探討熱軋卷板加熱爐自動化系統研究與優化

余邦民

（新余鋼鐵集團有限公司數智化部，江西 新余 338000）

0 引言

鋼鐵工業是國之基礎，是支柱產業，社會各個領域均需要鋼鐵。我國鋼鐵年產量已達世界前列，但在工業、建筑、高品質鋼材、生活需求方面依舊與社會需求存在一定差距。因此，相關制鋼企業的生產過程仍需要繼續優化，當前多數制鋼企業已經實現了熱軋卷板加熱爐的自動化控制，下文便以某企業所使用的自動化系統的基本架構進行簡要說明。

1 熱軋卷板加熱爐自動化系統基本架構

為論述加熱爐自動化系統的優化策略，本文便以某制鋼企業所使用的加熱爐自動化系統為例，其系統基本架構如下。

1.1 整體架構

該系統的整體架構如圖1 所示。該制鋼企業加熱爐的自動控制是從輥道運輸開始，到除磷工序后的輥道結束。其中包含著四座加熱爐，每臺加熱爐存在四座進梁式爐，板坯庫、爐前、爐后輥道，以及加熱爐自身、液壓站、冷卻系統、輔助生產設備、儀表設備等。儀表設備又包括燃燒系統、汽化系統、基礎自動化系統、工控機、檢測設備、傳動設備等。整體來看，該制鋼企業加熱爐自動控制系統存在兩部分，為方便論述，將其稱作L1與L2。L1 代表基礎自動化系統，L2 代表計算機系統。L1 基礎自動化系統負責對加熱爐參與的所有生產工藝進行控制，比如對順序進行控制，進行閉路、聯鎖控制、故障檢測、報警信息等。L2 自動化的功能為接收計算機所傳輸的軋制順序以及軋制計劃，并從輥道開始便對所有已經完成煉制的板坯進行跟蹤。并接收基礎自動化系統所傳輸的入爐前輥道信號、板坯吊銷信號、板坯入爐信號、步進梁信號、板坯出路信號，最后向PLC 發送板坯所在加熱爐的坐標以及抽鋼指令，并將產生的控制日志傳輸到計算機系統。在燃燒控制方面，基礎自動化系統會定期收集加熱爐內的溫度信息、時間信息，合理制定抽剛順序以及軋制順序，從儀表系統中接收加熱數據與空氣流量數據，并以分鐘為單位將加熱爐各段的溫度傳輸給工控機，工作人員可以以實際情況為準對加熱爐的燃燒進行控制[1]。

圖1 自動控制系統整體架構

1.2 L1 系統

基礎自動化的核心功能為收集信號、處理信號、控制輥道、控制裝爐、板坯核對、輥道定位、板坯測長、板坯測款等功能。并對裝鋼設備的位置以及行進路程進行控制、對出鋼的爐門進行控制，對步進設備、出鋼設備的行程、方向進行控制。除此之外，還負責對液壓設備、干油站的控制。工作人員可以在工控機中對上述設備的參數進行更改、設置，對所有收集的數據進行管理。此部分可以說是整個加熱爐控制系統的基石，其具體結構如圖2 所示。

圖2 L1 基礎自動化結構

1.3 L2 系統

此部分系統相較于L1 系統，L2 系統主要負責加熱爐細節部分，比如對爐內的板坯、鋼材進行跟蹤，對板坯當前的溫度進行計算或檢測，管理人員再根據實際情況對溫度進行調整，并對其從儀表設備所收集的數據進行分析。其控制流程如下[2]。

首先，L2 系統會接收管理人員傳輸的軋制計劃、順序，從鋼坯進入輥道后便開始對其跟蹤，并接收L1 系統所傳輸的爐前輥道信號、板坯吊銷信號、板坯入爐信號、板坯出爐信號、步進梁移動信號。

其次，并向與基礎控制系統相連的PLC 控制系統傳輸板坯坐標、加熱爐坐標以及抽鋼指令，為計算機提供整體控制過程所產生的日志。

再次，生產線傳達抽鋼順序以及此時加熱爐內溫度、時間信息、板坯粗軋信息、軋制順序信息。

最后，從儀表設備中接收加熱爐中煤氣的溫度以及空氣流量，定時將信息傳輸至計算機系統中，并將經過計算機計算后的加熱數據傳回儀表設備的控制系統，以此種方式對燃燒過程進行控制。

2 熱軋卷板加熱爐自動化系統的具體優化措施

根據上文中對該企業加熱爐自動化系統基本架構的分析，其功能較為簡單，只能與相關設備進行信號交換，而且對于部分功能管理人員并沒有權限對其狀態進行修改，如果其運行出現故障，便會對該企業的生產造成影響。因此，采取相關措施對其進行優化是十分必要的，具體優化措施如下[3]。

2.1 生產數據管理

無論是L1 系統，還是L2 系統，并不存在對生產數據進行管理的功能，工作人員在工控機中輸入軋制計劃、順序后很難進行二次修改，想要修改生產數據便需要暫時停止相關設備重新輸入，這便對企業的生產造成了影響。

針對上述情況，企業技術人員可以在L1 系統，L2系統的基礎上增加L3 級別管理系統，并將L3 系統與L1 系統、L2 系統互相連接，開放L1、L2 系統對L3 管理系統的權限。此系統會自動收集生產線當前所執行的生產計劃以及板坯相關數據。由于生產線的生產計劃以及板坯相關數據較為重要，所以不建議在其中加入修改功能，依舊是采取暫停后重新輸入生產計劃、軋制計劃、軋制順序的形式。但是L3 系統游離于L1 系統與L2 系統以外，所以暫停該系統并不會對當前生產效率、生產內容產生影響，這便在生產計劃安全程度不變的同時實現了對生產數據的管理。此級別管理系統具體應用流程如下，當板坯進入輥道測量長度、測量寬度以及稱重時，L1 系統會自動將板坯數據上傳至L3 系統中，管理人員便可以在L3 系統的終端對板坯數據進行核對，核對無誤后將生產計劃下發至L2 系統中，最后由L2 系統將生產計劃、軋制順序傳輸至L1 系統中。當管理人員想要修改生產計劃或者修改軋制順序時，便可以在L3 系統暫停，根據實際需求對生產計劃進行重新編寫，編寫完成后通過L3 系統再進行下發[4]。

2.2 加強板坯核對

在原有系統中，板坯進入核對軌道后由L1 系統對其長度、寬度、重量進行測量，同時將測量數據上傳至L2 系統中。此過程并沒有對板坯的實際尺寸進行核對，如果某個傳感器發生故障，測量發生誤差，將會影響到鋼坯的生產質量。因此，在自動化系統中加入板坯核對功能極為必要，具體措施如下[5]。

所有機械設備的運行無法實現完全穩定，越是精密的系統出現故障的概率也就越大。如果板坯尺寸出現錯誤，將會給制鋼企業帶來直接損失。基于上述，可以采用人工與機械化相結合的方式解決此項問題。當板坯在輥道中完成測量過程中，現場工作人員可以憑借自身工作經驗對板坯的尺寸進行核對，結合L2 系統所顯示的數據對板坯尺寸的準確性進行判斷。為最大限度提高板坯核對的準確性，可以在L2 系統中加入核對功能，當L2 系統接收到板坯具體參數后，將參數進行統計，形成具體報表，以對話框的形式顯示在工控機顯示器中，只有現場操作人員點擊核對無誤后，才能開始下一個生產環節。管理人員可以利用此機制將生產責任落實到人，以此最大限度提高板坯核對的準確性。當核對完成后，L2 系統還應當對板坯所進入加熱爐的坐標以及間距進行二次核對，此部分的功能依靠L1 系統所收集的信息實現。

2.3 加強板坯跟蹤

原有系統中對板坯位置的跟蹤只有一個階段，工作人員無法對熱軋卷板制作的全過程進行監測。基于此現象，可以從3 方面入手加強該自動化系統的板坯跟蹤。

（1）對加熱爐入口的板坯進行跟蹤。將跟蹤范圍擴大到板坯核對處至加熱爐加工結束后。由于跟蹤范圍的增大，要以生產線的實際情況為準增設不同類型的傳感器，也可以直接架設攝像頭，以此實現對板坯煉制過程的全過程監控。對于加熱爐內部來說，可以在其中設置耐高溫傳感器對相關參數進行收集，以此實現無死角監控。如果增設攝像頭，便需要在L2 系統中增加影像傳輸端口，工作人員在工控機顯示器中便能夠實現對煉制情況的跟蹤。

（2）加熱爐內的跟蹤。在安裝耐高溫傳感器的基礎上，L2 系統應當利用L1 系統所傳輸的裝入行程以及步進梁移動量信息，對板坯在加熱爐內的位置進行跟蹤。

（3）在加熱爐出口處進行跟蹤。此部分的范圍起點為加熱爐出口，終點為除鱗箱。此過程還是需要L2 系統接收L1 系統所傳輸的實時位置信號。

根據上述措施，現場工作人員可以在工控機處完成對板坯煉制的全過程監控。當生產過程中出現任何異常情況時，工作人員便可以及時采取相關措施。

2.4 修正跟蹤信息

為提高2.3 板坯跟蹤的準確性，應當在L2 系統中加入板坯跟蹤修正功能，具體措施如下。

（1）異常情況下的板坯吊銷功能。當板坯處于最初核對階段時，若板坯實際測量值與生產計劃中所描述的數值差距過大，或者板坯表面所噴印的號碼與生產計劃所描述的號碼存在差異時，工作人員應當以實際情況為準判斷此板坯是否應當繼續進爐。如果確定該板坯存在錯誤，應當立即通過L2 系統執行板坯吊銷操作。

（2）強制添加數據。若生產線中板坯已經進入加熱爐，但由于系統運行問題導致L2 工控機中尚未顯示該板進入加熱爐，其狀態仍舊處于輥道中時，現場工作人員應當在工控機中強制更新板坯狀態，添加相關數據。

（3）糾正板坯頂端位置。此部分功能是利用出爐側傳感器所收集的信息，對板坯跟蹤各個環節所產生的誤差進行修正，當誤差比板坯寬度大時，系統會自動對其進行修正。

（4）對實時位置進行修正。當板坯所處的位置與L2系統工控機所識別出的位置存在較大差異時，便可認為此信息存在異常。此時工作人員可以通過人工操作對L2 系統所顯示的部位進行修正。

2.5 建立ACC

ACC 指的是自動燃燒系統，雖然在原有系統中工作人員可以通過L2 系統對加熱爐溫度進行調整，達到控制其燃燒的目的，但無法實現自動化，而人為操作難以準確控制加熱爐內的溫度，極易產生資源浪費，因此，從該角度看，在原有系統的基礎上增加ACC 功能尤為重要，具體措施如下。

（1）設定裝爐溫度界限。如果板坯輸入熱裝，便需要獲取上料輥道中測溫計檢測到的板坯表面溫度以及進爐前板坯所停留的時間，以此為基礎對裝爐溫度進行計算。對于冷裝形式的板坯，其裝爐溫度不應當超過當前大氣溫度。

（2）設定爐內溫度界限。爐內溫度需要以進爐前板坯的表面溫度為準，并結合板坯在爐內的實際位置與加熱爐內部熱電偶檢測的爐溫進行計算，以此得出板坯上方與下方的溫度，并推算出合理的熱流量。在對熱量進行計算時，需要著重考慮板坯在段水印階段的補償，其中加熱段的水印下部以及均熱段的水印不需要考慮此點。最后使用差分方程對板坯內部溫度以及表面溫度分別進行求解。

（3）在爐時間的設置。板坯的在爐時間需要根據板坯在爐內的實際位置，對其在爐時間進行合理預測，此部分需要以上述的爐內溫度為基礎，確定板坯各段的合理在爐時間。

3 結語

綜上所述，本文以某企業加熱爐自動化控制系統為例，簡單分析了其基本架構，并在其架構的基礎上提出了加強生產數據管理、加強板坯核對、加強板坯跟蹤、修正跟蹤信息、建立ACC 等優化意見，上述措施能夠有效提高生產效率，并利用ACC 降低燃燒所消耗的資源，進而達到節能增效的目的。