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摘要：

研究了國內許多軋鋼廠加熱爐控制系統計算機二級不能正常使用的問題，針對這些問題，研制了一種軋鋼加熱爐過程控制系統，建立了一套新的完整的系統解決方案，并應用在軋鋼加熱爐過程控制中，保證鋼坯加熱過程滿足加熱工藝的要求，同時又節省煤氣和降低了燒耗。該系統是通過建立透明的軋鋼加熱爐，支持加熱爐生產過程操作決策及過程自動控制等措施來實現的。該系統在中板和厚板軋鋼加熱爐控制系統中得到了有效的應用，即提高了產品質量，又節能降耗。

關鍵詞：

加熱爐；過程控制；節能降耗

加熱爐過程控制系統（計算機二級系統，簡稱二級）是軋鋼生產過程脫離“粗放型”管理模式，實現“精細化”管理的必備手段，只有依靠科學有效的過程控制技術，才能從根本上解決操作人員“憑經驗燒鋼”所帶來的各種質量和成本問題。深圳市庫馬克新技術股份有限公司研發了“庫馬克軋鋼加熱爐過程優化控制系統”，應用到鋼鐵企業對軋鋼加熱爐進行有效的過程控制，解決了這個問題，并應用到某中板廠和厚板廠，對于該廠的精細化管理及節能降耗做出了貢獻，取得了良好的效果。

1加熱爐過程控制系統的主要作用

1.1在實現工藝目標中的作用加熱爐過程控制系統的主要任務是保證加熱爐的出爐鋼坯能夠滿足工藝目標要求。鋼坯溫度滿足工藝目標要求，主要分為兩類：一是“鋼坯目標溫度和均勻度”；二是“鋼坯表面脫碳強度”。對于第1類工藝目標，可以通過監控“鋼坯當前溫度”、“鋼坯芯表溫差”和“鋼坯均溫時間”來實現。對于第2類工藝目標，由于難以在線（直接或間接）檢測，從控制的角度考慮，只能是最大限度地降低鋼坯脫碳機會，即盡量減少高溫鋼坯的在爐時間，尤其是高溫鋼坯置于“氧化氣氛”爐氣中的持續時間。歸根結底，上述工藝目標的實現均離不開計算機二級加熱爐過程控制系統的支持，使用加熱爐過程控制系統，可以有效地提升鋼坯加熱的“工藝目標命中率”，從而間接影響成品材的“指標命中率”，其經濟效益在業內已經獲得共識，具體數量，取決于當前生產管理水平。

1.2在降低加熱生產消耗中的作用加熱爐過程控制系統的另一個重要作用是降低鋼坯加熱的生產消耗。降低生產消耗的前提條件是首先要保證鋼坯出爐溫度滿足工藝目標約束。在加熱爐產能無法完全滿足軋鋼系統要求時，使用加熱爐過程控制系統的首要任務是保證產量需要，煤氣使用量并不一定會比沒有加熱爐過程優化控制系統時減少。但如果加熱爐的產能滿足軋機最大產能需求，則減少鋼坯加熱過程中的“過燒時間”將能夠間接地大量減少鋼坯加熱所用的煤氣。至于“過燒時間”的減少量，則取決于現有的管理水平。在沒有加熱爐過程控制系統的狀態下，操作人員無法準確掌握鋼坯的溫度狀態，因此也無法真正知道鋼坯實際過燒時間。有了加熱爐過程優化控制系統，操作人員則至少可以直接監視鋼坯的溫度變化過程，這為減少鋼坯不必要的過燒時間創造了可能性。顯而易見，加熱爐過程控制系統能夠有效地幫助用戶“最大限度地”通過減少“過燒時間”來降低鋼坯加熱過程中的煤氣用量。降低生產消耗的最大空間在于減少鋼坯加熱過程中的“鋼坯燒損量”?？刂其撆鳠龘p的唯一手段是減少鋼坯在“氧化氣氛”爐氣中過燒，在沒有加熱爐過程控制系統情況下，僅憑操作人員的“經驗”和“責任心”，根本無法真正解決鋼坯過燒導致的鋼坯燒損過大問題。對于每個用戶而言，加熱爐爐況存在差異，鋼坯燒損也各有不同。但正確地使用加熱爐過程控制系統，都能夠幫助用戶將現有加熱爐的鋼坯燒損降到最低。根據生產實踐和各種文獻統計，加熱爐過程控制系統至少可以幫助用戶降低0.5%的燒損。對于一個年產量100萬t的加熱爐，減少0.1%的燒損量，1a將可以為用戶降低數百萬元的生產消耗。

2加熱爐過程控制實施中存在的問題與解決方案

在國內，很多鋼廠的加熱爐過程控制系統在使用過程中，存在各式各樣的問題，甚至很多鋼廠的加熱爐就沒有過程控制系統。即使有些用戶建立了加熱爐過程控制系統，也只是運行著部分功能。造成這種局面的原因是多方面的。針對加熱爐過程控制實現中存在的諸多問題進行了分析，并提出了自己的解決方案。

2.1應用中存在的問題由于國內加熱爐過程控制系統（二級）的設計方法主要源自于對“引進系統”的消化和移植。由于發達國家的生產環境狀態明顯優于我國的工業現狀，因此不可避免地存在一些“水土不服”的狀態。所謂“水土不服”，主要表現為加熱爐過程控制系統（二級）不能正常運行，或正常運行一段時間后就表現失常。加熱爐過程控制系統（二級）使用不好的另一個客觀原因是我國鋼鐵企業長時間“粗放型”管理模式所致。由于鋼材市場一直很好，軋鋼生產過程的主要精力多放在增加產量方面，對鋼坯加熱質量缺乏足夠的重視。甚至認為人工操作已經很好了，能夠滿足生產要求，加熱爐過程控制系統（二級）能工作更好，不能工作也無所謂，并不做深究，只是放棄使用罷了。實際上，導致過程控制系統應用效果不佳的主要原因是當前過程控制系統（二級）設計中存在的缺陷或不足。當前很多加熱爐過程控制系統開發團隊仍然堅持著國外引進系統的設計思路，追求最大限度的全自動過程控制系統。然而，受到國內生產環境的各種條件的制約，在很多情況下，快速實現加熱爐過程控制全自動化不太現實，這就使過程控制系統（二級）的作用大打折扣，最終，由于預期差異，客戶和開發團隊之間產生矛盾，形成相互推諉的不利局面。形成加熱爐過程控制系統（二級）在應用過程中存在問題的另一個原因是一、二級控制系統“開發節奏不同步”，基礎控制系統（一級）通常優先投入使用，而加熱爐過程控制系統（二級）投入較晚，基礎控制系統中對加熱爐過程控制系統（二級）性能產生影響的問題（所謂“遺留問題”）不能充分暴露出來。當基礎控制系統（一級）開發團隊撤出現場后，加熱爐已投入生產運行，為了不影響正常生產，用戶多選擇放棄“遺留問題”的解決，從而造成加熱爐過程控制系統（二級）“不正?！?，只能“湊合著”運行，這種現象也是影響加熱爐過程控制系統（二級）聲譽的一個重要原因。

2.2解決方案和實施措施首先，在加熱爐過程控制系統設計上提出了“直面現實”、“分級體驗”的設計理念。所謂“直面現實”，就是承認我國當前鋼鐵行業的現實狀況，不再追求“一步到位的高度自動化”目標，即在現有條件下，以“讓操作人員獲益最大化”為設計目標，盡可能讓過程控制系統（二級）表現出其在精細化生產中不可替代的作用。而“分級體驗”則是在系統實現上，強調多層次性能體現。首先，為操作人員提供一個能幫助其生產決策的“透明加熱爐”，就是將操作人員在操作過程中需要的“有價值決策輔助信息”集中抽出，并合理地組織在同一操作畫面上，以便協助操作人員輕松地進行“鋼坯裝爐”、“鋼坯出爐”、“爐溫調整”等決策操作，以此降低加熱爐過程控制系統（二級）使用的技術門檻，使操作人員在工作中很快獲益。其次，利用計算機計算、存儲和統計分析能力，為操作人員提供各種“追溯”、“預判”和“規劃”功能，幫助操作人員提升“決策效率”和“決策精準度”。最終，系統將為操作人員實現高度自動化提供一個可操作環境。當操作人員對過程控制系統充分信任后，可以通過人機交互形式直接參與加熱爐的過程控制，直至最后實現令其滿意的加熱爐過程控制自動化。在實現上述設計理念的同時，也針對前文提到的“遺留問題”確定了解決方案，并取得了預期的效果。實際上，很多“遺留問題”之所以難以解決，不僅僅是開發團隊不負責任，而是有些問題單靠基礎控制系統（一級）很難發現，需要做長時間數據收集、存儲、分析等工作。為此，我們提出了一個“一二級融合”的解決方案，即利用過程控制系統（二級的工程師站）找到問題，在不影響生產的前提下修改基礎控制系統（一級），消除“遺留問題”，從而將基礎控制系統（一級）和過程控制系統（二級）融為一個整體。加熱爐過程控制系統（二級）是一個“生產過程精細化管理平臺”，主要作用是“讓操作人員睜開眼睛工作”，即在“全面感知現場環境”的狀態下進行加熱爐生產過程的精細化管理，從而獲得產品質量、生產效益雙贏的局面。

3加熱爐過程控制系統目標的實現

庫馬克軋鋼加熱爐過程優化控制系統，采取下列措施，確保軋鋼生產工藝的要求。

3.1建立“透明加熱爐”

3.1.1實時跟蹤和提示爐內鋼坯的位置狀態優化控制系統為操作人員展示加熱爐內鋼坯當前所處的位置，從而實現鋼坯在爐內的分布狀態“透明化”。

3.1.2實時跟蹤和提示爐內鋼坯的加熱環境優化控制系統為操作人員展示加熱爐當前的爐溫控制規則和實際爐溫狀態，從而實現加熱爐內鋼坯加熱環境“透明化”。圖1展示了一個雙排步進式板坯加熱爐內鋼坯加熱爐環境，如爐氣溫度狀態和相關設定信息等。

3.1.3實時跟蹤和提示爐內鋼坯的溫度狀態優化控制系統為操作人員展示加熱爐內鋼坯的表面溫度和芯部溫度等，從而實現加熱爐內鋼坯溫度（場）“透明化”。圖2展示了1個雙排步進式板坯加熱爐內所有鋼坯的（芯部）溫度狀態，以及選定鋼坯的目標溫度和水印區溫度。

3.2支持加熱爐生產操作決策

3.2.1當前加熱爐是否具備裝爐條件優化控制系統實時提示操作人員鋼坯是否能夠接收新的鋼坯入爐，入爐的可用空間是多少，從而協助操作人員進行“鋼坯裝爐操作”決策。圖3展示了1個雙排步進式板坯加熱爐有關鋼坯裝爐決策支持的提示信息。

3.2.2提示當前加熱爐是否具備出鋼條件優化控制系統實時提示操作人員是否存在滿足工藝要求的待出爐鋼坯，如果不存在，還需要等待多長時間，從而協助操作人員進行“鋼坯出爐操作”決策。為了提升操作人員決策的精確性，優化控制系統還實時提示操作人員每個加熱爐最新出爐鋼坯的出爐溫度（計算值）、除磷后表面檢測溫度、開軋表面檢測溫度等。

3.2.3提示當前加熱爐內鋼坯的加熱狀態優化控制系統實時提示操作人員加熱爐內有多少鋼坯已經滿足工藝要求，如果沒有鋼坯滿足工藝要求，加熱爐段內的鋼坯距離達到要求還有多長時間等，從而協助操作人員進行“爐溫調整操作”決策。圖4展示了1個雙排步進式板坯加熱爐有關鋼坯爐內加熱狀態信息，用于提示操作人員從鋼坯加熱狀態角度判定是否需要調整爐溫。

3.2.4提示當前加熱爐的各爐段最佳參考溫度優化控制系統實時提示操作人員加熱爐當前的最佳爐溫參考，以及實際爐溫偏差，從而進行“爐溫調整量”決策。圖5展示了1個雙排步進式板坯加熱爐各類爐溫設定信息，用于提示操作人員判定是否需要調整爐溫，以及爐溫調整量。

4實現鋼坯加熱過程自動控制

4.1實時跟蹤鋼坯爐內運行速度針對加熱爐的每個爐道，建立爐道內鋼坯運行軌跡跟蹤，并在此基礎上計算鋼坯爐內運行速度，以此作為鋼坯溫度預測模型的邊界條件信息。

4.2實時判定鋼坯預期爐段溫度針對爐段內的每個鋼坯，依據鋼坯運行速度和當前加熱環境，在當前鋼坯溫度的基礎上，計算鋼坯達到爐段出口時的離段溫度（鋼坯離開當前所在路段時所達到的溫度），如果離段溫度不滿足工藝目標要求，則根據離段溫度偏差（目標離段溫度-計算離段溫度）試探調整“虛擬爐段溫度”，直至離段溫度偏差滿足要求。此時“虛擬爐段溫度”即為鋼坯預期爐溫。

4.3實時計算加熱爐各爐段最佳爐溫參考根據每個爐段內鋼坯的預期爐溫，參考“鋼坯鋼種加熱優先級”（根據鋼坯特殊質量要求而定）和“鋼坯位置優先級”（根據鋼坯距離爐段出口的距離而定），確定爐段當前的最佳爐溫參考；如果在基礎控制系統中存在爐溫控制回路，允許操作人員以交互方式干預最佳爐溫參考，形成當前爐溫設定信息，并下發到基礎控制系統中，用于自動爐溫調節。圖6展示了1個雙排步進式板坯加熱爐計算最佳設定爐溫提示。

4.4實時計算加熱爐加熱煤氣最佳流量參考如果在基礎控制系統中沒有“爐溫控制回路”，優化控制系統將根據當前實際爐溫、最佳爐溫參考，以及爐段內鋼坯溫度和數量等，計算“最佳煤氣流量參考”。允許操作人員以交互方式干預“最佳煤氣流量參考”，形成當前煤氣流量控制回路的設定信息，并下發到基礎控制系統中，用于自動調節燃氣流量，以期達到自動控制加熱爐溫度的目的。由于本系統所有信息都存入數據庫，所以本系統支持操作人員針對爐內任意鋼坯加熱過程查詢，支持生產管理人員對任意鋼坯的加熱過程追溯。

5結論

深圳市庫馬克新技術股份有限公司與遼寧科技大學合作建立了“遼寧科技大學——深圳庫馬克電氣節能與工業控制研發中心”，成立了“鋼坯加熱過程控制和厚板加速冷卻過程控制項目組”，依托行業資深專家團隊，經過多年研發實證，“庫馬克軋鋼加熱爐過程優化控制系統”應用到軋鋼企業，已經取得了良好的效果，為中國鋼鐵行業的振興做出了貢獻。本系統應用在某厚板和中板軋鋼加熱爐過程的優化控制上，不僅為該廠精細化管理、提高產品質量做出了貢獻，確保所有鋼坯的出鋼溫度滿足軋制溫度要求，最大限度地降低鋼坯加熱過程中的碳流失，也為該廠節省鋼坯加熱煤氣用量和減少鋼坯氧化燒損量下降做出了貢獻。

作者：王會波 于政軍 單位：深圳市庫馬克新技術股份有限公司 遼寧科技大學 電子與信息工程學院