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板坯加熱爐控制技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
鋼鐵工業(yè)是工業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，軋鋼生產(chǎn)是鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)過程中一個(gè)重要環(huán)節(jié)。軋鋼生產(chǎn)中燃料消耗主要以加熱爐為最多。作為能耗大戶的鋼鐵行業(yè)對(duì)于節(jié)能降耗問題起著舉足輕重的作用。這里面占整個(gè)冶金行業(yè)能耗四分之一強(qiáng)的加熱爐工藝設(shè)備的節(jié)能降耗問題就擺在首當(dāng)其沖的位置。隨著加熱爐生產(chǎn)工藝的不斷完善和優(yōu)化以及加熱爐生產(chǎn)工業(yè)自動(dòng)化水平的提高和計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用的不斷普及，隨著鋼鐵工業(yè)的大型化和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展；深入研究軋鋼加熱爐熱過程的控制及應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化燒鋼的計(jì)算機(jī)控制，不論從軋鋼生產(chǎn)過程節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量方面看，還是從軋鋼加熱爐在鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)中的地位看，都有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。作為從事加熱爐自動(dòng)化控制工作的工程師，了解加熱爐控制技術(shù)的現(xiàn)況和新技術(shù)的應(yīng)用前景，將對(duì)我們?cè)诠こ淘O(shè)計(jì)中選擇合理的控制解決方案起著一定的參考作用。
1 板坯加熱爐控制技術(shù)歷史和構(gòu)成
1.1 板坯加熱爐發(fā)展歷史和現(xiàn)狀
加熱爐作為軋鋼廠中的重要熱能設(shè)備，其功能主要把板坯加熱成溫度均勻的熱坯，且能滿足高質(zhì)量軋制要求。1967 年4 月，由美國(guó)美蘭德公司設(shè)計(jì)的第一座步進(jìn)梁式加熱爐問世；同年5 月，由日本中外爐公司為日本名古屋鋼鐵廠設(shè)計(jì)的步進(jìn)梁式加熱爐加熱爐正式投產(chǎn)。從此，作為加熱高質(zhì)量的板坯的新型加熱爐克服了推鋼式加熱爐固有的板坯水印溫差和表面磨損等確定，確定了其在連續(xù)式加熱爐的中流砥柱的地位。隨著能源危機(jī)的迫近，如何節(jié)能降耗日漸成為加熱爐行業(yè)一個(gè)焦點(diǎn)問題。1858 年，William Siemens 發(fā)明了蓄熱室。1982年，英國(guó)的British Gas 公司和Hot work 公司開發(fā)出世界第一套蓄熱式陶瓷燃燒器（Regenerativeceramic Burner），并將其成功地應(yīng)用在玻璃爐窯上，取得了良好的節(jié)能、增產(chǎn)效果。隨后，美國(guó)的北美制造公司（North American Manufacturingcompany）購(gòu)買了該專利，迅速將其運(yùn)用到軋鋼加熱爐、熱處理爐等場(chǎng)合。在中國(guó)國(guó)內(nèi)，1998 年9 月，江西萍鄉(xiāng)棒材公司高線加熱爐，由寧波市神光電爐有限公司和萍鄉(xiāng)高線合作，領(lǐng)先將蓄熱式燒嘴應(yīng)Heurtey）公司致力于寬火焰燒嘴的研發(fā)，首先將該燒嘴運(yùn)用在加拿大伊利湖鋼廠420t/h 的加熱爐上，于2000 年3 月建成投產(chǎn)。此外，斯坦因（SteinHeurtey）公司將脈沖技術(shù)試圖應(yīng)用在板坯加熱爐上。于1997 年11 月，它和德國(guó)第森克虜伯公司一起研究，將杜伊斯堡鋼鐵廠420t/h 的加熱爐上的所有下部段改用脈沖控制技術(shù)，有效地改善了中間
坯的溫度均勻性和鋼卷的特性。為此，斯坦因（Stein Heurtey）公司提出了數(shù)字型加熱爐的概念并進(jìn)行了專利申報(bào)在數(shù)字型加熱爐上，對(duì)每一個(gè)單獨(dú)的燒嘴，都可以進(jìn)行測(cè)試和調(diào)節(jié)，取消了段流量策略和控制，替代了傳統(tǒng)的雙交叉限幅的加熱爐經(jīng)典控制，并在美國(guó)的謝菲爾德鋼廠127t/a 加熱爐得到成功的驗(yàn)證。在中國(guó)國(guó)內(nèi)，中冶賽迪在太鋼2250mm 熱軋的加熱爐中，成功的開發(fā)具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中冶賽迪加熱爐控制軟件（2009 年度冶金行業(yè)工程軟件一等獎(jiǎng)），將數(shù)字化脈沖技術(shù)成功的運(yùn)用到大型不銹鋼加熱爐和蓄熱式加熱爐中去，并獲得成功應(yīng)用。板坯加熱爐名稱繁雜，種類較多，可大體分為：根據(jù)燃料分為：重油加熱爐；混合煤氣加熱爐；高爐煤氣加熱爐和天然氣加熱爐。根據(jù)板坯在爐內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方式：分作推鋼式加熱爐；步進(jìn)梁式加熱爐以及輥底式加熱爐；根據(jù)燒嘴加熱爐形式：分為普通的平焰燒嘴、調(diào)焰燒嘴的常規(guī)加熱爐；單（雙）蓄熱加熱爐；根據(jù)加熱形式：分為明火式加熱爐和輻射管式加熱爐。根據(jù)換向燒嘴控制技術(shù)：常規(guī)的雙用在工程實(shí)踐中。從此，蓄熱式加熱爐以其節(jié)能效果明顯而深受歡迎。截止2009 年8 月份，中冶賽迪公司分別為寶鋼1880mm 熱軋，武鋼1580mm 熱軋，本鋼2300mm 熱軋，太鋼2250mm，承鋼1780mm熱軋機(jī)組以工程總承包或技術(shù)總負(fù)責(zé)的方式提供了蓄熱式加熱爐。與此同時(shí)，為提高加熱爐質(zhì)量，保證熱負(fù)荷降低的情況下燒嘴的火焰鋼度保持不變，數(shù)字化脈沖控制技術(shù)也日漸進(jìn)入加熱爐人的視野，日漸為人關(guān)注。法國(guó)斯坦因（Stein Heurtey）公司在前期發(fā)展投入了很多的精力和時(shí)間。首先斯坦因（Stein交叉限幅控制策略；模糊控制策略，脈沖控制技術(shù)和換向控制技術(shù)。
1.2 加熱爐的結(jié)構(gòu)和自動(dòng)化系統(tǒng)主要功能
冷坯或者熱坯經(jīng)爐前輥道精確定位到加熱爐裝爐側(cè)，推正后由（推鋼機(jī)）裝鋼機(jī)送到加熱爐熱回收段。在加熱爐內(nèi)，由步進(jìn)梁根據(jù)過程計(jì)算機(jī)的指令有序地將逐步加熱的板坯送到加熱爐的均熱段。被均勻加熱的板坯輸送到出口激光定位的位置時(shí)，步進(jìn)梁繼續(xù)前行完成這個(gè)步距然后挺下來(lái)或作踏步處理。接到軋機(jī)L2 的要鋼信號(hào)后，基礎(chǔ)自動(dòng)化（L1）控制出鋼機(jī)將加熱爐后的板坯送到爐后出爐輥道上。這樣就完成了一塊板坯的自動(dòng)化加熱過
程。加熱爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)通常分為兩級(jí)，由基礎(chǔ)自動(dòng)化（Basic Automation）和過程自動(dòng)化（ProcessAutomation）自動(dòng)化構(gòu)成。加熱爐L1 級(jí)：即基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)，主要完成
加熱爐的順控、裝鋼機(jī)和出鋼機(jī)的APC 控制、步進(jìn)梁控制、加熱爐燃燒控制、介質(zhì)的測(cè)量和控制等。加熱爐L2 級(jí)：即過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，主要完成加熱爐的材料跟蹤、燃燒設(shè)定計(jì)算和數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)通信、班管理、報(bào)表打印等功能。自動(dòng)化系統(tǒng)滿足工藝和設(shè)備的控制要求。
2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
自動(dòng)控制原理（經(jīng)典控制理論）和現(xiàn)代控制理論、系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)和大系統(tǒng)理論是加熱爐的控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)。從發(fā)展順序和控制水平進(jìn)行歸納，加熱爐燃燒控制水平大體上經(jīng)歷了以下兩大階段：第1 階段為常規(guī)燃燒控制：以提高利用效率、維持合理空燃比為目的，實(shí)現(xiàn)燃燒過程的基礎(chǔ)自動(dòng)化控制，達(dá)到控制加熱爐爐氣溫度；第2 階段為以優(yōu)化鋼坯加熱過程為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)爐溫或者燃燒量的過程自動(dòng)化控制（以板坯溫度為控制目標(biāo)）；
2.1 常規(guī)燃燒控制
早在上世紀(jì)五十年代，世界各國(guó)就開始對(duì)軋鋼加熱爐熱過程及板坯加熱過程進(jìn)行較為深入的研究。在以后的四十多年來(lái)，各國(guó)學(xué)者做了大量的工作，并取得一定的研究成果，但他們的關(guān)注的重點(diǎn)是爐內(nèi)輻射換熱和鋼坯加熱。近二十年來(lái)，控制工程師已不滿足于爐內(nèi)輻射換熱和鋼坯加熱過程的離線數(shù)值計(jì)算，而是把離線模型在線化，并把他們應(yīng)用到計(jì)算機(jī)控制中去。在60 年代以前，一些設(shè)備齊全的大型工業(yè)爐上配置了爐溫策略熱電偶，爐壓測(cè)量變送器和流量測(cè)量?jī)x表外，還設(shè)置了爐溫、爐壓、燃燒量、空氣量等重要控制回爐的PID 調(diào)節(jié)器，以經(jīng)典控制理論為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)單個(gè)參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，同時(shí)進(jìn)行人工現(xiàn)場(chǎng)操作控制，完成加熱爐的監(jiān)控。這一階段主要體現(xiàn)在“以人為本”上。在國(guó)外，70 年代以前，加熱爐控制的理論研究主要停留在以加熱爐爐溫控制為目標(biāo)的燃燒控制上。即控制技術(shù)主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)自動(dòng)化（L1）級(jí)別上。其標(biāo)志為發(fā)展完善了經(jīng)典的常規(guī)加熱爐自動(dòng)控制：加熱爐爐溫自動(dòng)控制；加熱爐爐壓自動(dòng)控制和換熱器自動(dòng)控制。爐溫自動(dòng)控制集中于爐溫控制器和流量控制器構(gòu)成的串級(jí)控制系統(tǒng)：經(jīng)歷了單純比例控制的串級(jí)燃燒系統(tǒng)，燃料，空氣的單交叉限幅控制系統(tǒng)（SCL），燃料，空氣的雙交叉限幅控制系統(tǒng)（DCL）。爐壓控制以加熱爐均熱段爐壓為被控量，通過控制常規(guī)煙道的閘板開度達(dá)到控制爐壓的目的。換熱器保護(hù)集中體現(xiàn)在熱風(fēng)放散控制和煙道摻冷風(fēng)控制。隨著常規(guī)燃燒控制的成熟和發(fā)展，人們又把目光投向智能燃燒控制。智能燃燒控制包括自學(xué)習(xí)理論、解耦控制、自校正PID 控制策略等。這方面發(fā)表的論文很多，研究成果也很斐然。但從工程應(yīng)用方面上看，業(yè)績(jī)不是太廣泛。如在加熱爐爐壓控制上，就使用了自學(xué)習(xí)理論的思想，在加熱爐爐溫控制方面，解耦控制理論也得到了應(yīng)用，但應(yīng)用得較為膚淺。只有模糊控制理論的應(yīng)用規(guī)模稍大一些。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，智能燃燒控制必將受到更廣泛的應(yīng)用。
2.2 加熱爐控制模型
進(jìn)入70 年代，燃燒控制技術(shù)基本成型完善。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的廣泛使用和人們對(duì)加熱爐工藝的領(lǐng)會(huì)加深，加熱爐控制技術(shù)有向前邁進(jìn)一大步?？刂评碚摰闹匦霓D(zhuǎn)移到以優(yōu)化鋼坯加熱爐為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)爐溫或者燃燒量的過程自動(dòng)化控制。根據(jù)板坯的化學(xué)成分，物理特性，根據(jù)爐內(nèi)熱電偶測(cè)溫?cái)?shù)值以及板坯爐內(nèi)位置，加熱爐時(shí)間，通過對(duì)進(jìn)入加熱爐的板坯進(jìn)行有限元計(jì)算，計(jì)算出板坯的理論溫度，并將合理的個(gè)溫度加熱爐出口設(shè)點(diǎn)值傳輸?shù)絃1 基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)中去，實(shí)現(xiàn)加熱爐全自動(dòng)燒鋼。加熱爐是具有強(qiáng)耦合、純滯后及大性及慢時(shí)變等特點(diǎn)的典型非線性系統(tǒng)。加熱爐數(shù)學(xué)模型一可以歸納為經(jīng)驗(yàn)型和理論型兩種：經(jīng)驗(yàn)型數(shù)學(xué)模型是通過分析大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，得到可以反映加熱爐主要因素的一種函數(shù)關(guān)系。其關(guān)系簡(jiǎn)單，實(shí)用，但應(yīng)用范圍窄，不能適應(yīng)現(xiàn)代多鋼種，多牌號(hào)的實(shí)際生產(chǎn)。理論型數(shù)學(xué)模型的建模是通過有限元分析或有限差分分析對(duì)鋼坯進(jìn)行離散化，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量確定方程中邊界條件，形成板坯加熱模型。Misaka.J Takahashi.R 運(yùn)用總擴(kuò)括熱吸收法在日本Simitomo 金屬工業(yè)公司建立了數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了鋼坯溫度預(yù)測(cè)，取得了一定的節(jié)能效果[8]。Pike.H.E ,Citron,S.J 運(yùn)用分布式參數(shù)理論
建立了加熱爐數(shù)學(xué)模型，并且應(yīng)用近似集中參數(shù)模型來(lái)研究加熱爐的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)優(yōu)化問題。Wick,H.J 應(yīng)用卡爾曼濾波器實(shí)現(xiàn)了對(duì)加熱爐內(nèi)板坯溫度的分布估算，但該法的不足是必須取得板坯在加熱爐內(nèi)的表面溫度，限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。針對(duì)多段式結(jié)構(gòu)的加熱爐，A.Kusters 提出了一種運(yùn)用多邊量參數(shù)估計(jì)的方法，建立多區(qū)段步進(jìn)梁ARX 自回歸模型。該方法首先是根據(jù)加熱爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將加熱爐分成六個(gè)區(qū)段，在建模的過程中，考慮到各個(gè)區(qū)段的相互耦合作用，建立了表示各個(gè)區(qū)段爐溫的模型結(jié)構(gòu)，最后應(yīng)用最小二乘法辨識(shí)得到各個(gè)參數(shù)。法國(guó)的斯坦因（Stein Heurtey）公司開發(fā)的由最佳加熱、熱狀態(tài)模型、出爐鋼坯溫度模型、最佳設(shè)定值計(jì)算組成的加熱爐最優(yōu)化控制系統(tǒng)，解決了裝爐鋼坯溫度品種規(guī)格變化大或軋制出現(xiàn)計(jì)劃與非計(jì)劃生產(chǎn)停頓時(shí)精確控制鋼坯出爐溫度和溫度均勻性問題，并在該公司設(shè)計(jì)的加熱爐中得到較為廣泛的應(yīng)用。Yoshitani.N.,Ueyama.T.,Usui.M 等在連續(xù)加熱爐控制系統(tǒng)中通過減少能耗和提高板坯加熱質(zhì)量：一是在以非線性、分布式參數(shù)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過在線仿真器實(shí)時(shí)地修改板坯溫度的加熱曲線；二是采用一些加速優(yōu)化過程的手段盡量是控制效果明顯。Dirk.S, Arend K 等描述了現(xiàn)代熱軋廠的一種控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成：板坯溫度計(jì)算模型和預(yù)想的溫度控制器。數(shù)學(xué)模型的輸出結(jié)果是大約95%的板坯溫度計(jì)算誤差不超過±20℃。根據(jù)板坯在爐子各段中的情況及板坯的理論加熱曲線，及時(shí)調(diào)節(jié)板坯的實(shí)際溫度，使其盡量和設(shè)定溫度接近。在國(guó)內(nèi)，八十年代初出現(xiàn)了基于小型機(jī)的加熱爐控制系統(tǒng)。提出的以加熱爐離散狀態(tài)空間模型和最優(yōu)控制論為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)控制策略?？刂撇呗苑譃閮刹糠郑悍€(wěn)態(tài)最優(yōu)化爐溫設(shè)點(diǎn)的計(jì)算和爐溫設(shè)定值的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。穩(wěn)態(tài)最優(yōu)化采用啟發(fā)式搜索方法，而動(dòng)態(tài)補(bǔ)償基于前饋－反饋原理，實(shí)現(xiàn)了降低加熱爐能耗的目的。由于爐內(nèi)鋼坯加熱溫度測(cè)量的困難，通常的采用多元回歸的方法對(duì)鋼坯的升溫過程進(jìn)行計(jì)算，揚(yáng)澤寬等人[16]提出一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型，優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算機(jī)計(jì)算方便，但精度不足。如武鋼1700mm 熱軋從日本引進(jìn)的加熱爐的數(shù)學(xué)模型就采用這種方法。采用熱交換原理大多采用一維熱傳導(dǎo)方程，只考慮厚度方向的溫差變化。所建立的多元回歸模型準(zhǔn)確性較差，特別是在生產(chǎn)條件和軋制節(jié)奏發(fā)生變化后，其次系數(shù)較多，而且這些系數(shù)沒有直接的物理意義?？紤]到冷坯與水印的因素，陳男岳提出采用二維熱傳導(dǎo)方程，來(lái)計(jì)算鋼坯的的爐內(nèi)升溫過程，對(duì)方坯加熱爐數(shù)學(xué)模型有這一定的現(xiàn)實(shí)意義。尉
士民等通過鋼坯加熱爐氣氛計(jì)算，把氧化因素加熱爐最優(yōu)控制的目標(biāo)函數(shù)中，綜合鋼坯加熱過程中氧化燒損和燃料消耗兩個(gè)因素，對(duì)加熱爐進(jìn)行了溫度預(yù)示計(jì)算、最優(yōu)化空氣系數(shù)及最優(yōu)化爐溫計(jì)算。杜佳璐等人通過分析鋼坯在加熱爐內(nèi)被加熱的機(jī)理，利用有限差分法，建立了描述加熱爐內(nèi)板坯溫度分布的數(shù)學(xué)模型，成功地運(yùn)用了極大值原理同乘子法相結(jié)合的優(yōu)化算法解決了不同鋼種、尤其是不銹鋼、高工鋼等特種鋼的節(jié)能操作難題。
ACC數(shù)學(xué)模型的功能關(guān)聯(lián)如圖2所示。中冶賽迪公司推出了自已的ACC 加熱爐數(shù)學(xué)模型。該模型由裝爐處理模塊、出爐處理模塊、休爐處理模塊、出爐鋼坯溫度模型、最佳設(shè)定值計(jì)算組成的加熱爐最優(yōu)化控制系統(tǒng)，解決了裝爐鋼坯溫度品種規(guī)格變化大或軋制出現(xiàn)計(jì)劃與非計(jì)劃生產(chǎn)停頓時(shí)精確控制鋼坯出爐溫度和溫度均勻性問題，在太鋼2250mm 熱軋不銹鋼加熱爐，本鋼2300mm 熱軋加熱爐，承德鋼鐵廠1780mm 熱軋加熱爐上得到成
功的應(yīng)用。以太鋼為例，L2 投運(yùn)率超過90%，板坯出爐溫度命中率（以粗軋末道次±10℃為考核依據(jù)）達(dá)95%以上；板坯上表面和中心溫度的溫差<30℃,板坯上表面溫差<20℃，出爐板坯板間溫差<20℃，板坯水印溫差<10℃。
3 自動(dòng)化系統(tǒng)解決方案
控制理論再先進(jìn)，控制策略再好，歸根到底都要通過合理的自動(dòng)化解決方案得以實(shí)施。要達(dá)到節(jié)能降耗，提高加熱質(zhì)量，選擇合理的自動(dòng)化系統(tǒng)解決方案非常重要。早在上世紀(jì)70 年代，DCS 系統(tǒng)或PLC 系統(tǒng)已成功應(yīng)用到世界各地的工業(yè)加熱爐上。自80 年代以
來(lái)，國(guó)際鋼鐵大發(fā)展主要集中在中國(guó)。80 年代以后尤其是近20 年，中國(guó)國(guó)內(nèi)的加熱爐的裝配水平基本上可以反映國(guó)際上加熱爐的計(jì)算機(jī)控制水平。下表中集中反映了國(guó)內(nèi)外加熱爐控制系統(tǒng)的配置情況。
4 控制技術(shù)主要內(nèi)容
4.1 設(shè)備控制功能
包括爐前、爐后輥道控制；裝鋼機(jī)位置及行程4.2 燃燒控制功能包括爐溫控制（常規(guī)燃燒控制，蓄熱式燒嘴換向控制、間拔控制、數(shù)字脈沖控制、解耦控制、模糊控制）；爐膛壓力控制（單回爐PID 控制；煤氣流量前饋控制；自學(xué)習(xí)控制；預(yù)測(cè)函數(shù)－PD 控制；
模糊控制）；換熱器保護(hù)控制（稀釋風(fēng)控制、熱風(fēng)放散控制）；汽化冷卻系統(tǒng)汽包水位控制；各種過程參數(shù)（溫度、壓力、流量、液位等）監(jiān)控；
4.3 過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能
包括軋制計(jì)劃數(shù)據(jù)處理；板坯核對(duì)；跟蹤及跟蹤修正（入口側(cè)板坯跟蹤，爐內(nèi)板坯位置跟蹤、出爐側(cè)板坯跟蹤、爐內(nèi)板坯位置修正）；加熱爐設(shè)定（裝鋼機(jī)設(shè)定，出鋼機(jī)設(shè)定，步進(jìn)梁運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)定，加熱爐爐溫設(shè)定，休爐設(shè)定）；ACC 數(shù)學(xué)模型；班管理；報(bào)表系統(tǒng)；人機(jī)接口（L2 HMI）；系統(tǒng)間通信；
5 關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)難點(diǎn)
自動(dòng)化系統(tǒng)分級(jí)不同，關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)的形式也不盡相同。對(duì)L1 基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)而言，控制內(nèi)容分成電氣傳動(dòng)控制（Handling Control，簡(jiǎn)稱HC）和燃燒控制（CombustionControl，簡(jiǎn)稱CC）；對(duì)L2過程自動(dòng)化級(jí)而言， 主要內(nèi)容分成應(yīng)用控制
（Application Control，簡(jiǎn)稱AC）和自動(dòng)燃燒控制模型（ACC Model）；以及系統(tǒng)間的接口。對(duì)于HC 控制而言，技術(shù)進(jìn)步主要體現(xiàn)在傳動(dòng)裝置的技術(shù)進(jìn)步，傳動(dòng)設(shè)備的參數(shù)整定和行程計(jì)算、連鎖控制的完善程度。AC 控制而言，技術(shù)難點(diǎn)體現(xiàn)在和L1 之間的數(shù)據(jù)通信，和第三方系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信上。所有的技術(shù)是剛性的，而且較為成熟。加熱爐控制中關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在燃燒控制和ACC 模型控制。而燃燒控制技術(shù)的進(jìn)步主要集中于加熱爐溫度控制和爐壓控制；ACC 模型主要體現(xiàn)在算法、爐群控制技術(shù)和專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)方面。
板坯加熱爐爐溫控制的經(jīng)典控制策略是改進(jìn)型雙交叉限幅。為提高板坯加熱質(zhì)量，在熱負(fù)荷較低的狀況下，關(guān)掉一些閥門，保證燒嘴的火焰剛度，可在某些加熱段實(shí)施間拔控制。隨著節(jié)能和板坯加熱質(zhì)量要求的提高，一些新的技術(shù)和理念也逐漸為自動(dòng)化工程師接受和應(yīng)用。
（1）解耦控制。板坯加熱爐通常分為多段控制，各段之間的溫度控制存在很強(qiáng)的耦合影響。目前國(guó)內(nèi)、外對(duì)加熱爐進(jìn)行解耦控制的報(bào)道很少，成功運(yùn)用解耦技術(shù)的案例更是鳳毛麟角。目前僅在攀鋼熱軋1、2 號(hào)加熱爐上有相關(guān)應(yīng)用。它采用的權(quán)值補(bǔ)償+前饋法。權(quán)值補(bǔ)償系數(shù)采用專家智能庫(kù)策略。
（2）蓄熱式燒嘴換向控制[21]：加熱爐兩側(cè)設(shè)置蓄熱式燒嘴：當(dāng)一個(gè)燒嘴燃燒時(shí)，對(duì)應(yīng)的燒嘴吸入煙氣，對(duì)蓄熱體進(jìn)行加熱爐。經(jīng)過一個(gè)換向時(shí)間后，冷空氣（冷煤氣）流過蓄熱體，變成熱空氣（熱煤氣）；同時(shí)，對(duì)面的燒嘴又吸入煙氣，對(duì)蓄熱體進(jìn)行加熱。蓄熱式控制就是根據(jù)成對(duì)燒嘴的特性進(jìn)行時(shí)序控制。技術(shù)難點(diǎn)是換向時(shí)間的確定，小負(fù)荷時(shí)的處理模式，燒嘴故障的處理模式以及換向控制對(duì)爐壓的影響。成熟應(yīng)用業(yè)績(jī)較多，如寶鋼1580 mm熱軋3 座加熱爐，本鋼23000 mm 熱軋4 座加熱爐，太鋼2250 mm 熱軋1 座加熱爐，寶鋼1580mm 熱軋3座加熱爐等。
（3）數(shù)字脈沖控制。脈沖燃燒控制采用間斷燃燒的方式，使用脈寬調(diào)制技術(shù)，通過調(diào)節(jié)燃燒時(shí)間的占空比（通斷比）來(lái)實(shí)現(xiàn)加熱爐的溫度控制。在脈沖燃燒控制技術(shù)的控制下，燃燒器一旦燃燒，就處于其設(shè)計(jì)的最佳燃燒狀態(tài)，保證燃燒器燃燒時(shí)的燃?xì)獬隹谒俣炔蛔儭？刂葡到y(tǒng)使?fàn)t內(nèi)燃燒器交替燃燒：當(dāng)需要升溫時(shí)，燃燒器燃燒時(shí)間加長(zhǎng)，關(guān)斷時(shí)間減少；當(dāng)需要降溫時(shí)，燃燒器燃燒時(shí)間減小，關(guān)斷時(shí)間加長(zhǎng)。技術(shù)難點(diǎn)是脈沖周期的確定，空燃
比的控制，小負(fù)荷時(shí)的處理模式，燒嘴故障的處理模式以及脈沖控制對(duì)爐壓的影響。數(shù)字脈沖控制的應(yīng)用先驅(qū)是以斯坦因（Stein Heurtey）公司；在國(guó)內(nèi)大型板坯加熱爐上成功應(yīng)用有太鋼2250mm 熱軋1～3#加熱爐，鞍鋼4#加熱爐和南鋼中板廠1#加熱爐。
（4）模糊控制技術(shù)。模糊控制技術(shù)將模糊控制理念運(yùn)用到加熱爐控制技術(shù)上去。將模糊概念運(yùn)用于加熱爐燃燒控制系統(tǒng)的實(shí)例也有一些報(bào)道，大部分是采用的控制算法仍然是常規(guī)PID，僅對(duì)P、I、D 的參數(shù)進(jìn)行了模糊計(jì)算、設(shè)定。安陽(yáng)高線加熱爐模糊控制系統(tǒng)完全用模糊控制代替常規(guī)的PID 算法，并構(gòu)成串級(jí)并聯(lián)控制系統(tǒng)對(duì)加熱爐的加熱溫度進(jìn)行控制，取得良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。模糊控制技術(shù)的技術(shù)難點(diǎn)是模糊控制器的構(gòu)成。集中體現(xiàn)在輸入語(yǔ)言變量、輸出語(yǔ)言變量選擇，隸屬度賦值表的確定原則。
（5）前饋控制。加熱爐爐壓控制采用經(jīng)典策略是單回爐PID＋爐壓自學(xué)習(xí)或煤氣流量的前饋控制。新穎的控制策略是預(yù)測(cè)函數(shù)PFC＋PID 控制；模糊控制。預(yù)測(cè)函數(shù)PFC＋PD 控技術(shù)是利用PID控制器作為內(nèi)層控制，實(shí)現(xiàn)精細(xì)控制；預(yù)測(cè)函數(shù)PFC作為外層控制器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速特性。技術(shù)難點(diǎn)是過程通道模型的確定，預(yù)測(cè)函數(shù)PFC 的構(gòu)建以及相關(guān)邊界條件的確定。
（6）ACC 模型。ACC 模型的是過程自動(dòng)化（L2）的核心技術(shù)。節(jié)能效果好壞、加熱質(zhì)量高低很大程度上取決于ACC 模型的成功應(yīng)用與否。其核心技術(shù)是：爐溫處理技術(shù)；板坯剩余在爐時(shí)間的預(yù)測(cè)技術(shù)；板坯溫度計(jì)算預(yù)測(cè)技術(shù)；板坯出爐溫度自學(xué)習(xí)技術(shù)；爐群協(xié)調(diào)控制技術(shù)。技術(shù)難點(diǎn)是板坯溫度預(yù)測(cè)計(jì)算技術(shù)，爐群協(xié)調(diào)控制技術(shù)以及加熱爐混合加熱
控制技術(shù)。ACC模型能夠根據(jù)軋線計(jì)算機(jī)的軋制節(jié)奏，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)板坯的加熱速度，保證板坯的加熱效果；同時(shí)，實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)加熱爐爐群的出爐節(jié)奏，滿足軋線的要鋼要求。
6 新技術(shù)發(fā)展
展望加熱爐控制技術(shù)的發(fā)展，從技術(shù)角度看，主要體現(xiàn)在硬件技術(shù)和軟件技術(shù)發(fā)展；從流程研發(fā)角度，主要體現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)化和核心化技術(shù)的研發(fā)和技術(shù)服務(wù)。
（1）硬件技術(shù)。目前加熱爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)大多數(shù)采用諸如SIEMENS 公司，GE 公司等國(guó)外品牌的PLC 系統(tǒng)，或者是Honeywell 公司或橫河公司的DCS 系統(tǒng)。國(guó)產(chǎn)的控制系統(tǒng)如浙大中控的控制系統(tǒng)；北京和利時(shí)公司的控制系統(tǒng)以及國(guó)電自深的控制系統(tǒng)也開始嶄露角，控制系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化將會(huì)是一個(gè)發(fā)展方向，也是我們自動(dòng)化工程師的一個(gè)期望。
（2）控制單元。目前主要采用的32 位處理器，從技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，64 位處理器也開始進(jìn)入工控領(lǐng)域，它將成倍地提高控制器的計(jì)算能力，存儲(chǔ)能力，將各種復(fù)雜的算法和控制策略變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
（3）容錯(cuò)服務(wù)器的應(yīng)用和推廣。為保證服務(wù)器系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，通常采用兩臺(tái)配置相同的服務(wù)器共同構(gòu)成一套冗余服務(wù)器系統(tǒng)。采用2 套硬件，2 套軟件。而容錯(cuò)服務(wù)器采用硬件級(jí)的容錯(cuò)技術(shù)，采用一套系統(tǒng)軟件，以達(dá)到消除系統(tǒng)切換時(shí)間的目的。其代表是Strautus fTserver W 系列的容錯(cuò)服務(wù)器技術(shù)。
（4）現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是一種前沿的應(yīng)用技術(shù)，在化工、油氣、煉油、石化尤其是汽車生產(chǎn)線等行業(yè)得到非常廣泛的應(yīng)用。它可以使工程總投資節(jié)省15～30％，工廠運(yùn)營(yíng)效益提高2％。在可以預(yù)見的將來(lái)，必將在加熱爐控制技術(shù)得到推廣應(yīng)用。目前的代表技術(shù)是：CAN，F(xiàn)F，Profibus，Lonworks 等。
（5）三維監(jiān)控軟件。目前主流監(jiān)控軟件以Intouch，IFix，WinCC 和RSView 等為主。他們都建立在二維層面上。美國(guó)ICONICS“愛康諾”公司針對(duì)微軟的Windows® Vista™ 和Windows Server2008 設(shè)計(jì)開發(fā)了最新一代的監(jiān)控組態(tài)軟件GENESIS64™ ，它充分利用了AMD 和Intel 的64 位技術(shù)，大大降低了自動(dòng)化項(xiàng)目在軟件開發(fā)上的工作量、加快整個(gè)自動(dòng)化解決方案的實(shí)施，從而能夠節(jié)省大量的費(fèi)用。GENESIS64 充分利用Windows Vista
中DirectX10 的先進(jìn)圖形硬件加速功能，GraphWorX64 與Windows Presentation Foundation結(jié)合，給用戶提供令人注目的3D 視圖，同時(shí)具有實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)顯示。想象一下，可以從各個(gè)角度看見設(shè)備是如何實(shí)時(shí)運(yùn)行的感受！
（6）服務(wù)的遠(yuǎn)程化。充分利用Internet 網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大功能，對(duì)遠(yuǎn)在千里之外的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，數(shù)據(jù)分析和遠(yuǎn)程服務(wù)，提供全流程的技術(shù)服務(wù)。
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1 板坯加熱爐控制技術(shù)歷史和構(gòu)成
1.1 板坯加熱爐發(fā)展歷史和現(xiàn)狀
加熱爐作為軋鋼廠中的重要熱能設(shè)備，其功能主要把板坯加熱成溫度均勻的熱坯，且能滿足高質(zhì)量軋制要求。1967 年4 月，由美國(guó)美蘭德公司設(shè)計(jì)的第一座步進(jìn)梁式加熱爐問世；同年5 月，由日本中外爐公司為日本名古屋鋼鐵廠設(shè)計(jì)的步進(jìn)梁式加熱爐加熱爐正式投產(chǎn)。從此，作為加熱高質(zhì)量的板坯的新型加熱爐克服了推鋼式加熱爐固有的板坯水印溫差和表面磨損等確定，確定了其在連續(xù)式加熱爐的中流砥柱的地位。隨著能源危機(jī)的迫近，如何節(jié)能降耗日漸成為加熱爐行業(yè)一個(gè)焦點(diǎn)問題。1858 年，William Siemens 發(fā)明了蓄熱室。1982年，英國(guó)的British Gas 公司和Hot work 公司開發(fā)出世界第一套蓄熱式陶瓷燃燒器（Regenerativeceramic Burner），并將其成功地應(yīng)用在玻璃爐窯上，取得了良好的節(jié)能、增產(chǎn)效果。隨后，美國(guó)的北美制造公司（North American Manufacturingcompany）購(gòu)買了該專利，迅速將其運(yùn)用到軋鋼加熱爐、熱處理爐等場(chǎng)合。在中國(guó)國(guó)內(nèi)，1998 年9 月，江西萍鄉(xiāng)棒材公司高線加熱爐，由寧波市神光電爐有限公司和萍鄉(xiāng)高線合作，領(lǐng)先將蓄熱式燒嘴應(yīng)Heurtey）公司致力于寬火焰燒嘴的研發(fā)，首先將該燒嘴運(yùn)用在加拿大伊利湖鋼廠420t/h 的加熱爐上，于2000 年3 月建成投產(chǎn)。此外，斯坦因（SteinHeurtey）公司將脈沖技術(shù)試圖應(yīng)用在板坯加熱爐上。于1997 年11 月，它和德國(guó)第森克虜伯公司一起研究，將杜伊斯堡鋼鐵廠420t/h 的加熱爐上的所有下部段改用脈沖控制技術(shù)，有效地改善了中間
坯的溫度均勻性和鋼卷的特性。為此，斯坦因（Stein Heurtey）公司提出了數(shù)字型加熱爐的概念并進(jìn)行了專利申報(bào)在數(shù)字型加熱爐上，對(duì)每一個(gè)單獨(dú)的燒嘴，都可以進(jìn)行測(cè)試和調(diào)節(jié)，取消了段流量策略和控制，替代了傳統(tǒng)的雙交叉限幅的加熱爐經(jīng)典控制，并在美國(guó)的謝菲爾德鋼廠127t/a 加熱爐得到成功的驗(yàn)證。在中國(guó)國(guó)內(nèi)，中冶賽迪在太鋼2250mm 熱軋的加熱爐中，成功的開發(fā)具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中冶賽迪加熱爐控制軟件（2009 年度冶金行業(yè)工程軟件一等獎(jiǎng)），將數(shù)字化脈沖技術(shù)成功的運(yùn)用到大型不銹鋼加熱爐和蓄熱式加熱爐中去，并獲得成功應(yīng)用。板坯加熱爐名稱繁雜，種類較多，可大體分為：根據(jù)燃料分為：重油加熱爐；混合煤氣加熱爐；高爐煤氣加熱爐和天然氣加熱爐。根據(jù)板坯在爐內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方式：分作推鋼式加熱爐；步進(jìn)梁式加熱爐以及輥底式加熱爐；根據(jù)燒嘴加熱爐形式：分為普通的平焰燒嘴、調(diào)焰燒嘴的常規(guī)加熱爐；單（雙）蓄熱加熱爐；根據(jù)加熱形式：分為明火式加熱爐和輻射管式加熱爐。根據(jù)換向燒嘴控制技術(shù)：常規(guī)的雙用在工程實(shí)踐中。從此，蓄熱式加熱爐以其節(jié)能效果明顯而深受歡迎。截止2009 年8 月份，中冶賽迪公司分別為寶鋼1880mm 熱軋，武鋼1580mm 熱軋，本鋼2300mm 熱軋，太鋼2250mm，承鋼1780mm熱軋機(jī)組以工程總承包或技術(shù)總負(fù)責(zé)的方式提供了蓄熱式加熱爐。與此同時(shí)，為提高加熱爐質(zhì)量，保證熱負(fù)荷降低的情況下燒嘴的火焰鋼度保持不變，數(shù)字化脈沖控制技術(shù)也日漸進(jìn)入加熱爐人的視野，日漸為人關(guān)注。法國(guó)斯坦因（Stein Heurtey）公司在前期發(fā)展投入了很多的精力和時(shí)間。首先斯坦因（Stein交叉限幅控制策略；模糊控制策略，脈沖控制技術(shù)和換向控制技術(shù)。
1.2 加熱爐的結(jié)構(gòu)和自動(dòng)化系統(tǒng)主要功能
冷坯或者熱坯經(jīng)爐前輥道精確定位到加熱爐裝爐側(cè)，推正后由（推鋼機(jī)）裝鋼機(jī)送到加熱爐熱回收段。在加熱爐內(nèi)，由步進(jìn)梁根據(jù)過程計(jì)算機(jī)的指令有序地將逐步加熱的板坯送到加熱爐的均熱段。被均勻加熱的板坯輸送到出口激光定位的位置時(shí)，步進(jìn)梁繼續(xù)前行完成這個(gè)步距然后挺下來(lái)或作踏步處理。接到軋機(jī)L2 的要鋼信號(hào)后，基礎(chǔ)自動(dòng)化（L1）控制出鋼機(jī)將加熱爐后的板坯送到爐后出爐輥道上。這樣就完成了一塊板坯的自動(dòng)化加熱過
程。加熱爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)通常分為兩級(jí)，由基礎(chǔ)自動(dòng)化（Basic Automation）和過程自動(dòng)化（ProcessAutomation）自動(dòng)化構(gòu)成。加熱爐L1 級(jí)：即基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)，主要完成
加熱爐的順控、裝鋼機(jī)和出鋼機(jī)的APC 控制、步進(jìn)梁控制、加熱爐燃燒控制、介質(zhì)的測(cè)量和控制等。加熱爐L2 級(jí)：即過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，主要完成加熱爐的材料跟蹤、燃燒設(shè)定計(jì)算和數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)通信、班管理、報(bào)表打印等功能。自動(dòng)化系統(tǒng)滿足工藝和設(shè)備的控制要求。
2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
自動(dòng)控制原理（經(jīng)典控制理論）和現(xiàn)代控制理論、系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)和大系統(tǒng)理論是加熱爐的控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)。從發(fā)展順序和控制水平進(jìn)行歸納，加熱爐燃燒控制水平大體上經(jīng)歷了以下兩大階段：第1 階段為常規(guī)燃燒控制：以提高利用效率、維持合理空燃比為目的，實(shí)現(xiàn)燃燒過程的基礎(chǔ)自動(dòng)化控制，達(dá)到控制加熱爐爐氣溫度；第2 階段為以優(yōu)化鋼坯加熱過程為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)爐溫或者燃燒量的過程自動(dòng)化控制（以板坯溫度為控制目標(biāo)）；
2.1 常規(guī)燃燒控制
早在上世紀(jì)五十年代，世界各國(guó)就開始對(duì)軋鋼加熱爐熱過程及板坯加熱過程進(jìn)行較為深入的研究。在以后的四十多年來(lái)，各國(guó)學(xué)者做了大量的工作，并取得一定的研究成果，但他們的關(guān)注的重點(diǎn)是爐內(nèi)輻射換熱和鋼坯加熱。近二十年來(lái)，控制工程師已不滿足于爐內(nèi)輻射換熱和鋼坯加熱過程的離線數(shù)值計(jì)算，而是把離線模型在線化，并把他們應(yīng)用到計(jì)算機(jī)控制中去。在60 年代以前，一些設(shè)備齊全的大型工業(yè)爐上配置了爐溫策略熱電偶，爐壓測(cè)量變送器和流量測(cè)量?jī)x表外，還設(shè)置了爐溫、爐壓、燃燒量、空氣量等重要控制回爐的PID 調(diào)節(jié)器，以經(jīng)典控制理論為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)單個(gè)參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，同時(shí)進(jìn)行人工現(xiàn)場(chǎng)操作控制，完成加熱爐的監(jiān)控。這一階段主要體現(xiàn)在“以人為本”上。在國(guó)外，70 年代以前，加熱爐控制的理論研究主要停留在以加熱爐爐溫控制為目標(biāo)的燃燒控制上。即控制技術(shù)主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)自動(dòng)化（L1）級(jí)別上。其標(biāo)志為發(fā)展完善了經(jīng)典的常規(guī)加熱爐自動(dòng)控制：加熱爐爐溫自動(dòng)控制；加熱爐爐壓自動(dòng)控制和換熱器自動(dòng)控制。爐溫自動(dòng)控制集中于爐溫控制器和流量控制器構(gòu)成的串級(jí)控制系統(tǒng)：經(jīng)歷了單純比例控制的串級(jí)燃燒系統(tǒng)，燃料，空氣的單交叉限幅控制系統(tǒng)（SCL），燃料，空氣的雙交叉限幅控制系統(tǒng)（DCL）。爐壓控制以加熱爐均熱段爐壓為被控量，通過控制常規(guī)煙道的閘板開度達(dá)到控制爐壓的目的。換熱器保護(hù)集中體現(xiàn)在熱風(fēng)放散控制和煙道摻冷風(fēng)控制。隨著常規(guī)燃燒控制的成熟和發(fā)展，人們又把目光投向智能燃燒控制。智能燃燒控制包括自學(xué)習(xí)理論、解耦控制、自校正PID 控制策略等。這方面發(fā)表的論文很多，研究成果也很斐然。但從工程應(yīng)用方面上看，業(yè)績(jī)不是太廣泛。如在加熱爐爐壓控制上，就使用了自學(xué)習(xí)理論的思想，在加熱爐爐溫控制方面，解耦控制理論也得到了應(yīng)用，但應(yīng)用得較為膚淺。只有模糊控制理論的應(yīng)用規(guī)模稍大一些。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，智能燃燒控制必將受到更廣泛的應(yīng)用。
2.2 加熱爐控制模型
進(jìn)入70 年代，燃燒控制技術(shù)基本成型完善。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的廣泛使用和人們對(duì)加熱爐工藝的領(lǐng)會(huì)加深，加熱爐控制技術(shù)有向前邁進(jìn)一大步?？刂评碚摰闹匦霓D(zhuǎn)移到以優(yōu)化鋼坯加熱爐為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)爐溫或者燃燒量的過程自動(dòng)化控制。根據(jù)板坯的化學(xué)成分，物理特性，根據(jù)爐內(nèi)熱電偶測(cè)溫?cái)?shù)值以及板坯爐內(nèi)位置，加熱爐時(shí)間，通過對(duì)進(jìn)入加熱爐的板坯進(jìn)行有限元計(jì)算，計(jì)算出板坯的理論溫度，并將合理的個(gè)溫度加熱爐出口設(shè)點(diǎn)值傳輸?shù)絃1 基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)中去，實(shí)現(xiàn)加熱爐全自動(dòng)燒鋼。加熱爐是具有強(qiáng)耦合、純滯后及大性及慢時(shí)變等特點(diǎn)的典型非線性系統(tǒng)。加熱爐數(shù)學(xué)模型一可以歸納為經(jīng)驗(yàn)型和理論型兩種：經(jīng)驗(yàn)型數(shù)學(xué)模型是通過分析大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，得到可以反映加熱爐主要因素的一種函數(shù)關(guān)系。其關(guān)系簡(jiǎn)單，實(shí)用，但應(yīng)用范圍窄，不能適應(yīng)現(xiàn)代多鋼種，多牌號(hào)的實(shí)際生產(chǎn)。理論型數(shù)學(xué)模型的建模是通過有限元分析或有限差分分析對(duì)鋼坯進(jìn)行離散化，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量確定方程中邊界條件，形成板坯加熱模型。Misaka.J Takahashi.R 運(yùn)用總擴(kuò)括熱吸收法在日本Simitomo 金屬工業(yè)公司建立了數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了鋼坯溫度預(yù)測(cè)，取得了一定的節(jié)能效果[8]。Pike.H.E ,Citron,S.J 運(yùn)用分布式參數(shù)理論
建立了加熱爐數(shù)學(xué)模型，并且應(yīng)用近似集中參數(shù)模型來(lái)研究加熱爐的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)優(yōu)化問題。Wick,H.J 應(yīng)用卡爾曼濾波器實(shí)現(xiàn)了對(duì)加熱爐內(nèi)板坯溫度的分布估算，但該法的不足是必須取得板坯在加熱爐內(nèi)的表面溫度，限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。針對(duì)多段式結(jié)構(gòu)的加熱爐，A.Kusters 提出了一種運(yùn)用多邊量參數(shù)估計(jì)的方法，建立多區(qū)段步進(jìn)梁ARX 自回歸模型。該方法首先是根據(jù)加熱爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將加熱爐分成六個(gè)區(qū)段，在建模的過程中，考慮到各個(gè)區(qū)段的相互耦合作用，建立了表示各個(gè)區(qū)段爐溫的模型結(jié)構(gòu)，最后應(yīng)用最小二乘法辨識(shí)得到各個(gè)參數(shù)。法國(guó)的斯坦因（Stein Heurtey）公司開發(fā)的由最佳加熱、熱狀態(tài)模型、出爐鋼坯溫度模型、最佳設(shè)定值計(jì)算組成的加熱爐最優(yōu)化控制系統(tǒng)，解決了裝爐鋼坯溫度品種規(guī)格變化大或軋制出現(xiàn)計(jì)劃與非計(jì)劃生產(chǎn)停頓時(shí)精確控制鋼坯出爐溫度和溫度均勻性問題，并在該公司設(shè)計(jì)的加熱爐中得到較為廣泛的應(yīng)用。Yoshitani.N.,Ueyama.T.,Usui.M 等在連續(xù)加熱爐控制系統(tǒng)中通過減少能耗和提高板坯加熱質(zhì)量：一是在以非線性、分布式參數(shù)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過在線仿真器實(shí)時(shí)地修改板坯溫度的加熱曲線；二是采用一些加速優(yōu)化過程的手段盡量是控制效果明顯。Dirk.S, Arend K 等描述了現(xiàn)代熱軋廠的一種控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成：板坯溫度計(jì)算模型和預(yù)想的溫度控制器。數(shù)學(xué)模型的輸出結(jié)果是大約95%的板坯溫度計(jì)算誤差不超過±20℃。根據(jù)板坯在爐子各段中的情況及板坯的理論加熱曲線，及時(shí)調(diào)節(jié)板坯的實(shí)際溫度，使其盡量和設(shè)定溫度接近。在國(guó)內(nèi)，八十年代初出現(xiàn)了基于小型機(jī)的加熱爐控制系統(tǒng)。提出的以加熱爐離散狀態(tài)空間模型和最優(yōu)控制論為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)控制策略?？刂撇呗苑譃閮刹糠郑悍€(wěn)態(tài)最優(yōu)化爐溫設(shè)點(diǎn)的計(jì)算和爐溫設(shè)定值的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。穩(wěn)態(tài)最優(yōu)化采用啟發(fā)式搜索方法，而動(dòng)態(tài)補(bǔ)償基于前饋－反饋原理，實(shí)現(xiàn)了降低加熱爐能耗的目的。由于爐內(nèi)鋼坯加熱溫度測(cè)量的困難，通常的采用多元回歸的方法對(duì)鋼坯的升溫過程進(jìn)行計(jì)算，揚(yáng)澤寬等人[16]提出一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型，優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算機(jī)計(jì)算方便，但精度不足。如武鋼1700mm 熱軋從日本引進(jìn)的加熱爐的數(shù)學(xué)模型就采用這種方法。采用熱交換原理大多采用一維熱傳導(dǎo)方程，只考慮厚度方向的溫差變化。所建立的多元回歸模型準(zhǔn)確性較差，特別是在生產(chǎn)條件和軋制節(jié)奏發(fā)生變化后，其次系數(shù)較多，而且這些系數(shù)沒有直接的物理意義?？紤]到冷坯與水印的因素，陳男岳提出采用二維熱傳導(dǎo)方程，來(lái)計(jì)算鋼坯的的爐內(nèi)升溫過程，對(duì)方坯加熱爐數(shù)學(xué)模型有這一定的現(xiàn)實(shí)意義。尉
士民等通過鋼坯加熱爐氣氛計(jì)算，把氧化因素加熱爐最優(yōu)控制的目標(biāo)函數(shù)中，綜合鋼坯加熱過程中氧化燒損和燃料消耗兩個(gè)因素，對(duì)加熱爐進(jìn)行了溫度預(yù)示計(jì)算、最優(yōu)化空氣系數(shù)及最優(yōu)化爐溫計(jì)算。杜佳璐等人通過分析鋼坯在加熱爐內(nèi)被加熱的機(jī)理，利用有限差分法，建立了描述加熱爐內(nèi)板坯溫度分布的數(shù)學(xué)模型，成功地運(yùn)用了極大值原理同乘子法相結(jié)合的優(yōu)化算法解決了不同鋼種、尤其是不銹鋼、高工鋼等特種鋼的節(jié)能操作難題。
ACC數(shù)學(xué)模型的功能關(guān)聯(lián)如圖2所示。中冶賽迪公司推出了自已的ACC 加熱爐數(shù)學(xué)模型。該模型由裝爐處理模塊、出爐處理模塊、休爐處理模塊、出爐鋼坯溫度模型、最佳設(shè)定值計(jì)算組成的加熱爐最優(yōu)化控制系統(tǒng)，解決了裝爐鋼坯溫度品種規(guī)格變化大或軋制出現(xiàn)計(jì)劃與非計(jì)劃生產(chǎn)停頓時(shí)精確控制鋼坯出爐溫度和溫度均勻性問題，在太鋼2250mm 熱軋不銹鋼加熱爐，本鋼2300mm 熱軋加熱爐，承德鋼鐵廠1780mm 熱軋加熱爐上得到成
功的應(yīng)用。以太鋼為例，L2 投運(yùn)率超過90%，板坯出爐溫度命中率（以粗軋末道次±10℃為考核依據(jù)）達(dá)95%以上；板坯上表面和中心溫度的溫差<30℃,板坯上表面溫差<20℃，出爐板坯板間溫差<20℃，板坯水印溫差<10℃。
3 自動(dòng)化系統(tǒng)解決方案
控制理論再先進(jìn)，控制策略再好，歸根到底都要通過合理的自動(dòng)化解決方案得以實(shí)施。要達(dá)到節(jié)能降耗，提高加熱質(zhì)量，選擇合理的自動(dòng)化系統(tǒng)解決方案非常重要。早在上世紀(jì)70 年代，DCS 系統(tǒng)或PLC 系統(tǒng)已成功應(yīng)用到世界各地的工業(yè)加熱爐上。自80 年代以
來(lái)，國(guó)際鋼鐵大發(fā)展主要集中在中國(guó)。80 年代以后尤其是近20 年，中國(guó)國(guó)內(nèi)的加熱爐的裝配水平基本上可以反映國(guó)際上加熱爐的計(jì)算機(jī)控制水平。下表中集中反映了國(guó)內(nèi)外加熱爐控制系統(tǒng)的配置情況。
4 控制技術(shù)主要內(nèi)容
4.1 設(shè)備控制功能
包括爐前、爐后輥道控制；裝鋼機(jī)位置及行程4.2 燃燒控制功能包括爐溫控制（常規(guī)燃燒控制，蓄熱式燒嘴換向控制、間拔控制、數(shù)字脈沖控制、解耦控制、模糊控制）；爐膛壓力控制（單回爐PID 控制；煤氣流量前饋控制；自學(xué)習(xí)控制；預(yù)測(cè)函數(shù)－PD 控制；
模糊控制）；換熱器保護(hù)控制（稀釋風(fēng)控制、熱風(fēng)放散控制）；汽化冷卻系統(tǒng)汽包水位控制；各種過程參數(shù)（溫度、壓力、流量、液位等）監(jiān)控；
4.3 過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能
包括軋制計(jì)劃數(shù)據(jù)處理；板坯核對(duì)；跟蹤及跟蹤修正（入口側(cè)板坯跟蹤，爐內(nèi)板坯位置跟蹤、出爐側(cè)板坯跟蹤、爐內(nèi)板坯位置修正）；加熱爐設(shè)定（裝鋼機(jī)設(shè)定，出鋼機(jī)設(shè)定，步進(jìn)梁運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)定，加熱爐爐溫設(shè)定，休爐設(shè)定）；ACC 數(shù)學(xué)模型；班管理；報(bào)表系統(tǒng)；人機(jī)接口（L2 HMI）；系統(tǒng)間通信；
5 關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)難點(diǎn)
自動(dòng)化系統(tǒng)分級(jí)不同，關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)的形式也不盡相同。對(duì)L1 基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)而言，控制內(nèi)容分成電氣傳動(dòng)控制（Handling Control，簡(jiǎn)稱HC）和燃燒控制（CombustionControl，簡(jiǎn)稱CC）；對(duì)L2過程自動(dòng)化級(jí)而言， 主要內(nèi)容分成應(yīng)用控制
（Application Control，簡(jiǎn)稱AC）和自動(dòng)燃燒控制模型（ACC Model）；以及系統(tǒng)間的接口。對(duì)于HC 控制而言，技術(shù)進(jìn)步主要體現(xiàn)在傳動(dòng)裝置的技術(shù)進(jìn)步，傳動(dòng)設(shè)備的參數(shù)整定和行程計(jì)算、連鎖控制的完善程度。AC 控制而言，技術(shù)難點(diǎn)體現(xiàn)在和L1 之間的數(shù)據(jù)通信，和第三方系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信上。所有的技術(shù)是剛性的，而且較為成熟。加熱爐控制中關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在燃燒控制和ACC 模型控制。而燃燒控制技術(shù)的進(jìn)步主要集中于加熱爐溫度控制和爐壓控制；ACC 模型主要體現(xiàn)在算法、爐群控制技術(shù)和專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)方面。
板坯加熱爐爐溫控制的經(jīng)典控制策略是改進(jìn)型雙交叉限幅。為提高板坯加熱質(zhì)量，在熱負(fù)荷較低的狀況下，關(guān)掉一些閥門，保證燒嘴的火焰剛度，可在某些加熱段實(shí)施間拔控制。隨著節(jié)能和板坯加熱質(zhì)量要求的提高，一些新的技術(shù)和理念也逐漸為自動(dòng)化工程師接受和應(yīng)用。
（1）解耦控制。板坯加熱爐通常分為多段控制，各段之間的溫度控制存在很強(qiáng)的耦合影響。目前國(guó)內(nèi)、外對(duì)加熱爐進(jìn)行解耦控制的報(bào)道很少，成功運(yùn)用解耦技術(shù)的案例更是鳳毛麟角。目前僅在攀鋼熱軋1、2 號(hào)加熱爐上有相關(guān)應(yīng)用。它采用的權(quán)值補(bǔ)償+前饋法。權(quán)值補(bǔ)償系數(shù)采用專家智能庫(kù)策略。
（2）蓄熱式燒嘴換向控制[21]：加熱爐兩側(cè)設(shè)置蓄熱式燒嘴：當(dāng)一個(gè)燒嘴燃燒時(shí)，對(duì)應(yīng)的燒嘴吸入煙氣，對(duì)蓄熱體進(jìn)行加熱爐。經(jīng)過一個(gè)換向時(shí)間后，冷空氣（冷煤氣）流過蓄熱體，變成熱空氣（熱煤氣）；同時(shí)，對(duì)面的燒嘴又吸入煙氣，對(duì)蓄熱體進(jìn)行加熱。蓄熱式控制就是根據(jù)成對(duì)燒嘴的特性進(jìn)行時(shí)序控制。技術(shù)難點(diǎn)是換向時(shí)間的確定，小負(fù)荷時(shí)的處理模式，燒嘴故障的處理模式以及換向控制對(duì)爐壓的影響。成熟應(yīng)用業(yè)績(jī)較多，如寶鋼1580 mm熱軋3 座加熱爐，本鋼23000 mm 熱軋4 座加熱爐，太鋼2250 mm 熱軋1 座加熱爐，寶鋼1580mm 熱軋3座加熱爐等。
（3）數(shù)字脈沖控制。脈沖燃燒控制采用間斷燃燒的方式，使用脈寬調(diào)制技術(shù)，通過調(diào)節(jié)燃燒時(shí)間的占空比（通斷比）來(lái)實(shí)現(xiàn)加熱爐的溫度控制。在脈沖燃燒控制技術(shù)的控制下，燃燒器一旦燃燒，就處于其設(shè)計(jì)的最佳燃燒狀態(tài)，保證燃燒器燃燒時(shí)的燃?xì)獬隹谒俣炔蛔儭？刂葡到y(tǒng)使?fàn)t內(nèi)燃燒器交替燃燒：當(dāng)需要升溫時(shí)，燃燒器燃燒時(shí)間加長(zhǎng)，關(guān)斷時(shí)間減少；當(dāng)需要降溫時(shí)，燃燒器燃燒時(shí)間減小，關(guān)斷時(shí)間加長(zhǎng)。技術(shù)難點(diǎn)是脈沖周期的確定，空燃
比的控制，小負(fù)荷時(shí)的處理模式，燒嘴故障的處理模式以及脈沖控制對(duì)爐壓的影響。數(shù)字脈沖控制的應(yīng)用先驅(qū)是以斯坦因（Stein Heurtey）公司；在國(guó)內(nèi)大型板坯加熱爐上成功應(yīng)用有太鋼2250mm 熱軋1～3#加熱爐，鞍鋼4#加熱爐和南鋼中板廠1#加熱爐。
（4）模糊控制技術(shù)。模糊控制技術(shù)將模糊控制理念運(yùn)用到加熱爐控制技術(shù)上去。將模糊概念運(yùn)用于加熱爐燃燒控制系統(tǒng)的實(shí)例也有一些報(bào)道，大部分是采用的控制算法仍然是常規(guī)PID，僅對(duì)P、I、D 的參數(shù)進(jìn)行了模糊計(jì)算、設(shè)定。安陽(yáng)高線加熱爐模糊控制系統(tǒng)完全用模糊控制代替常規(guī)的PID 算法，并構(gòu)成串級(jí)并聯(lián)控制系統(tǒng)對(duì)加熱爐的加熱溫度進(jìn)行控制，取得良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。模糊控制技術(shù)的技術(shù)難點(diǎn)是模糊控制器的構(gòu)成。集中體現(xiàn)在輸入語(yǔ)言變量、輸出語(yǔ)言變量選擇，隸屬度賦值表的確定原則。
（5）前饋控制。加熱爐爐壓控制采用經(jīng)典策略是單回爐PID＋爐壓自學(xué)習(xí)或煤氣流量的前饋控制。新穎的控制策略是預(yù)測(cè)函數(shù)PFC＋PID 控制；模糊控制。預(yù)測(cè)函數(shù)PFC＋PD 控技術(shù)是利用PID控制器作為內(nèi)層控制，實(shí)現(xiàn)精細(xì)控制；預(yù)測(cè)函數(shù)PFC作為外層控制器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速特性。技術(shù)難點(diǎn)是過程通道模型的確定，預(yù)測(cè)函數(shù)PFC 的構(gòu)建以及相關(guān)邊界條件的確定。
（6）ACC 模型。ACC 模型的是過程自動(dòng)化（L2）的核心技術(shù)。節(jié)能效果好壞、加熱質(zhì)量高低很大程度上取決于ACC 模型的成功應(yīng)用與否。其核心技術(shù)是：爐溫處理技術(shù)；板坯剩余在爐時(shí)間的預(yù)測(cè)技術(shù)；板坯溫度計(jì)算預(yù)測(cè)技術(shù)；板坯出爐溫度自學(xué)習(xí)技術(shù)；爐群協(xié)調(diào)控制技術(shù)。技術(shù)難點(diǎn)是板坯溫度預(yù)測(cè)計(jì)算技術(shù)，爐群協(xié)調(diào)控制技術(shù)以及加熱爐混合加熱
控制技術(shù)。ACC模型能夠根據(jù)軋線計(jì)算機(jī)的軋制節(jié)奏，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)板坯的加熱速度，保證板坯的加熱效果；同時(shí)，實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)加熱爐爐群的出爐節(jié)奏，滿足軋線的要鋼要求。
6 新技術(shù)發(fā)展
展望加熱爐控制技術(shù)的發(fā)展，從技術(shù)角度看，主要體現(xiàn)在硬件技術(shù)和軟件技術(shù)發(fā)展；從流程研發(fā)角度，主要體現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)化和核心化技術(shù)的研發(fā)和技術(shù)服務(wù)。
（1）硬件技術(shù)。目前加熱爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)大多數(shù)采用諸如SIEMENS 公司，GE 公司等國(guó)外品牌的PLC 系統(tǒng)，或者是Honeywell 公司或橫河公司的DCS 系統(tǒng)。國(guó)產(chǎn)的控制系統(tǒng)如浙大中控的控制系統(tǒng)；北京和利時(shí)公司的控制系統(tǒng)以及國(guó)電自深的控制系統(tǒng)也開始嶄露角，控制系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化將會(huì)是一個(gè)發(fā)展方向，也是我們自動(dòng)化工程師的一個(gè)期望。
（2）控制單元。目前主要采用的32 位處理器，從技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，64 位處理器也開始進(jìn)入工控領(lǐng)域，它將成倍地提高控制器的計(jì)算能力，存儲(chǔ)能力，將各種復(fù)雜的算法和控制策略變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
（3）容錯(cuò)服務(wù)器的應(yīng)用和推廣。為保證服務(wù)器系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，通常采用兩臺(tái)配置相同的服務(wù)器共同構(gòu)成一套冗余服務(wù)器系統(tǒng)。采用2 套硬件，2 套軟件。而容錯(cuò)服務(wù)器采用硬件級(jí)的容錯(cuò)技術(shù)，采用一套系統(tǒng)軟件，以達(dá)到消除系統(tǒng)切換時(shí)間的目的。其代表是Strautus fTserver W 系列的容錯(cuò)服務(wù)器技術(shù)。
（4）現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是一種前沿的應(yīng)用技術(shù)，在化工、油氣、煉油、石化尤其是汽車生產(chǎn)線等行業(yè)得到非常廣泛的應(yīng)用。它可以使工程總投資節(jié)省15～30％，工廠運(yùn)營(yíng)效益提高2％。在可以預(yù)見的將來(lái)，必將在加熱爐控制技術(shù)得到推廣應(yīng)用。目前的代表技術(shù)是：CAN，F(xiàn)F，Profibus，Lonworks 等。
（5）三維監(jiān)控軟件。目前主流監(jiān)控軟件以Intouch，IFix，WinCC 和RSView 等為主。他們都建立在二維層面上。美國(guó)ICONICS“愛康諾”公司針對(duì)微軟的Windows® Vista™ 和Windows Server2008 設(shè)計(jì)開發(fā)了最新一代的監(jiān)控組態(tài)軟件GENESIS64™ ，它充分利用了AMD 和Intel 的64 位技術(shù)，大大降低了自動(dòng)化項(xiàng)目在軟件開發(fā)上的工作量、加快整個(gè)自動(dòng)化解決方案的實(shí)施，從而能夠節(jié)省大量的費(fèi)用。GENESIS64 充分利用Windows Vista
中DirectX10 的先進(jìn)圖形硬件加速功能，GraphWorX64 與Windows Presentation Foundation結(jié)合，給用戶提供令人注目的3D 視圖，同時(shí)具有實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)顯示。想象一下，可以從各個(gè)角度看見設(shè)備是如何實(shí)時(shí)運(yùn)行的感受！
（6）服務(wù)的遠(yuǎn)程化。充分利用Internet 網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大功能，對(duì)遠(yuǎn)在千里之外的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，數(shù)據(jù)分析和遠(yuǎn)程服務(wù)，提供全流程的技術(shù)服務(wù)。
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