鞍鋼線材廠加熱爐工藝過程優(yōu)化控制系統(tǒng)研制報(bào)告

1、鞍鋼線材廠加熱爐工藝過程優(yōu)化控制系統(tǒng)研制報(bào)告鞍山市戴維冶金科技開發(fā)有限公司2009-12 目錄1.研制背景32.鞍鋼線材廠加熱爐系統(tǒng)43.研究工作內(nèi)容53.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理53.2系統(tǒng)的模型組成63.3 專家系統(tǒng)知識庫203.3.1 制定待軋策略的原則253.3.2待軋時(shí)加熱爐爐溫的設(shè)定策略254.軋機(jī)電流305.研究不同熱工參數(shù)對氧化燒損、能源消耗的影響。316.使用效果評價(jià)337.經(jīng)濟(jì)效益3440鞍鋼線材廠加熱爐工藝過程優(yōu)化控制系統(tǒng)研發(fā)及 驗(yàn)收報(bào)告鞍山戴維冶金科技開發(fā)有限公司鞍鋼線材廠加熱爐工藝過程優(yōu)化控制系統(tǒng)研制報(bào)告1. 研制背景軋鋼加熱爐是一個(gè)典型的復(fù)雜工業(yè)過程控制系統(tǒng)，它幾乎具備了復(fù)雜

2、系統(tǒng)的所有特性，即建模困難、干擾嚴(yán)重，而且具有多變量、時(shí)變、非線性、耦合、大慣性兼滯后等特點(diǎn)。國際上對加熱爐的優(yōu)化控制開始于70年代，盛于80年代。國內(nèi)從80年代開始對這方面進(jìn)行研究。以前人們對加熱爐優(yōu)化控制研究主要集中在鋼坯的升溫過程的數(shù)學(xué)模型、爐溫優(yōu)化設(shè)定以及燃燒控制，近年來智能控制技術(shù)正逐步被應(yīng)用到加熱爐爐溫控制中。由于加熱爐內(nèi)的鋼坯溫度很難在線測量，尤其是鋼坯內(nèi)部的溫度無法直接測量，通常都是用計(jì)算機(jī)對鋼坯在爐內(nèi)的升溫過程進(jìn)行計(jì)算，過去這方面通常采用多元回歸的方法。例如武漢鋼鐵公司引進(jìn)的熱連軋加熱爐鋼坯升溫控制數(shù)學(xué)模型。多元回歸模型的缺點(diǎn)是準(zhǔn)確性不高，特別是生產(chǎn)條件與軋制節(jié)奏發(fā)生變化時(shí)。

3、另外，有人應(yīng)用分布參數(shù)理論建立了數(shù)學(xué)模型，并通過近似集中參數(shù)模型研究加熱爐的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化。但是這種方法的缺點(diǎn)是計(jì)算工作量很大，要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)估計(jì)及控制，需要相當(dāng)規(guī)模的控制計(jì)算機(jī)。近幾年，隨著加熱爐生產(chǎn)工藝的不斷完善和優(yōu)化，加熱爐生產(chǎn)自動(dòng)化控制水平也相應(yīng)提高和不斷深入。一般來說，自動(dòng)化控制系統(tǒng)分為制造執(zhí)行系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)和基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)三級。其中，過程控制級(也稱為二級或U)主要完成物料跟蹤、過程控制參數(shù)設(shè)定計(jì)算、質(zhì)量數(shù)據(jù)收集與分析，以及操作指導(dǎo)等任務(wù)，包括加熱爐過程控制計(jì)算機(jī)和軋線過程控制計(jì)算機(jī)兩個(gè)系統(tǒng)。目前，面向節(jié)能降耗、提高軋制產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量設(shè)計(jì)的加熱爐二級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已廣泛地應(yīng)用

4、于現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)的加熱爐生產(chǎn)控制中。目前，歐美一些國家、日本、俄羅斯等國己相繼開發(fā)了具有鋼坯位置跟蹤、鋼坯溫度跟蹤、裝出爐自動(dòng)化控制、終軋溫度控制等功能的二級優(yōu)化控制系統(tǒng)。一些帶有整個(gè)生產(chǎn)線物料跟蹤的高度自動(dòng)化的加熱爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究和實(shí)踐也己逐漸深入和提高。在國內(nèi)，多數(shù)工業(yè)爐窯計(jì)算機(jī)控制處于燃燒控制的第一層次.雖然數(shù)學(xué)模型的研究工作起步較早，但實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型優(yōu)化控制的工程實(shí)踐尚且較少。從2003年以來鞍鋼線材廠加熱爐管道、燒嘴進(jìn)行了改造，燃料由原有的重油該為高、焦混合煤氣，增加了自動(dòng)化檢測和調(diào)節(jié)裝置實(shí)現(xiàn)了一級燃燒基礎(chǔ)自動(dòng)化控制，并在此基礎(chǔ)上，于2004年新增了加熱爐加熱過程智能控制系統(tǒng)。近年來

5、，為了提高產(chǎn)品的市場競爭力，鞍鋼線材廠在增加產(chǎn)品品種的同時(shí)，對產(chǎn)品的質(zhì)量和性能、節(jié)能減排都提出了較高的要求，擬定在原有的加熱爐加熱過程智能控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上針對現(xiàn)有產(chǎn)品品種結(jié)構(gòu)、節(jié)能減排指標(biāo)提出進(jìn)一步完善要求，并在此研究工作中積累新線加熱爐設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的一些改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。2. 鞍鋼線材廠加熱爐系統(tǒng)線材廠梁底組合步進(jìn)式加熱爐的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2.1所示。該加熱爐沿著爐長方向分為預(yù)熱段、下加熱段、上加熱段和均熱段，其中預(yù)熱段的長度比較長，主要是為了充分利用煙氣的熱量來預(yù)熱鋼坯，從而提高燃料的利用率。為了將鋼坯加熱到規(guī)定的目標(biāo)溫度，加熱爐以高焦混合煤氣做為燃料，通過下加熱段、上加熱段和均熱段對鋼坯進(jìn)行加熱。在進(jìn)

6、行爐溫控制的時(shí)候，預(yù)熱段內(nèi)沒有設(shè)置燒嘴不參與控制，下加熱段、上加熱段和均熱段各段的均都設(shè)有燒嘴，加熱爐分為5個(gè)控制區(qū)域進(jìn)行控制，分別為下加熱段、上加熱段、均左段、均中段、均右段。鋼坯的加熱過程所述如下: 首先，推鋼機(jī)將鋼坯推入爐內(nèi)，加熱爐的步進(jìn)梁伸到鋼坯底部將鋼坯托起、前進(jìn)、下降，將鋼坯放到固定梁上，步進(jìn)梁接著下降脫離鋼坯，然后退到下一塊鋼坯的底部，再依次重復(fù)上述的托起、前進(jìn)、下降、脫離、后退等步驟，將下一塊鋼坯裝入爐內(nèi)，如此反復(fù)的運(yùn)動(dòng)，使得鋼坯在爐內(nèi)能夠步進(jìn)式地前進(jìn)，從預(yù)熱段經(jīng)下加熱段、上加熱段和均熱段的加熱，最終送到出爐端，然后由出鋼機(jī)將鋼坯推入軋機(jī)進(jìn)行軋制。加熱爐的熱工制度主要包括溫度制

7、度、燃料燃燒制度和爐壓制度等。為了保證燃燒的正常進(jìn)行，加熱爐采用了雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)與具備動(dòng)態(tài)補(bǔ)償功能的爐壓控制系統(tǒng)，同時(shí)對煤氣的、壓力與空氣的溫度、壓力以及熱風(fēng)放散溫度分別進(jìn)行控制。在生產(chǎn)線上，加熱爐應(yīng)該在保證向軋機(jī)提供符合工藝要求的鋼坯，同時(shí)盡可能地降低加熱爐的能耗和鋼坯的損耗，因而目前很多鋼廠普遍采用低溫出鋼的方法對鋼坯進(jìn)行加熱。通過這種方式不僅可以降低加熱爐的加熱能耗，而且對于延長加熱爐的使用壽命、減少爐體的渣量和清渣作業(yè) 都是很有利的。由于鋼坯的成本較高，因此應(yīng)在加熱過程中盡量減少鋼坯的燒損和氧化鐵皮以及防止脫碳等情況的發(fā)生就顯得尤為重要。3. 研究工作內(nèi)容3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理軋鋼

8、加熱爐是軋鋼生產(chǎn)過程的重要環(huán)節(jié)，其控制的主要任務(wù)是按照軋制生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃，克服坯料鋼種尺寸、出鋼節(jié)奏、燃料熱值、入爐鋼溫等工藝參數(shù)條件急劇、大幅度、頻繁變化的干擾，將鋼坯加熱到軋制工藝要求溫度水平，并在確保高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的情況下，盡可能的降低燃料消耗，減少鋼坯氧化燒損消耗。由于爐內(nèi)鋼坯溫度分布的不可測性、加熱爐的大熱容量和多擾動(dòng)、時(shí)變非線性等特征，構(gòu)成了一類典型的復(fù)雜工業(yè)大系統(tǒng)；另一方面隨著現(xiàn)代大型軋機(jī)的高速化、自動(dòng)化、高精度和多品種，不僅要求加熱爐的溫度制度迅速而嚴(yán)格地變化，而且要求控制出爐鋼坯奧氏體狀態(tài)。鑒于優(yōu)質(zhì)加熱過程優(yōu)化控制規(guī)律十分復(fù)雜，較為完備的數(shù)學(xué)模型不宜建立，現(xiàn)場爐溫、燃料流量、熱值計(jì)量

9、儀表的檢測精度、軋制節(jié)奏、生產(chǎn)方式都難滿足數(shù)學(xué)模型控制的要求。本系統(tǒng)將數(shù)學(xué)模型與人工智能相結(jié)合，基于專家規(guī)則與熱工機(jī)理建立了加熱爐加熱過程智能優(yōu)化控制系統(tǒng)，通過對加熱鋼坯加熱曲線的優(yōu)化，得出合理的鋼坯的加熱曲線，調(diào)用爐內(nèi)鋼坯溫度計(jì)算模型計(jì)算鋼坯溫度分布是否滿足優(yōu)化后的加熱曲線，直到得出最佳的爐溫分布，根據(jù)不同的優(yōu)化目標(biāo)預(yù)估值建立專家系統(tǒng)知識庫，并針對生產(chǎn)實(shí)際情況中鋼坯爐內(nèi)位置分布情況的復(fù)雜性，建立專家控制規(guī)則集，以實(shí)現(xiàn)對加熱爐加熱過程的合理控制。系統(tǒng)引入軋制產(chǎn)品規(guī)格、坯料鋼質(zhì)、外型尺寸（薄厚、長短、寬窄）、批量（數(shù)量）、爐內(nèi)加熱溫度曲線、加熱時(shí)間、開軋（出爐）溫度、軋制節(jié)奏（波動(dòng)幅度大且無計(jì)劃

10、、無規(guī)律）等八類定性工藝信息，涵蓋生產(chǎn)過程中在線實(shí)時(shí)幾百個(gè)動(dòng)態(tài)變化信息，納入模型控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由主控模型和基于傳感器在線實(shí)時(shí)的入爐溫度變化調(diào)節(jié)、軋制節(jié)奏變化調(diào)節(jié)、鋼坯開軋溫度反饋調(diào)節(jié)，停、待軋調(diào)節(jié)、空燃比例調(diào)節(jié)等輔助動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)節(jié)模型組合而成，從而大大提高模型控制系統(tǒng)的靈活性、適用性。3.2系統(tǒng)的模型組成系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)模型（模塊）組成如下：主模型輔助模型爐內(nèi)鋼坯溫度預(yù)報(bào)模型爐溫優(yōu)化設(shè)定模型專家系統(tǒng)知識庫專家系統(tǒng)規(guī)則集專家系統(tǒng)推理機(jī)鋼坯位置跟蹤模塊； 入爐溫度變化模塊； 煤氣熱值變化調(diào)節(jié)模塊； 空燃比例調(diào)節(jié)模塊；軋制節(jié)奏變化模塊； 開軋溫度反饋控制模塊；燃燒控制模塊； 待軋及事故處理

11、模塊； 智能模型優(yōu)化模塊； 統(tǒng)計(jì)分析模塊等； 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊；主模型： 爐內(nèi)鋼坯溫度預(yù)報(bào)模型由于鋼坯內(nèi)部溫度不能夠被直接檢測，系統(tǒng)采用FACC( Furnace Automatic Combustion Control的縮寫)模型中鋼坯溫度計(jì)算模塊，根據(jù)鋼坯裝爐時(shí)的處理信息,計(jì)算鋼坯裝入時(shí)的溫度并建立鋼坯熱跟蹤初始數(shù)據(jù);然后利用加熱爐熱電偶實(shí)測的爐溫,采用中心差分計(jì)算模型,推算各鋼坯當(dāng)前時(shí)刻所在位置的爐氣溫度以及上一時(shí)刻鋼坯的內(nèi)部溫度分布。板坯入爐溫度計(jì)算：通過鋼溫預(yù)報(bào)模型計(jì)算，建立了加熱爐爐膛溫度與通條溫差間的關(guān)系，如圖所示： 圖3-1 5.5簾線鋼 出爐溫度1090時(shí)溫度曲線01020304

12、05060708090100110120爐氣溫度24348654870100011161176118812001198119511881180頭部溫度2814526042059171381192810201040105610921110黑印溫度18132228372540654744858954984100210401060尾部溫度2814927343661172882293810311056106811001120 圖3-2 一組鋼 出爐溫度1110時(shí)的溫度曲線 0102030405060708090100110120爐氣溫度243486548701000111611761206122012

13、12120612001200頭部溫度2814526042060172085599210531077108410981130黑印溫度181322283725406547809129781008102010401070尾部溫度28149273436613732867100210621086109411201140 圖3-3 二組鋼 出爐溫度1130時(shí) 溫度曲線0102030405060708090100110120爐氣溫度24348654870100011161194121812401236123612301220頭部溫度28145260420604733867100210721109112911

14、401160黑印溫度181322283725406547809129841026105610681090尾部溫度28149273436621745877101210811121114211501170通過對簾線鋼、I組鋼、II組鋼鋼溫模型在線計(jì)算，由此得出：入爐時(shí)刻鋼坯頭尾部與黑印溫差為0，隨著鋼坯由預(yù)熱段進(jìn)入下加熱、上加熱爐膛溫度快速上升，由于鋼坯頭尾部靠近爐墻，受爐墻輻射影響溫度偏高，中部接觸水梁部分溫度偏低，頭尾部與黑印溫差逐漸變大；當(dāng)鋼坯進(jìn)入均熱段，鋼坯自身由頭尾部溫度高的部分向中部溫度低的部分傳熱，頭尾部與黑印溫差有所緩解。 圖3-4 簾線鋼溫差曲線01020304050607080

15、90100110120頭部與黑印溫差10133248515967706656515050尾部與黑印溫差10174564717478807772666060 圖3-5 一組鋼溫差曲線0102030405060708090100110120頭部與黑印溫差10133248616675807569646260尾部與黑印溫差10174564737887908478747370 圖3-6 二組鋼 溫差曲線0102030405060708090100110120頭部與黑印溫差10133248647987908883737270尾部與黑印溫差101745648191971009795868280通過對簾線鋼、

16、I組鋼、II組鋼溫差曲線分析，在相同的在爐時(shí)間條件下，不同的鋼種在不同的爐膛溫度（供熱負(fù)荷）下出爐后通條溫差不相同，隨著爐膛溫度（供熱負(fù)荷）升高，鋼坯出爐后頭尾部與黑印部分溫差逐漸增大。實(shí)踐中在不同的爐膛溫度條件下，通過調(diào)節(jié)均熱段左、中、右燒嘴開度來盡量消除溫差，即將均熱段左、右部分燒嘴開度變小，均中段燒嘴開度變大。 爐溫優(yōu)化設(shè)定模型加熱爐爐溫的優(yōu)化目標(biāo)的確定離不開軋鋼生產(chǎn)工藝對其的要求，當(dāng)然所討論的數(shù)學(xué)模型不可能包含實(shí)際生產(chǎn)的所有目標(biāo)，這里我們只考慮軋鋼過程中比較重要的生產(chǎn)目標(biāo)。要得到與實(shí)際生產(chǎn)狀況吻合較好的最優(yōu)爐溫分布，優(yōu)化目標(biāo)至少應(yīng)該包括如下四方面：1.鋼坯出爐時(shí)刻其表面溫度應(yīng)該達(dá)到軋制

17、工藝要求的目標(biāo)加熱溫度，或者說，表面溫度與期望溫度差值最小;2.鋼坯出爐時(shí)刻其表面溫度與中心溫度的差值(又稱鋼坯的斷面溫差)達(dá)到極小值;3.加熱爐生產(chǎn)的能耗(燃料消耗)最小;4.被加熱鋼坯的氧化燒損最少;對上述生產(chǎn)目標(biāo)，在實(shí)際生產(chǎn)的大多數(shù)情況下不可能同時(shí)兼顧，這是因?yàn)殇撆鞯募訜嵘a(chǎn)是軋鋼生產(chǎn)流程中的一環(huán)，它的生產(chǎn)狀況必須跟隨軋制節(jié)奏的變化而進(jìn)行調(diào)整，因此，想要得到特定生產(chǎn)條件下爐溫設(shè)定的絕對最優(yōu)值是不現(xiàn)實(shí)的，只能得到一定生產(chǎn)條件下的爐溫分布的理想值。因此在優(yōu)化指標(biāo)中，對各項(xiàng)進(jìn)行了加權(quán)處理，以體現(xiàn)不同生產(chǎn)條件下對爐溫分布優(yōu)化指標(biāo)考慮的側(cè)重點(diǎn)不同。綜上，建立如下的爐溫優(yōu)化目標(biāo)函數(shù): (3.4)約束

18、條件如下: 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中各符號所代表的意義如下:鋼坯在爐內(nèi)的加熱時(shí)間(s)，其與鋼坯在爐內(nèi)的位移s有如下關(guān)系: ,為鋼坯在爐內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度 ; , 鋼坯的入爐時(shí)刻和出爐時(shí)刻 ;爐溫分布優(yōu)化設(shè)定的關(guān)鍵點(diǎn);、分別代表鋼坯溫度分布和爐溫溫度分布();、鋼坯出爐時(shí)刻的表面溫度和中心溫度();、鋼坯加熱時(shí)所允許的最大加熱速度和最大斷面溫差();鋼坯的目標(biāo)出爐溫度();鋼坯出爐時(shí)刻所允許的最大斷面溫差();計(jì)算爐溫分布的離散化時(shí)間步長;時(shí)間離散化之后的節(jié)點(diǎn)數(shù);與爐溫分布有關(guān)的某種控制作用向量函數(shù)(例如加熱爐的燃料消耗等) ；其中為爐溫設(shè)定值向量:， 為需要進(jìn)行爐溫優(yōu)化的各加熱段數(shù)量。被加熱鋼坯的質(zhì)量;鋼坯

19、表面的氧化燒損率，即鋼坯在加熱時(shí)單位質(zhì)量、單位溫升條件下的氧化燒損量，與鋼坯種類和鋼坯溫度有關(guān) ;、加權(quán)系數(shù)，且、優(yōu)化目標(biāo)中的第一項(xiàng)表示對鋼坯出爐時(shí)刻表面溫差的要求，體現(xiàn)了鋼坯出爐溫度達(dá)到軋制工藝要求這一指標(biāo)，第二項(xiàng)表示了對鋼坯出爐時(shí)刻斷面溫差的要求，兩項(xiàng)合在一起顯示了軋鋼生產(chǎn)過程對鋼坯加熱工藝的生產(chǎn)目標(biāo)要求。優(yōu)化函數(shù)的第三項(xiàng)體現(xiàn)了加熱生產(chǎn)過程的能耗指標(biāo)要求，這是優(yōu)化加熱爐爐溫分布的主要目標(biāo)所在。第四項(xiàng)是生產(chǎn)過程對鋼坯氧化燒損的要求，鋼坯加熱過程的優(yōu)化燒損直接關(guān)系到鋼鐵產(chǎn)品的成材率、成品的表面質(zhì)量。為根據(jù)二次型優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)(3.4)求得加熱爐的爐溫最優(yōu)分布，需要根據(jù)加熱爐工況和鋼坯參數(shù)及加熱工

20、藝給定各設(shè)定點(diǎn)的最初爐溫值，之后調(diào)用爐內(nèi)鋼坯溫升計(jì)算模型計(jì)算鋼坯溫度分布，然后計(jì)算優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，判斷約束條件，再確定下一次爐溫優(yōu)化的搜索方向，重復(fù)上述過程，直到得出最佳的爐溫分布，整個(gè)優(yōu)化算法的流程如圖3-7所示。 圖3-73.3 專家系統(tǒng)知識庫爐溫設(shè)定值的優(yōu)化調(diào)整策略在整個(gè)算法中占據(jù)非常重要的位置，調(diào)整策略的優(yōu)劣關(guān)系到算法的收斂速度和最后結(jié)果的精度，對此問題，很多學(xué)者都進(jìn)行過有益的探討，但大多數(shù)文獻(xiàn)都是從經(jīng)典優(yōu)化控制理論入手，尋找全局最優(yōu)解。但是，加熱爐能耗極小化是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程的參數(shù)最優(yōu)化問題，由于模型的時(shí)變及非線性、控制變量之間的耦合性，使得許多經(jīng)典的控制理論，如極大值原理、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、非線

21、性規(guī)劃等都較難實(shí)現(xiàn)，鑒于此，我們提出了一種基于專家經(jīng)驗(yàn)的爐溫設(shè)定值的優(yōu)化調(diào)整策略。這種策略是把專家經(jīng)驗(yàn)同加熱爐生產(chǎn)目標(biāo)相結(jié)合得出的，結(jié)合厚板線2#加熱爐特點(diǎn)，我們考慮的決策條件有如下幾個(gè)：鋼種、規(guī)格、入爐溫度、鋼坯出爐目標(biāo)溫度和鋼坯出爐時(shí)刻的斷面溫差。所得結(jié)論由一系列相關(guān)規(guī)則給出，并將此類專門知識、經(jīng)驗(yàn)通過在線跟蹤調(diào)試建立各類鋼種的加熱制度并以數(shù)據(jù)的形式存儲(chǔ)在專家知識庫中。1、如果鋼坯為簾線鋼，在考慮鋼坯在爐時(shí)間一定的情況下（即軋制節(jié)奏一定）則有：1)鋼坯斷面較小、鋼坯入爐溫度略高、鋼坯出爐溫度較高、溫差較小，此時(shí)下加熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該較低，上加熱段爐熱負(fù)荷偏低，均熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該較高。2)鋼坯

22、斷面較小、鋼坯入爐溫度略高、鋼坯出爐溫度較高、溫差較大，此時(shí)下加熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該偏低，上加熱供熱負(fù)荷正常，均熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該較低。3)鋼坯斷面較小、鋼坯入爐溫度略高、鋼坯出爐溫度較低、溫差較小，此時(shí)下加熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該偏低，上加熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該較高，均熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該較高。4)鋼坯斷面較小、鋼坯入爐溫度略高、鋼坯出爐溫度較低、溫差較大，此時(shí)下加熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該偏低，上加熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該較高，均熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該較低。5)鋼坯斷面較大、鋼坯入爐溫度略高、鋼坯出爐溫度較高、溫差較小，此時(shí)下加熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該偏低，上加熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該較低，均熱段供熱負(fù)荷正常。 6)鋼坯斷面較大、鋼坯入爐溫度略高、鋼坯

23、出爐溫度較高、溫差較大，此時(shí)下加熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該偏低，上加熱供熱負(fù)荷正常，均熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該較低。7)鋼坯斷面較大、鋼坯入爐溫度略高、鋼坯出爐溫度較低、溫差較小，此時(shí)下加熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該偏低，上加熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該較高，均熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該較高。8)鋼坯斷面較大、鋼坯入爐溫度略高、鋼坯出爐溫度較低、溫差較大，此時(shí)下加熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該偏低，上加熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該較高，均熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該較低。9)鋼坯斷面較小、鋼坯入爐溫度高、鋼坯出爐溫度較高、溫差較小，此時(shí)下加熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該低，上加熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該較低，均熱段供熱負(fù)荷正常。10)鋼坯斷面較小、鋼坯入爐溫度高、鋼坯出爐溫度較高、溫差較大，此時(shí)下加熱段供

24、熱負(fù)荷應(yīng)該低，上加熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該低，均熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該較低。11)鋼坯斷面較小、鋼坯入爐溫度高、鋼坯出爐溫度較低、溫差較小，此時(shí)下加熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該低，上加熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該較高，均熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該較高。12)鋼坯斷面較小、鋼坯入爐溫度高、鋼坯出爐溫度較低、溫差較大，此時(shí)下加熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該低，上加熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該較高，均熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該較低。13)鋼坯斷面較大、鋼坯入爐溫度高、鋼坯出爐溫度較高、溫差較小，此時(shí)下加熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該低，上加熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該較低，供熱負(fù)荷正常。14)鋼坯斷面較大、鋼坯入爐溫度高、鋼坯出爐溫度較高、溫差較大，此時(shí)下加熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該低，上加熱段供熱負(fù)荷正常，均熱段供

25、熱負(fù)荷應(yīng)該較低。15)鋼坯斷面較大、鋼坯入爐溫度高、鋼坯出爐溫度較低、溫差較小，此時(shí)下加熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該低，上加熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該較高，均熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該較高。16)鋼坯斷面較大、鋼坯入爐溫度高、鋼坯出爐溫度較低、溫差較大，此時(shí)下加熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該低，上加熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該較高，均熱段供熱負(fù)荷應(yīng)該較低。2、如果鋼坯為組鋼、組鋼，則上述1)16)的情形下，各段爐溫設(shè)定值應(yīng)比被加熱鋼坯為低溫鋼時(shí)高，爐溫設(shè)定值的決策過程與低溫鋼相同。 專家系統(tǒng)規(guī)則集連續(xù)加熱爐在實(shí)際生產(chǎn)中不存在或很少存在全爐或局部各段鋼坯均為同一爐溫曲線的情況，在實(shí)際生產(chǎn)過程中爐內(nèi)鋼坯分布復(fù)雜，包括鋼種混裝、冷熱混裝、坯料斷面尺寸和長短

26、混裝、不同軋制規(guī)格的存在（這直接影響軋制節(jié)奏）。針對這一復(fù)雜的情況，系統(tǒng)依據(jù)專家操作規(guī)則，排定優(yōu)先級別，建立了專家系統(tǒng)規(guī)則集。 例如，當(dāng)冷料和熱料混裝時(shí)，在鋼坯由預(yù)熱段進(jìn)入加熱段、加熱段進(jìn)入均熱段時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)冷熱坯料的數(shù)量，在不同位置提前升溫或降溫。 專家系統(tǒng)推理機(jī)推理機(jī)實(shí)質(zhì)上是計(jì)算機(jī)的一組程序，目的是用于控制、協(xié)調(diào)整個(gè)專家系統(tǒng)的工作。它根據(jù)當(dāng)前的傳感器輸入數(shù)據(jù)或信息，再利用知識庫中的知識，按一定的規(guī)則策略去推理處理。輔助模型 鋼坯位置跟蹤模型裝鋼臺(tái)發(fā)出裝鋼信號，L2級接收裝鋼信號作為鋼坯入爐標(biāo)志，同時(shí)讀取軋制計(jì)劃。并根據(jù)來自基礎(chǔ)自動(dòng)化的各鋼坯裝料時(shí)步進(jìn)梁的動(dòng)作信號,對加熱爐內(nèi)各鋼坯在加熱爐的

27、位置進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示并記錄每塊鋼坯的在爐位置、鋼坯信息、在爐溫度。 入爐溫度跟蹤模型入爐溫度跟蹤模塊根據(jù)檢測入爐鋼坯溫度計(jì)算入爐鋼坯熱含， 調(diào)整各段的供熱負(fù)荷。鋼坯帶入熱含公式：Q = CiTi × WQ：鋼坯帶入的熱含Ci：比熱容KJ/（Kg.）Ti：溫度W：重量Kg 煤氣熱值變化調(diào)節(jié)模塊實(shí)時(shí)檢測煤氣熱值變化，在線修正各段的煤氣流量，維持各段供熱平衡。 空燃比例調(diào)節(jié)模塊跟蹤煤氣熱值變化，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)空燃配比。并根據(jù)爐溫、殘氧含量、煤氣熱值信號，在線學(xué)習(xí)最優(yōu)熱效率曲面，動(dòng)態(tài)尋優(yōu)最佳空燃比。 節(jié)奏變化模塊根據(jù)爐內(nèi)鋼坯軋制信息，預(yù)測軋制節(jié)奏變化，動(dòng)態(tài)計(jì)算各鋼坯剩余在爐時(shí)間，并調(diào)節(jié)各

28、段供熱負(fù)荷。同時(shí)通過在線實(shí)測軋機(jī)節(jié)奏對計(jì)算剩余在爐時(shí)間進(jìn)行修正。實(shí)際的生產(chǎn)過程中，鋼坯的軋制節(jié)奏是隨生產(chǎn)情況不斷調(diào)整的，因此相應(yīng)的各段爐溫設(shè)定值也必然隨之變化，我們不可能對每一個(gè)軋制節(jié)奏都要計(jì)算相應(yīng)的最佳爐溫設(shè)定值。解決的方法就是計(jì)算典型的軋制節(jié)奏所對應(yīng)的爐溫設(shè)定值，當(dāng)軋制節(jié)奏變化時(shí)，采用線性插值進(jìn)行在線補(bǔ)償。設(shè)當(dāng)前的軋制節(jié)奏，介于介于之間，則第段的爐溫設(shè)定值為: (3.6) 其中，和分別為軋制節(jié)奏為和時(shí)第段的爐溫設(shè)定值。 由上述分析可知，對于給定的鋼坯，軋制節(jié)奏對爐溫設(shè)定影響很大。軋制節(jié)奏的經(jīng)常變化，若處理的不好，將引起爐溫設(shè)定值的頻繁波動(dòng)，即浪費(fèi)能源又影響鋼坯的加熱質(zhì)量，反過來造成工況不穩(wěn)

29、，形成惡性循環(huán)?？梢?，對軋制節(jié)奏的處理非常重要，一般而言，在求解最優(yōu)爐溫分布之前，首先應(yīng)該對軋制節(jié)奏進(jìn)行如下的平滑處理。對在時(shí)刻采集到的軋制節(jié)奏值進(jìn)行濾波，即： (3.7) 其中，和分別是時(shí)刻軋制節(jié)奏的采樣值和濾波值，是比例系數(shù)。濾波的目的在于減弱隨機(jī)因素的影響。對每塊鋼坯之前的半小時(shí)內(nèi)的軋制節(jié)奏采樣值進(jìn)行加權(quán)平均: (3.8) 其中為一正整數(shù)，為加權(quán)系數(shù)，在一定程度上反映了軋制節(jié)奏的變化趨勢，具有一定的預(yù)報(bào)功能，同時(shí)也有益于抑制隨機(jī)干擾。引入比例因子，則當(dāng)前時(shí)刻的軋制節(jié)奏為: (3.9) 如軋制節(jié)奏長時(shí)間過大，使得限制v的增長速度，以確保加熱質(zhì)量，和過大，則對乘以比例因子，以減少加熱爐的熱負(fù)

30、荷。 開軋溫度反饋控制模塊系統(tǒng)引入包括開軋溫度、軋機(jī)壓下量、壓下力、軋機(jī)電流在內(nèi)的鋼坯軋制過程中的反饋信號，對出爐溫度是否達(dá)到軋制工藝要求的期望值，并以此為反饋修正補(bǔ)償控制系統(tǒng)因環(huán)境變量變化等原因產(chǎn)生的誤差。 待軋及事故處理模塊待軋及事故處理模塊包括計(jì)劃待軋和非計(jì)劃待軋，根據(jù)鋼坯剩余在爐時(shí)間判斷是待熱或是執(zhí)行降溫、保溫、升溫策略。 燃燒控制模塊根據(jù)各控制模塊計(jì)算得出的參數(shù)，引入直線插補(bǔ)法，得出各段供熱負(fù)荷的最終設(shè)定值，實(shí)時(shí)修正。 智能模型優(yōu)化模塊隨著加熱爐在生產(chǎn)過程中儀表設(shè)備、加熱爐爐體等硬件條件逐漸的變化，原有固化的各工況下的過程參數(shù)將不能滿足生產(chǎn)工藝的要求。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)庫中記錄的現(xiàn)場生

31、產(chǎn)數(shù)據(jù)，包括：按鋼種和規(guī)格記錄的單耗、平均開軋溫度、平均煙氣殘氧含量等指標(biāo)對控制系統(tǒng)原有的過程參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在優(yōu)化過程中采用小步長試探以及狀態(tài)轉(zhuǎn)移的方法逐步逼進(jìn)最佳控制狀態(tài)，以期得到最低的單耗、最優(yōu)的開軋溫度和合理的煙氣殘氧含量。結(jié)果經(jīng)工藝工程師確認(rèn)后，更新專家數(shù)據(jù)庫。 統(tǒng)計(jì)分析模塊系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)功能完善，可追溯性強(qiáng)，包括：按班、鋼種、小時(shí)記錄加熱爐相關(guān)的熱工參數(shù)，數(shù)據(jù)保存一年以上；按班、按鋼種、按小時(shí)加熱爐相關(guān)熱工參數(shù)統(tǒng)計(jì)、查詢、分析，自動(dòng)生成月報(bào)表。 L2級與PLC、L3級的網(wǎng)絡(luò)通訊模塊通過PLC控制系統(tǒng)、L2、L3級的通訊，實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、計(jì)劃數(shù)據(jù)的共享。實(shí)際的軋鋼生產(chǎn)過程中，加熱爐的生產(chǎn)是為軋

32、機(jī)服務(wù)的。很多原因會(huì)導(dǎo)致軋制生產(chǎn)工序停產(chǎn)，導(dǎo)致了加熱爐待軋現(xiàn)象的出現(xiàn)。出現(xiàn)待軋后，如果加熱爐爐溫不做相應(yīng)調(diào)整，不僅導(dǎo)致燃料的浪費(fèi)，而且加劇了鋼坯的氧化脫碳，影響鋼坯的加熱質(zhì)量，因此必須對加熱爐的待軋情況進(jìn)行分析，確定合理的爐溫控制策略?；诖?，加熱爐的待軋控制也是加熱爐優(yōu)化控制中重要的組成部分，以下對此進(jìn)行分析。3.3.1 制定待軋策略的原則 基于滿足加熱質(zhì)量的前提下，希望在待軋結(jié)束時(shí)，不出現(xiàn)待熱待軋現(xiàn)象，因此制定待軋控制策略時(shí)，應(yīng)遵循以下原則： 待軋開始時(shí)，及時(shí)足夠地削減燃料消耗量，迅速將爐溫降至適當(dāng)?shù)牡退?，以減少加熱能耗和避免發(fā)生過熱過燒現(xiàn)象; 均熱段保溫水平適當(dāng)提高，以便于重新開軋生產(chǎn)

33、時(shí)，位于加熱爐出鋼側(cè)的鋼坯能夠及時(shí)出鋼，滿足軋線生產(chǎn)需要; 重新開軋之前，應(yīng)在盡可能短的時(shí)間里將出爐鋼坯加熱到軋制工藝要求的加熱質(zhì)量狀態(tài)，避免軋機(jī)因等待出鋼而影響生產(chǎn);爐內(nèi)各加熱段應(yīng)該采用不同的待軋策略;3.3.2待軋時(shí)加熱爐爐溫的設(shè)定策略按照待軋時(shí)刻與待軋時(shí)間能否事先預(yù)知，待軋情況可分為計(jì)劃待軋和非計(jì)劃待軋兩種方式，其各自的爐溫決策策略是不相同的。對于計(jì)劃待軋(計(jì)劃檢修或交接班時(shí)出現(xiàn))，其發(fā)生時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間一般能夠準(zhǔn)確知道，因此，該情況下的爐溫決策較簡單，計(jì)劃待軋對各段爐溫設(shè)定值的影響是依次的。本章主要針對非計(jì)劃待軋(由于軋制事故等隨機(jī)因素造成的待軋)進(jìn)行分析。一般而言，非計(jì)劃待軋有可分成短

34、期待軋、中期待軋、長期待軋和待熱待軋幾種情況。待軋狀態(tài)時(shí)的爐溫設(shè)定采用“斜坡函數(shù)”法，其斜率值取決于待軋時(shí)間的長短和當(dāng)加熱爐恢復(fù)到原來的生產(chǎn)率時(shí)鋼坯和耐火材料所能承受的最大溫度梯度。對每個(gè)爐溫控制區(qū)分別建立溫度斜坡函數(shù)，建立待軋時(shí)的爐溫設(shè)定策略。當(dāng)待軋開始的時(shí)候，加熱爐各段的溫度設(shè)定值降至最低，其最低值由斜坡函數(shù)和選擇的待軋時(shí)間決定。(1)短期待軋情況當(dāng)待軋時(shí)間小于15分鐘時(shí)，爐溫待軋控制模塊啟動(dòng)自動(dòng)待軋模式，并適當(dāng)降低爐溫(10-20)。(2)中期待軋情況為了節(jié)能降耗，同時(shí)保證鋼坯的加熱質(zhì)量，應(yīng)以最大速率降低和升高爐溫，待軋時(shí)的爐溫決策和鋼坯溫度變化如圖3.10所示。鋼坯溫度的最大減小量由下

35、式確定: (3.19)其中，為鋼坯溫度的最大減小量，為自啟動(dòng)斜坡函數(shù)至待軋結(jié)束時(shí)的時(shí)間間隔，為加熱爐恢復(fù)到原來的生產(chǎn)率時(shí)鋼坯和耐火材料所能承受的最大溫度梯度。爐溫和鋼坯溫度均被設(shè)為加熱曲線的最小值并維持至啟動(dòng)斜坡函數(shù)。(3)長期待軋情況 如果待軋時(shí)間大于8小時(shí)，爐溫設(shè)定值與被加熱鋼坯參數(shù)無關(guān)，此時(shí)可以把爐溫降至最低，在待軋結(jié)束前某一時(shí)刻，再把爐溫沿某條優(yōu)化設(shè)定曲線升高到正常設(shè)定值。(4)待熱待軋情況待熱待軋是指鋼坯己經(jīng)到達(dá)出鋼側(cè)，但鋼坯還沒有達(dá)到期望的溫度分布所啟用的一種待軋模式。在此模式下，均熱段的爐溫維持不變，其它各段爐溫設(shè)定均處于待軋狀態(tài)，鋼坯在均熱段保持直到達(dá)到軋制工藝所要求的目標(biāo)溫度

36、分布。 上述的待軋策略較易于在線控制中應(yīng)用，操作人員可以在給定的待軋降溫速度和升溫速度的基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)優(yōu)化，對延長加熱爐的使用壽命、提高鋼坯加熱質(zhì)量和減少氧化燒損都有重要意義，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明控制效果較好。針對短期停軋10分鐘、20分鐘的情況，分別對停留在加熱爐加熱段和均熱段鋼坯的通條溫差與爐膛壓力變化進(jìn)行了研究，如圖所示：、 停軋10分鐘時(shí)，加熱段爐膛壓力與鋼坯頭中尾溫差的變化012345678910頭部與黑印溫差7071727272737577808185尾部與黑印溫差8080818182828486889295爐膛壓力Pa1614121086420-1-2 停軋20分鐘時(shí)，加熱段爐膛

37、壓力與鋼坯頭中尾溫差的變化02468101214161820頭部與黑印溫差707174.977.881.98586.587.6909395尾部與黑印溫差8081.984.287.691.19595.797.598.6103105爐膛壓力Pa1612.59.16.24.6-2-4-6-6.5-7-8 停軋10分鐘時(shí)，均熱段爐膛壓力與鋼坯頭中尾溫差的變化012345678910頭部與黑印溫差5049.248.748.247.746.745.744.342.841.340尾部與黑印溫差6058.457.55654.553.152.652.151.65050爐膛壓力Pa1614121086420-1-

38、2 停軋20分鐘時(shí)，均熱段爐膛壓力與鋼坯頭中尾溫差的變化02468101214161820頭部與黑印溫差5048.446.645.544.342403836.835.135尾部與黑印溫差6057.65756.454.75349.54645.543.240爐膛壓力Pa1612.59.16.24.6-2-4-6-6.5-7-8隨著停軋時(shí)間的延長，加熱爐總供熱負(fù)荷逐漸減少，系統(tǒng)開始關(guān)閉煙道閘，當(dāng)燒嘴的供熱負(fù)荷減少到一定量的時(shí)候，爐膛壓力開始降低。如圖所示，停軋10分鐘時(shí)，加熱爐的爐膛壓力降低到-2Pa,隨著爐頭負(fù)壓吸風(fēng)，停留在加熱段的鋼坯頭部與黑印部分的溫差由80增長到95，尾部與黑印部分的溫差由7

39、0增長到85；停軋20分鐘時(shí)，加熱爐的爐膛壓力降低到-8Pa，停留在加熱段鋼坯的中部黑印部分繼續(xù)受冷風(fēng)與水梁溫度的干擾，頭中尾溫差持續(xù)加大，此時(shí)頭部與黑印的溫差增長為95，尾部與黑印的溫差增長為105。而停留在均熱段的鋼坯頭中尾的溫差也有所變化，停軋至10分鐘時(shí)，（均熱段的結(jié)構(gòu)是梁底組合式），頭部與黑印部分的溫差由50降低到40，尾部與黑印部分的溫差由60降低到50；停軋至20分鐘時(shí)，均熱段鋼坯溫差持續(xù)降低，頭部與黑印部分的溫差降低到35，尾部與中部黑印的溫差降低到40。4. 軋機(jī)電流產(chǎn)量（規(guī)格）三架軋機(jī)溫度三架軋機(jī)電流生產(chǎn)線狀態(tài)斷面尺寸5.5880620A三線120×1205.58

40、90550A三線120×1206.5890813A三線120×1206.5900691A三線120×1207890815A三線120×1207900716A三線120×1208890844A三線120×1208900753A三線120×1209890875A三線120×1209900782A三線120×12010890894A三線120×12010900803A三線120×12011890920A三線120×12011900835A三線120×12012890956A三線120×12012900847A三線120&