
	行业新闻┊技术文章┊产品展示┊厂商展示┊供应信息┊求购信息┊论坛


	文章分类　PLC　DCS　PAC　PC-BASED　CPCI-PXI　嵌入式系统　 SCADA　工业以太网　变频器　无线通讯　自动化软件　人机界面　现场总线　运动控制机械传动　机器视觉　电源传感器　仪器仪表　执行机构　工业安全　低压电器　其它工控文章

首页 -> 技术文章 -> 低压电器 -> 正文

环形加热炉在线优化控制的研究与应用

摘　要　开发了环形加热炉在线优化控制系统。该系统由在线运行的物料跟踪、温度跟踪和炉温优化设定等功能模块组成，以满足生产产量和产品质量为前提，以燃耗和氧化烧损最低为目标，通过离线研究，得到了适应生产节奏、管坯长度和材质变化的优化炉温制度，并在实际应用中取得了良好的控制效果。
关键词　环形加热炉数学模型优化控制计算机控制
0　前言
　　从发展顺序和控制水平两个方面总结轧钢加热炉的计算机控制大体上可以划分为3个层次：1)以提高燃料利用效率、维持合理空燃比为目的，以炉温为控制对象的燃烧过程控制，简称为基础燃烧控制；2)以炉内传热数学模型为基础，以被加热物料温度为控制对象，实现炉温和燃耗量的优化控制，称为过程优化控制；3)在全部单体设备实现自动化的基础上，以协调整个生产系统为目标，实现加热工段的计算机优化调度管理，称为工序优化控制。一般而言，加热炉加热过程优化控制目标可表述为：在满足轧线产量的条件下，使钢坯出炉温度最准，截面温差最小，氧化烧损最少，燃耗最低。加热过程优化控制可归纳为3种方式：1)生产率与炉温(或燃料供应量)直接优化控制方式，如常用的炉温设定值查询图或“地毯”图[1>；2)基于数学模型的钢温控制方式，实践中应用最广泛的是优化钢温曲线方法[2～4>；3)带钢温负反馈的钢温控制方式[1，5>。
　　上海宝钢钢管公司环形加热炉用于管坯穿孔前加热，是首尾相接的一种特殊形式的连续加热炉。该炉设计产量160t/h，中径35m，炉膛有效宽度5m，分为6个控制段和1个预热段，1～6段共有96个油气两用侧烧咀向炉膛空间供热，预热段不供热。该炉已采用计算机集散控制系统(Max1000)，在炉温设定和燃烧控制方面的效果较好。为了进一步提高钢管的产量和质量、降低生产成本，必须进一步提高环形加热炉的控制水平。因此，在基础燃烧控制的基础上，根据环形加热炉传热数学模型，我们开发了一种环形加热炉优化控制系统。该系统以满足产量和加热质量为前提，以燃耗和氧化烧损最低为目标，建立了物料跟踪、温度跟踪和炉温优化设定等基础控制模块，取得了良好的控制效果。
1　优化控制系统
　　所建立的以炉内传热数学模型为基础的优化控制系统由多个模块组成，其中以物料跟踪、温度跟踪和炉温优化设定为基本模块。
1.1物料跟踪模块
　　物料跟踪模块根据环形加热炉装料、出料和炉底转动信号，以及从生产管理计算机网络取得的装料料坯的信息，通过推理和判断，在线标定环形加热炉区域内管坯的位置和运动，为温度跟踪和炉温优化设定提供物料信息，并在现场的操作管理计算机屏幕上实时显示管坯位置和运动的动态跟踪画面。
1.2温度跟踪模块
　　管坯温度在线跟踪模块是优化控制系统的核心。它根据物料跟踪信息以及在线监测的各段炉温、空气和煤气流量，利用管坯加热过程的数学模型，以适当的频率计算确定炉内每根管坯的温度分布和氧化烧损情况，实现全炉管坯温度的在线动态计算，为炉温优化设定提供直接的依据。
1.3炉温优化设定模块
　　在正常生产情况下，炉温优化设定模块根据生产节奏的变化、炉内物料分布情况和各段管坯的温度水平，以离线优化计算得到的优化炉温制度为依据，动态设定各控制段的炉温，在保证加热质量和产量的前提下使炉子燃耗和管坯氧化烧损最小。
2 优化炉温制度的研究
2.1目标函数和研究方法
　　根据所研究的环形加热炉控制系统的特点，管坯加热过程的最优控制与环形加热炉炉温制度的最优设定是等价的，即动态确定各段炉温的设定值，使环形加热炉燃耗最低、管坯氧化烧损最小，并满足如下约束条件：(1)管坯加热温度(表面平均温度)满足工艺要求；(2)管坯断面最大温度偏差满足均匀性要求；(3)满足产量(即生产节奏)的要求；(4)各段炉温在允许的最高炉温和最低炉温的范围之内；(5)各段的供热量在炉子的供热能力范围之内；(6)管坯的升温速度小于最大允许的升温速度。
　　采用炉温设定值直接优化法，根据离线数学模型确定出不同钢种、不同尺寸规格的管坯在不同生产节奏情况下最优的管坯升温曲线和相应的炉温曲线。
　　经研究发现，在满足加热工艺要求的前提下，设定的加热时间内的管坯平均温度对加热时间的积分值与加热过程中燃料消耗量、管坯的氧化烧损量之间存在着单调的依变关系，对于一定规格的管坯和生产节奏，该积分值可以作为衡量燃耗水平和管坯氧化烧损水平的尺度。
2.2标准炉温设定值分析
　　以普通钢种和标准长度的管坯在设计炉温设定值条件下的加热过程为分析对象，模拟计算生产节奏变化对加热质量、燃耗及氧化烧损的影响(对应加热管坯产量90～200t/h)，如图1～4中虚线所示。

　　从图中可以看出，生产节奏对加热质量、燃耗和氧化烧损都有明显的影响。生产节奏加快，出炉管坯的表面平均温度降低，最大断面温差增大，而燃料消耗和氧化烧损减少。在产量较低的情况下，虽然断面温差较小，但表面温度容易高出目标温度，而且燃耗较大，氧化烧损严重；在产量较高的情况下，燃耗和氧化烧损都有所降低，但出炉管坯的表面平均温度达不到目标温度要求，断面温差也较大，不能满足生产工艺的要求。因此，当生产节奏波动较大时，如果仍采用固定不变的炉温设定值，会直接影响管坯的加热质量和炉子的燃料消耗。
2.3离线优化结果
　　在不同的生产节奏情况下，通过调整炉温设定值，可使管坯的加热质量控制在允许的范围之内，使燃料消耗和金属氧化烧损控制在相应的最低水平。对不同工艺要求的钢种分别进行了生产节奏变化时最佳炉温设定的优化计算。以普通钢种和标准长度的管坯为例，优化后的加热质量、燃耗和氧化烧损(实线)绘于图1～4。
　　从图中可以看出，优化后出炉管坯表面平均温度(图1)基本不随生产节奏变化；在高产情况下，最大断面温差比优化前有明显减小，但燃耗和氧化烧损略有增加；在低产情况下，燃耗和氧化烧损比优化前明显降低，但断面温差稍有增大。这正反映出提高加热质量与降低燃耗、减少氧化烧损之间在一般情况下是相互矛盾的。另外，采用优化炉温设定值加热管坯，在不同生产节奏条件下管坯的升温曲线基本上是一致的，这与坯温优化思想相符合。
　　不同长度(860～4500mm)和不同热物性(材质不同)的管坯加热时，其加热质量也略有差异。通过分析计算，引入了管坯长度和热物性的修正。因此，适应生产节奏、管坯尺寸和材质变化的优化炉温制度的在线设定数学表达式为
Tr=T0＋ΔT1＋ΔT2　　　　　　　　　　　　　　　(1)
式中Tr为优化炉温设定值，T0为根据生产节奏和管坯工艺要求确定的标准优化炉温设定值，ΔT1为管坯长度影响修正值，ΔT2为管坯材质影响修正值。
3　炉温优化设定策略与控制实践
3.1炉温优化设定策略
　　在正常生产情况下，由于生产节奏的波动和料坯规格的变化，对炉温进行动态实时设定是十分必要的。另外，受到炉子特性的影响，实际炉温与设定炉温之间有时也存在着较大的偏差，使得管坯的升温过程并不能真正按照目标曲线来实现，当管坯温度与目标温度有较大偏差时，就有必要对炉温进行再次修正。
　　在线控制过程中，把经离线优化得到的适应生产节奏、管坯尺寸和材质变化的优化炉温制度做成数据库，根据物料跟踪模块提供的生产节奏和各控制段加热管坯的规格，由优化设定模块自动动态查询该数据库，得到各控制段相应的基准炉温设定值Tr。然后，根据温度跟踪模块提供的各段坯温情况对Tr做适量的调整，再考虑到炉温限值和调节量限值等因素后，得到的综合炉温设定值为实际优化炉温设定值，可表示为
Tsp=Tr＋ΔT3　　　　　　　　　　　　　　　　(2)
　　要求Tsp满足：Trmin

式中　　Tr为基准炉温设定值，ΔT3为根据管坯温度偏离量对炉温的修正，Trmax和Trmin为炉温上限和下限值，Tr1为当时的实测炉温，ΔTrmax为炉温的最大调节量限值。
　　炉温优化设定模块与待轧控制模块、反馈控制模块、空燃比智能设定模块等共同构成完整的优化控制系统。
3.2控制实践
　　数模优化控制系统于1997年8月正式投入运行。它装载在MAX1000系统的信息管理站AP机上，以一定的频率进行跟踪计算和优化设定。在生产节奏波动时，控制系统对炉温设定进行适量的调整，在生产节奏加快时提高炉温设定值，节奏减慢时降低炉温设定值。图5为在数模优化控制下某一天内的管坯出炉温度和断面最大温差的变化情况，出炉坯温和断面温差基本控制在目标温度范围内，达到了控制要求。

4　结论
　　在炉内传热数学模型的基础上，建立了环形加热炉在线优化控制系统，实现了在线物料跟踪、温度跟踪和炉温优化设定；采用直接优化炉温设定值的方法，通过优化计算，得到了适应生产节奏波动及管坯长度和材质变化的优化炉温制度，并在现场实际应用。根据现场的能源统计，该系统投入运行后，管坯的加热质量有明显改善，环形炉燃耗和氧化烧损分别比系统投入运行前降低了约6％和8％，取得了明显的经济效益。

{FS_最新文章-嵌入式系统}

本网站所登环形加热炉在线优化控制的研究与应用及所有其它信息来自互联网.
仅供访问者参照使用,不直接或间接负责相关法律问题!