CSP隧道炉过程控制系统升级改造

蔺凤琴，周 杰，赵海山，顾仲熙，石俊龙，李立刚

（1.北京科技大学工程技术研究院，北京100083；2.北京科技大学设计研究院有限公司，北京100083；3.马鞍山钢铁股份有限公司一钢轧厂，马鞍山243011）

隧道炉是应用于CSP生产线的辊底式加热炉，位于连铸与轧机之间，用于对上游的铸坯进行加热和均热，使板坯具有更好的热特性，为后续轧制及冷却等工艺环节提供优质的原料。因此，隧道炉过程控制系统的稳定性和精度直接影响CSP生产线最终产品的质量。此外，为响应国家对冶金行业节能降耗的号召，同时提升产品的市场竞争力，对于能耗大户的加热环节进行改造升级势在必行。

本文以某CSP厂隧道炉过程控制系统改造升级为依托，介绍了隧道炉过程控制系统的整体构架、软硬件配置及系统功能。解决了原系统运行稳定性差，需要人工定期（36小时）重启服务器以及隧道炉与其他工序通讯中断等亟待解决的问题，同时先进的模型算法大大提高了板坯的加热质量，达到了系统设计的预期效果，得到用户的高度认可。

1 改造背景

某CSP厂具有两座直通隧道式辊底加热炉（隧道炉）A线和B线，其过程控制系统已运行十多年，服务器硬件CPU、内存和硬盘配置均已落后，且扩展困难。硬件故障常导致服务器死机，系统运行极不稳定，已无法适应高节奏的生产。此外，原系统除具备上下游生产工序的通信功能外，其余功能均处于瘫痪状态。对原系统进行升级改造迫在眉睫。

此次改造仅对过程控制系统本身进行升级，保留原有功能的基础上根据用户需求增加其他功能。此外，与外部系统（L3级、连铸L2级、轧线L2级及隧道炉L1级）的通信方式及内容均保持不变，即实现新系统与原系统的无缝切换。新增的板温预报模型实现了板坯在炉内加热履历的“透明化”，使操作人员据此更好地控制炉温和传送点，达到节能降耗和稳定生产节奏的目的。新增的HMI系统为操作和技术人员提供了更丰富的可视化功能，展现隧道炉实时生产状况的基础上包含了强大的分析统计功能，大大提升了过程控制系统的地位和作用。

2 系统网络结构及配置

新系统采用2台PC服务器，其中1台在线，另1台备用，运行二级中间件、数据库（Oracle）、HMI组件和所有应用软件，实现过程控制系统的所有功能。新系统服务器的操作系统均采用Windows 2012 Server（64位），为与各外部系统兼容，Oracle采用11g版本，HMI则颠覆传统工控软件设计，基于IIS和Web框架设计实现了真正意义的“瘦客户”。系统网络结构如图1所示。

为缩短系统开发和调试周期，尽可能地减少对生产的影响，新系统与外部系统的通信均沿用原有模式，与隧道炉L1级采用OPC协议，与其余外部系统采用Oracle数据库接口表的方式。正式上线前，新系统采用“影子模式”与原系统并行，进行物料跟踪和数学模型的调试，保证了新系统一次上线成功。

图1 系统网络结构图

3 系统功能及实现

3.1 应用模块结构

新系统基于自主知识产权的中间件PCDP（Process Control Development Platform，简称PCDP），中间件将通用的底层功能进行封装，屏蔽了操作系统的差异，大大缩短了过程控制系统的开发周期。此外，PCDP提供的组件支持多种协议、异构数据库间的数据交换，应用范围广泛，经过配置及定制能适应各种现场实例。应用模块结构如图2所示。

3.2 物料跟踪系统

由图2可见物料跟踪系统（HTK）是隧道炉过程控制系统的调度中心，由该系统根据L1级上传的板坯位置信息，来启动各个模块的计算及确定数据流的走向。该系统的作用是从入炉侧板坯坯影产生开始，将实际板坯位置与连铸传送的板坯头尾数据、MES系统下发的计划进行一一对应，直至板坯出炉时将数据传送至轧线L2级结束。因此，物料跟踪系统按功能可划分为三个关键区域：隧道炉前摆剪处、炉内跟踪及板坯出炉[8]。

隧道炉前摆剪处是板坯头尾产生的地方，产生本块板坯的尾部及下块板坯的头部。此时，连铸L2级将头部及尾部数据发送至加热炉L2级，L1级板坯坯影则在其后产生。因此，当坯影产生时，板坯的数据已经存入系统，物料跟踪系统需要将实际坯影与板坯数据一一对应。若由于通信故障，坯影产生时无数据，物料跟踪系统则将板坯号默认为L1级的序列号。操作人员通过L2级报警及HMI炉内板坯影像即能发现板坯号是否异常，并及时进行干预。

炉内跟踪环节基本是L1级板坯头尾位置的映射，关键环节是板坯在两线进行摆动时，需要统一板坯的位置坐标，并保证在摆动过程中板坯号始终不丢失。

A线隧道炉9区为保温段也称为出炉段，板坯在该段进行保温的同时则根据轧线生产节奏择机出炉。板坯头部出炉时，物料跟踪系统即向轧线L2级发送本块板坯的信息，同时更新即将出炉的板坯列表。轧线严格按照隧道炉传送的出钢列表进行模型与设定，因此板坯出钢信息及出钢列表至关重要。

升级改造后的物料跟踪系统解决了原系统板坯丢号的现象，并彻底解决了隧道炉L2级无法发送板坯出炉列表的隐患，产线的效率得到了有效地提升。

图2 应用模块结构图

3.3 板温预报模型系统

模型系统是隧道炉过程控制系统的核心，物料跟踪系统则是模型系统实现运行的前提。由于炉内高温、气氛复杂，因此对炉内板坯温度无法实现有效地测量，除了入口和出口，炉内就是一个“黑匣子”。操作人员基本是凭多年的烧钢经验，通过工业电视观察火焰和板坯颜色来判断板坯是否到达目标温度，造成出炉板坯实际温度不稳定导致后续轧制工艺无法稳定，影响产线的生产质量和效率。

板温预报模型通过实时计算预报炉内板坯的温度场，将其发布至HMI的同时记录至数据库，实际是对炉内板坯温度进行了“透明化”。有助于操作人员根据板坯温度及时调整加热策略、传送点及出钢节奏等，提高产量和质量的同时达到节能降耗的目的。

板坯预报模型采用二维有限差分的算法，控制方程按公式（1）确定[1-2]：

初始条件：

边界条件：

式中：ρ为密度，kg/m3；cp为比热容，kJ/(kg·∘C)；λ为导热系数，W/(m·∘C)；qs为板坯侧面热流密度，W/m2；ql为板坯下表面热流密度，W/m2；qu为板坯上表面热流密度，W/m2；其中：qu，ql可按式（7）确定：

式中：k为修正系数；Tg为炉气温度，K；Tm为金属表明温度，K；Cgwm为导来辐射系数，W/(m2·K4)。

根据假设，板坯侧面的热流密度用式（8）近似处理：

式中：k为系数，0＜k＜0.5。

薄板坯连铸连轧的特点是板坯均比较长，若按一块板坯即便分头、中、尾也难以准确描述整块板坯的温度，因此系统将板坯按固定长度分为各个独立的长度单元，对每个长度单元均进行温度计算，直至长度方向遍历整块板坯。板温预报模型的程序流程图如图3所示[2]。

图3 板温预报模型程序流程图

4 结语

新系统自上线以来，彻底消除了物料跟踪异常的问题，板温预报模型精度不断提高。±15℃命中率达到99.5%以上，部分钢种达到100%；±10℃命中率达到87%以上，部分钢种达到97.7%。新一代CSP隧道炉过程控制系统升级改造的成功，为产线生产的稳定及质量的提高提供了有利保障，也得到了用户的高度认可。