鞍钢线材厂加热炉工艺过程优化控制完整系统研制报告.docx
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鞍钢线材厂加热炉工艺过程优化控制完整系统研制报告
鞍钢线材厂加热炉工艺过程优化
控制系统研制报告
鞍山市戴维冶金科技开发有限公司
2009-12
鞍钢线材厂加热炉工艺过程优化控制系统研制报告
1.研制背景
轧钢加热炉是一个典型的复杂工业过程控制系统，它几乎具备了复杂系统的所有特性，即建模困难、干扰严重，而且具有多变量、时变、非线性、耦合、大惯性兼滞后等特点。
国际上对加热炉的优化控制开始于70年代，盛于80年代。
国内从80年代开始对这方面进行研究。
以前人们对加热炉优化控制研究主要集中在钢坯的升温过程的数学模型、炉温优化设定以及燃烧控制，近年来智能控制技术正逐步被应用到加热炉炉温控制中。
由于加热炉内的钢坯温度很难在线测量，尤其是钢坯内部的温度无法直接测量，通常都是用计算机对钢坯在炉内的升温过程进行计算，过去这方面通常采用多元回归的方法。
例如武汉钢铁公司引进的热连轧加热炉钢坯升温控制数学模型。
多元回归模型的缺点是准确性不高，特别是生产条件与轧制节奏发生变化时。
另外，有人应用分布参数理论建立了数学模型，并通过近似集中参数模型研究加热炉的静态、动态优化。
但是这种方法的缺点是计算工作量很大，要实现计算机实时估计及控制，需要相当规模的控制计算机。
铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。
近几年，随着加热炉生产工艺的不断完善和优化，加热炉生产自动化控制水平也相应提高和不断深入。
一般来说，自动化控制系统分为制造执行系统、过程控制系统和基础自动化系统三级。
其中，过程控制级（也称为二级或U）主要完成物料跟踪、过程控制参数设定计算、质量数据收集与分析，以及操作指导等任务，包括加热炉过程控制计算机和轧线过程控制计算机两个系统。
目前，面向节能降耗、提高轧制产品质量和产量设计的加热炉二级计算机控制系统已广泛地应用于现代钢铁企业的加热炉生产控制中。
擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。
目前，欧美一些国家、日本、俄罗斯等国己相继开发了具有钢坯位置跟踪、钢坯温度跟踪、装出炉自动化控制、终轧温度控制等功能的二级优化控制系统。
一些带有整个生产线物料跟踪的高度自动化的加热炉自动控制系统的研究和实践也己逐渐深入和提高。
在国内，多数工业炉窑计算机控制处于燃烧控制的第一层次.虽然数学模型的研究工作起步较早，但实现数学模型优化控制的工程实践尚且较少。
贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。
从2003年以来鞍钢线材厂加热炉管道、烧嘴进行了改造，燃料由原有的重油该为高、焦混合煤气，增加了自动化检测和调节装置实现了一级燃烧基础自动化控制，并在此基础上，于2004年新增了加热炉加热过程智能控制系统。
近年来，为了提高产品的市场竞争力，鞍钢线材厂在增加产品品种的同时，对产品的质量和性能、节能减排都提出了较高的要求，拟定在原有的加热炉加热过程智能控制系统的基础上针对现有产品品种结构、节能减排指标提出进一步完善要求，并在此研究工作中积累新线加热炉设计、生产的一些改进经验。
坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。
2.鞍钢线材厂加热炉系统
线材厂梁底组合步进式加热炉的结构简图如图2.1所示。
该加热炉沿着炉长方向分为预热段、下加热段、上加热段和均热段，其中预热段的长度比较长，主要是为了充分利用烟气的热量来预热钢坯，从而提高燃料的利用率。
为了将钢坯加热到规定的目标温度，加热炉以高焦混合煤气做为燃料，通过下加热段、上加热段和均热段对钢坯进行加热。
在进行炉温控制的时候，预热段内没有设置烧嘴不参与控制，下加热段、上加热段和均热段各段的均都设有烧嘴，加热炉分为5个控制区域进行控制，分别为蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。
下加热段、上加热段、均左段、均中段、均右段。
钢坯的加热过程所述如下:
首先，推钢机将钢坯推入炉内，加热炉的步进梁伸到钢坯底部将钢坯托起、前进、下降，将钢坯放到固定梁上，步进梁接着下降脱离钢坯，然后退到下一块钢坯的底部，再依次重复上述的托起、前进、下降、脱离、后退等步骤，将下一块钢坯装入炉内，如此反复的运动，使得钢坯在炉内能够步进式地前进，从预热段经下加热段、上加热段和均热段的加热，最终送到出炉端，然后由出钢机将钢坯推入轧机进行轧制。
買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。
加热炉的热工制度主要包括温度制度、燃料燃烧制度和炉压制度等。
为了保证燃烧的正常进行，加热炉采用了双交叉限幅燃烧控制系统与具备动态补偿功能的炉压控制系统，同时对煤气的、压力与空气的温度、压力以及热风放散温度分别进行控制。
綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。
在生产线上，加热炉应该在保证向轧机提供符合工艺要求的钢坯，同时尽可能地降低加热炉的能耗和钢坯的损耗，因而目前很多钢厂普遍采用低温出钢的方法对钢坯进行加热。
通过这种方式不仅可以降低加热炉的加热能耗，而且对于延长加热炉的使用寿命、减少炉体的渣量和清渣作业都是很有利的。
由于钢坯的成本较高，因此应在加热过程中尽量减少钢坯的烧损和氧化铁皮以及防止脱碳等情况的发生就显得尤为重要。
驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。
3.研究工作内容
3.1系统设计原理
轧钢加热炉是轧钢生产过程的重要环节，其控制的主要任务是按照轧制生产作业计划，克服坯料钢种尺寸、出钢节奏、燃料热值、入炉钢温等工艺参数条件急剧、大幅度、频繁变化的干扰，将钢坯加热到轧制工艺要求温度水平，并在确保高产优质的情况下，尽可能的降低燃料消耗，减少钢坯氧化烧损消耗。
猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。
由于炉内钢坯温度分布的不可测性、加热炉的大热容量和多扰动、时变非线性等特征，构成了一类典型的复杂工业大系统；另一方面随着现代大型轧机的高速化、自动化、高精度和多品种，不仅要求加热炉的温度制度迅速而严格地变化，而且要求控制出炉钢坯奥氏体状态。
锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。
鉴于优质加热过程优化控制规律十分复杂，较为完备的数学模型不宜建立，现场炉温、燃料流量、热值计量仪表的检测精度、轧制节奏、生产方式都难满足数学模型控制的要求。
本系统将数学模型与人工智能相结合，基于专家规则与热工机理建立了加热炉加热过程智能优化控制系统，通过对加热钢坯加热曲线的优化，得出合理的钢坯的加热曲线，调用炉内钢坯温度计算模型计算钢坯温度分布是否满足优化后的加热曲线，直到得出最佳的炉温分布，根据不同的优化目标预估值建立专家系统知识库，并针对生产实际情况中钢坯炉内位置分布情况的复杂性，建立专家控制规则集，以实现对加热炉加热过程的合理控制。
構氽頑黉碩饨荠龈话骛。
系统引入轧制产品规格、坯料钢质、外型尺寸（薄厚、长短、宽窄）、批量（数量）、炉内加热温度曲线、加热时间、开轧（出炉）温度、轧制节奏（波动幅度大且无计划、无规律）等八类定性工艺信息，涵盖生产过程中在线实时几百个动态变化信息，纳入模型控制系统。
系统由主控模型和基于传感器在线实时的入炉温度变化调节、轧制节奏变化调节、钢坯开轧温度反馈调节，停、待轧调节、空燃比例调节等辅助动态优化调节模型组合而成，从而大大提高模型控制系统的灵活性、适用性。
輒峄陽檉簖疖網儂號泶。
3.2系统的模型组成
系统采用模块化设计方法，系统模型（模块）组成如下：
主模型
辅助模型
炉内钢坯温度预报模型
炉温优化设定模型
专家系统知识库
专家系统规则集
专家系统推理机
钢坯位置跟踪模块；入炉温度变化模块；
煤气热值变化调节模块；空燃比例调节模块；
轧制节奏变化模块；开轧温度反馈控制模块；
燃烧控制模块；待轧及事故处理模块；
智能模型优化模块；统计分析模块等；
网络通讯模块；
主模型：
◆炉内钢坯温度预报模型
由于钢坯内部温度不能够被直接检测，系统采用FACC（FurnaceAutomaticCombustionControl的缩写）模型中钢坯温度计算模块，根据钢坯装炉时的处理信息,计算钢坯装入时的温度并建立钢坯热跟踪初始数据;然后利用加热炉热电偶实测的炉温,采用中心差分计算模型,推算各钢坯当前时刻所在位置的炉气温度以及上一时刻钢坯的内部温度分布。
尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。
板坯入炉温度计算：
通过钢温预报模型计算，建立了加热炉炉膛温度与通条温差间的关系，如图所示：
图3-1φ5.5帘线钢出炉温度1090℃时温度曲线
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炉气温度
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头部温度
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黑印温度
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654
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1040
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尾部温度
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822
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图3-2一组钢出炉温度1110℃时的温度曲线
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炉气温度
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头部温度
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黑印温度
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尾部温度
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图3-3二组钢出炉温度1130℃时温度曲线
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炉气温度
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头部温度
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黑印温度
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尾部温度
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通过对帘线钢、I组钢、II组钢钢温模型在线计算，由此得出：
入炉时刻钢坯头尾部与黑印温差为0，随着钢坯由预热段进入下加热、上加热炉膛温度快速上升，由于钢坯头尾部靠近炉墙，受炉墙辐射影响温度偏高，中部接触水梁部分温度偏低，头尾部与黑印温差逐渐变大；当钢坯进入均热段，钢坯自身由头尾部温度高的部分向中部温度低的部分传热，头尾部与黑印温差有所缓解。
识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。
图3-4帘线钢温差曲线
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头部与黑印温差
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尾部与黑印温差
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图3-5一组钢温差曲线
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头部与黑印温差
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尾部与黑印温差
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图3-6二组钢温差曲线
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头部与黑印温差
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尾部与黑印温差
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通过对帘线钢、I组钢、II组钢温差曲线分析，在相同的在炉时间条件下，不同的钢种在不同的炉膛温度（供热负荷）下出炉后通条温差不相同，随着炉膛温度（供热负荷）升高，钢坯出炉后头尾部与黑印部分温差逐渐增大。
实践中在不同的炉膛温度条件下，通过调节均热段左、中、右烧嘴开度来尽量消除温差，即将均热段左、右部分烧嘴开度变小，均中段烧嘴开度变大。
凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。
◆炉温优化设定模型
加热炉炉温的优化目标的确定离不开轧钢生产工艺对其的要求，当然所讨论的数学模型不可能包含实际生产的所有目标，这里我们只考虑轧钢过程中比较重要的生产目标。
要得到与实际生产状况吻合较好的最优炉温分布，优化目标至少应该包括如下四方面：
恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。
1.钢坯出炉时刻其表面温度应该达到轧制工艺要求的目标加热温度，或者说，表面温度与期望温度差值最小;
2.钢坯出炉时刻其表面温度与中心温度的差值（又称钢坯的断面温差）达到极小值;
3.加热炉生产的能耗（燃料消耗）最小;
4.被加热钢坯的氧化烧损最少;
对上述生产目标，在实际生产的大多数情况下不可能同时兼顾，这是因为钢坯的加热生产是轧钢生产流程中的一环，它的生产状况必须跟随轧制节奏的变化而进行调整，因此，想要得到特定生产条件下炉温设定的绝对最优值是不现实的，只能得到一定生产条件下的炉温分布的理想值。
因此在优化指标中，对各项进行了加权处理，以体现不同生产条件下对炉温分布优化指标考虑的侧重点不同。
鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。
综上，建立如下的炉温优化目标函数:
（3.4）约束条件如下:
优化目标函数中各符号所代表的意义如下:
－钢坯在炉内的加热时间（s），其与钢坯在炉内的位移s有如下关系:
为钢坯在炉内的运动速度
;
－钢坯的入炉时刻和出炉时刻
;
－炉温分布优化设定的关键点
;
、
－分别代表钢坯温度分布和炉温温度分布（℃）;
、
－钢坯出炉时刻的表面温度和中心温度（℃）;
、
－钢坯加热时所允许的最大加热速度和最大断面温差（℃）;
－钢坯的目标出炉温度（℃）;
－钢坯出炉时刻所允许的最大断面温差（℃）;
－计算炉温分布的离散化时间步长;
－时间离散化之后的节点数;
－与炉温分布有关的某种控制作用向量函数（例如加热炉的燃料消耗等）
；其中
为炉温设定值向量:
，
，
，
，
为需要进行炉温优化的各加热段数量。
硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。
－被加热钢坯的质量
;
ε－钢坯表面的氧化烧损率，即钢坯在加热时单位质量、单位温升条件下的氧化烧损量，与钢坯种类和钢坯温度有关
;阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。
、
、
、
－加权系数，且
、
、
优化目标中的第一项表示对钢坯出炉时刻表面温差的要求，体现了钢坯出炉温度达到轧制工艺要求这一指标，第二项表示了对钢坯出炉时刻断面温差的要求，两项合在一起显示了轧钢生产过程对钢坯加热工艺的生产目标要求。
优化函数的第三项体现了加热生产过程的能耗指标要求，这是优化加热炉炉温分布的主要目标所在。
第四项是生产过程对钢坯氧化烧损的要求，钢坯加热过程的优化烧损直接关系到钢铁产品的成材率、成品的表面质量。
氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。
为根据二次型优化目标函数（3.4）求得加热炉的炉温最优分布，需要根据加热炉工况和钢坯参数及加热工艺给定各设定点的最初炉温值，之后调用炉内钢坯温升计算模型计算钢坯温度分布，然后计算优化目标函数，判断约束条件，再确定下一次炉温优化的搜索方向，重复上述过程，直到得出最佳的炉温分布，整个优化算法的流程如图3-7所示。
釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。
图3-7
3.3专家系统知识库
炉温设定值的优化调整策略在整个算法中占据非常重要的位置，调整策略的优劣关系到算法的收敛速度和最后结果的精度，对此问题，很多学者都进行过有益的探讨，但大多数文献都是从经典优化控制理论入手，寻找全局最优解。
但是，加热炉能耗极小化是一个动态过程的参数最优化问题，由于模型的时变及非线性、控制变量之间的耦合性，使得许多经典的控制理论，如极大值原理、动态规划、非线性规划等都较难实现，鉴于此，我们提出了一种基于专家经验的炉温设定值的优化调整策略。
这种策略是把专家经验同加热炉生产目标相结合得出的，结合厚板线2#加热炉特点，我们考虑的决策条件有如下几个：
钢种、规格、入炉温度、钢坯出炉目标温度和钢坯出炉时刻的断面温差。
所得结论由一系列相关规则给出，并将此类专门知识、经验通过在线跟踪调试建立各类钢种的加热制度并以数据的形式存储在专家知识库中。
怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。
1、如果钢坯为帘线钢，在考虑钢坯在炉时间一定的情况下（即轧制节奏一定）则有：
1）钢坯断面较小、钢坯入炉温度略高、钢坯出炉温度较高、温差较小，此时下加热段供热负荷应该较低，上加热段炉热负荷偏低，均热段供热负荷应该较高。
谚辞調担鈧谄动禪泻類。
2）钢坯断面较小、钢坯入炉温度略高、钢坯出炉温度较高、温差较大，此时下加热段供热负荷应该偏低，上加热供热负荷正常，均热段供热负荷应该较低。
嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。
3）钢坯断面较小、钢坯入炉温度略高、钢坯出炉温度较低、温差较小，此时下加热段供热负荷应该偏低，上加热段供热负荷应该较高，均热段供热负荷应该较高。
熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。
4）钢坯断面较小、钢坯入炉温度略高、钢坯出炉温度较低、温差较大，此时下加热段供热负荷应该偏低，上加热段供热负荷应该较高，均热段供热负荷应该较低。
鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。
5）钢坯断面较大、钢坯入炉温度略高、钢坯出炉温度较高、温差较小，此时下加热段供热负荷应该偏低，上加热段供热负荷应该较低，均热段供热负荷正常。
纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。
6）钢坯断面较大、钢坯入炉温度略高、钢坯出炉温度较高、温差较大，此时下加热段供热负荷应该偏低，上加热供热负荷正常，均热段供热负荷应该较低。
颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。
7）钢坯断面较大、钢坯入炉温度略高、钢坯出炉温度较低、温差较小，此时下加热段供热负荷应该偏低，上加热段供热负荷应该较高，均热段供热负荷应该较高。
濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。
8）钢坯断面较大、钢坯入炉温度略高、钢坯出炉温度较低、温差较大，此时下加热段供热负荷应该偏低，上加热段供热负荷应该较高，均热段供热负荷应该较低。
銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。
9）钢坯断面较小、钢坯入炉温度高、钢坯出炉温度较高、温差较小，此时下加热段供热负荷应该低，上加热段供热负荷应该较低，均热段供热负荷正常。
挤貼綬电麥结鈺贖哓类。
10）钢坯断面较小、钢坯入炉温度高、钢坯出炉温度较高、温差较大，此时下加热段供热负荷应该低，上加热段供热负荷应该低，均热段供热负荷应该较低。
赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。
11）钢坯断面较小、钢坯入炉温度高、钢坯出炉温度较低、温差较小，此时下加热段供热负荷应该低，上加热段供热负荷应该较高，均热段供热负荷应该较高。
塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。
12）钢坯断面较小、钢坯入炉温度高、钢坯出炉温度较低、温差较大，此时下加热段供热负荷应该低，上加热段供热负荷应该较高，均热段供热负荷应该较低。
裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。
13）钢坯断面较大、钢坯入炉温度高、钢坯出炉温度较高、温差较小，此时下加热段供热负荷应该低，上加热段供热负荷应该较低，供热负荷正常。
仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。
14）钢坯断面较大、钢坯入炉温度高、钢坯出炉温度较高、温差较大，此时下加热段供热负荷应该低，上加热段供热负荷正常，均热段供热负荷应该较低。
绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。
15）钢坯断面较大、钢坯入炉温度高、钢坯出炉温度较低、温差较小，此时下加热段供热负荷应该低，上加热段供热负荷应该较高，均热段供热负荷应该较高。
骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
16）钢坯断面较大、钢坯入炉温度高、钢坯出炉温度较低、温差较大，此时下加热段供热负荷应该低，上加热段供热负荷应该较高，均热段供热负荷应该较低。
瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。
2、如果钢坯为Ⅰ组钢、Ⅱ组钢，则上述1）～16）的情形下，各段炉温设定值应比被加热钢坯为低温钢时高，炉温设定值的决策过程与低温钢相同。
鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。
◆专家系统规则集
连续加热炉在实际生产中不存在或很少存在全炉或局部各段钢坯均为同一炉温曲线的情况，在实际生产过程中炉内钢坯分布复杂，包括钢种混装、冷热混装、坯料断面尺寸和长短混装、不同轧制规格的存在（这直接影响轧制节奏）。
针对这一复杂的情况，系统依据专家操作规则，排定优先级别，建立了专家系统规则集。
栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。
例如，当冷料和热料混装时，在钢坯由预热段进入加热段、加热段进入均热段时，系统根据冷热坯料的数量，在不同位置提前升温或降温。
辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。
◆专家系统推理机
推理机实质上是计算机的一组程序，目的是用于控制、协调整个专家系统的工作。
它根据当前的传感器输入数据或信息，再利用知识库中的知识，按一定的规则策略去推理处理。
峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。
辅助模型
◆钢坯位置跟踪模型
装钢台发出装钢信号，L2级接收装钢信号作为钢坯入炉标志，同时读取轧制计划。
并根据来自基础自动化的各钢坯装料时步进梁的动作信号,对加热炉内各钢坯在加热炉的位置进行实时跟踪。
系统实时显示并记录每块钢坯的在炉位置、钢坯信息、在炉温度。
詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。
◆入炉温度跟踪模型
入炉温度跟踪模块根据检测入炉钢坯温度计算入炉钢坯热含，调整各段的供热负荷。
钢坯带入热含公式：
Q=CiTi×W
Q：
钢坯带入的热含
Ci：
比热容KJ/（Kg.℃）
Ti：
温度℃
W：
重量Kg
◆煤气热值变化调节模块
实时检测煤气热值变化，在线修正各段的煤气流量，维持各段供热平衡。
◆空燃比例调节模块
跟踪煤气热值变化，实时调节空燃配比。
并根据炉温、残氧含量、煤气热值信号，在线学习最优热效率曲面，动态寻优最佳空燃比。
则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。
◆节奏变化模块
根据炉内钢坯轧制信息，预测轧制节奏变化，动态计算各钢坯剩余在炉时间，并调节各段供热负荷。
同时通过在线实测轧机节奏对计算剩余在炉时间进行修正。
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实际的生产过程中，钢坯的轧制节奏是随生产情况不断调整的，因此相应的各段炉温设定值也必然随之变化，我们不可能对每一个轧制节奏都要计算相应的最佳炉温设定值。
解决的方法就是计算典型的轧制节奏所对应的炉温设定值，当轧制节奏变化时，采用线性插值进行在线补偿。
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设当前的轧制节奏，介于
介于
之间，则第
段的炉温设定值为:
（3.6）
其中，
和
分别为轧制节奏为
和
时第
段的炉温设定值。
由上
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