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轨梁2号加热炉加热过程最优控制与智能系统的开发与应用

发表时间：2021/5/21 来源：《基层建设》2021年第2期作者：黄宏志

[导读] 摘要：为满足品种钢开发对钢坯加热质量的要求，提高加热炉热效率，降低加热炉能源消耗，在轨梁2号加热炉开发并应用了加热炉燃烧控制模型和双交叉限幅控制方式基础加上模糊PID控制器实现炉温自动控制系统。

        包钢钢联股份有限公司计量中心自动化部内蒙古包头市 014010
        摘要：为满足品种钢开发对钢坯加热质量的要求，提高加热炉热效率，降低加热炉能源消耗，在轨梁2号加热炉开发并应用了加热炉燃烧控制模型和双交叉限幅控制方式基础加上模糊PID控制器实现炉温自动控制系统。该系统实现了按轧制作业计划自动监控整个生产加热过程，执行合理的热工制度，解决了四班加热操作不统一的问题，稳定了加热工艺，提高了加热质量。并通过监测煤气热值变化及残氧含量变化，实现最佳空燃配比，在提高了燃烧效率的同时减少了烟气对环境的污染。系统投入使用后，操作人员能够及时准确地调整燃气流量及空燃比，有效降低了钢坯氧化烧损，提高了成材率，改善了炉内燃烧状况，达到了预期的效果。
        关键词：加热炉；控制系统；模糊逻辑PID参数控制；加热炉燃烧控制模型
        (一)项目概述
        1.1项目背景
        根据全球工业发展线路和国家对工业生产的要求，智能制造是必经路线，而我们工业还处于粗放型制造和生产期，远不能满足未来生产需求。无法保证产品质量稳定性，更无法满足国家对产品生产及排放的标准。针对轧钢生产工艺加热炉加热尤为重要，直接决定产品的性能，而加热炉燃烧状态也是能源介质的利用及排放标准的直接关联者，与国家提倡节能、减排直接相关，所以加热炉燃烧系统的优化是智能制造和满足国家倡导的必备系统。
        针对轨梁2号加热炉的实际情况分析，结合生产工艺进行分析，加热炉燃烧系统进行改造。对原有环型加热炉燃烧系统进行智能燃烧方案设计。
        1.2项目现状与特点
        1.目前燃烧控制系统采用以前的人工PID控制法，很难适应多变的加热炉工况，很难满足温度控制准确度和升降温实时性要求，造成了炉温控制不均匀、燃气热值以及压力波动、空燃比无法自动寻优等问题，这些问题的存在影响了钢坯加热质量，使得钢坯氧化现象非常严重，燃气资源浪费，使得单位的效益受到了影响，环保排放无法达标。
        2.在加热燃烧控制中，无法对空燃比进行合适的修正，全部依靠燃气热值范围计算的固定空燃比进行燃烧。无法适应热值、压力波动引起的实时调整。合适的空燃比是有利于燃气充分燃烧和炉内良好气氛保证，确保炉内气氛会节省能源改善加热质量。
        1.3项目研究内容
        针对上述问题，根据燃烧工艺控制的需求，重新编写自动燃烧控制程序，同时对HMI画面进行修改，达到自动控制炉温和炉压的目标，实现空燃比的自动匹配，降低操作工的操作强度，减少人为因素的干扰。
        (二)解决加热炉加热过程最优控与智能系统
        2.1燃烧控制程序
        重新编写一级燃烧控制程序及操作画面，实现炉温自动控制功能、炉膛压力自动控制功能等。
        2.1.1炉温自动控制：
        加热炉共有8个炉温串级调节回路和6个燃气、空气段调节回路，分段各自实现炉温自动控制。各段的燃气和空气流量调节需保证合理的空燃比以实现最佳燃烧并精确控制炉内气氛。炉温自动控制是以炉温控制为主环，燃气、空气流量控制为副环的串级双交叉调节回路。

        空燃气调节双交叉限幅控制方式，升温时空气调节阀先行，降温时燃气调节阀先行，并限幅防止超调，保证始终合理的空燃比。
        再通过模糊规则对PID相关的参数进行自整定，可以克服加热炉由于长期运行，导致阀门执行效率下降、烟气管道阻塞等情况PID控制效果不佳的情况，达到PID参数的自整定效果，节约了人员的调试时间，提升了系统的适应性与稳定性。同时，针对现场某些时候，需要大量热量，而传统PID控制过程响应过慢。模糊PID控制由于参考了现场操作人员的操作经验，可以直接快速调整PID相关参数，达到快速响应升温需求的目的。从而提升了系统的响应能力，保证了自动燃烧优化系统的顺利执行。
        从广义上讲，模糊控制是基于模糊推理，模仿人的思维方式，对难以建立精确数学模型的对象实施的一种控制策略。它是模糊数学同控制理论相结合的产物，同时也是智能控制的重要组成部分。
        模糊自适应PID控制器的结合了模糊逻辑的自适应性，对PID的参数进行动态调整。
        在实际应用中，一般是以误差e和误差的变化率de/dt（ec）作为控制器的输入，可以满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求。利用模糊控制规则在对PID参数进行修改，便构成了自适应模糊PID控制器，结构图如下图示：

                            自适应调整模糊控制器结构图
        PID参数模糊自整定是找出PID三个参数与误差e和误差的变化率ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，根据模糊控制原理对三个参数进行在线修改，以满足不同要求，而使被控对象有良好的动、静态性能。
        2.1.2炉膛压力自动控制：
        炉膛压力控制采用前馈+反馈的控制方式来进行调节，道闸板的开度，反馈作用是根据炉膛压力和实际炉膛压力的偏差来调节烟道闸板开度，以实现炉压的微正压操作。前馈作用是根据助燃风的流量加上燃气流量的总和来调节烟
        2.1.3最佳空燃比寻优器：
        先按照燃气的流量和实测的燃气热值状况计算得到每秒所燃烧燃气可以释放的热量，再按照热量经专家控制器来计算得到最好的空燃比，和燃气流量专家修正模型一样，最佳空燃比专家控制器也使用一样的结构，它的知识包括燃气热量、进行推理时用到的一些知识还有该行业专家的专门知识以及经验。
        2.2加热炉燃烧控制模型建立的思路
        目前的加热炉使用的控制方法关键是双交叉限幅PID控制，这种方法对于燃烧过程的控制有一些作用，但无法拟制燃气热值以及压力波动形成的炉温控制不平衡，负载变化大时响应速度慢的问题。因为加热炉燃烧体系自身非常复杂，扰动特别大，建立准确的数学模型是相当困难的，因此，用以前的控制方法无法达到良好的效果。所以，为了确保加热炉的控制准确度以及速度，就需要对体系进行改良，建立加热炉优化控制体系，按照隔断炉温设定和实测炉温的偏差值以及偏差变化率，使用燃气流量模糊控制器，得到燃气流量设定值。按照燃气流量设定值以及燃气热值利用最好的空燃比寻优器计算出最好的空燃比，然后，双交叉限幅模块根据燃气流量设定值、最好空燃比以及实测的燃气、空气的流量动态的调节阀门的开度，使燃气流量和空气流量在所规定的幅度内交替上升，确保空气、燃气的相互跟随关系。最后按照实测的燃气热值以及烟道含氧量分别通过燃气流量专家修正模型以及空燃比专家修正模型来反馈修正燃气流量以及空燃比。外环控制回路是炉温控制回路，关键作用是确保炉温稳定在给定的目标上，同时也对燃气流量的波动起到了拟定作用，这样就构成了基于温度和流量的反馈自动控制体系。
        （三）效果分析
        综合改造目标主要改善加热制度，提高能源利用率与加热质量，消除设备隐患、保证生产顺行，按照改造前生产节奏进行生产。具体指标如下：
        1、模型计算坯料出炉温度：目标温度±10℃；≥80。
        2、燃烧自动化投运率：

        3、节能降耗：该系统投用后，产线平均节能率5%。
        （四）结束语
        1、该系统实现了按轧制作业计划自动监控整个生产加热过程，执行合理的热工制度，解决了四班加热操作不统一的问题，稳定了加热工艺，提高了加热质量。
        2、通过监测煤气热值变化及残氧含量变化，实现最佳空燃配比，在提高了燃烧效率的同时减少了烟气对环境的污染。
        3、实时控制与预测控制的智能化判断和计算，杜绝了因加热造成停轧待轧。
        4、综合考虑了轧制节奏变化、开轧温度变化，燃料热值变化、炉压变化、冷热长短坯混装、待轧、停轧引起的炉温、炉况的波动，保证了轧线状况的顺行，延长了加热炉的使用寿命。
        随着国家提倡智能制造和节能减排，如何让钢铁行业为实现可持续发展和向着低能耗、高效率方向发展。轨梁2号加热炉应用加热炉燃烧控制模型和双交叉限幅控制方式基础加上模糊PID控制器实现炉温自动控制系统，在保证加热炉设备正常运行的前提下，提高了能源的利用率，降低了能源消耗，对环境的保护起到了一定的作用。
        参考文献
        [1]《加热炉热过程动态操作数学模型》.董伟.工程物理学报.
        [2]《人工智能原理》.石纯一，黄昌宁.北京：清华大学出版社.