基于环形加热炉数学模型的管坯优化加热控制系统

　　O 引言

　　环形加热炉是无缝钢管热轧生产线上的重要热工设备，其加热质量直接影响钢管的质量，其能耗和氧化烧损直接影响钢管的成本，其设备状况和操作水平直接影响钢管的产量[3-4] 。因此，保证环形加热炉的最优生产状况是无缝钢管生产的关键。环形加热炉作为一种特殊的连续加热炉，具有步进式加热炉的很多特点，而且环形加热炉能够满足多种加热制度的要求，使之更能适应现代化生产的需要[5]。在自动控制方面，少数发达国家早在20世纪8O年代中期就已经开始开发以数学模型为基础的优化控制策略，我国在这方面的研究虽然起步较晚，但发展较快，近几年已有多篇关于环形加热炉离线数学模型及以数学模型作为在线监控的报道，而完全以数学模型为基础实现其在线优化加热控制的报道尚不多见。

　　天津钢管有限责任公司使用的1#环形加热炉主要用于管坯穿孔前加热，环形炉中径48 m，内宽5.2 m，全炉共分9个控制段，一级控制系统采用西门子$7-400控制系统，在原有的控制系统中无二级系统。为了进一步提高钢管的产量和质量、降低生产成本，必须进一步提高环形加热炉的控制水平。因此，利用文献[1]和[2]提供的环形加热炉数学模型，在实现基础燃烧控制的环形加热炉上开发了一套“基于环形加热炉数学模型的管坯优化加热控制系统”，并于2006年11月在天津钢管有限责任公司1#环形加热炉上成功应用。从投运效果来看，实现了预期的攻关目标，取得了良好的控制效果。

　　1 硬件配置

　　环形加热炉控制系统设计了三种不同的功能级：即零级系统、一级和二级系统，其中零级系统包括现场装置和仪表等，一级系统包括环形加热炉使用的电气和仪表控制系统。环形炉二级控制系统是应用在零级系统、一级系统之上的。整个环形炉控制系统配置如图1所示。

　　2 主要功能及实现

　　环形加热炉计算机优化控制系统的控制目标可表述为：在满足轧机产量的情况下，使钢坯出炉温度最接近目标值，钢坯截面温差最小，减少操作人员或降低劳动强度，加热炉设备得以保护而且可以达到环保要求的指标。其主要功能包括管坯位置跟踪、管坯温度跟踪、炉温优化设定及动态优化、环形炉待轧过程优化控制等。

　　2.1 管坯位置跟踪

　　加热炉内钢坯位置跟踪范围从钢坯装入加热炉开始，到出加热炉为止，管坯炉内位置在线实时跟踪是环形加热炉优化加热控制的基础。加热炉二级过程控制计算机根据来自基础自动化的各钢坯装料的装入行程和步进梁每周期的移动量等信号，实时跟踪加热炉内各钢坯在加热炉的位置，同时在数据库中存储每根管坯的位置信息，并在界面显示所有钢坯的真实位置。环形加热炉二级控制系统炉内管坯位置跟踪界面见图2。用鼠标左键点击任何一根管坯，与这根管坯相对应的属性就动态显示在右侧属性栏中，包括：炉号、批号、钢种、长度、直径、炉内位置、上部点温度、中心点温度、下部点温度、表面平均温度、温差等参数。同时，环形炉二级控制系统还具有管坯位置修正功能，鼠标右键点击任何一根管坯，会出现管坯参数修改界面，可对该管坯进行人炉时参数的修改。