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东北大学硕士学位论文摘要 步进式加热炉自 动控制系统设计及研究 摘 要 加热炉是冶金企业主要的过程设备，其自 动控制策略是过程控制领域内的一 个重要的研究方向。如何使自 动控制系统能够确保钢坯的加热质量、节约加热炉 的能耗、 确保燃烧系统的最佳燃烧、 延长加热炉设备的寿命一直是该研究领域主 要的研究内容. 本文以山东泉信步进式加热炉控制系统为背景，首先在介绍加热炉工艺流程 以及加热炉自 动控制系统的控制要求的基础上，介绍了控制系统中所使用的硬件 及组态软件的功能和特点，以 及在控制系统软硬件平台 上所进行的 组态编程工作。 然后， 本文对步进式加热炉的炉温控制、流量控制、炉压控制、烟温控制、换向 控制、 钥坯出 入炉控制和步进梁控制进行了实际应用设计。实际应用结果表明， 本系统采用的控制策略可获得满足开轧所要求的钢坯温度，并能保证煤气合理经 济燃烧以 及安全稳定运行。 在实现步进式加热炉自动控制的基础上，为了优化待轧时的供热制度，本文 对加热炉的优化待轧问题作了 深入的 研究。通常，加热炉优化待轧策略的确定是 以炉子数学模型为基础的， 但是工业过程的复杂性、 不确定性等特点往往使得我 们无法得到准确的过程模型， 这就给得出 精确的优化待轧策略带来了很大的困难。 灰色局势决策方法是一种不依赖于过程模型先验知识的目 标决策方法。本文在对 待轧过程和供热制度变化对钢坯出炉温度影响进行了深入分析的基础上，根据待 轧时间的不确定性，利用多目 标灰色局势决策方法，得出了不同待轧时间的待轧 优化控制策略，达到节约燃料、减少烧损，保证钢坯加热质量以及待轧结束后能 及时恢复生产的目的。 关键词步进式加热炉双交叉限幅控制待轧灰色局势决策 东北大学硕士学位论文 t h e d e s i g n a n d r e s e a r c h o f w a l k i n g b e a m r e h e a t i n g f u rna c e c o n tr o l s y s t e m ab s t r a c t a s t h e m a i n p r o c e s s e q u i p m e n t i n m e t a l l u r g y e n t e r p r i s e , t h e s t r a t e g y o f a u t o m a t i c c o n t r o l o f r e h e a t i n g f u r n a c e i s o n e o f t h e m o s t i m p o r ta n t r e s e a r c h t o p i c s i n t h e f i e l d o f r e l a t e d p r o c e s s c o n t r o l . h o w t o d e s i g n a n e x c e l l e n t a u t o m a t i c c o n t r o l s y s t e m , w h i c h c a n n o t o n ly e n s u re t h e h e a t i n g q u a l i t y , b u t a l s o e c o n o m i z e e n e r g y c o n s u m e , e n s u r e g o o d b u rn i n g q u a l i t y , p r o l o n g t h e l i f e o f t h e e q u i p m e n t s , a r e t h e m a i n p r o b l e m s w a i t in g t o b e s o l v e d . b a s e d o n t h e d e s i g n o f a u t o m a t i c c o n t r o l s y s t e m o f w a lk i n g b e a m r e h e a t i n g f u r n a c e o f q u a n x i n s t e e l p l a n t , t h i s t h e s i s f i r s t l y i n t r o d u c e s t h e c r a ft w o r k o f w a l k i n g b e a m r e h e a t i n g f u rn a c e a n d t h e c o n t rol r e q u e s t s o f c o m p u t e r - a i d e d c o n t r o l s y s t e m , t h e n o n t h e b a s e o f a n a l y s i s o f t h e s y s t e m c o n t r o l r e q u i r e s , t h e f u n c t i o n s a n d t r a i t s o f t h e h a r d w a r e a n d s o ft w a r e a p p li e d i n t h e s y s t e m a r e i n t r o d u c e d , a n d t h e r e a l i z a t i o n o f t h e c o n t r o l s y s t e m i s i n t r o d u c e d i n d e t a i l w i t h e m p h a s i s o n t h e h mi ( h u m a n ma c h i n e i n t e r f a c e ) fu n c t io n s a n d c o n t r o l p r o g r a m s . s e c o n d l y , t h e a c t u a l c o n t r o l s y s t e m s t r a t e g i e s a re i n t ro d u c e d i n d e t a i l . t h e a p p l i c a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e s t r a t e g i e s m a y i n c r e a s e c o n t ro l a c c u r a c y o f r e h e a t i n g f u rn a c e a n d o b t a i n t h e b i l l e t t e m p e r a t u r e t h a t s t a r t - r o l l in g r e q u i r e s a s w e l l a s e n s u r e e c o n o m i c a l c o m b u s t i o n a n d s a f e t y o p e r a t i o n . o n t h e b a s e o f r e a l i z in g a u t o c o n t r o l o f r e h e a t i n g f u r n a c e , t h e o p t i m i z e d d e c i s i o n m a k i n g o f h e a t s u p p l y d u r i n g t h e p e r i o d o f r o l l i n g d e l a y i s d e e p l y s t u d i e d i n t h e t h e s i s , t h e a p p r o a c h m e n t i o n e d i n t h e t h e s i s s p u rns t h e t r a d i t i o n a l m a t h e m a t i c a l m o d e l , f o r t h e a c c u r a t e m a t h e m a t i c a l m o d e l i s d i f fi c u l t f o r u s t o a c h i e v e i n t h e c o m p l e x a n d u n c e r t a i n c a s e o f r o l l i n g d e la y . t h e p r o c e s s o f r o l li n g d e l a y i s a n a l y z e d a n d t h e p r i n c i p l e o f u n i f o r m r e d u c t i o n i s p r e s e n t e d o n t h e e f f e c t o f h e a t i n g s c h e d u l e o n d i s c h a r g i n g t e m p e r a t u r e .玩 v i e w o f t h e u n c e rt a i n t y o f rol l i n g d e l a y t i m e , t h e m e t h o d o f m u l t i - o b j e c t i v e g r a y s t a t e d e c i s i o n m a k i n g i s a p p l i e d . f o r d i f f e r e n t d e l a y t i m e , t h e o p t i m a l s tr a t e g i e s h a v e b e e n o b t a i n e d b y u s i n g t h e m e t h o d o f m u l t i - t a r g e t g r a y s t a t e d e c i s i o n . t h e o p t i m a l s t r a t e g y c a n m i n i m i z e t h e f u e l c o n s u m p t i o n a n d m e t a l o x i d a t i o n , 一 i n- 东 北大学硕士学位论文ab s t r a c t e n s u r e t h e h e a t q u a l i t y a n d r e s u me n o r m a l p r o d u c t i o n q u i c k l y . k e y w o r d sw a l k i n g b e a m r e h e a t i n g f u r n a c e d o u b l e - c ros s l i mi t c o n t r o l r o l l in g d e l a y g a y s t a t e d e c i s i o n m a k i n g i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 日期:. 2 t : z a a、 口 才 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定:即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将 学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流， 请在下方签名; 否则视为不同意。 ) 学位论文作者签名: 签字日期:d 1 o o ,( a 导师签名 签字日期 : / ijv : f咬. 2 东北大学硕士学位论文第一幸 绪论 第一章绪 论 1 . 1步进梁加热炉简介 轧钢工业的加热炉型一般有推钢式炉和步进式炉两种， 但推钢式炉有长度短、 产t低、烧损大， 操作不当时会粘钢造成生产上的问题，钢坯断面温差较大，钢 坯背面滑轨擦痕多，难以实现管理自 动化。由于推钢式炉有难以克服的缺点，而 步进梁式炉是靠专用的步进机构， 在炉内做矩形运动来移送钢坯， 钥坯之间可以 留出空隙， 钢坯和步进梁之间没有摩擦，出 炉钢坯通过托出 装置出 炉， 完全消除 了滑轨擦痕，又有适合加热断面较大的坯料，钢坯加热断面温差小、加热均匀以 及可出空炉料， 炉长不受限 制， 产盈高、生产操作灵活等特点， 其生产符合高产、 优质、 低耗、节能、 无公害以 及生产操作自 动化的工艺要求川 . 为了对钢坯实现有效的加热，步进式加热炉沿炉长方向分为:预热段、加热 段和均热段，如图1 . 1 所示。有的步进式加热炉加热段分为一加热段和二加热段。 预热段长度较长，可以充分利用烟气来预热装炉钢坯，从而提高燃料的利用率。 钢坯在加热初期会因温差过大而产生热应力，因此要求控制升温速度。钢坯经过 预热段预热后进入加热段，加热段是加热炉中最重要的段，钢坯在加热段被加热 的程度决定了钢坯是否能被烧透、炉口能否正常出 钢。均热段主要将钢坯均匀加 热到规定的出钢温度。若均热段温度过高，将出现钢体打滑现象，温度过低，则 不能出钢。三段的温度互相拐合，互相影响。 均 翻 . ! 加 能 预热吸 图1 . 1 步进式加热炉工艺图 f i g l . 1 t h e c r a ft w o r k m a p o f w a l k i n g b e a m r e h e a t i n g f u rn a c e 步进式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， 为了保证燃烧的高效进行，一般采用双交叉限幅燃烧控制系统和带动态补偿的炉 膛压力控制系统，同时对炉膛温度和炉膛压力进行控制。 在步进式加热炉里，钢坯的移动是通过固定梁和载有钢坯的移动梁进行的， 东北大学硕士学位论文第一幸 绪论 第一章绪 论 1 . 1步进梁加热炉简介 轧钢工业的加热炉型一般有推钢式炉和步进式炉两种， 但推钢式炉有长度短、 产t低、烧损大， 操作不当时会粘钢造成生产上的问题，钢坯断面温差较大，钢 坯背面滑轨擦痕多，难以实现管理自 动化。由于推钢式炉有难以克服的缺点，而 步进梁式炉是靠专用的步进机构， 在炉内做矩形运动来移送钢坯， 钥坯之间可以 留出空隙， 钢坯和步进梁之间没有摩擦，出 炉钢坯通过托出 装置出 炉， 完全消除 了滑轨擦痕，又有适合加热断面较大的坯料，钢坯加热断面温差小、加热均匀以 及可出空炉料， 炉长不受限 制， 产盈高、生产操作灵活等特点， 其生产符合高产、 优质、 低耗、节能、 无公害以 及生产操作自 动化的工艺要求川 . 为了对钢坯实现有效的加热，步进式加热炉沿炉长方向分为:预热段、加热 段和均热段，如图1 . 1 所示。有的步进式加热炉加热段分为一加热段和二加热段。 预热段长度较长，可以充分利用烟气来预热装炉钢坯，从而提高燃料的利用率。 钢坯在加热初期会因温差过大而产生热应力，因此要求控制升温速度。钢坯经过 预热段预热后进入加热段，加热段是加热炉中最重要的段，钢坯在加热段被加热 的程度决定了钢坯是否能被烧透、炉口能否正常出 钢。均热段主要将钢坯均匀加 热到规定的出钢温度。若均热段温度过高，将出现钢体打滑现象，温度过低，则 不能出钢。三段的温度互相拐合，互相影响。 均 翻 . ! 加 能 预热吸 图1 . 1 步进式加热炉工艺图 f i g l . 1 t h e c r a ft w o r k m a p o f w a l k i n g b e a m r e h e a t i n g f u rn a c e 步进式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， 为了保证燃烧的高效进行，一般采用双交叉限幅燃烧控制系统和带动态补偿的炉 膛压力控制系统，同时对炉膛温度和炉膛压力进行控制。 在步进式加热炉里，钢坯的移动是通过固定梁和载有钢坯的移动梁进行的， 东 北大学 硕士学位论文第一章 绪论 在固定梁上的钢坯，通过移动梁反复地上升、前进、下降、后退的矩形运动，每 一个循环运动过程使钢坯在炉内的梁上发生滑动就前进一步。传动机构的上下运 动和前后运动分别是独立机构构成的。支撑在辊子上的步进梁的前进、 后退多 采 用油压传动方式。上下运动采用各种方式，如采用油压或采用电动。炉子装钢要 保持规定的间隔， 用推钢机或输送机装入炉内。 加热好的钢坯出 钢采用出 钢装置 送入下一步工序。 1 .2国内外加热炉计算机控制系统研究和应用现状 1 .2 . 1国外加热炉计算机控制系统研究和应用现状 1 9 6 7 年4 月，由 美国 米兰德公司设计的 世界上第一台 步进梁式加热炉问 世， 接着日 本中外炉公司为名古屋钢铁厂设计的世界第二座步进梁式加热炉于同年 5 月投产冈 。 2 0 世纪7 0 年代末期， 工业发达国 家的大型连续加热炉的计算机控制己 进入实 用阶段， 但就其控制策略而言， 主要还局限于燃烧控制。 近二十多年来， 国际上对加热炉的模型化及计算机最优控制的 研究不断深入， 到目 前为止，已 经取得了 很多成果， 并且工业发达国 家的大型连续加热炉大多数 己 经利用这些成果实 现了 加热炉的模型化最优控制， 获得了巨 大的经济效益。 例 如:瑞典a b b公司与荷兰h o o g o v e n s 钢铁公司的研究部门合作，成功地研制 了 加热炉过程在线模型， 此模型实现加热炉最佳曲 线的计算和优化控制，并已 成 功地应用于瑞典的s s a b公司d o m n a r v e t 厂的9 段加热炉， 对加热炉实现计算 机优化控制后，使粗轧机出口 温度目 标值的准确度达到1 1 0 c，与常 规作业相比 节 约 燃 料6 . 1 % 1 1 : 法国s t e i n - h e u r t e y公 司 开 发的 最 佳 加 热、 热 状 态 模型、 出 炉钢坯温降模型、最佳设定值计算组成的加热炉最优控制系统， 解决了当 装炉钢 坯品 种规格变化大或轧线出现计划、非计划生产停顿时， 精确控制钢坯出 炉温度 和温度 均匀性问 题， 并在该公司 及其后设计的 加热炉中 得到广泛的 应用川 ; 美国 l u k e n s 钢铁公司c o n h o h o c h e n厂两台板材轧机的 推钢式加热炉配置了 一套 计算机控制系统， 此控制系统由 加热炉计算机、生产调度计算机组成局部网 络， 加热炉计算机采用d e c mi c r o v a x 1 1 以 监控两个炉子的加热过程， 第一级控制 系统实现加热炉各个区的空燃比、 炉压、空气压力和热风放散等控制，并实现包 括燃料选择在内的全部逻辑功能，系统软件由钢坯跟踪程序、加热炉温度模型程 东 北大学 硕士学位论文第一章 绪论 在固定梁上的钢坯，通过移动梁反复地上升、前进、下降、后退的矩形运动，每 一个循环运动过程使钢坯在炉内的梁上发生滑动就前进一步。传动机构的上下运 动和前后运动分别是独立机构构成的。支撑在辊子上的步进梁的前进、 后退多 采 用油压传动方式。上下运动采用各种方式，如采用油压或采用电动。炉子装钢要 保持规定的间隔， 用推钢机或输送机装入炉内。 加热好的钢坯出 钢采用出 钢装置 送入下一步工序。 1 .2国内外加热炉计算机控制系统研究和应用现状 1 .2 . 1国外加热炉计算机控制系统研究和应用现状 1 9 6 7 年4 月，由 美国 米兰德公司设计的 世界上第一台 步进梁式加热炉问 世， 接着日 本中外炉公司为名古屋钢铁厂设计的世界第二座步进梁式加热炉于同年 5 月投产冈 。 2 0 世纪7 0 年代末期， 工业发达国 家的大型连续加热炉的计算机控制己 进入实 用阶段， 但就其控制策略而言， 主要还局限于燃烧控制。 近二十多年来， 国际上对加热炉的模型化及计算机最优控制的 研究不断深入， 到目 前为止，已 经取得了 很多成果， 并且工业发达国 家的大型连续加热炉大多数 己 经利用这些成果实 现了 加热炉的模型化最优控制， 获得了巨 大的经济效益。 例 如:瑞典a b b公司与荷兰h o o g o v e n s 钢铁公司的研究部门合作，成功地研制 了 加热炉过程在线模型， 此模型实现加热炉最佳曲 线的计算和优化控制，并已 成 功地应用于瑞典的s s a b公司d o m n a r v e t 厂的9 段加热炉， 对加热炉实现计算 机优化控制后，使粗轧机出口 温度目 标值的准确度达到1 1 0 c，与常 规作业相比 节 约 燃 料6 . 1 % 1 1 : 法国s t e i n - h e u r t e y公 司 开 发的 最 佳 加 热、 热 状 态 模型、 出 炉钢坯温降模型、最佳设定值计算组成的加热炉最优控制系统， 解决了当 装炉钢 坯品 种规格变化大或轧线出现计划、非计划生产停顿时， 精确控制钢坯出 炉温度 和温度 均匀性问 题， 并在该公司 及其后设计的 加热炉中 得到广泛的 应用川 ; 美国 l u k e n s 钢铁公司c o n h o h o c h e n厂两台板材轧机的 推钢式加热炉配置了 一套 计算机控制系统， 此控制系统由 加热炉计算机、生产调度计算机组成局部网 络， 加热炉计算机采用d e c mi c r o v a x 1 1 以 监控两个炉子的加热过程， 第一级控制 系统实现加热炉各个区的空燃比、 炉压、空气压力和热风放散等控制，并实现包 括燃料选择在内的全部逻辑功能，系统软件由钢坯跟踪程序、加热炉温度模型程 东 北大学 硕士学位论文第一章 绪论 在固定梁上的钢坯，通过移动梁反复地上升、前进、下降、后退的矩形运动，每 一个循环运动过程使钢坯在炉内的梁上发生滑动就前进一步。传动机构的上下运 动和前后运动分别是独立机构构成的。支撑在辊子上的步进梁的前进、 后退多 采 用油压传动方式。上下运动采用各种方式，如采用油压或采用电动。炉子装钢要 保持规定的间隔， 用推钢机或输送机装入炉内。 加热好的钢坯出 钢采用出 钢装置 送入下一步工序。 1 .2国内外加热炉计算机控制系统研究和应用现状 1 .2 . 1国外加热炉计算机控制系统研究和应用现状 1 9 6 7 年4 月，由 美国 米兰德公司设计的 世界上第一台 步进梁式加热炉问 世， 接着日 本中外炉公司为名古屋钢铁厂设计的世界第二座步进梁式加热炉于同年 5 月投产冈 。 2 0 世纪7 0 年代末期， 工业发达国 家的大型连续加热炉的计算机控制己 进入实 用阶段， 但就其控制策略而言， 主要还局限于燃烧控制。 近二十多年来， 国际上对加热炉的模型化及计算机最优控制的 研究不断深入， 到目 前为止，已 经取得了 很多成果， 并且工业发达国 家的大型连续加热炉大多数 己 经利用这些成果实 现了 加热炉的模型化最优控制， 获得了巨 大的经济效益。 例 如:瑞典a b b公司与荷兰h o o g o v e n s 钢铁公司的研究部门合作，成功地研制 了 加热炉过程在线模型， 此模型实现加热炉最佳曲 线的计算和优化控制，并已 成 功地应用于瑞典的s s a b公司d o m n a r v e t 厂的9 段加热炉， 对加热炉实现计算 机优化控制后，使粗轧机出口 温度目 标值的准确度达到1 1 0 c，与常 规作业相比 节 约 燃 料6 . 1 % 1 1 : 法国s t e i n - h e u r t e y公 司 开 发的 最 佳 加 热、 热 状 态 模型、 出 炉钢坯温降模型、最佳设定值计算组成的加热炉最优控制系统， 解决了当 装炉钢 坯品 种规格变化大或轧线出现计划、非计划生产停顿时， 精确控制钢坯出 炉温度 和温度 均匀性问 题， 并在该公司 及其后设计的 加热炉中 得到广泛的 应用川 ; 美国 l u k e n s 钢铁公司c o n h o h o c h e n厂两台板材轧机的 推钢式加热炉配置了 一套 计算机控制系统， 此控制系统由 加热炉计算机、生产调度计算机组成局部网 络， 加热炉计算机采用d e c mi c r o v a x 1 1 以 监控两个炉子的加热过程， 第一级控制 系统实现加热炉各个区的空燃比、 炉压、空气压力和热风放散等控制，并实现包 括燃料选择在内的全部逻辑功能，系统软件由钢坯跟踪程序、加热炉温度模型程 东北大学 硕士学 位论文第 一章 绪 论 序、设定值选择程序和生产调度模型程序组成，该系统成功的关键是实时温度模 型 程 序， 此 温 度模 型 是一 维 热 传导 机 理 模 型 15 1 ; 美国i n la n d s 8 0 - i n 热轧 厂 的 两 座钢 坯加热步进式加热炉实现了以 在线数学模型为基础的监督控制系统，可实时预测 钢坯温度、调整炉温设定值、调整步进机构的步进速率，使预测钢温接近目 标值 且一定程度减少能耗，该热轧厂的钢坯加热控制系统是美国 加热炉控制领域中第 一家实现完全自 动化的系统， 是今后加热炉自 动化改造的典范， 据其统计， 由1 9 9 1 年加热每吨钢平均消耗1 4 8 . 9 万b t u 减少到1 9 9 2 年的1 3 8 .0 万b t u ， 每年可以节约 4 0 0 万 美 元 6 1 ; y a m a t a k e - h o n e y w e l l 公司 采 用t d c 3 0 0 0 b a s i c 系 统 构 成 多 种 钢坯 混合的步进辐射式加热炉的全自 动燃烧控制系统，根据炉子产量、装炉钢坯温度 以 及钢坯跟踪信号 进行各加热区的自 动炉温优化设定7 1 。 近年来， 国 外人工智能 和 发展的实用化，特别是模糊控制和专家系统取得成功，己用于加热炉控制中，如 日 本川崎钢铁的加热炉控制系统。 1 .2 . 2国内 加热炉计算机控制系统研究和应用现状 我国从8 0 年代初开始进入加热炉计算机控制系统研究阶段。就国内 来说， 我 国钢铁企业现有轧钢炉窖近千座，其中加热炉 7 0 0多座。有些加热炉可达到国外 9 0年代水平，但发展极不平衡， 先进与落后差距很大。目 前，国内 大多 数加热炉 的计算机控制水平很低，虽然引 进了 一些先进的 控制系统和设备， 但绝大部分加 热炉计算机控制系统仍然处在计算机过程控制的水平上，且仅局限于以 燃烧控制 技术为荃础，绝大部分未能实现模型化控制，甚至还有少数加热炉由人工操作， 其加热质t和能耗相距甚远。 近几年来，随着学科交叉的日 益深入、计算机科学的不断发展和现代控制理 论的逐渐成熟，国内 对加热炉数学模型的研究越来越活跃起来，并且取得了一些 进展。例如:陈永、张卫军、陈海耿以能童平衡和热传导方程为基础，建立较为 严密的炉子简化模型，使燃料消耗这个目 标量与钢温联系起来，构成燃料消耗最 低的 真实目 标函 数， 从 而 可以 运 用 最 优升 温曲 线 18 1 ; 为 充 分 减 少加 热 炉工 况、 运 行 条件和环境等变化因素对加热炉描写精确化带来的 不利影响， 梁军引入模型在线 辨识机制，推导了一个具有在线校正功能的离散化模型，并在此基础上，运用了 广义最小方差控制原理设计相应的自 校正控制算法19 1 ; 杨宗山、 陆宗武以 热平衡原 理为理论基础，建立加热炉的机理数学模型，直接以加热炉各段燃料消耗为目 标， 实现加热炉各段燃料的最小化， 并且根据所得模型， 按照炉内 加热耗能最小的原 东北大学 硕士学 位论文第 一章 绪 论 序、设定值选择程序和生产调度模型程序组成，该系统成功的关键是实时温度模 型 程 序， 此 温 度模 型 是一 维 热 传导 机 理 模 型 15 1 ; 美国i n la n d s 8 0 - i n 热轧 厂 的 两 座钢 坯加热步进式加热炉实现了以 在线数学模型为基础的监督控制系统，可实时预测 钢坯温度、调整炉温设定值、调整步进机构的步进速率，使预测钢温接近目 标值 且一定程度减少能耗，该热轧厂的钢坯加热控制系统是美国 加热炉控制领域中第 一家实现完全自 动化的系统， 是今后加热炉自 动化改造的典范， 据其统计， 由1 9 9 1 年加热每吨钢平均消耗1 4 8 . 9 万b t u 减少到1 9 9 2 年的1 3 8 .0 万b t u ， 每年可以节约 4 0 0 万 美 元 6 1 ; y a m a t a k e - h o n e y w e l l 公司 采 用t d c 3 0 0 0 b a s i c 系 统 构 成 多 种 钢坯 混合的步进辐射式加热炉的全自 动燃烧控制系统，根据炉子产量、装炉钢坯温度 以 及钢坯跟踪信号 进行各加热区的自 动炉温优化设定7 1 。 近年来， 国 外人工智能 和 发展的实用化，特别是模糊控制和专家系统取得成功，己用于加热炉控制中，如 日 本川崎钢铁的加热炉控制系统。 1 .2 . 2国内 加热炉计算机控制系统研究和应用现状 我国从8 0 年代初开始进入加热炉计算机控制系统研究阶段。就国内 来说， 我 国钢铁企业现有轧钢炉窖近千座，其中加热炉 7 0 0多座。有些加热炉可达到国外 9 0年代水平，但发展极不平衡， 先进与落后差距很大。目 前，国内 大多 数加热炉 的计算机控制水平很低，虽然引 进了 一些先进的 控制系统和设备， 但绝大部分加 热炉计算机控制系统仍然处在计算机过程控制的水平上，且仅局限于以 燃烧控制 技术为荃础，绝大部分未能实现模型化控制，甚至还有少数加热炉由人工操作， 其加热质t和能耗相距甚远。 近几年来，随着学科交叉的日 益深入、计算机科学的不断发展和现代控制理 论的逐渐成熟，国内 对加热炉数学模型的研究越来越活跃起来，并且取得了一些 进展。例如:陈永、张卫军、陈海耿以能童平衡和热传导方程为基础，建立较为 严密的炉子简化模型，使燃料消耗这个目 标量与钢温联系起来，构成燃料消耗最 低的 真实目 标函 数， 从 而 可以 运 用 最 优升 温曲 线 18 1 ; 为 充 分 减 少加 热 炉工 况、 运 行 条件和环境等变化因素对加热炉描写精确化带来的 不利影响， 梁军引入模型在线 辨识机制，推导了一个具有在线校正功能的离散化模型，并在此基础上，运用了 广义最小方差控制原理设计相应的自 校正控制算法19 1 ; 杨宗山、 陆宗武以 热平衡原 理为理论基础，建立加热炉的机理数学模型，直接以加热炉各段燃料消耗为目 标， 实现加热炉各段燃料的最小化， 并且根据所得模型， 按照炉内 加热耗能最小的原 东 北大学 硕士学 位论文第 一章 绪 论 则 ， 实 现 了 最 优 递 阶 计 算 机 控 制 10 1 。 虽 然 加 热 炉 数 学 模型目 前已 取 得了 一 些 研 究 成果，但还有许多的工作可做， 如何有效地把加热炉的工艺特点和实验数据结合 起来形成一种工艺模型，并利用机理模型和热平衡计算来修正该模型将成为今后 数 学 模型 的 一 个 重 要 研究 领 域 。 1 。 在加热炉模型化研究的同时，计算机控制应用也日 趋广泛，提出了新的控制 策略，控制水平有所提高，甚至有的加热炉计算机控制系统部分实现了以 数学模 型为主导的钢坯温度控制。例如:莱钢热轧窄带钢步进式加热炉计算机优化控制 系统中的热工控制由 直接数字控制 ( d c c ) 和计算机监督控制 (c s c c ) 两级组成， d c c级的燃烧控制实现了 双交叉限幅控制，并提出切除积分的4 点补充条件，改 善了控制效果，同时以软件的方式实现了煤气热值的动态实时估算，保证了空气 消耗系数随热值同步变化， s c c级提出了考虑二维效应的一维平板模型，提高了 模拟的精度，并以段法的离线分析解决了总括热吸收率的动态补偿问 题，还建立 了 金属氧化烧损模型，对金属氧化烧损量进行在线实时跟踪计算，有利于降低氧 化 烧损， 实 现了 加热炉的 优化控 制 1 2 1 ; 秦皇岛 首钢板 材有限公司 加热 炉计 算机控 制系统，避开许多难以检测的物理t及建立精确数学模型的困难，而直接根据系 统中易于检测的 温度、压力、 流it 等三种物理a， 采用智能控制技术设计了 智能 控 制器， 进行系 统辨识， 实 现了 加热 炉的 智能 和优化控制， 炉子的单 耗从4 7 .6 8 3 k g / t 下降 到3 3 .0 4 k g / t . 氧化 烧 损 从1 .6 7 % 下降 到。 .9 6 % 1 3 1 ; 浙江 大学 的 梁 军 将智 能 控 制 的思想和方法与自 校正控制技术相结合，提出了一个基于知识和在线辨识机制的 加热炉混合智能控制系统，还在此基础上，进一步研制开发成功了一套轧钢加热 炉计 算机 集成 控制系 统“ f u r n c o n ， 并已 应用在多 个轧钢厂的 加热炉中 t a ,t s l 总之，我国的理论研究虽已赶上国际水平，但与工业发达国家相比，差距仍 然不小。为了 提高我国加热炉控制的水平，还有大童的工作有待于进一步开展。 1 . 3山东泉伯步进梁加热炉控制系统概况 1 . 3 . 1山 东步进粱加热炉工艺概述 山东泉信公司新建一年产2 5 万吨棒材、带钢和荒管生产线，生产不锈钢、高 碳钢等。其加热炉炉型为三段供热侧进侧出蓄热式步进梁加热炉。 加热炉自 装料端至出料端沿炉长上分为预热段、加热一段、加热二段及均热 段。为了便于灵活调节各段炉温，在加热二段与均热段之间设有无水冷隔墙。用 东 北大学 硕士学 位论文第 一章 绪 论 则 ， 实 现 了 最 优 递 阶 计 算 机 控 制 10 1 。 虽 然 加 热 炉 数 学 模型目 前已 取 得了 一 些 研 究 成果，但还有许多的工作可做， 如何有效地把加热炉的工艺特点和实验数据结合 起来形成一种工艺模型，并利用机理模型和热平衡计算来修正该模型将成为今后 数 学 模型 的 一 个 重 要 研究 领 域 。 1 。 在加热炉模型化研究的同时，计算机控制应用也日 趋广泛，提出了新的控制 策略，控制水平有所提高，甚至有的加热炉计算机控制系统部分实现了以 数学模 型为主导的钢坯温度控制。例如:莱钢热轧窄带钢步进式加热炉计算机优化控制 系统中的热工控制由 直接数字控制 ( d c c ) 和计算机监督控制 (c s c c ) 两级组成， d c c级的燃烧控制实现了 双交叉限幅控制，并提出切除积分的4 点补充条件，改 善了控制效果，同时以软件的方式实现了煤气热值的动态实时估算，保证了空气 消耗系数随热值同步变化， s c c级提出了考虑二维效应的一维平板模型，提高了 模拟的精度，并以段法的离线分析解决了总括热吸收率的动态补偿问 题，还建立 了 金属氧化烧损模型，对金属氧化烧损量进行在线实时跟踪计算，有利于降低氧 化 烧损， 实 现了 加热炉的 优化控 制 1 2 1 ; 秦皇岛 首钢板 材有限公司 加热 炉计 算机控 制系统，避开许多难以检测的物理t及建立精确数学模型的困难，而直接根据系 统中易于检测的 温度、压力、 流it 等三种物理a， 采用智能控制技术设计了 智能 控 制器， 进行系 统辨识， 实 现了 加热 炉的 智能 和优化控制， 炉子的单 耗从4 7 .6 8 3 k g / t 下降 到3 3 .0 4 k g / t . 氧化 烧 损 从1 .6 7 % 下降 到。 .9 6 % 1 3 1 ; 浙江 大学 的 梁 军 将智 能 控 制 的思想和方法与自 校正控制技术相结合，提出了一个基于知识和在线辨识机制的 加热炉混合智能控制系统，还在此基础上，进一步研制开发成功了一套轧钢加热 炉计 算机 集成 控制系 统“ f u r n c o n ， 并已 应用在多 个轧钢厂的 加热炉中 t a ,t s l 总之，我国的理论研究虽已赶上国际水平，但与工业发达国家相比，差距仍 然不小。为了 提高我国加热炉控制的水平，还有大童的工作有待于进一步开展。 1 . 3山东泉伯步进梁加热炉控制系统概况 1 . 3 . 1山 东步进粱加热炉工艺概述 山东泉信公司新建一年产2 5 万吨棒材、带钢和荒管生产线，生产不锈钢、高 碳钢等。其加热炉炉型为三段供热侧进侧出蓄热式步进梁加热炉。 加热炉自 装料端至出料端沿炉长上分为预热段、加热一段、加热二段及均热 段。为了便于灵活调节各段炉温，在加热二段与均热段之间设有无水冷隔墙。用 东 北大学 硕士学 位论文第 一章 绪 论 则 ， 实 现 了 最 优 递 阶 计 算 机 控 制 10 1 。 虽 然 加 热 炉 数 学 模型目 前已 取 得了 一 些 研 究 成果，但还有许多的工作可做， 如何有效地把加热炉的工艺特点和实验数据结合 起来形成一种工艺模型，并利用机理模型和热平衡计算来修正该模型将成为今后 数 学 模型 的 一 个 重 要 研究 领 域 。 1 。 在加热炉模型化研究的同时，计算机控制应用也日 趋广泛，提出了新的控制 策略，控制水平有所提高，甚至有的加热炉计算机控制系统部分实现了以 数学模 型为主导的钢坯温度控制。例如:莱钢热轧窄带钢步进式加热炉计算机优化控制 系统中的热工控制由 直接数字控制 ( d c c ) 和计算机监督控制 (c s c c ) 两级组成， d c c级的燃烧控制实现了 双交叉限幅控制，并提出切除积分的4 点补充条件，改 善了控制效果，同时以软件的方式实现了煤气热值的动态实时估算，保证了空气 消耗系数随热值同步变化， s c c级提出了考虑二维效应的一维平板模型，提高了 模拟的精度，并以段法的离线分析解决了总括热吸收率的动态补偿问 题，还建立 了 金属氧化烧损模型，对金属氧化烧损量进行在线实时跟踪计算，有利于降低氧 化 烧损， 实 现了 加热炉的 优化控 制 1 2 1 ; 秦皇岛 首钢板 材有限公司 加热 炉计 算机控 制系统，避开许多难以检测的物理t及建立精确数学模型的困难，而直接根据系 统中易于检测的 温度、压力、 流it 等三种物理a， 采用智能控制技术设计了 智能 控 制器， 进行系 统辨识， 实 现了 加热 炉的 智能 和优化控制， 炉子的单 耗从4 7 .6 8 3 k g / t 下降 到3 3 .0 4 k g / t . 氧化 烧 损 从1 .6 7 % 下降 到。 .9 6 % 1 3 1 ; 浙江 大学 的 梁 军 将智 能 控 制 的思想和方法与自 校正控制技术相结合，提出了一个基于知识和在线辨识机制的 加热炉混合智能控制系统，还在此基础上，进一步研制开发成功了一套轧钢加热 炉计 算机 集成 控制系 统“ f u r n c o n ， 并已 应用在多 个轧钢厂的 加热炉中 t a ,t s l 总之，我国的理论研究虽已赶上国际水平，但与工业发达国家相比，差距仍 然不小。为了 提高我国加热炉控制的水平，还有大童的工作有待于进一步开展。 1 . 3山东泉伯步进梁加热炉控制系统概况 1 . 3 . 1山 东步进粱加热炉工艺概述 山东泉信公司新建一年产2 5 万吨棒材、带钢和荒管生产线，生产不锈钢、高 碳钢等。其加热炉炉型为三段供热侧进侧出蓄热式步进梁加热炉。 加热炉自 装料端至出料端沿炉长上分为预热段、加热一段、加热二段及均热 段。为了便于灵活调节各段炉温，在加热二段与均热段之间设有无水冷隔墙。用 东 北大学 硕士学 位论文第一幸 绪 论 无水冷隔墙隔开，可以精确控制两段炉温和炉压，减少两段之间的辐射干扰。各 段均为上下加热，采用分布在炉子侧墙上的蓄热式烧嘴进行供热。通过每对蓄热 式烧嘴的 切换燃烧， 加强了炉气在炉内的扰动， 增强了 炉气对钢坯的传热。 空气 预热温度1 0 0 0 以上，排烟温度1 5 0 以下。 加热工艺的操作包括正常生产时的加热温度、加热速度、加热时间等工艺参 数的控制，以 及对炉内 气氛和炉压控制等项。计算机还有适应轧机计划和非计划 停轧的功能。 炉内 钢坯通过步 进梁的步进动作，自 装料端一步一步经过加热一段、加热二 段和均热段传送到炉子的出 料端。在接到轧机要钢信号后， 步进梁就将固定梁上 最终料位处的钥坯托放在出料悬劈辊上面，然后送出 进入轧线轧制。 全炉采用3 2 台 蓄热式烧嘴， 每套烧嘴配备一套独立的换向 系统， 最大限 度的 保证了生产的连续稳定运行。 通过控制烧嘴的开闭，可以适应多品种、小批量生 产的需要。在加热特殊钢种时，可以根据实际情况关闭一加热段靠近炉尾的部分 烧嘴，延长预热段长度，方便的实现低温入炉。 在不需要低温入炉同时又有较大 产盆要求时，可以将全部烧嘴打开， 延长加热段长度，提高产$. 最大限度的实 现操作的灵活性。 加热炉采用侧进料、侧出料，可以减少冷风吸入和高温炉气外溢，必要时可 出 空炉。 确保钥坯初始位定 位准确， 保证钥坯在炉内 运行后准确达到出炉辊上面， 顺利出炉。 1 .3 . 2山 东步进梁加热炉检侧及控制要求 山东泉信公司加热炉其检测与控制系统功能包括: 连续检铡烧钢过程中的各 项工艺参数，实现煤气流t和空气流童配比 燃烧的自 动控制， 蓄热嫩烧换向 系统 的自 动控制，装、出料辊道控制，步进梁的自 动控制， 液压站的自 动控制等。采 用p l c控制系统与一次检测仪表结合， 对以 上项目 及相关的保护措施等进行检测 并自 动控制。由 计算机系统的操作站监视全部生产过程， 保证加热炉节能、高效、 安全、 稳定运行。 1 . 3 . 2 . 1山 东加热炉检测点简介 ( 一) 温度检测 加热炉预热段、 加热段、均热段温度检测共7 点 ( 热电偶) 东 北大学 硕士学 位论文第一幸 绪 论 无水冷隔墙隔开，可以精确控制两段炉温和炉压，减少两段之间的辐射干扰。各 段均为上下加热，采用分布在炉子侧墙上的蓄热式烧嘴进行供热。通过每对蓄热 式烧嘴的 切换燃烧， 加强了炉气在炉内的扰动， 增强了 炉气对钢坯的传热。 空气 预热温度1 0 0 0 以上，排烟温度1 5 0 以下。 加