退火爐高精度溫度控制器研究

蔡曉峰

（中冶南方工程技術(shù)有限公司，武漢 430223）

退火是鋼鐵企業(yè)冷軋產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的一道工序，而退火爐是連續(xù)退火機組極其關(guān)鍵的設(shè)備，退火爐爐溫控制效果直接影響冷軋產(chǎn)品的質(zhì)量，是連續(xù)退火控制關(guān)鍵技術(shù)之一。

由于退火爐本身大慣性、大滯后的特點，給其爐溫的高精度調(diào)節(jié)帶來了難度。目前在國內(nèi)的爐溫控制中，占主導(dǎo)地位的仍然是傳統(tǒng)簡單的PID溫度控制器。但傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)在處理退火爐這樣非線性、大時滯性且難以建立準確數(shù)學(xué)模型的控制對象時，存在著固有的缺陷，易造成振蕩、超調(diào)等現(xiàn)象。

本文針對傳統(tǒng)退火爐溫度控制的缺陷，提出一種高精度溫度控制器設(shè)計。

1 溫度控制器結(jié)構(gòu)

高精度溫度控制器主要由以下幾部分構(gòu)成：帶輸出干預(yù)的改進型PID控制器、基于數(shù)據(jù)表的帶鋼參數(shù)修正器及快速升/降溫調(diào)節(jié)器、燃氣壓力補正器等，溫度控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 溫度控制器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of temperature controller

2 溫度控制器實現(xiàn)

2.1 改進型PID控制器

對于常用的PID控制器，其比例、積分、微分3個環(huán)節(jié)位于控制器的前向通道上，控制器的輸入信號為設(shè)定值與實際反饋值的偏差信號。這種控制器適于小時延的穩(wěn)定調(diào)節(jié)過程，但對于退火爐爐溫控制這樣具有遲滯性、振蕩的被控過程，控制效果不佳。為此，采用改進型PID控制器設(shè)計，選擇更適于溫度控制的比例微分優(yōu)先型PID，輔以P、I、D參數(shù)可變及輸出干預(yù)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)溫度主環(huán)路的控制。

1）I-PD 控制器

比例微分優(yōu)先型PID即I-PD控制器，它對偏差e只進行積分運算，對過程參數(shù)PV進行比例和微分運算，克服了由于偏差值的階躍變化而引起的比例和微分沖擊，有效減小調(diào)節(jié)過程的超調(diào)，并且算法簡單、直觀，容易實現(xiàn)[1-2]。其原理如圖2所示。

圖2 I-PD控制器原理圖Fig.2 Principle diagram of I-PD controller

數(shù)學(xué)表達式為

式中：MV（s）為輸出值；E（s）為偏差值；PV（s）為過程值；KP、TI、TD分別為比例系數(shù)、積分、微分時間常數(shù)。

2）PID參數(shù)可變環(huán)節(jié)

由于I-PD控制器對過程參數(shù)PV進行比例和微分作用，對偏差e進行積分運算，在爐溫設(shè)定值修改或因某種原因造成爐溫較大波動時，能快速響應(yīng)的只有積分作用，會使調(diào)節(jié)速度變慢。為解決這個問題，當控制器偏差e值大于設(shè)定值時（5℃），分別引入PID參數(shù)可變環(huán)節(jié)及輸出直接干預(yù)環(huán)節(jié)，通過增大控制器自身的調(diào)節(jié)速度及對控制器輸出增加一個偏置量，使控制器在偏差增大時能快速反應(yīng)，從而使控制器在全過程既具有穩(wěn)定調(diào)節(jié)的性能同時具有較快的響應(yīng)速度。

當爐溫設(shè)定值與實際值偏差e在5℃以內(nèi)時，可使用較小的比例系數(shù)、較大的積分系數(shù)和微分系數(shù)，此時控制器以消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)偏差為主。在偏差e的大小超過5℃時，增大比例系數(shù)，同時減小積分系數(shù)和微分系數(shù)，使積分時間變小并減弱微分作用，使控制器的輸出響應(yīng)增快。在偏差e回落到5℃以內(nèi)時，控制器 P、I、D 參數(shù)恢復(fù)至預(yù)設(shè)值。P、I、D 計算如式（2）～式（4）所示：

式中：P0、I0、D0分別為 PID 控制器初始設(shè)定的 P、I、D參數(shù)；ΔP、ΔI、ΔD為預(yù)設(shè)的各參數(shù)最大變化量。

3）輸出干預(yù)環(huán)節(jié)

在PID處于自動模式，當SV與PV偏差e較大時，根據(jù)偏差e值的大小在PID控制器輸出量U上直接增加一個偏置量ΔU，增大或減小控制器輸出，達到快速響應(yīng)的目的。而在偏差e值逐漸回落的過程中，偏置量ΔU的值也逐漸減小，相當于增加一個較大的微分作用，使控制器的實際輸出值提前變化，避免調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)?？刂破髌昧喀為

式中：US為預(yù)先設(shè)置的最大偏置量幅值。PID控制器最終輸出值Y為

2.2 基于數(shù)據(jù)表的帶鋼參數(shù)修正器、快速升/降溫調(diào)節(jié)器

在傳統(tǒng)的純PID控制溫控方式中，當出現(xiàn)以下幾種工況時會引起爐溫大幅波動：

1）根據(jù)生產(chǎn)計劃的改變，更改生產(chǎn)帶鋼的牌號。帶鋼牌號改變時，爐內(nèi)傳熱過程變化，同時爐溫設(shè)定值及帶速也可能變化，造成爐溫的上升或下降，需控制器經(jīng)過一段時間的調(diào)節(jié)重新到達穩(wěn)態(tài)。

2）生產(chǎn)中某些不可預(yù)知的故障因素，會造成運行帶鋼的突然降速或停止運行，待故障排除后又迅速升速并達到工藝設(shè)定帶速，造成爐溫的急速上升或急速下降，并帶來嚴重的超調(diào)。

3）退火爐由停爐/保溫狀態(tài)轉(zhuǎn)至生產(chǎn)狀態(tài)，或由生產(chǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)至停爐/保溫狀態(tài)，需要爐溫快速上升或下降至設(shè)定值。

上述情況，單純依靠PID調(diào)節(jié)在生產(chǎn)中會造成爐溫反應(yīng)的滯后、嚴重超調(diào)及振蕩。目前，爐溫的調(diào)節(jié)多由人工干預(yù)，由于退火爐爐段數(shù)較多，這種操作模式給操作人員帶來較大的工作量，且較大依賴于操作人員的水平及經(jīng)驗，效果不是很好。

生產(chǎn)中由于帶鋼規(guī)格及運行參數(shù)、工藝設(shè)定參數(shù)改變而引起的爐溫波動及調(diào)節(jié)具有可預(yù)見性，若在參數(shù)變化時提前給溫度控制器輸出一個預(yù)設(shè)定值，抑制爐溫的偏差變化，既可增加爐溫的響應(yīng)速度，亦可減小爐溫的波動。預(yù)設(shè)定值可基于查詢退火爐保溫參數(shù)表及帶鋼工藝參數(shù)表相關(guān)數(shù)據(jù)并通過計算得出，數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)根據(jù)退火爐調(diào)試及生產(chǎn)期間真實記錄所得，也可根據(jù)經(jīng)驗預(yù)先設(shè)定。

表1所示為退火爐保溫參數(shù)表，存儲退火爐各段爐溫分別在750℃～1000℃區(qū)間內(nèi) （間隔50℃記錄一個點Tp，p=1～6），退火爐內(nèi)無帶鋼時保持相應(yīng)爐溫所需的負荷值，此時的熱量主要用于爐殼及管道的熱損失、爐內(nèi)保護氣及燃燒廢氣帶出熱量。表中m表示爐段號。

表1 退火爐保溫參數(shù)表Tab.1 Table of heat-preservation parameters for annealing furnace

表2為帶鋼工藝參數(shù)表，存儲退火爐生產(chǎn)的各種帶鋼牌號，其對應(yīng)的工藝速度、各爐段工藝溫度及正常穩(wěn)定生產(chǎn)過程中該速度溫度下對應(yīng)的爐段負荷值，表中n為帶鋼牌號序號，m為爐段號。

表2 帶鋼工藝參數(shù)表Tab.2 Table of strip process parameters

2.2.1 帶鋼參數(shù)修正器

根據(jù)帶鋼牌號查詢表2，判斷退火爐實際工藝參數(shù)與工藝設(shè)定參數(shù)相近（即退火爐處于正常生產(chǎn)狀態(tài)）時，啟用修正器。

帶鋼參數(shù)修改包括2方面：①生產(chǎn)過程中帶鋼牌號修改，各段爐溫設(shè)定值及帶鋼速度需根據(jù)表2中工藝設(shè)定值修改；②牌號未更改，由于某故障因素造成帶速的急速下降，及故障排除后帶速的急速上升。當檢測到帶鋼牌號或速度發(fā)生變化時，首先根據(jù)帶鋼牌號查詢表2，獲得當前帶鋼牌號序號n對應(yīng)的各段爐溫設(shè)定值再查詢表1，采用插值計算法，計算退火爐各段（爐內(nèi)無帶鋼）在保持爐溫下的理論負荷值

式中：下標n為表2中帶鋼種類序號；下標m為爐段序號；p為爐溫序號。

計算牌號為Nn的帶鋼，在當前帶鋼速度VPV，對應(yīng)爐段m保持其工藝溫度的理論負荷值（當帶鋼速度為0時，帶鋼自身帶走熱量為0，可近似認為該情況下爐段負荷值，與爐內(nèi)無帶鋼時對應(yīng)爐溫保溫負荷值一致）可采用式（8）計算：

式中：Un_Zm為帶鋼參數(shù)變化時的近似理論負荷值。

當生產(chǎn)過程中帶鋼參數(shù)發(fā)生變化時，帶鋼參數(shù)修正器先將PID置于手動模式并直接將PID輸出賦值于計算獲得的理論負荷值，隨后將PID轉(zhuǎn)入自動模式對爐溫設(shè)定值進行跟蹤調(diào)節(jié)。

2.2.2 快速升/降溫調(diào)節(jié)器

此調(diào)節(jié)器主要用于當退火爐由保溫狀態(tài)轉(zhuǎn)換至生產(chǎn)狀態(tài)，或由生產(chǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)至保溫狀態(tài)時，需爐溫快速上升至工藝溫度值或快速下降至保溫溫度的情況。這種情況下，退火爐未處于正常生產(chǎn)狀態(tài)，爐溫設(shè)定值為TZm_SV、爐溫實際值為TZm_PV、帶速實際值為VPV。快速升/降溫調(diào)節(jié)器流程如圖3所示。

圖3 快速升/降溫調(diào)節(jié)器Fig.3 Adjuster of heating or cooling with high speed

在TSV與TPV偏差|e|較大時，使內(nèi)部PID控制器為手動狀態(tài)且輸出為預(yù)設(shè)定的最大值Umax（或最小值Umin），使控制器以最快速度升溫（或降溫）；當調(diào)節(jié)一段時間偏差|e|值小于設(shè)定值時，查詢數(shù)據(jù)表并計算當前狀態(tài)下控制器預(yù)設(shè)定值Un_Zm，將PID控制器輸出值置為預(yù)設(shè)定值后，將控制器置為自動狀態(tài)進行自動調(diào)節(jié)。

根據(jù)表1計算當前溫度設(shè)定值TZm_SV下爐段理論保溫負荷值（Tp≤TZm_SV≤Tp+1）：

設(shè)當前溫度設(shè)定值TZm_SV下、帶速為工藝帶速時爐段理論負荷為同規(guī)格帶鋼在爐內(nèi)帶速一致的情況下，換熱系數(shù)及單位時間內(nèi)換熱面積相同，因此帶鋼在爐內(nèi)吸收熱量與爐溫及帶鋼溫度差值成正比，為計算簡便，忽略2種情況下廢氣帶走熱量的差異，則可簡化為

式中：TStrip_Zm_SV、TStrip_Zm分別為在爐溫設(shè)定 TZm_SV、下對應(yīng)爐段的帶鋼溫度。因爐內(nèi)帶鋼溫度未知，且在退火爐入口處帶鋼溫度最低，爐溫、帶溫溫差最大，在退火爐后段爐溫帶溫溫差變小，相應(yīng)換熱量減少，根據(jù)經(jīng)驗，式（11）可簡化為

式中：m 為爐段序號，綜合式（9）、（10）、（12）可得在爐溫設(shè)定值TZm_SV、帶速為VPV時理論負荷值：

因爐內(nèi)換熱過程的復(fù)雜性，該計算公式僅能得到一個近似值，隨后需PID轉(zhuǎn)入自動調(diào)節(jié)，保持溫度的穩(wěn)定、精確調(diào)節(jié)。

2.3 煤氣壓力修正

退火爐采用煤氣輻射管進行加熱，當煤氣、空氣壓力在穩(wěn)定值時，煤氣空氣在燒嘴內(nèi)混合燃燒產(chǎn)生的火焰長度最佳，燒嘴工作在額定狀態(tài)下，傳熱效率最高。實際生產(chǎn)中，受煤氣外管網(wǎng)壓力波動的影響，或管網(wǎng)煤氣減壓閥組工作特性的影響，會造成退火爐的煤氣壓力發(fā)生改變。至退火爐煤氣壓力過高時，會使調(diào)節(jié)閥關(guān)至最小開度值后至燒嘴的煤氣壓力仍舊偏高，造成燒嘴內(nèi)火焰長度增長，燒嘴燃燒超出額定狀態(tài)，在爐段負荷給定值未發(fā)生改變的情況下爐溫升高；煤氣壓力過低，調(diào)節(jié)閥開至最大仍無法達到額定壓力，造成燒嘴火焰減小，燒嘴熱功率及熱效率降低，使在爐段負荷給定值未發(fā)生改變的情況下爐溫降低。

當煤氣壓力偏差值大于0.5 kPa時啟用式（14）對負荷值進行修正

式中：PSV為煤氣壓力設(shè)定值；PPV為煤氣壓力實際值；a為壓力修正系數(shù)，可根據(jù)現(xiàn)場實際調(diào)節(jié)效果修改，初值設(shè)為0.5；Y′為最終溫度控制器輸出負荷值。

3 結(jié)語

該溫度控制器已成功在某鋼廠新建硅鋼連退線上運用，實際效果表明，在帶鋼規(guī)格不變的情況下，實際爐溫控制精度在±2℃以內(nèi)，當出現(xiàn)帶速的突然變化或帶鋼規(guī)格改變時，爐溫超調(diào)較常規(guī)控制大幅減小，可控制在±10℃以內(nèi)，同時具有快速升降溫的特點和較高的精度及穩(wěn)定性，使溫度控制在全工況范圍內(nèi)，能有效提高產(chǎn)品合格率，減少能源消耗。

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