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摘 要： 国内加热炉控制主要采取操作人员完全手动控制煤气、空气调节阀的开度，进行烧炉，这样，对流量控制的精度很差，操作的及时性大大降低，直接影响烧钢的质量、产量和能源等指标。针对现状，结合工厂加热炉生产工艺，设计基于DCS的温度自动控制系统，采用OPC技术，实现了数据的实时采集和归档，并利用自编的第三方软件将实时数据以趋势方式显示，便于查看与分析。
关键词： 加热炉；温度控制；单交叉限幅并行串级调节；PID；DCS；OPC；delphi6
在轧钢生产过程中，加热炉温度的控制起着举足轻重的作用，直接关系到产量、能源、污染、工人的劳动强度等等，如果加热炉是一座老式的推钢式加热炉，为了保证产品的质量，加热炉的加热温度应该在规定的温度范围内，不应产生过热或过烧，使烧损率被控制在最低限度；坯料的加热温度从整个断面看要均匀一致；钢坯在加热过程中可能的氧化烧损应最小。因此，控制系统的主要任务是需要对加热炉的燃烧制度、炉膛压力进行自动控制；为安全生产需要对水循环冷却装置进行自动控制；一些状态量的显示和超限报警。
1 JX-300XP控制系统
国产DCS控制系统的控制点数都在3000点以上，投入运行后，系统稳定、可靠，并达到了预期的控制目标。从使用角度看：该控制系统操作灵活、方便快捷，完全满足加热炉生产工艺的控制功能需求。在编程和操作画面组态上简单方便，全中文说明资料手册也及易被开发和生产操作人员掌握。从维护角度看：该系统具有很强的系统故障诊断功能，硬件结构清晰，易于维护，故障率低，可靠性高。备品备件货源充足，且价格低廉，供货周期短等特点。从降本增效和长远发展的角度看：该控制系统为DCS控制系统，在实施控制方案上具有很强的数据处理能力和各种运算功能码库，JX-300XPDCS控制站能完成I/O处理、数据采集、模拟量控制和顺序控制。包括温度、压力、流量、液位的检测、监视、PID调节和各种复杂调节，各种阀门的开关，各种泵的启停等顺序控制，各种设备运行状态的监视及联锁保护等。
同时，控制站还可完成一些更复杂、更特殊的控制功能。提供的SCX高级语言、功能块图（FBD）、梯形图（LD）、顺控图（SFC）能实现各种复杂的先进控制策略。为解决难度较大的加热炉控制方案提供了便捷的實施手段。
2 系统供电的设计
整个工程项目系统供电设计三路：DCS系统要求两路独立的电源供电：一路来自隔离变压器稳压电源，第二路来自UPS电源；第三路亦来自隔离变压器稳压电源，主要提供电气设备I/O状态检测信号的电源要求。电压范围在220VAC±10%；频率范围50±1Hz；分设备供电设计采用空开进行分配，保证工程项目设备供电的可靠性、稳定性。
3 单交叉限幅并行串级调节温度控制
加热炉在燃烧过程中，热损失和空气过剩系数有着密切的关系。空气量不足，产生黑烟，浪费能源，热效率降低，并且污染环境；空气过剩，不仅会带走大量热能，浪费燃料，同时，过量的空气还会加剧被加热钢坯的氧化烧损，降低成频率。因此在负荷变动时，充分利用燃料，最大限度地提高热效率，是加热炉燃烧控制的关键。
加热炉燃烧自动控制，实质是利用偏差（设定值与实测值之差）实现炉温、煤气流量、空气流量的自动调节。为了使燃烧过程中空燃比保持在最佳燃烧区内，在经典控制理论的基础上曾经发展了多种控制方案，如并行串级比值调节法，单交叉限幅并行串级调节法，双交叉限幅并行串级调节法。在总结过去控制经验的基础上，吸收和采用已经成功应用的先进策略和方案的经验，采用的控制方案为单交叉限幅并行串级调节。
加热炉燃烧工作中，在稳定情况下，炉温被控制在给定值。当出现扰动，温度测量值低于给定值时，温度调节器的输出开始增大，通过高选器选择最大值A输出，乘上空燃比，使空气流量调节器的给定值增大，在调节器的作用下，空气流量就先开始增大，同时，在低选器的作用下选择C输出，空气流量信号就变为相对煤气流量的给定值，随着空气流量的增大，也即增大了煤气给定值，在煤气调节器的作用下，使煤气流量随着空气流量增大之后增大，直到三量均衡，测量值回到给定值。而当温度测量值高于给定值时，温度调节器的输出开始减小，通过低选器选择最小值A输出，作为煤气流量调节器的给定值，在调节器的作用下，煤气流量就先开始减小，同时，在高选器的作用下选择最大值B输出，煤气流量信号就变为相对空气流量的给定值，随着煤气流量的减小，也即减小了空气给定值，在空气调节器的作用下，使空气流量随着煤气流量减小后减小，直到三量均衡，测量值回到给定值。
由于燃烧控制的复杂性，鉴于目前加热炉操作及工艺运行的现状，燃烧控制目标应该分阶段进行实现。其原则是在生产初期首先能安全、稳定地手操控制住，并观察大修后炉膛各参数的变化，为自动控制提供依据，其次再进行控制参数优化，控制手段细化及扩大控制范围。在系统实际设计中，考虑到系统的安全与可靠性，既可以手动控制所示，又可以串级自动控制，手动与自动可无扰切换。且空气与煤气可进行单回路自动调节。
PID参数整定在加热炉控制回路中大量应用，包括五个加热段的温度调节器、空气调节器、煤气调节器的PID参数。工程中PID参数整定的方法主要包括；反应曲线法、临界比例度法和衰减曲线法；结合现场我们发现临界比例度法是比较适合的，整定中完全符合控制要求。在系统实际设计中，结合单回路控制画面与趋势画面进行整定，并在程序中加以改进，使调节器的输出有渐变的斜坡特性，即输出的改变变得比较平缓。
4 自动控制的实施
由于燃烧控制的复杂性，鉴于目前加热炉操作及工艺运行的现状，燃烧控制进行控制目标分阶段实现。其原则是首先能安全、稳定地手操控制住，其次再进行控制参数优化，控制手段细化及扩大控制范围（指升降负荷）。
在煤气热值和压力较为稳定的情况下，保证各加热段温度及炉尾温度平稳、炉膛压力控制在要求的范围内，保证燃烧工况稳定；在炉温，炉膛压力，炉尾温度控制平稳的基础上，正常烧钢状况下，可进行按钢种温度投自动，在自动状况下升温与降温时应逐步进行，偏差过大将使系统不稳定。空燃比的修定应结合煤气的热值，本系统中引入的热值为上游煤气混合站经延时计算得来的热值和新线热值，实际中这两种热值都不能达到精度要求，空燃比的设定需要操作工的经验来修正。
5 加热炉网络配置
为实现两个加热炉数据的实时传送，采用了浙大中控的OPC技术。设置了一个工程师站和一个操作员站，目前是将两个加热炉程序合并在一起，放在工程师站里，工程师站作为服务器和1#炉的监控，操作员站作为1#炉的监控。这样两个加热炉的实时数据就可以通过服务器OPC取数，经网络传到另一台计算机上，在远端的另一台计算机，运用delphi6在OPC客户端对实时数据进行采集，生成实时曲线。整合后的两个加热炉加热炉网络如图1。
系统采用OPC技术，能够在数据源与客户端之间进行实时数据的传输通讯。OPC服务器与OPC客户端可装在同一电脑上，也可分别装在不同的电脑上如果网络通讯不畅，可将OPC服务器与OPC客户端装在同一电脑上，启动OPC服务器，再启动OPC客户端，在OPC客户端界面上，设置所取参数的位号，会自动生成一个文本文挡，存放OPC客户端取出的实时数据可以通过编程实现记录曲线的记录与打印。通过Delphi编程，实现把OPCDate中的数据一分钟取出一次，并将其存储在Access数据库中，再在打印程序中将其打出。
通过对基于国产控制设备方式的完整加热炉温度自动控制系统的研发，实现了温度自动控制、优化烧钢，提高了加热炉的自动化水平的目标，为工厂取得显著的经济效益，对今后加热炉温度自动控制的推广具有积极的意义。改造过程中暴露出的缺陷也提醒我们在今后设备选型到施工方案的制定上还要更深入了解现场，如何加深计量专业与工艺的有效结合，可能是我们做好过程控制的关键。
关键词： 加热炉；温度控制；单交叉限幅并行串级调节；PID；DCS；OPC；delphi6
在轧钢生产过程中，加热炉温度的控制起着举足轻重的作用，直接关系到产量、能源、污染、工人的劳动强度等等，如果加热炉是一座老式的推钢式加热炉，为了保证产品的质量，加热炉的加热温度应该在规定的温度范围内，不应产生过热或过烧，使烧损率被控制在最低限度；坯料的加热温度从整个断面看要均匀一致；钢坯在加热过程中可能的氧化烧损应最小。因此，控制系统的主要任务是需要对加热炉的燃烧制度、炉膛压力进行自动控制；为安全生产需要对水循环冷却装置进行自动控制；一些状态量的显示和超限报警。
1 JX-300XP控制系统
国产DCS控制系统的控制点数都在3000点以上，投入运行后，系统稳定、可靠，并达到了预期的控制目标。从使用角度看：该控制系统操作灵活、方便快捷，完全满足加热炉生产工艺的控制功能需求。在编程和操作画面组态上简单方便，全中文说明资料手册也及易被开发和生产操作人员掌握。从维护角度看：该系统具有很强的系统故障诊断功能，硬件结构清晰，易于维护，故障率低，可靠性高。备品备件货源充足，且价格低廉，供货周期短等特点。从降本增效和长远发展的角度看：该控制系统为DCS控制系统，在实施控制方案上具有很强的数据处理能力和各种运算功能码库，JX-300XPDCS控制站能完成I/O处理、数据采集、模拟量控制和顺序控制。包括温度、压力、流量、液位的检测、监视、PID调节和各种复杂调节，各种阀门的开关，各种泵的启停等顺序控制，各种设备运行状态的监视及联锁保护等。
同时，控制站还可完成一些更复杂、更特殊的控制功能。提供的SCX高级语言、功能块图（FBD）、梯形图（LD）、顺控图（SFC）能实现各种复杂的先进控制策略。为解决难度较大的加热炉控制方案提供了便捷的實施手段。
2 系统供电的设计
整个工程项目系统供电设计三路：DCS系统要求两路独立的电源供电：一路来自隔离变压器稳压电源，第二路来自UPS电源；第三路亦来自隔离变压器稳压电源，主要提供电气设备I/O状态检测信号的电源要求。电压范围在220VAC±10%；频率范围50±1Hz；分设备供电设计采用空开进行分配，保证工程项目设备供电的可靠性、稳定性。
3 单交叉限幅并行串级调节温度控制
加热炉在燃烧过程中，热损失和空气过剩系数有着密切的关系。空气量不足，产生黑烟，浪费能源，热效率降低，并且污染环境；空气过剩，不仅会带走大量热能，浪费燃料，同时，过量的空气还会加剧被加热钢坯的氧化烧损，降低成频率。因此在负荷变动时，充分利用燃料，最大限度地提高热效率，是加热炉燃烧控制的关键。
加热炉燃烧自动控制，实质是利用偏差（设定值与实测值之差）实现炉温、煤气流量、空气流量的自动调节。为了使燃烧过程中空燃比保持在最佳燃烧区内，在经典控制理论的基础上曾经发展了多种控制方案，如并行串级比值调节法，单交叉限幅并行串级调节法，双交叉限幅并行串级调节法。在总结过去控制经验的基础上，吸收和采用已经成功应用的先进策略和方案的经验，采用的控制方案为单交叉限幅并行串级调节。
加热炉燃烧工作中，在稳定情况下，炉温被控制在给定值。当出现扰动，温度测量值低于给定值时，温度调节器的输出开始增大，通过高选器选择最大值A输出，乘上空燃比，使空气流量调节器的给定值增大，在调节器的作用下，空气流量就先开始增大，同时，在低选器的作用下选择C输出，空气流量信号就变为相对煤气流量的给定值，随着空气流量的增大，也即增大了煤气给定值，在煤气调节器的作用下，使煤气流量随着空气流量增大之后增大，直到三量均衡，测量值回到给定值。而当温度测量值高于给定值时，温度调节器的输出开始减小，通过低选器选择最小值A输出，作为煤气流量调节器的给定值，在调节器的作用下，煤气流量就先开始减小，同时，在高选器的作用下选择最大值B输出，煤气流量信号就变为相对空气流量的给定值，随着煤气流量的减小，也即减小了空气给定值，在空气调节器的作用下，使空气流量随着煤气流量减小后减小，直到三量均衡，测量值回到给定值。
由于燃烧控制的复杂性，鉴于目前加热炉操作及工艺运行的现状，燃烧控制目标应该分阶段进行实现。其原则是在生产初期首先能安全、稳定地手操控制住，并观察大修后炉膛各参数的变化，为自动控制提供依据，其次再进行控制参数优化，控制手段细化及扩大控制范围。在系统实际设计中，考虑到系统的安全与可靠性，既可以手动控制所示，又可以串级自动控制，手动与自动可无扰切换。且空气与煤气可进行单回路自动调节。
PID参数整定在加热炉控制回路中大量应用，包括五个加热段的温度调节器、空气调节器、煤气调节器的PID参数。工程中PID参数整定的方法主要包括；反应曲线法、临界比例度法和衰减曲线法；结合现场我们发现临界比例度法是比较适合的，整定中完全符合控制要求。在系统实际设计中，结合单回路控制画面与趋势画面进行整定，并在程序中加以改进，使调节器的输出有渐变的斜坡特性，即输出的改变变得比较平缓。
4 自动控制的实施
由于燃烧控制的复杂性，鉴于目前加热炉操作及工艺运行的现状，燃烧控制进行控制目标分阶段实现。其原则是首先能安全、稳定地手操控制住，其次再进行控制参数优化，控制手段细化及扩大控制范围（指升降负荷）。
在煤气热值和压力较为稳定的情况下，保证各加热段温度及炉尾温度平稳、炉膛压力控制在要求的范围内，保证燃烧工况稳定；在炉温，炉膛压力，炉尾温度控制平稳的基础上，正常烧钢状况下，可进行按钢种温度投自动，在自动状况下升温与降温时应逐步进行，偏差过大将使系统不稳定。空燃比的修定应结合煤气的热值，本系统中引入的热值为上游煤气混合站经延时计算得来的热值和新线热值，实际中这两种热值都不能达到精度要求，空燃比的设定需要操作工的经验来修正。
5 加热炉网络配置
为实现两个加热炉数据的实时传送，采用了浙大中控的OPC技术。设置了一个工程师站和一个操作员站，目前是将两个加热炉程序合并在一起，放在工程师站里，工程师站作为服务器和1#炉的监控，操作员站作为1#炉的监控。这样两个加热炉的实时数据就可以通过服务器OPC取数，经网络传到另一台计算机上，在远端的另一台计算机，运用delphi6在OPC客户端对实时数据进行采集，生成实时曲线。整合后的两个加热炉加热炉网络如图1。
系统采用OPC技术，能够在数据源与客户端之间进行实时数据的传输通讯。OPC服务器与OPC客户端可装在同一电脑上，也可分别装在不同的电脑上如果网络通讯不畅，可将OPC服务器与OPC客户端装在同一电脑上，启动OPC服务器，再启动OPC客户端，在OPC客户端界面上，设置所取参数的位号，会自动生成一个文本文挡，存放OPC客户端取出的实时数据可以通过编程实现记录曲线的记录与打印。通过Delphi编程，实现把OPCDate中的数据一分钟取出一次，并将其存储在Access数据库中，再在打印程序中将其打出。
通过对基于国产控制设备方式的完整加热炉温度自动控制系统的研发，实现了温度自动控制、优化烧钢，提高了加热炉的自动化水平的目标，为工厂取得显著的经济效益，对今后加热炉温度自动控制的推广具有积极的意义。改造过程中暴露出的缺陷也提醒我们在今后设备选型到施工方案的制定上还要更深入了解现场，如何加深计量专业与工艺的有效结合，可能是我们做好过程控制的关键。