基于加热炉智能自动控制系统的探究

郑雪平

加热炉是一种传热设备。加热炉的工艺过程主要是燃料在空气中燃烧产生热量，从而保持炉内温度。加热炉的最主要的控制指标往往是工艺介质的出口温度，此温度是控制系统的受控变量，而操纵变量是燃料油或燃料气的流量。

目前国内如化工、冶金、电力等大型现代化联合企业的加热炉大多实现自动控制，且硬件多数采用国外引进的DCS、PLC等控制设备，系统功能强大，在提高产品产量与质量、节能降耗等方面起到了较好的作用，但随之而来的是系统的价格昂贵，需要较强的维护力量，这使许多中小企业望而却步。虽然一些公司开发了一些针对中小企业的低成本加热炉自动控制系统，但多采用模拟仪表或单片机，系统可靠性低，算法简单，控制效果往往不佳。另外，加热炉更是轧钢企业的重要设备。在轧钢生产中，加热炉作为最大的耗能设备，也是工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后的一个系统，同时更是整个工艺流程中关键的设备之一，其运行的稳定与否将直接影响后面轧钢生产质量。所以，针对加热炉的工艺介质的出口温度，研制一套面向中小企业的自动化程度高、可靠性高、成本低的智能自动控制系统十分必要。

1 当前加热炉自动控制存在的主要问题

1.1 工艺粗糙复杂

首先加热炉是大滞后、复杂对象。钢坯加热炉一般是多段式复合结构，分段加热，各段之间互相耦合，其燃烧升温过程是一个典型的具有大滞后、非线性、强耦合特性的过程，要描述炉内热交换机理除包括有关辐射、对流和传导的关系式外，还有很多不确定因素，如压力、温度的滞后效应、燃烧热值的波动等。因此，要以数学方法建立加热炉这种复杂、粗糙对象的模型是十分困难的。其次，燃料热值波动大。钢厂加热炉大多采用混合煤气加热，由于高焦配比不稳，热值与压力经常波动，进而引起炉温的波动。第三是生产节奏波动。由于加热炉是为轧线服务的从属车间，故轧线故障及生产节奏的变化对加热炉生产影响较大，造成加热生产节奏经常波动。

1.2 检测驱动设备不良

检测驱动设备是加热炉自动化控制系统的重要设备，其检测数据是否准确、控制信号能否得到顺利执行将直接影响到调节效果。但目前国内加热炉却大多存在如下问题：1)调节阀线性不好，有时焦油堵塞，致使控制不灵。2)流量计参数及设计不合理，流量计测不准。

基于上述工艺和计测两方面的困难，给加热炉控制带来很多困难，造成如下现状：炉子的大惯性以及阀的非线性。传统PID难以克服；流量测量不准确，双交叉限幅形同虚设，基础自动化无法投运；数学模型虽功能齐全，但由于假设过多，与实际模型相差甚远，不能真正投运；热值仪/残氧检测不合实际，无法克服热值波动影响，无法进行残氧分析的空燃比寻优，这就是目前加热炉自动化的现状，也是第二代PLC/DCS系统所无法解决的难题 。

2 探究开发加热炉智能自动控制系统

2.1 完成控制系统的硬件设计。从可靠、快速、实用的角度出发，选用DDC控制结构，控制设备运用研华IPC-610工业控制计算机，以PCL-711B模拟量输入模板采集设备，以PCL-726模拟量输出模板控制输出，以组态王为监控软件，通过接线设计，与温度传感器、阀门等形成一个串级比值调节系统。该设计不仅满足了系统实时控制的要求，而且大大降低了系统造价，是一个典型的低成本自动化系统。系统的硬件结构如图2-1所示。

图2-1 加热炉温度控制系统硬件结构图

2.2 由于加热炉具有大滞后、大惯性、数学模型不确定的特点，加之燃料值波动，调节阀线性不好，本系统对各段温度采用模糊控制算法，对惯性的空气和煤气采用线性PID控制，以温度作为主控制器，空气和煤气的调节作用为副控制器，构成一串级比值控制系统，最终实现对温度的控制，系统结构图如图2-2所示。

图2-2 加热炉温度控制系统结构图

现有的加热炉采用的控制方法主要是双交叉限幅PID控制，这种方法对于燃烧过程的控制起到了一定的作用，但是不能拟制煤气热值和压力波动造成炉温控制不均衡，负载变化大时响应速度慢等问题。由于加热炉燃烧系统本身的复杂性、扰动大和大时滞的特点，建立精确的数学模型是十分困难的，所以用传统的控制方法达不到很好的效果 。因此，为了保证加热炉的控制精度和速度，就需要对系统进行优化，建立加热炉优化控制系统。

2.3 基于模糊控制的基本原理，总结操作经验，确定模糊控制器的结构，模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量。因为温度是个大时滞性、大惯性的非线性的对象，如果只考虑其误差，则很难知道温度的动态性，所以在考虑误差的同时，还应该考虑其上升或下降的趋势，及误差的变化。所以，采用二维模糊控制器，把设定值与测量值间的误差及误差的变化作为输入变量，把通过模糊控制器调节后的输出作为输出变量。

2.4 设计人机接口界面，以实现动态工艺流程显示、棒图显示、实时与历史趋势记录、参数修改、打印、报警等功能，满足系统在实时运行时对监控的要求。选择由北京亚控科技发展有限公司研发的“组态王6.51”。其语言使用方便，灵活；有着功能强大的制图工具，极其丰富的图库和256色的调色板，立体管道、透明点位图、多种动画连接；有温控曲线，实时、历史趋势曲线、X-Y曲线等几十种功能控件，同时还具备以下特点：

• 使用图形化的控制按钮实现单任务和多任务；

• 显示生产过程的文字信息和图形信；为任何现场画面指定键盘命令；

• 监控和记录所有报警信息；显示实时趋势曲线和历史趋势曲线；

• 使用多样而灵活的方式查询历史数据。

3 结束语

通过对对象的特性分析，应用智能模糊控制算法，较好地解决了具有非线性、大时滞的加热炉的控制问题，实现了对炉温的智能自动控制。该控制系统运行稳定，控制精度高，抗干扰能力强，且结构简单，成本低廉，易于操作，完全满足工艺要求。该控制系统若能在实际生产中得到应用，对提高工件加热质量、增加产量、节能降耗、降低生产成本以及减轻工人劳动强度等将起到积极的促进作用。

参考文献

[1] 潘晨.加热炉控制分析及设计[J]. 广东石油化工高等专科学校学报,1998,8(2)：30-32.

[2] 张志杰.加热炉控制系统的优化设计与应用[J].工业炉,2000,22(3):26-30.

[3] 丁修.轧制过程自动化[M].北京：冶金工业出版社，1996.

[4] 韩增晋.自适应控制[M].北京：清华大学出版社，1995.

[5] 梁军.自适应技术在加热炉控制中的应用[J].工业炉，1997，1：59-63.