基于計(jì)算機(jī)的加熱爐過(guò)程控制應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉彩利

（西安外事學(xué)院工學(xué)院計(jì)算機(jī)系，陜西 西安 710077）

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展趨勢(shì)下，能源短缺開(kāi)始備受社會(huì)各界積極關(guān)注。而加熱爐是軋鋼生產(chǎn)企業(yè)中能耗最為突出的設(shè)備，隨著加熱爐生產(chǎn)工藝逐漸優(yōu)化改進(jìn)，其自動(dòng)化水平也有了明顯提升。現(xiàn)階段，以節(jié)能環(huán)保，提高產(chǎn)品質(zhì)量為目標(biāo)的加熱爐過(guò)程控制系統(tǒng)已經(jīng)在現(xiàn)代化企業(yè)加熱爐生產(chǎn)控制中實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。加熱爐過(guò)程控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)是根據(jù)生產(chǎn)工藝的具體要求，全過(guò)程跟蹤并控制爐內(nèi)板坯加熱過(guò)程，對(duì)出爐溫度與均勻度進(jìn)行嚴(yán)格控制，并大大降低其氧化損傷程度，在提高加熱效率與質(zhì)量的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標(biāo)[1]?；谟?jì)算機(jī)的加熱爐過(guò)程控制應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是基于信息管理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，充分發(fā)揮加熱爐的過(guò)程控制功能，其是熱軋自動(dòng)化控制系統(tǒng)的重要組成部分。熱軋自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃槿?jí)，即制造執(zhí)行（L3）、過(guò)程控制（L2）、基礎(chǔ)自動(dòng)化（L1）。其中，過(guò)程控制（L2）的任務(wù)是進(jìn)行材料跟蹤、參數(shù)設(shè)定計(jì)算、質(zhì)量數(shù)據(jù)匯總分析等等，主要包含加熱爐過(guò)程控制計(jì)算機(jī)與軋線過(guò)程控制計(jì)算機(jī)兩大系統(tǒng)部分。

1 基于計(jì)算機(jī)的加熱過(guò)程控制應(yīng)用系統(tǒng)配置

首先，系統(tǒng)設(shè)備，一臺(tái)服務(wù)器與高性能工控機(jī)，以此作為此過(guò)程控制的主機(jī)部分，對(duì)加熱爐板坯進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，并計(jì)算處理燃燒數(shù)據(jù)設(shè)定等等。其次，操作終端，利用客戶機(jī)或者服務(wù)器，在操作室內(nèi)安裝終端PC服務(wù)器與終端客戶機(jī)，以操作整個(gè)過(guò)程控制。再次，通訊網(wǎng)絡(luò)，加熱爐過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與軋線過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間，其中加熱爐過(guò)程控制計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)和基礎(chǔ)自動(dòng)化，終端服務(wù)器和客戶機(jī)，基礎(chǔ)自動(dòng)化和終端服務(wù)器各自彼此之間，都是基于以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通訊，而基礎(chǔ)自動(dòng)化與遠(yuǎn)程I/O、傳動(dòng)裝置間則是基于現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)通訊[2]。加熱爐過(guò)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具體如圖1所示。

圖1 加熱爐過(guò)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 基于計(jì)算機(jī)的加熱過(guò)程控制應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于計(jì)算機(jī)的加熱爐過(guò)程控制應(yīng)用系統(tǒng)功能具體如圖2所示。

圖2 基于計(jì)算機(jī)的加熱爐過(guò)程控制應(yīng)用系統(tǒng)功能模塊

2.1 數(shù)據(jù)跟蹤修正

2.1.1 前后輥道

工作人員發(fā)現(xiàn)板坯爐前爐后輥道實(shí)際位置與跟蹤映像之間出現(xiàn)偏差的時(shí)候，應(yīng)基于畫面及時(shí)修正映像，促使兩者位置相一致。工作人員把所需修正板坯號(hào)輸入操作終端（HMI），并基于此畫面加以修正。通過(guò)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)處理后臺(tái)，就輸入信息為依據(jù)進(jìn)行板坯位置信息更新，在完成跟蹤信號(hào)處理之后，及時(shí)優(yōu)化并保留映像文件，并進(jìn)行畫面刷新。

2.1.2 爐 內(nèi)

在爐內(nèi)激光檢測(cè)器發(fā)生故障，或者L1出現(xiàn)通信故障的時(shí)候，應(yīng)進(jìn)行爐內(nèi)跟蹤修正，確保板坯位置符合實(shí)際需求。工作人員則應(yīng)選擇所需修正的爐號(hào)與步進(jìn)梁運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)跟蹤數(shù)據(jù)進(jìn)行有效修正?；谶^(guò)程控制計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)處理合理檢測(cè)所輸入的數(shù)據(jù)信息，并據(jù)此信息更新板坯位置映像，同時(shí)刷新畫面。

2.1.3 強(qiáng)制上料

在上料輥道上安裝完成板坯之后，加熱爐L2沒(méi)有及時(shí)獲得數(shù)據(jù)信息，工作人員應(yīng)及時(shí)輸入數(shù)據(jù)信息，強(qiáng)制上料。過(guò)程控制計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的合法性與科學(xué)性進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并構(gòu)建映像數(shù)據(jù)，儲(chǔ)存到輥道映像表中去，同時(shí)刷新畫面。

2.1.4 板坯吊銷

處于核對(duì)位置的板坯或者在核對(duì)后需要進(jìn)行吊銷的時(shí)候，工作人員及時(shí)操作，且利用跟蹤程序修正映像。工作人員將板坯號(hào)與吊銷原因代碼正確輸入，啟動(dòng)吊銷過(guò)程。過(guò)程控制計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的合格性進(jìn)行檢查，同時(shí)將實(shí)時(shí)跟蹤映像刪除，進(jìn)行畫面刷新，通知軋線L2與MES。

2.1.5 強(qiáng)制裝入

板坯完成裝爐后，數(shù)據(jù)沒(méi)有隨之進(jìn)入加熱爐，工作人員應(yīng)強(qiáng)制性確認(rèn)，跟蹤程序則修正映像。工作人員在HMI畫面上明確指出數(shù)據(jù)強(qiáng)制裝入信息，啟動(dòng)裝入。過(guò)程控制計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)就裝入信息，編制跟蹤數(shù)據(jù)表，進(jìn)行畫面刷新。以設(shè)置狀態(tài)為依據(jù)，對(duì)軋線L2與MES發(fā)出通知指令。

2.1.6 強(qiáng)制抽出

板坯抽出后，數(shù)據(jù)依舊停留在爐內(nèi)，此時(shí)工作人員應(yīng)強(qiáng)制確認(rèn)抽出。在HMI 畫面上明確指出強(qiáng)制抽出的數(shù)據(jù)信息，啟動(dòng)抽出。過(guò)程控制計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)把爐內(nèi)跟蹤映像及時(shí)刪除，并對(duì)軋制順序相關(guān)表格進(jìn)行修正，同時(shí)刷新畫面。就通信設(shè)置狀態(tài)為依據(jù)，對(duì)軋線L2與MES發(fā)出通知指令。

2.1.7 裝入返回

將已經(jīng)裝入爐內(nèi)的板坯退到輥道，工作人員將裝入返回相關(guān)信息加以輸入，并啟動(dòng)裝入返回。過(guò)程控制計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)爐前輥道的空位進(jìn)行判斷，一旦成立，則及時(shí)刪除板坯跟蹤映像，重構(gòu)軌道跟蹤映像，并對(duì)裝爐的順序表格進(jìn)行修改更新。而不成立的狀況下，則立即輸出警告，同時(shí)進(jìn)行畫面刷新。

2.1.8 返裝入爐

在出爐輥道上的板坯，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行重新返裝入爐，這時(shí)工作人員應(yīng)及時(shí)處理數(shù)據(jù)信息，輸入返裝入爐相關(guān)信息，加以啟動(dòng)，同時(shí)手動(dòng)返送爐內(nèi)。過(guò)程控制計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)變更映像具體位置與生產(chǎn)規(guī)劃表格狀態(tài)，并適當(dāng)處理軋制順序，進(jìn)行畫面刷新，就通信設(shè)置狀態(tài)為依據(jù)，及時(shí)向軋線L2發(fā)出通知[3-5]。

2.2 輥道數(shù)據(jù)

2.2.1 跟蹤內(nèi)容

從板坯上料開(kāi)始進(jìn)行跟蹤，直到裝入之前與抽出之后的輥道的整個(gè)過(guò)程。其中材料跟蹤程序則應(yīng)實(shí)時(shí)跟蹤板坯，而輥道跟蹤則應(yīng)實(shí)時(shí)跟蹤上料、爐前、爐后等所有過(guò)程輥道，物料跟蹤則應(yīng)實(shí)時(shí)跟蹤上料處理、核對(duì)、輥道映像。

2.2.2 輥道跟蹤

（1）上料處理，L3將板坯信息電文發(fā)送到L2，然后再傳輸給L1，并啟動(dòng)上料，而跟蹤程序則把板坯數(shù)據(jù)信息及時(shí)輸入影響數(shù)據(jù)表格中，同時(shí)進(jìn)行畫面刷新。

（2）影響跟蹤處理，L2在接收到L1電氣儀表傳輸?shù)母櫺畔⒅?，?duì)信號(hào)進(jìn)行詳細(xì)分析。在信號(hào)校驗(yàn)完成之后，全面更新映像表，同時(shí)刷新畫面。

（3）核對(duì)處理，板坯在進(jìn)入核對(duì)輥道后，設(shè)定程序?qū)Π迮鞯拈L(zhǎng)度與重量進(jìn)行一一核對(duì)。在核對(duì)不合格的時(shí)候，向工作人員發(fā)出警報(bào)，進(jìn)行吊銷處理。在核對(duì)合格的時(shí)候，基于設(shè)定程序合理設(shè)置相關(guān)數(shù)據(jù)信息，同時(shí)刷新畫面[6]。

2.3 爐內(nèi)數(shù)據(jù)

2.3.1 跟蹤內(nèi)容

從板坯裝入環(huán)節(jié)開(kāi)始，直到抽出爐后輥道進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。材料跟蹤程序全程跟蹤板坯，在板坯到達(dá)既定區(qū)域后，跟蹤程序?qū)φ麄€(gè)程序進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)行。爐內(nèi)跟蹤包含三部分，即裝入處理、爐內(nèi)跟蹤、抽出處理。

2.3.2 數(shù)據(jù)處理

首先，裝入處理，L2在接收到L1結(jié)束電文之后，就裝鋼機(jī)的實(shí)際績(jī)效，獲得裝入量，以此對(duì)前端位置進(jìn)行計(jì)算，并構(gòu)建跟蹤映像，向L2與MES 發(fā)送裝入電文，同時(shí)進(jìn)行畫面刷新。其次，映像處理，爐內(nèi)跟蹤是針對(duì)在裝入之后直到抽出前輥道，整個(gè)過(guò)程的物理位置。在加熱爐內(nèi)，板坯基于步進(jìn)梁向前進(jìn)完成之后，位置信息發(fā)送到L2，如果映像數(shù)據(jù)信息出現(xiàn)變更，則及時(shí)進(jìn)行畫面刷新。再次，抽出處理，對(duì)板坯是否滿足出鋼要求進(jìn)行判別。設(shè)定程序設(shè)定抽鋼機(jī)，并傳輸相關(guān)電文。L2在接收到L1抽出結(jié)束的時(shí)候，及時(shí)將跟蹤映像刪除。ACC 計(jì)算出爐溫度，傳輸抽出結(jié)束電文給軋線L2與MES，同時(shí)刷新畫面[7]。

2.4 設(shè)定值處理

板坯到達(dá)指定輥道位置的時(shí)候，工作人員基于畫面一一核對(duì)長(zhǎng)度與質(zhì)量等信息，確保正確后，點(diǎn)擊確認(rèn)，啟動(dòng)設(shè)定模塊自動(dòng)設(shè)定爐號(hào)與列號(hào)等，并向PLC傳輸設(shè)定電文，以便于啟動(dòng)輥道進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.5 實(shí)績(jī)收集

實(shí)績(jī)數(shù)據(jù)信息處理具有搜集PLC與DCS設(shè)備數(shù)據(jù)并加以處理的功能，而且還可以對(duì)其他應(yīng)用程序起到激發(fā)作用。

2.6 生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理

MES 投入運(yùn)行的時(shí)候，生產(chǎn)計(jì)劃應(yīng)全面交于MES進(jìn)行安排，確定板坯軋制順序、爐號(hào)、PDI數(shù)據(jù)等，并向L2傳輸相關(guān)電文[8]。

3 軋鋼加熱爐過(guò)程控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 建立“透明加熱爐”

其一，實(shí)時(shí)跟蹤并提示加熱爐內(nèi)的鋼坯位置狀態(tài)，以給相關(guān)工作人員提供明確的鋼坯位置，從而實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)分布透明化的目標(biāo)。其二，實(shí)時(shí)跟蹤并提示加熱爐內(nèi)鋼坯的加熱環(huán)境，以為相關(guān)工作人員提供正確的實(shí)際爐溫狀態(tài)和溫控規(guī)則，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加熱環(huán)境的透明化狀態(tài)。其三，實(shí)時(shí)跟蹤并提示加熱爐內(nèi)鋼坯溫度狀態(tài)，以為相關(guān)工作人員提供鋼坯芯部和表面的溫度，以實(shí)現(xiàn)鋼坯溫度的透明化。

3.2 支持加熱爐生產(chǎn)操作決策

首先，提示加熱爐內(nèi)部的優(yōu)化控制系統(tǒng)是否存在，是否可以實(shí)際檢測(cè)鋼坯的入爐時(shí)間、可用空間，以有效協(xié)助工作人員完成裝爐操作。其次，提示加熱爐出鋼條件，一旦鋼坯與出鋼條件不相符，系統(tǒng)就會(huì)明確提示具體的等待時(shí)間，幫助工作人員進(jìn)行鋼坯出爐操作。為了保證工作人員工作的精確性和可靠性，控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)提示加熱爐最新出爐鋼坯和開(kāi)軋表面檢測(cè)溫度等。再次，加熱爐內(nèi)部具體加熱狀態(tài)控制系統(tǒng)可以提示工作人員所生產(chǎn)的鋼坯數(shù)量以及與具體要求的相符程度，如果鋼坯無(wú)法滿足施工工藝要求，系統(tǒng)則提示鋼坯與預(yù)期目標(biāo)要求之間的時(shí)間差異，以幫助工作人員適當(dāng)調(diào)整爐溫。最后，提示加熱爐各爐段最優(yōu)化參照溫度和實(shí)際爐溫之間的差異，從而幫助工作人員完成爐溫調(diào)整量相關(guān)運(yùn)作[9]。

4 鋼坯加熱過(guò)程自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)

4.1 實(shí)時(shí)跟蹤爐內(nèi)運(yùn)行速度

通過(guò)實(shí)時(shí)跟蹤加熱爐各個(gè)輥道與板坯運(yùn)行狀況，能夠科學(xué)合理計(jì)算運(yùn)行速度，并據(jù)此作為溫度模型的邊緣信息。

4.2 實(shí)時(shí)判斷鋼坯預(yù)期爐段溫度

基于詳細(xì)分析各爐段內(nèi)加熱環(huán)境、運(yùn)行速度、板坯溫度等信息，對(duì)板坯在到達(dá)出口時(shí)候的離段溫度進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。如果離段溫度尚未達(dá)到相關(guān)工藝標(biāo)準(zhǔn)具體要求，可以以離段溫度偏差作為重要輔助，或者適當(dāng)調(diào)整虛擬爐段溫度（板坯預(yù)期爐溫），以此促使離段溫度與既定標(biāo)準(zhǔn)要求相符。

4.3 實(shí)時(shí)計(jì)算各爐段最佳爐溫參考

就各爐段內(nèi)部鋼坯預(yù)期溫度，以鋼坯鋼種加熱優(yōu)先級(jí)與鋼坯位置優(yōu)先級(jí)作為參考依據(jù)，進(jìn)一步確定爐段最佳爐溫參考。而在基礎(chǔ)控制系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)爐溫控制回路，則要求工作人員通過(guò)交互的方式進(jìn)行最佳爐溫參考干預(yù)，以此構(gòu)成爐溫預(yù)定信息，并及時(shí)傳送到基礎(chǔ)控制系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)爐溫的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

4.4 實(shí)時(shí)計(jì)算加熱煤氣最佳流量參考

在基礎(chǔ)控制系統(tǒng)中，不出現(xiàn)爐溫控制回路，那么優(yōu)化控制系統(tǒng)將會(huì)就具體爐溫和最佳爐溫參考，以及爐段內(nèi)部鋼坯溫度與數(shù)量等作為重要依據(jù)，進(jìn)一步計(jì)算最佳煤氣流量參考。在此形勢(shì)下，要求工作人員采取交互方式進(jìn)行最佳煤氣流量參考干預(yù)，以形成煤氣流量控制回路的具體預(yù)設(shè)信息，同時(shí)傳輸?shù)交A(chǔ)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)燃?xì)饬髁孔詣?dòng)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制加熱爐溫度的目標(biāo)。因?yàn)橄到y(tǒng)中的信息都會(huì)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，因此過(guò)程控制應(yīng)用系統(tǒng)支持工作人員針對(duì)爐內(nèi)的鋼坯加熱過(guò)程進(jìn)行查詢和追溯[10]。

5 結(jié) 論

綜上所述，加熱爐L2控制系統(tǒng)的目標(biāo)是在滿足軋機(jī)產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，促使板坯的出爐溫度與目標(biāo)值相接近，板坯的截面溫差處于最小狀態(tài)，染料消耗最低，氧化燒損與脫碳最少，而加熱爐的生產(chǎn)則處于均衡狀態(tài)，同時(shí)降低工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)加熱爐設(shè)備的節(jié)能環(huán)保目標(biāo)。據(jù)此，本文進(jìn)行了基于計(jì)算機(jī)的加熱爐過(guò)程控制應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以熱軋步進(jìn)式加熱爐生產(chǎn)工藝為依據(jù)，利用此系統(tǒng)可以最大程度上滿足生產(chǎn)需求，其具有十分突出的可靠性、開(kāi)放性、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性等優(yōu)勢(shì)特性，并能夠明顯提高加熱爐設(shè)施設(shè)備的自動(dòng)化與信息化控制水平，從而保證生產(chǎn)效率與質(zhì)量，為鋼鐵企業(yè)帶來(lái)良好的綜合效益。