自动（AUTO）2种控制模式。

（1）手动模式（MAN）：在手动模式下，空气流量和煤气流量的调节阀工作在手动方式。由操作员在HMI上直接改变阀门的开度。

（2）本地自动模式（AUTO）：本地自动就是并联串级、交叉限幅工作模式。也是在坯料加热时，控制系统经常使用的方式。流量调节回路、温度调节回路都工作在闭环状态。操作员只需要在HMI上输入相应供热段的炉膛目标温度值给控制系统，则系统就会自动、成比例的调节相应供热段的空煤气流量，从而，保证炉温的控制精度。

2 操作站画面设置

采集全厂的工艺参数值，电气参数值及生产设备的运行状态信息。以形象的流程画面为背景，将数据显示在控制室操作站上，对需要操作的设备和参数，设计按钮和输入窗口，用鼠标、键盘或触屏方式进行操作。

检测或运转设备出现越限或故障时，流程图上相应的图例红光闪动，并发出报警声响加以提示。报警的笛声可以通过键盘解除，红光继续保持，直至该故障消除，闪动才停止。

画面间设计同一风格的菜单、按钮、箭头等人机接口器件用于画面间的相互切换或弹出窗口，十分方便、直观。

3 结束语

本方案是指对加热炉的平稳操作并可以延长炉管的使用寿命而设计的。在串级控制基础上，引入生产率前馈控制，可以（下转第292页）（上接第113页）构成静态前馈控制或动态前馈控制，煤气流量能快速根据温度变化而发生相应的变化，从而保证调节平稳。通过现场调试可以看出该方案不仅效果不错，而且实现起来比较简单，操作方便，对于长期稳定运行有一定的优势。

[责任编辑：薛俊歌]