摘要：在天津钢管有限责任公司1#管坯环形加热炉原有控制系统的基础上，利用文献[1]和[2]开发的“管坯环形加热炉数学模型”，在1#环形加热炉上实现了计算机优化加热控制。本文介绍了所开发的环形加热炉二级控制系统的硬件配置，并对管坯位置跟踪、管坯温度实时计算、炉温优化设定、待轧处理等功能模块在二级控制系统的在线应用进行了描述，最后对模型计算管坯表面温度和实测管坯表面温度进行了对比分析。
O 引言
环形加热炉是无缝钢管热轧生产线上的重要热工设备，其加热质量直接影响钢管的质量，其能耗和氧化烧损直接影响钢管的成本，其设备状况和操作水平直接影响钢管的产量[3-4] 。因此，保证环形加热炉的最优生产状况是无缝钢管生产的关键。环形加热炉作为一种特殊的连续加热炉，具有步进式加热炉的很多特点，而且环形加热炉能够满足多种加热制度的要求，使之更能适应现代化生产的需要[5]。在自动控制方面，少数发达国家早在20世纪8O年代中期就已经开始开发以数学模型为基础的优化控制策略，我国在这方面的研究虽然起步较晚，但发展较快，近几年已有多篇关于环形加热炉离线数学模型及以数学模型作为在线监控的报道，而完全以数学模型为基础实现其在线优化加热控制的报道尚不多见。
天津钢管有限责任公司使用的1#环形加热炉主要用于管坯穿孔前加热，环形炉中径48 m，内宽5.2 m，全炉共分9个控制段，一级控制系统采用西门子$7-400控制系统，在原有的控制系统中无二级系统。为了进一步提高钢管的产量和质量、降低生产成本，必须进一步提高环形加热炉的控制水平。因此，利用文献[1]和[2]提供的环形加热炉数学模型，在实现基础燃烧控制的环形加热炉上开发了一套“基于环形加热炉数学模型的管坯优化加热控制系统”，并于2006年11月在天津钢管有限责任公司1#环形加热炉上成功应用。从投运效果来看，实现了预期的攻关目标，取得了良好的控制效果。
1 硬件配置
环形加热炉控制系统设计了三种不同的功能级：即零级系统、一级和二级系统，其中零级系统包括现场装置和仪表等，一级系统包括环形加热炉使用的电气和仪表控制系统。环形炉二级控制系统是应用在零级系统、一级系统之上的。整个环形炉控制系统配置如图1所示。
2 主要功能及实现
环形加热炉计算机优化控制系统的控制目标可表述为：在满足轧机产量的情况下，使钢坯出炉温度最接近目标值，钢坯截面温差最小，减少操作人员或降低劳动强度，加热炉设备得以保护而且可以达到环保要求的指标。其主要功能包括管坯位置跟踪、管坯温度跟踪、炉温优化设定及动态优化、环形炉待轧过程优化控制等。
2.1 管坯位置跟踪
加热炉内钢坯位置跟踪范围从钢坯装入加热炉开始，到出加热炉为止，管坯炉内位置在线实时跟踪是环形加热炉优化加热控制的基础。加热炉二级过程控制计算机根据来自基础自动化的各钢坯装料的装入行程和步进梁每周期的移动量等信号，实时跟踪加热炉内各钢坯在加热炉的位置，同时在数据库中存储每根管坯的位置信息，并在界面显示所有钢坯的真实位置。环形加热炉二级控制系统炉内管坯位置跟踪界面见图2。用鼠标左键点击任何一根管坯，与这根管坯相对应的属性就动态显示在右侧属性栏中，包括：炉号、批号、钢种、长度、直径、炉内位置、上部点温度、中心点温度、下部点温度、表面平均温度、温差等参数。同时，环形炉二级控制系统还具有管坯位置修正功能，鼠标右键点击任何一根管坯，会出现管坯参数修改界面，可对该管坯进行人炉时参数的修改。
2.2 管坯温度跟踪
管坯温度跟踪主要功能是根据在线监测的各段炉温、煤气流量、空气流量以及物料跟踪信息，由管坯加热过程在线控制数学模型，以适当的频率计算出炉内所有管坯在计算时刻的温度分布。管坯加热过程在线控制数学模型以位置跟踪为基础，通过读取当前位置的炉温，由总括热吸收率法计算出管坯的外部热流，然后由交替隐式格式的TDMA(三对角方程追赶法数值求解技术)数值计算方法计算出管坯内部的温度分布，从而实现全炉管坯温度的在线跟踪计算，为炉温优化设定提供坚实的理论依据。加热过程在线控制数学模型计算框图如图3所示。
环形加热炉二级控制系统炉内管坯温度在线跟踪界面见图4。温度跟踪界面上棒形图的高度与炉内管坯的温度对应，界面上横轴的位置即代表管坯离开装料口的距离。用鼠标点击任何一根管坯的棒形图，这根管坯对应的属性就会动态显示在右侧属性栏中，包括：炉号、批号、钢种、长度、直径、炉内位置、上部点温度、中心点温度、下部点温度、表面平均温度、温差等信息。
2.3 炉温优化设定及动态优化
加热炉二级控制系统按照预先设定的时间，根据当前在不同炉区内的管坯参数(如管坯的尺寸、钢种、管坯的当前温度等)搜索管坯加热优化炉温数据库(数据库为离线仿真软件计算得到)， 从数据库中找到相应的优化结果后，根据管坯的预测温度值对其进行修正，修正以环形加热炉各段烧嘴分布及模型计算为依据，各段具体修正幅度见表1。表1中：第1段和第2段为预热段，基本不做修正;第3～第6段为加热段，表中的修正值为模型预测出炉温度每出现10℃偏差，各段增加或减少的温度，其中第5段为主力加热段，调节幅度较大;第7～第9段为均热段，表中的修正值为模型预测出炉最大温差每出现10℃偏差，各段增加或减少的温度。
最后将修正好的加热制度发送给环形加热炉基础燃烧控制系统并在炉温优化设定界面显示。系统针对一些特殊钢种(如该厂自行研制的含硒元素较多的钢种)设置了自动和手动两种工作状态，如果处于自动状态，环形加热炉的炉温设定值将采用二级控制系统优化的炉温设定值;如果处于手动状态，则对炉温进行人工设定，设定时以二级控制系统优化的炉温设定值作为参考，人工设定好以后可将设定好的加热制度保存到数据库内，作为炉温数据库的基础。
2.4 环形炉待轧过程优化控制
加热炉是轧钢工序中重要的组成部分之一，在实际生产过程中，加热炉生产受到许多动态因素(产品规格、产量、待轧等)的影响，因此待轧在实际生产过程中不可避免。二级控制系统会根据输人的待轧时间，搜索相关炉段所对应管坯的待轧保温温度数据库，把各段保温温度显示在界面上，操作人员也可以在此基础上调整各段保温温度。系统会分别计算各段升温所需时问，为保证在待轧结束时各段都恢复到待轧前的炉温制度，升温时刻采用各段中最早的升温时刻，同时把待轧开始时刻、待轧时间、待轧升温时刻显示在界面上，给操作人员以提示。
3 运行效果及分析
天津钢管公司环形加热炉二级控制系统自2007年11月投入运行以来，为了检验环形加热炉在线控制系统数学模型的准确性和可靠性，在实际生产中，针对产量较大的管线管、气瓶管和套管，将数学模型模型计算的管坯表面温度和实测值进行对比验证。实测值为出料口红外辐射高温计测量值，验证时在整炉管坯每隔1O根管坯选取1根(全炉340根中共选取34根)，出炉时进行摔钢以使其氧化铁皮脱落，然后用红外高温计进行近距离测量管坯温度，同时与在线数学模型的计算值进行对比，其验证结果如图5所示。图中连续曲线为不同种类管坯的工艺目标温度，空心离散点为数学模型计算的管坯表面温度，实心离散点为红外辐射高温计测量的管坯表面温度。从图中可以看出，数学模型计算值与实际测量值吻合很好，其最大绝对误差为l0 ℃，最大相对误差仅为0.8% 。由此可见，基于数学模型的环形加热炉计算机控制系统炉温优化设定值满足加热工艺要求，模型计算的管坯温度与实测的管坯温度也满足实际生产的要求。
在完善的数学模型基础上，经过持续不断的功能开发，控制系统很好地完成了管坯位置跟踪、模型计算管坯温度、炉温优化设定、待轧处理等功能，目前已成为环形加热炉生产设备中必不可少的一部分，实时性大为提高，取得了显著成果。
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