選題背景及意義
隨著我國經濟的迅速發展，能源短缺已成為制約我國工業發展的重要阻礙，社會各界都對此積極關注。推鋼式加熱爐是冶金工業的主要耗能裝置。如何保證被加熱後的金屬能夠在有效軋製前提下，降低加熱爐的能耗，一直是冶金工業控制技術研究的主要方向。近年來由於各企業重視節源效益，對加熱爐生產工藝的不斷完善和優化，加熱爐生產自動化控制水平也相應提高和不斷深入。目前面向節能降耗、提高軋製產品質量和產量設計的加熱爐工程控制計算機系統已廣泛的應用於現代冶金企業的加熱爐生產控制中。設計一套完善可行的加熱爐爐溫控制系統有其巨大的經濟價值、環保意義。
加熱爐生產過程主要是個燃燒與熱交換的物理化學過程，燃燒方面有一個如何使其在各種工況下特別是在熱負荷變化的動態過程中保持最佳節能燃燒的問題。另外從整個軋製生產線來看，加熱爐是區域性環節，其主要任務是加熱鋼坯，使鋼坯在出爐時達到軋製所要求的溫度分佈。評價加熱爐效能優劣的主要指標是加熱爐的單位燃燒消耗、產量、鋼坯的加熱質量、鋼坯的氧化燒損等。影響這些指標的因素較多，在眾多因素中加熱爐溫度制度起著決定性的作用[1]。
我國的加熱爐大部分是六、七十年代的產品，其控制系統非常落後。相當一部分還處於基地式儀表控制，錶盤顯示的水平，軟體操作不易為普通工人所掌握。為改變這種落後狀況，有效途徑之一就是進行加熱爐監測和控制系統的技術改造。加熱爐的工作目標是在最短的時間內採取最經濟的方式把爐內的鋼坯加熱到所要求的狀態。特別是一些目前小的鋼鐵企業，對這種投資少、見效快的技術改造更感興趣[2]。本文主要講述加熱爐燃燒控制系統設計。
1.2 加熱爐爐溫優化控制國內外的研究現狀
國際上對加熱爐的優化控制開始於70年代，我國從80年代才開始對這方面進行研究。在鋼鐵領域，以前人們對加熱爐優化控制研究主要集中在鋼坯的升溫過程的數學模型、爐溫優化設定以及燃燒控制，近年來智慧控制技術正逐步被應用到加熱爐爐溫控制中。
目前，就我國帶鋼熱連軋加熱爐控制系統整體而言，與國外相比，相差甚遠。在國外，多數帶鋼熱連軋加熱爐控制系統己經採用了高智慧型的專家系統，模糊控制或兩者相結合的控制系統。如美國的Bethlehem鋼鐵公司利用模糊控制和專家系統相結合的控制系統對帶鋼熱連軋加熱爐進行控制。而我國大部分鋼鐵企業的熱連軋加熱爐控制系統仍是早期的DCS控制系統或PLC控制系統，有的還沒有達到這個控制水平，因而為了參加國際競爭，贏得產品盛譽，就必須對加熱爐控制系統進行換代或改造。對加熱爐控制系統的改造，國記憶體在兩種觀點：一種認為要較好地實現加熱爐的控制，必須堅持HCA (High Cost Automation)高成本高投入，大力提高自動化部分的控制水平，採用高智慧型的集中控制(或集散控制，甚至智慧模糊控制等。目前，一些大型企業比較傾向於此，但硬體投資也比較高，往往佔到裝置投資50％左右，而且要相當一批專業人員來完成;另一種為LCA(Low Cost Automation)低成本自動化。低成本不是低水平，是在低成本前提下的先進性和適用性，LCA是簡易自動化的延伸，是全新自動化的補充。它往往成為中小企業的優先選擇[1]。國內現有帶鋼熱連軋加熱爐一千多座，由於資金、技術等力一面的原因，改造或換代為高智慧型加熱爐數量很少。在這方面，由於寶鋼、鞍鋼等大型國有鋼鐵企業較重視科技在生產中的主導地位，在帶鋼連軋加熱爐改造中投入的力量較大，己成為我國鋼鐵行業領頭羊。
2 加熱爐控制系統設計
2.1 加熱爐工藝
熱爐加熱是一個典型的複雜工業過程控制系統，它具有複雜系統的諸多特徵。如：建模困難、干擾嚴重、多變數、時變、非線性、耦合大慣性兼滯後等特點。因此加熱爐一直是工業自動化研究的主要課題[1]。
通常冶金加熱爐燃料採用氣體燃料。氣體燃料即各種煤氣和天然氣。在各種燃料中，氣體燃料的燃燒最容易控制，燃燒效率也最高，是最受歡迎的一種燃料。任何一種氣體燃料的燃燒，都要經歷三個階段：即燃料與空氣的混合、混合氣體的活化和混合氣體的燃燒。所以，如何解決這三個問題也是加熱爐工藝的一個重要環節[4]。
加熱爐傳統的控制方法是控制爐溫，由調節器和執行器自動調節，再配以空燃比，煙道殘氧量以及燃料流量與助燃空氣流量的交叉限幅控制等輔助控制方法以提高熱效率。但一般人工設定爐溫餘量偏大，在生產工況波動的情況下，容易造成過度燒損，從而降低了加熱質量，反而導致產品成材率下降，能耗增加。
根據熱效率曲線,空氣過剩係數應在1.02～1.10之間,此時的空燃比為最佳。工作點位於效率曲線的頂端。因此燃燒系統的設計應以最佳空燃比為中心[1]。
圖2.1燃燒熱效率曲線
2.2 燃燒系統設計
加熱爐燃燒控制由多部分組成：爐溫控制、燃料流量控制、二者比值控制、爐壓控制[3]。 燃燒控制主要由溫度流量串級並列控制迴路和雙交叉限幅器組成。由於燃燒控制是系統的執行層，它不僅要快速穩定準確地隨動溫度數模的設定值，而且還要保證動態時和靜態時有良好的空燃配比效果。根據這個要求，本系統採用溫度流量串級雙交叉雙向限幅控制。以溫度環作為外環，空氣流量環和燃料流量環作為內環來設計[4]。用溫度環調節器的輸出分別作為空氣流量環和燃料流量環的給定值與各環反饋值進行比較，再通過限幅器對空氣流量環和燃料流量環進行限幅。綜合系統中各個因素考慮，設計了系統的流程圖，如圖2.2:
圖2.2加熱段控制系統流程圖
其中符號意義如下:
H-高值選擇 L-低值選擇 TIC-溫度調節器 FIC-流量調節器 LMT-流量上下限幅 DFA-安全柵 HC-手操器 β-空燃比 (k1-k4)-燃料空氣設定值限幅係數
燃燒控制由溫流串級並列雙交叉雙向限幅型控制迴路,爐壓,熱風等附屬引數控制,生產過程的安全報警與事故處理等幾個主要部分組成。
燃燒控制採用雙交叉雙向限幅結合溫度-流量串級結構，這一演算法的主要優點是它彌補了無交叉無限幅一般串級系統缺點，即很難保證動態時的空燃比控制精度，只能保證靜態的空燃比控制。因為現場實際執行的加熱爐大部分時間都處於動態或準動態過程，如果動態空燃比精度保證不了則很難達到理想的加熱效果，由此也很難保證成材率的提高和能耗的降低。雖然雙交叉限幅燃燒控制由於燃料空氣設定值的限制動態過程可能比一般的串級系統稍慢，但只要合適的選取K1－K4的值就可以在動態響應的速度和空燃比精度之間找到平衡點。K1－K4限定了燃料－空氣工作帶隙的寬度和位置,這兩個帶隙所在區域的空燃比就是β的近似值。另外燃料－空氣迴路的調節引數也變得容易整定,手自動轉換比較平穩,因為雙向雙交叉限幅帶隙寬度不變, 不會出現一般的串級並列設定值那樣大起大落的情況[8]。積分增益高些流量環趨於強單調過程比較理想。K1－K4如果增加，則帶隙寬度變大，則動態響應加快，但是動態空燃比精度降低；反之，則帶隙寬度變小