[摘要]：為了對熱處理爐的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化和控制，提高自動化程度及加熱質(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)計及原理分析，給出了二級過程模塊的設(shè)計思路和架構(gòu)。

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

隨著市場對鋼板品種和質(zhì)量要求不斷提高，越來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施對提高產(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現(xiàn)。

1、數(shù)學(xué)模型的兩個主要計算

數(shù)學(xué)模型用來描述熱處理爐內(nèi)鋼板的加熱過程，主要用到兩個方面理論計算：

1.1計算爐壁與鋼板的熱交換

要計算輻射管、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溫儀測量的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。鋼板在熱處理爐內(nèi)的熱交換主要是通過對流和輻射來完成。主要應(yīng)用公式如下：

熱對流傳導(dǎo):

熱輻射傳導(dǎo):

總的熱量交換:

1.2計算鋼板的熱消耗

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

1.2.1零維計算：

數(shù)學(xué)模型對于厚度20mm以下鋼板的溫度計算采用零維計算方法。也就是說在鋼板的厚度方向上沒有溫度坡度的計算。因為薄的鋼板相對來說它的熱導(dǎo)率較高，不適合分成多層來進(jìn)行計算。計算的結(jié)果用來優(yōu)化爐內(nèi)設(shè)置點溫度設(shè)定。

3.2.1一維計算：

隨著鋼板厚度的增加，模型的計算將采用一維方法，主要應(yīng)用傅立葉微分方程，得到穩(wěn)定可靠的計算結(jié)果。在鋼板的厚度方向?qū)⒂嬎銓哟螖?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、自動控制系統(tǒng)架構(gòu)

L2計算機(jī)控制系統(tǒng)實現(xiàn)了輥底式熱處理爐的主要數(shù)學(xué)模型的控制功能，L2計算機(jī)系統(tǒng)的模型計算，從鋼板裝入熱處理爐開始執(zhí)行，到該鋼板出爐時結(jié)束。熱處理爐被分成20個溫度控制區(qū)域，數(shù)學(xué)模型對每個爐內(nèi)控制區(qū)域溫度設(shè)置點的溫度進(jìn)行控制，通過L2計算機(jī)對一級PLC系統(tǒng)的控制來實現(xiàn)。

當(dāng)一張新的鋼板裝爐時，操作員須在本地計算機(jī)上手動輸入鋼板的ID號進(jìn)行確認(rèn)。如果有可用的L3管理系統(tǒng)（是處于計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），則通過觸發(fā)這個輸入的ID號，L2計算機(jī)系統(tǒng)會從L3數(shù)據(jù)庫中找出該鋼板的相關(guān)數(shù)據(jù)。L2,L3兩個不同的計算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換通過相應(yīng)的接口程序進(jìn)行通訊。在整個處理過程中，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?shù)據(jù)庫。這種情況下，由操作員對裝爐鋼板進(jìn)行核查，手工輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)。如：鋼板ID，厚度，長度，加熱時間，加熱溫度等。操作工通過HMI的溫度控制模塊菜單對所有的溫度設(shè)置點進(jìn)行確認(rèn)。熱處理爐自動控制系統(tǒng)架構(gòu)如下圖1所示：

（圖1）

3、數(shù)學(xué)模型的設(shè)計與構(gòu)成

該數(shù)學(xué)模型主要包括三個子模塊：物料跟蹤計算、鋼板溫度模型計算和模型數(shù)據(jù)優(yōu)化計算。最后將優(yōu)化后的數(shù)據(jù)發(fā)送到PLC，通過調(diào)節(jié)爐內(nèi)鋼板的運行速度，燒嘴的燃燒控制、保溫時間等相應(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

鋼板裝爐后，首先L2通過TCP/IP協(xié)議接收PLC傳送的鋼板ID號，鋼板的頭部位置、鋼板運行速度以及上下表面溫度等數(shù)據(jù)，通過L2數(shù)學(xué)模型的計算對當(dāng)前爐內(nèi)的鋼板進(jìn)行物料跟蹤。每隔幾秒計算周期更新爐內(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

鋼板溫度控制會根據(jù)厚度不同，按照零維或者一維模型的計算周期進(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)庫中存儲。

（圖4）

3.2爐內(nèi)設(shè)置點優(yōu)化模塊的設(shè)計

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

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)置點溫度進(jìn)行比較，兩者之間會出現(xiàn)一個溫度差值，模型會自動進(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化控制的重點和難點，一個好的二級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。該文簡述的是LOI公司熱處理爐二級控制系統(tǒng)的設(shè)計思路和架構(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，電氣高級工程師，主要研究方向是冶金行業(yè)計算機(jī)、儀表控制系統(tǒng)、測量技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用。