[摘要]：為了對(duì)熱處理爐的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化和控制，提高自動(dòng)化程度及加熱質(zhì)量，有效的降低能源消耗，著重介紹了熱處理爐控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)及原理分析，給出了二級(jí)過(guò)程模塊的設(shè)計(jì)思路和架構(gòu)。

[關(guān)鍵詞]：數(shù)學(xué)模型，熱交換流程圖      [中圖分類號(hào)]TG15

隨著市場(chǎng)對(duì)鋼板品種和質(zhì)量要求不斷提高，越來(lái)越多的鋼板需要在軋制后再進(jìn)行熱處理工藝，以提高金相組織結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化鋼板性能，提高鋼板附加值的目的。由于熱處理工藝的特殊之處，鋼板溫度的加熱控制是十分重要的技術(shù)指標(biāo)，熱處理加熱爐的數(shù)學(xué)模型的建立和有效實(shí)施對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低能源消耗起到了至關(guān)重要的作用。本文描述了熱處理爐處理L2控制系統(tǒng)及數(shù)學(xué)模型的主要功能及實(shí)現(xiàn)。

1、數(shù)學(xué)模型的兩個(gè)主要計(jì)算

數(shù)學(xué)模型用來(lái)描述熱處理爐內(nèi)鋼板的加熱過(guò)程，主要用到兩個(gè)方面理論計(jì)算：

1.1計(jì)算爐壁與鋼板的熱交換

要計(jì)算輻射管、爐壁和爐頂?shù)戒摪宓臒峤粨Q，輻射和傳導(dǎo)都要考慮進(jìn)去。最終精確的出爐溫度值是由出爐口安裝的紅外測(cè)溫儀測(cè)量的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。鋼板在熱處理爐內(nèi)的熱交換主要是通過(guò)對(duì)流和輻射來(lái)完成。主要應(yīng)用公式如下：

熱對(duì)流傳導(dǎo):

熱輻射傳導(dǎo):

總的熱量交換:

1.2計(jì)算鋼板的熱消耗

鋼板自裝爐時(shí)起到加熱結(jié)束，每隔2－5秒周期（根據(jù)鋼板厚度和分層數(shù)）就要對(duì)鋼板溫度進(jìn)行重復(fù)性計(jì)算，不斷更新模型去處的數(shù)據(jù)。由于鋼板的厚度不同，計(jì)算鋼板的平均溫度時(shí)，根據(jù)厚度進(jìn)行分層計(jì)算。對(duì)20mm以上及以下的厚度分別運(yùn)用不同的計(jì)算模型。

1.2.1零維計(jì)算：

數(shù)學(xué)模型對(duì)于厚度20mm以下鋼板的溫度計(jì)算采用零維計(jì)算方法。也就是說(shuō)在鋼板的厚度方向上沒(méi)有溫度坡度的計(jì)算。因?yàn)楸〉匿摪逑鄬?duì)來(lái)說(shuō)它的熱導(dǎo)率較高，不適合分成多層來(lái)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算的結(jié)果用來(lái)優(yōu)化爐內(nèi)設(shè)置點(diǎn)溫度設(shè)定。

3.2.1一維計(jì)算：

隨著鋼板厚度的增加，模型的計(jì)算將采用一維方法，主要應(yīng)用傅立葉微分方程，得到穩(wěn)定可靠的計(jì)算結(jié)果。在鋼板的厚度方向?qū)⒂?jì)算層次數(shù)分為3-15層。這樣得到鋼板內(nèi)部更細(xì)致的溫度分布數(shù)據(jù)。

2、自動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)

L2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了輥底式熱處理爐的主要數(shù)學(xué)模型的控制功能，L2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的模型計(jì)算，從鋼板裝入熱處理爐開(kāi)始執(zhí)行，到該鋼板出爐時(shí)結(jié)束。熱處理爐被分成20個(gè)溫度控制區(qū)域，數(shù)學(xué)模型對(duì)每個(gè)爐內(nèi)控制區(qū)域溫度設(shè)置點(diǎn)的溫度進(jìn)行控制，通過(guò)L2計(jì)算機(jī)對(duì)一級(jí)PLC系統(tǒng)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)一張新的鋼板裝爐時(shí)，操作員須在本地計(jì)算機(jī)上手動(dòng)輸入鋼板的ID號(hào)進(jìn)行確認(rèn)。如果有可用的L3管理系統(tǒng)（是處于計(jì)劃層和車間層操作控制系統(tǒng)之間的執(zhí)行層，主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)管理和調(diào)度執(zhí)行），則通過(guò)觸發(fā)這個(gè)輸入的ID號(hào)，L2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)會(huì)從L3數(shù)據(jù)庫(kù)中找出該鋼板的相關(guān)數(shù)據(jù)。L2,L3兩個(gè)不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換通過(guò)相應(yīng)的接口程序進(jìn)行通訊。在整個(gè)處理過(guò)程中，如果L2系統(tǒng)與L3系統(tǒng)的通訊出現(xiàn)異常，則只應(yīng)用L2的當(dāng)?shù)財(cái)?shù)據(jù)庫(kù)。這種情況下，由操作員對(duì)裝爐鋼板進(jìn)行核查，手工輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)。如：鋼板ID，厚度，長(zhǎng)度，加熱時(shí)間，加熱溫度等。操作工通過(guò)HMI的溫度控制模塊菜單對(duì)所有的溫度設(shè)置點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)。熱處理爐自動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)如下圖1所示：

（圖1）

3、數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)與構(gòu)成

該數(shù)學(xué)模型主要包括三個(gè)子模塊：物料跟蹤計(jì)算、鋼板溫度模型計(jì)算和模型數(shù)據(jù)優(yōu)化計(jì)算。最后將優(yōu)化后的數(shù)據(jù)發(fā)送到PLC，通過(guò)調(diào)節(jié)爐內(nèi)鋼板的運(yùn)行速度，燒嘴的燃燒控制、保溫時(shí)間等相應(yīng)儀表控制，以達(dá)到最優(yōu)。模型流程圖如圖2所示：

（圖2）

3.1物料跟蹤模塊的設(shè)計(jì)

鋼板裝爐后，首先L2通過(guò)TCP/IP協(xié)議接收PLC傳送的鋼板ID號(hào)，鋼板的頭部位置、鋼板運(yùn)行速度以及上下表面溫度等數(shù)據(jù)，通過(guò)L2數(shù)學(xué)模型的計(jì)算對(duì)當(dāng)前爐內(nèi)的鋼板進(jìn)行物料跟蹤。每隔幾秒計(jì)算周期更新?tīng)t內(nèi)鋼板的位置跟蹤進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，鋼板出爐后，相應(yīng)的鋼板從物料跟蹤系統(tǒng)中移除，流程圖3如下所示：

（圖3）

3.2鋼板溫度模塊的設(shè)計(jì)

鋼板溫度控制會(huì)根據(jù)厚度不同，按照零維或者一維模型的計(jì)算周期進(jìn)行更新，鋼板出爐后，其技術(shù)特性和溫度數(shù)據(jù)等提交給L2數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)。

（圖4）

3.2爐內(nèi)設(shè)置點(diǎn)優(yōu)化模塊的設(shè)計(jì)

鋼板裝爐后，L2系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫(kù)中找到有效的鋼板數(shù)據(jù)，數(shù)學(xué)模型會(huì)根據(jù)鋼板奧氏體溫度和奧氏體時(shí)間的相關(guān)數(shù)據(jù)，建立起唯一的比熱曲線。運(yùn)算開(kāi)始之后，數(shù)學(xué)模型會(huì)被分成不同的子任務(wù)一個(gè)接一個(gè)的執(zhí)行循環(huán)執(zhí)行，直到下一張鋼板裝爐時(shí)為止。

數(shù)學(xué)模型預(yù)算的鋼板平均溫度將與比熱曲線工藝設(shè)置點(diǎn)溫度進(jìn)行比較，兩者之間會(huì)出現(xiàn)一個(gè)溫度差值，模型會(huì)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)修正。盡可能做到偏差最小化。與鋼板的比熱曲線最接近，從而能源消耗減少到最小。如圖5所示：

（圖5）

4小結(jié)

熱處理爐鋼板的溫度控制是自動(dòng)化控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)，一個(gè)好的二級(jí)模型不但可以提高鋼板加熱質(zhì)量，提升鋼板組織性能，還能降低煤氣等能源的消耗，為企業(yè)創(chuàng)造更多的效益。該文簡(jiǎn)述的是LOI公司熱處理爐二級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和架構(gòu)，在濟(jì)鋼中厚板廠得到了較好的應(yīng)用。

作者：岳臨萍，女，1972年2月出生，碩士研究生，電氣高級(jí)工程師，主要研究方向是冶金行業(yè)計(jì)算機(jī)、儀表控制系統(tǒng)、測(cè)量技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。