CN115449621A - 一种加热炉温度设定的控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种加热炉温度设定的控制方法，属于轧钢加热炉控制领域。本发明能够有效解决加热炉多种钢坯混装、钢坯规格及生产节奏变化频繁时，目标温度不能自动设定的问题。本发明是将炉内钢坯分布、钢坯信息，把这些信息发送给加热制度模块和专家预测***模块，经过分析运算，得知每段每块板坯的加热曲线，通过加权平均算法得出每段初始温度设定，接着通过专家***预判每段温度预测优化补偿。控制方法模块结合加热制度和专家预测***的优化，通过动态加权给出每段最终温度设定，然后下发给L1一级自动控制***。提高了加热炉的生产效率，节约了人工成本，并提高了钢坯的加热质量。
Description
技术领域
本发明提出了一种加热炉温度设定的自适应控制策略，根据炉内钢坯分布、板坯信息情况及温度加热制度，计算获得每块板坯在炉内实时位置的目标加热温度，通过加权平均算法和专家***的温度优化补偿，计算给出加热炉各段目标温度设定值的方法。
背景技术
轧钢加热炉是钢铁工业中最重要的热加工设备之一,其控制的任务是在获得满足轧机开轧所要求的钢坯温度分布的前提下,保持燃气和助燃空气流量的合理比值,使其充分燃烧,取得最佳的燃烧效率,实现最小的钢坯表面烧损和能耗,提高产品的产量和质量,达到环保和节能的目标。由于轧钢加热炉本质上是一个具有大惯性、大滞后、多变量以及时变的非线性***,工作机理复杂,因此难以建立精确的数学模型,用常规的控制方法难以达到满意的控制效果。
对于特定的温度设定值而言，提出了一种基于分离方法的加热炉模糊专家控制策略，该策略在温度偏差较小时使用模糊控制，保证较好的控制精度,在温度偏差较大时采用专家控制,保证快速的升温和降温效果,同时按照生产率模型调节空气流量,克服了传统控制策略中无法解决的燃气热值波动时空气燃料比难以自动修正的缺陷。但是，这种控制策略并不能解决炉内有多种不同规格钢坯混装的温度自适应控制。
由于不同厚度、不同品种的钢坯，各自加热目标温度不同，钢坯加热温度难以控制，加热质量不高。针对这种情况，提出了一种优化加热炉二级控制模型参数的方法，该方法是以板坯温度黑匣子实验测试结果为依据，结合加热炉内部结构以及钢坯加热温度需求，完成对加热炉二级控制模型参数的调整、修改(包括：炉膛辐射系数、热量传递系数、炉段分区、自动燃烧炉温设定值等)，实现加热炉二级控制模型参数的优化，提高钢坯加热温度控制准确性，改善钢坯加热质量。然而这种方法虽然提高了钢坯温度跟踪的精度，但是温度设定采用加权平均法，仅对于品种比较单一、规格比较整齐的钢坯有效，并不适用节奏变化幅度大、钢坯品种多及钢坯规格参差不齐的情况。
针对目前加热炉订单品种多种多样，钢坯规格参差不齐以及生产节奏变化频繁的现状，本发明提出了一种加热炉温度设定的自适应控制策略。这种策略首先根据炉内钢坯分布、板坯信息情况及温度加热制度，计算获得每块板坯在炉内实时位置的目标加热温度，然后通过专家***规则库，计算给出加热炉各段目标温度设定值。这种方法有效解决了加热炉多种钢坯混装、钢坯规格及生产结构变化频繁时，目标温度不能自动设定的问题，提高了加热炉的生产效率，并提高了钢坯的加热质量。
发明内容
一种加热炉温度设定的控制方法，其特征在于加热炉分区及控制***结构设计。
加热炉目前按如下区域划分为四段，即预热段、加热一段、加热二段及均热段。每一段上、下均设有一支热电偶用于检测相应炉膛温度。每一段均设有煤气流量调节阀和空气流量调节阀用于煤气和空气的流量控制，从而控制各段炉膛温度。
温度设定的自适应控制***包括如下几个环节：炉内钢坯分布及钢坯信息情况、加热制度模块、专家预测***、控制方法及L1控制***。其控制***流程如图1。其中，炉内钢坯分布及钢坯信息情况这个环节主要是获取板加热炉各段的钢坯种类、钢坯规格、钢坯位置及钢坯数量等钢坯信息。然后把这些信息发送给加热制度模块和专家预测***模块，经过分析运算，得知每段每块板坯的加热曲线，然后通过加权平均算法得出每段初始温度设定，接着通过专家***预判每段温度预测优化补偿。控制方法模块结合加热制度和专家预测***的优化，通过动态加权给出每段最终温度设定，然后下发给L1一级自动控制***。
一种加热炉温度设定的控制方法，其步骤如下：
步骤一、炉内钢坯分布及钢坯信息采集；将加热炉分为四段，分别预热段、加热一段、加热二段及均热段。每一段上、下均设有一支热电偶用于检测相应炉膛温度。每一段均设有煤气流量调节阀和空气流量调节阀用于煤气和空气的流量控制，从而控制各段炉膛温度。
步骤二、加热制度设定；
轧制厚度<8mm规格钢的坯温度加热制度：加热一段温度范围[850℃,1200℃]，加热二段温度范围[1180℃，1300℃]，均热段温度范围[1200℃，1300℃]，出炉温度范围[1275℃，1295℃]；
轧制厚度＝8mm且轧制定尺长度>34.5m规格钢坯的温度加热制度：加热一段温度范围[850℃,1200℃]，加热二段温度范围[1180℃，1300℃]，均热段温度范围[1200℃，1300℃]，出炉温度范围[1275℃，1295℃]；
轧制厚度＝8mm且轧制定尺长度<＝34.5m规格钢坯的温度加热制度：加热一段温度范围[850℃,1180℃]，加热二段温度范围[1180℃，1280℃]，均热段温度范围[1200℃，1280℃]，出炉温度范围[1200℃，1260℃]；
轧制厚度>8mm且轧制厚度<＝9mm规格钢坯的温度加热制度：加热一段温度范围[850℃,1180℃]，加热二段温度范围[1180℃，1280℃]，均热段温度范围[1200℃，1280℃]，出炉温度范围[1200℃，1260℃]；
轧制厚度>9mm且板坯厚度<＝250mm规格钢坯的温度加热制度：加热一段温度范围[850℃,1160℃]，加热二段温度范围[1100℃，1190℃]，均热段温度范围[1100℃，1180℃]，出炉温度范围[1140℃，1170℃]；
轧制厚度>9mm且板坯厚度＝300mm规格钢坯的温度加热制度：加热一段温度范围[850℃,1200℃]，加热二段温度范围[1100℃，1230℃]，均热段温度范围[1100℃，1220℃]，出炉温度范围[1150℃，1190℃]；
普碳钢，出炉目标温度为[1140℃，1170℃]；
低合金(460、550)钢，厚度为180-400mm，出炉目标温度为[1140℃，1170℃]；
管线钢，厚度为250-300mm，出炉目标温度为[1160℃，1220℃]；
号钢，厚度为180-300mm，出炉目标温度为[1160℃，1220℃]；
复合钢，厚度为300-410mm，出炉目标温度为[1160℃，1220℃]；
船板E90、D32/D36，厚度为180-300mm，出炉目标温度为[1160℃，1220℃]；
步骤三、专家预测***；
厚坯切换规则：当厚、薄钢坯交替生产时，厚到薄的切换或者薄到厚的切换，专家******相关加热段进行升温或降温处理，并预测计算出温度优化补偿值ΔT1；
生产节奏规则：当生产节奏发生大的变化时，根据目前各段升温速率，按照从均热段到第一加热段的顺序提高各段目标温度，或者按照从第一加热段到均热段的顺序降低各段目标温度的方式，提高或降低各段的升温速率，以实现在生产节奏变化幅度较大的情况下，能保证板坯的升温或降温的时间缩短，适应节奏的变化，此时温度优化补偿值为ΔT2。
热装规则：根据入炉前实测温度，进行温度优化补偿。当入炉前实测温度[200,300)℃时，专家***在第一加热段进行温度优化补偿ΔT3；当入炉前实测温度≥300℃时，专家***在第一加热段进行优化温度补偿ΔT4。厚度为300mm钢坯无热装概念，不考虑钢坯实际入炉温度。
待轧模式规则：待轧模式有四种模式，分别是0-15分钟，15-30分钟，30-60分钟，60分钟以上。待轧模式包括三个阶段：降温阶段，保温阶段，提前升温阶段。根据不同模式选择，专家***针对不同阶段给出不同的升温速率及温度优化补偿ΔT5。
步骤四、温度设定：
每段温度设定公式如下：
其中i表示段内钢坯标识下标，n表示段内钢坯个数，Ai表示段内每块钢坯加热目标温度值的权值，Ti表示表示段内每块钢坯的加热目标温度值，然后通过加权平均的算法得到该段的初始设定目标温度值：
m表示专家预测***规则库中的规则个数，j表示规则标识下标，ΔTj表示第j个规则相对应的温度优化补偿值，Bj表示温度补偿系数，
是段温度目标设定值的优化补偿值。温度补偿系数及温度优化补偿值均有专家预测***给出。T是该段最终的温度目标设定值。
在加热一段，要求该段炉膛温度不能超过1050℃，在均热段温度不能超过均热段内所有钢坯的温度加热上限。结合各加热段的加热能力，每个加热段温度目标设定值均有一个工艺上限TLIM。那么各段温度目标设定值最终的公式如下：
Tf＝MIN(T,TLIM)；
其中，Tf是各段温度最终目标设定值，MIN表示取最小运算。
一种加热炉温度设定的控制方法，其特征在于加热制度设计。
本发明所涉及的加热制度设计思路是由于不同品种、不同规格的钢坯在加热炉内加热曲线不同，加热目标温度不同。通过智能分析钢坯炉内加热曲线，找出关键因素。本发明经过多次取证，经智能分析得出厚度和钢种对温度设定的影响较大。尤其是厚度，以下为本发明经过多次验证总结出的以厚度为重要影响因素的加热制度表。
(厚度)加热制度表：
其中，序号1～6表示六种不同钢坯规格所对应的加热制度，即各段的加热目标温度值上、下限值，出炉目标温度值及其出炉温度上、下限值。这六种情况分别是：1、轧制厚度<8mm规格钢的坯温度加热制度；2、轧制厚度＝8mm且轧制定尺长度>34.5m规格钢坯的温度加热制度；3、轧制厚度＝8mm且轧制定尺长度<＝34.5m规格钢坯的温度加热制度；4、轧制厚度>8mm且轧制厚度<＝9mm规格钢坯的温度加热制度；5、轧制厚度>9mm且板坯厚度<＝250mm规格钢坯的温度加热制度；6、轧制厚度>9mm且板坯厚度＝300mm规格钢坯的温度加热制度。
不同钢种对温度设定也有较大影响，根据工艺和实践经验，得出钢种加热制度表如下：
(钢种)加热制度表：
| 钢种 | 厚度(mm) | 出炉目标温度(℃) |
| 普碳 | ---- | 1140-1170 |
| 低合金(460、550) | 180-400 | 1140-1170 |
| 管线钢 | 250-300 | 1160-1220 |
| 号钢(模具钢) | 180-300 | 1160-1220 |
| 复合钢(不锈钢) | 300-410 | 1160-1220 |
| 船板E90、D32/D36 | 180-300 | 1160-1220 |
上述钢种加热制度表中列举了不同钢种所对应的厚度范围以及其出炉目标温度要求。其中，“----”表示缺省，不做厚度范围要求。
从钢种与厚度两种加热制度表中，可以看出不同钢种、不同厚度加热目标温度出入比较大。本文所提温度设定的控制方法，将上述两种加热制度融合在一起，并且优先考虑关于厚度的加热制度。加热制度可以得出不同加热段的初始温度设定。
一种加热炉温度设定的控制方法，其特征在于专家预测***设计及对温度设定进行优化补偿。
根据权利要求3所述的专家预测***设计将对温度设定进行优化补偿，其特征在于根据不同加热炉生产状况，提出加热炉温度设定的优化补偿策略，创建专家规则库。具体如下所示：
(1)、薄厚坯切换规则：当厚、薄钢坯交替生产时，厚到薄的切换或者薄到厚的切换，专家******相关加热段进行升温或降温处理，并预测计算出温度优化补偿值ΔT1；
(2)、生产节奏规则：当生产节奏发生大的变化时，根据目前各段升温速率，按照从均热段到第一加热段的顺序提高各段目标温度，或者按照从第一加热段到均热段的顺序降低各段目标温度的方式，提高或降低各段的升温速率，以实现在生产节奏变化幅度较大的情况下，能保证板坯的升温或降温的时间缩短，适应节奏的变化，此时温度优化补偿值为ΔT2。
(3)、热装规则：根据入炉前实测温度，进行温度优化补偿。当入炉前实测温度[200,300)℃时，专家***在第一加热段进行温度优化补偿ΔT3；当入炉前实测温度≥300℃时，专家***在第一加热段进行优化温度补偿ΔT4。厚度为300mm钢坯无热装概念，不考虑钢坯实际入炉温度。
(4)、待轧模式规则：待轧模式有四种模式，分别是0-15分钟，15-30分钟，30-60分钟，60分钟以上。待轧模式包括三个阶段：降温阶段，保温阶段，提前升温阶段。根据不同模式选择，专家***针对不同阶段给出不同的升温速率及温度优化补偿ΔT5。
根据权利要求3所述的专家规则库，其特征在于是一个相对动态的规则库，专家***会根据不同的生产工艺及操作工操作经验，补充并优化专家控制规则库，以动态适应多种加热炉生产状况。
一种加热炉温度设定的控制方法，其特征在于温度设定的控制方法。
根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于结合加热制度和专家***得出的温度自动设定方法。每段温度设定公式如下：
其中i表示段内钢坯标识下标，n表示段内钢坯个数，Ai表示段内每块钢坯加热目标温度值的权值，Ti表示表示段内每块钢坯的加热目标温度值，然后通过加权平均的算法得到该段的初始设定目标温度值：
m表示专家预测***规则库中的规则个数，j表示规则标识下标，ΔTj表示第j个规则相对应的温度优化补偿值，Bj表示温度补偿系数，
是段温度目标设定值的优化补偿值。温度补偿系数及温度优化补偿值均有专家预测***给出。T是该段最终的温度目标设定值。
由于钢坯加热特性跟工艺参数要求，在加热一段，工艺要求该段炉膛温度不能超过1050℃，在均热段温度不能超过均热段内所有钢坯的温度加热上限，以防止钢坯温度超出工艺要求。基于此，结合各加热段的加热能力，每个加热段温度目标设定值均有一个工艺上限TLIM。那么各段温度目标设定值最终的公式如下：
Tf＝MIN(T,TLIM) (5.2)
其中，Tf是各段温度最终目标设定值，MIN表示取最小运算，即公式(5.1)计算出来的各段温度目标设定值T不能超过工艺所要求的各段目标温度设定值上限TLIM。
附图说明
图1控制***结构图。
图2钢坯的位置坐标-目标温度曲线示意图。其中，“+”曲线是钢坯加热目标温度上限曲线，“Δ”曲线是钢坯加热目标温度下限曲线，“o”曲线是钢坯加热温度实际值曲线。
具体实施方法
本发明所提出的一种加热炉温度设定的控制方法随着板坯的厚度和品种发生变化时，各段温度设定都能够自动适应，且生产节奏在快与慢切换时，温度的设定都能够及时自动增加或减少，这种策略有效解决了炉内混装不同厚度和不同品种钢坯时不能自动设定温度的问题，提高了生产效率，节约了人工成本，提高了产品的加热质量。下面详细说明整个实施过程的具体步骤。
1、安装控制***的硬件、软件和现场设备：本方法以计算机编程终端和PLC设备为基础，通过以太网络建立软件和硬件之间的通讯，实现对加热炉温度设定以及其他现场设备的有效控制。具体的实施步骤如下：
(1)安装控制***软件：安装计算机编程终端的操作***、西门子自动化编程软件和监控软件。计算机编程终端采用研华工控机，操作***为微软Windows XP SP3；编程软件采用的是西门子Step 7V5.4版本，编程软件用于对PLC控制***进行PLC硬件组态和编程；监控软件采用的是西门子Wincc7.0 SP2版，用于对工艺流程进行监控画面的组态。
(2)安装控制***硬件：在PLC柜内安装与(1)中所述编程软件中配置的PLC硬件类型和版本一致的模件和其他控制设备，完成柜内设备之间的硬线连接；对PLC模件进行通道设置，选择输入、输出通道的信号类型，并做好记录，应用到编程软件。
(3)组态编程软件：在编程软件中完成对PLC硬件的相应组态，并且与(2)中实际安装的PLC硬件的类型和版本一致；根据(2)中所述的PLC模件的通道设置、输入和输出类型，对软件进行相应的配置，按照工艺要求完成控制***的编程工作。
(4)组态监控软件：在计算机终端中，利用(1)中所述的监控软件进行工艺流程组态，实现对现场设备的控制和参数显示功能。
(5)安装现场设备：包括现场的流量、压力、温度、调节阀等信号检测设备；实现现场设备与PLC柜内的端子正确连接。
(6)建立通讯网络：通过以太网络的连接，把(1)中所述编程软件、监控软件、(2)中所述PLC模件和(5)中所述现场设备连接为一个控制***，从而实现控制加热炉温度设定所需的硬件和软件基础；设置以太网参数并选择通讯模式，采用ISO通讯方式进行通讯，检测与PLC相连接的以太网实际连接线路。
(7)***通讯：在现场设备安装完成后，根据控制***的要求，实现(1)中所述编程软件、监控软件、(2)中所述的PLC模件和(5)中所述现场设备之间的通讯功能，完成对现场检测信号、编程软件与监控软件内部地址之间的对应关系。
2、***参数组态过程：包括初始设定目标温度值、温度优化补偿值、各段温度目标设定值，所述的计算过程在编程软件中实现。
Claims (1)
1.一种加热炉温度设定的控制方法，其步骤如下：
步骤一、炉内钢坯分布及钢坯信息采集；将加热炉分为四段，分别预热段、加热一段、加热二段及均热段；每一段上、下均设有一支热电偶用于检测相应炉膛温度；每一段均设有煤气流量调节阀和空气流量调节阀用于煤气和空气的流量控制，从而控制各段炉膛温度；
步骤二、加热制度设定；
轧制厚度<8mm规格钢的坯温度加热制度：加热一段温度范围[850℃,1200℃]，加热二段温度范围[1180℃，1300℃]，均热段温度范围[1200℃，1300℃]，出炉温度范围[1275℃，1295℃]；
轧制厚度＝8mm且轧制定尺长度>34.5m规格钢坯的温度加热制度：加热一段温度范围[850℃,1200℃]，加热二段温度范围[1180℃，1300℃]，均热段温度范围[1200℃，1300℃]，出炉温度范围[1275℃，1295℃]；
轧制厚度＝8mm且轧制定尺长度<＝34.5m规格钢坯的温度加热制度：加热一段温度范围[850℃,1180℃]，加热二段温度范围[1180℃，1280℃]，均热段温度范围[1200℃，1280℃]，出炉温度范围[1200℃，1260℃]；
轧制厚度>8mm且轧制厚度<＝9mm规格钢坯的温度加热制度：加热一段温度范围[850℃,1180℃]，加热二段温度范围[1180℃，1280℃]，均热段温度范围[1200℃，1280℃]，出炉温度范围[1200℃，1260℃]；
轧制厚度>9mm且板坯厚度<＝250mm规格钢坯的温度加热制度：加热一段温度范围[850℃,1160℃]，加热二段温度范围[1100℃，1190℃]，均热段温度范围[1100℃，1180℃]，出炉温度范围[1140℃，1170℃]；
轧制厚度>9mm且板坯厚度＝300mm规格钢坯的温度加热制度：加热一段温度范围[850℃,1200℃]，加热二段温度范围[1100℃，1230℃]，均热段温度范围[1100℃，1220℃]，出炉温度范围[1150℃，1190℃]；
普碳钢，出炉目标温度为[1140℃，1170℃]；
低合金(460、550)钢，厚度为180-400mm，出炉目标温度为[1140℃，1170℃]；
管线钢，厚度为250-300mm，出炉目标温度为[1160℃，1220℃]；
号钢，厚度为180-300mm，出炉目标温度为[1160℃，1220℃]；
复合钢，厚度为300-410mm，出炉目标温度为[1160℃，1220℃]；
船板E90、D32/D36，厚度为180-300mm，出炉目标温度为[1160℃，1220℃]；
步骤三、专家预测***；
厚坯切换规则：当厚、薄钢坯交替生产时，厚到薄的切换或者薄到厚的切换，专家******相关加热段进行升温或降温处理，并预测计算出温度优化补偿值ΔT1；
生产节奏规则：当生产节奏发生大的变化时，根据目前各段升温速率，按照从均热段到第一加热段的顺序提高各段目标温度，或者按照从第一加热段到均热段的顺序降低各段目标温度的方式，提高或降低各段的升温速率，以实现在生产节奏变化幅度较大的情况下，能保证板坯的升温或降温的时间缩短，适应节奏的变化，此时温度优化补偿值为ΔT2；
热装规则：根据入炉前实测温度，进行温度优化补偿；当入炉前实测温度[200,300)℃时，专家***在第一加热段进行温度优化补偿ΔT3；当入炉前实测温度≥300℃时，专家***在第一加热段进行优化温度补偿ΔT4；厚度为300mm钢坯无热装概念，不考虑钢坯实际入炉温度；
待轧模式规则：待轧模式有四种模式，分别是0-15分钟，15-30分钟，30-60分钟，60分钟以上；待轧模式包括三个阶段：降温阶段，保温阶段，提前升温阶段；根据不同模式选择，专家***针对不同阶段给出不同的升温速率及温度优化补偿ΔT5；
步骤四、温度设定：
每段温度设定公式如下：
其中i表示段内钢坯标识下标，n表示段内钢坯个数，Ai表示段内每块钢坯加热目标温度值的权值，Ti表示表示段内每块钢坯的加热目标温度值，然后通过加权平均的算法得到该段的初始设定目标温度值：
m表示专家预测***规则库中的规则个数，j表示规则标识下标，ΔTj表示第j个规则相对应的温度优化补偿值，Bj表示温度补偿系数，
是段温度目标设定值的优化补偿值；温度补偿系数及温度优化补偿值均有专家预测***给出；T是该段最终的温度目标设定值；
在加热一段，要求该段炉膛温度不能超过1050℃，在均热段温度不能超过均热段内所有钢坯的温度加热上限；结合各加热段的加热能力，每个加热段温度目标设定值均有一个工艺上限TLIM；那么各段温度目标设定值最终的公式如下：
Tf＝MIN(T,TLIM)；
其中，Tf是各段温度最终目标设定值，MIN表示取最小运算。
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