藺鳳琴，周 杰，趙海山，顧仲熙，石俊龍，李立剛

（1.北京科技大學(xué)工程技術(shù)研究院，北京100083；2.北京科技大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100083；3.馬鞍山鋼鐵股份有限公司一鋼軋廠，馬鞍山243011）

隧道爐是應(yīng)用于CSP生產(chǎn)線的輥底式加熱爐，位于連鑄與軋機(jī)之間，用于對上游的鑄坯進(jìn)行加熱和均熱，使板坯具有更好的熱特性，為后續(xù)軋制及冷卻等工藝環(huán)節(jié)提供優(yōu)質(zhì)的原料。因此，隧道爐過程控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度直接影響CSP生產(chǎn)線最終產(chǎn)品的質(zhì)量。此外，為響應(yīng)國家對冶金行業(yè)節(jié)能降耗的號召，同時(shí)提升產(chǎn)品的市場競爭力，對于能耗大戶的加熱環(huán)節(jié)進(jìn)行改造升級勢在必行。

本文以某CSP廠隧道爐過程控制系統(tǒng)改造升級為依托，介紹了隧道爐過程控制系統(tǒng)的整體構(gòu)架、軟硬件配置及系統(tǒng)功能。解決了原系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性差，需要人工定期（36小時(shí)）重啟服務(wù)器以及隧道爐與其他工序通訊中斷等亟待解決的問題，同時(shí)先進(jìn)的模型算法大大提高了板坯的加熱質(zhì)量，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的預(yù)期效果，得到用戶的高度認(rèn)可。

1 改造背景

某CSP廠具有兩座直通隧道式輥底加熱爐（隧道爐）A線和B線，其過程控制系統(tǒng)已運(yùn)行十多年，服務(wù)器硬件CPU、內(nèi)存和硬盤配置均已落后，且擴(kuò)展困難。硬件故障常導(dǎo)致服務(wù)器死機(jī)，系統(tǒng)運(yùn)行極不穩(wěn)定，已無法適應(yīng)高節(jié)奏的生產(chǎn)。此外，原系統(tǒng)除具備上下游生產(chǎn)工序的通信功能外，其余功能均處于癱瘓狀態(tài)。對原系統(tǒng)進(jìn)行升級改造迫在眉睫。

此次改造僅對過程控制系統(tǒng)本身進(jìn)行升級，保留原有功能的基礎(chǔ)上根據(jù)用戶需求增加其他功能。此外，與外部系統(tǒng)（L3級、連鑄L2級、軋線L2級及隧道爐L1級）的通信方式及內(nèi)容均保持不變，即實(shí)現(xiàn)新系統(tǒng)與原系統(tǒng)的無縫切換。新增的板溫預(yù)報(bào)模型實(shí)現(xiàn)了板坯在爐內(nèi)加熱履歷的“透明化”，使操作人員據(jù)此更好地控制爐溫和傳送點(diǎn)，達(dá)到節(jié)能降耗和穩(wěn)定生產(chǎn)節(jié)奏的目的。新增的HMI系統(tǒng)為操作和技術(shù)人員提供了更豐富的可視化功能，展現(xiàn)隧道爐實(shí)時(shí)生產(chǎn)狀況的基礎(chǔ)上包含了強(qiáng)大的分析統(tǒng)計(jì)功能，大大提升了過程控制系統(tǒng)的地位和作用。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及配置

新系統(tǒng)采用2臺PC服務(wù)器，其中1臺在線，另1臺備用，運(yùn)行二級中間件、數(shù)據(jù)庫（Oracle）、HMI組件和所有應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)過程控制系統(tǒng)的所有功能。新系統(tǒng)服務(wù)器的操作系統(tǒng)均采用Windows 2012 Server（64位），為與各外部系統(tǒng)兼容，Oracle采用11g版本，HMI則顛覆傳統(tǒng)工控軟件設(shè)計(jì)，基于IIS和Web框架設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了真正意義的“瘦客戶”。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為縮短系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試周期，盡可能地減少對生產(chǎn)的影響，新系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的通信均沿用原有模式，與隧道爐L1級采用OPC協(xié)議，與其余外部系統(tǒng)采用Oracle數(shù)據(jù)庫接口表的方式。正式上線前，新系統(tǒng)采用“影子模式”與原系統(tǒng)并行，進(jìn)行物料跟蹤和數(shù)學(xué)模型的調(diào)試，保證了新系統(tǒng)一次上線成功。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)功能及實(shí)現(xiàn)

3.1 應(yīng)用模塊結(jié)構(gòu)

新系統(tǒng)基于自主知識產(chǎn)權(quán)的中間件PCDP（Process Control Development Platform，簡稱PCDP），中間件將通用的底層功能進(jìn)行封裝，屏蔽了操作系統(tǒng)的差異，大大縮短了過程控制系統(tǒng)的開發(fā)周期。此外，PCDP提供的組件支持多種協(xié)議、異構(gòu)數(shù)據(jù)庫間的數(shù)據(jù)交換，應(yīng)用范圍廣泛，經(jīng)過配置及定制能適應(yīng)各種現(xiàn)場實(shí)例。應(yīng)用模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 物料跟蹤系統(tǒng)

由圖2可見物料跟蹤系統(tǒng)（HTK）是隧道爐過程控制系統(tǒng)的調(diào)度中心，由該系統(tǒng)根據(jù)L1級上傳的板坯位置信息，來啟動(dòng)各個(gè)模塊的計(jì)算及確定數(shù)據(jù)流的走向。該系統(tǒng)的作用是從入爐側(cè)板坯坯影產(chǎn)生開始，將實(shí)際板坯位置與連鑄傳送的板坯頭尾數(shù)據(jù)、MES系統(tǒng)下發(fā)的計(jì)劃進(jìn)行一一對應(yīng)，直至板坯出爐時(shí)將數(shù)據(jù)傳送至軋線L2級結(jié)束。因此，物料跟蹤系統(tǒng)按功能可劃分為三個(gè)關(guān)鍵區(qū)域：隧道爐前擺剪處、爐內(nèi)跟蹤及板坯出爐[8]。

隧道爐前擺剪處是板坯頭尾產(chǎn)生的地方，產(chǎn)生本塊板坯的尾部及下塊板坯的頭部。此時(shí)，連鑄L2級將頭部及尾部數(shù)據(jù)發(fā)送至加熱爐L2級，L1級板坯坯影則在其后產(chǎn)生。因此，當(dāng)坯影產(chǎn)生時(shí)，板坯的數(shù)據(jù)已經(jīng)存入系統(tǒng)，物料跟蹤系統(tǒng)需要將實(shí)際坯影與板坯數(shù)據(jù)一一對應(yīng)。若由于通信故障，坯影產(chǎn)生時(shí)無數(shù)據(jù)，物料跟蹤系統(tǒng)則將板坯號默認(rèn)為L1級的序列號。操作人員通過L2級報(bào)警及HMI爐內(nèi)板坯影像即能發(fā)現(xiàn)板坯號是否異常，并及時(shí)進(jìn)行干預(yù)。

爐內(nèi)跟蹤環(huán)節(jié)基本是L1級板坯頭尾位置的映射，關(guān)鍵環(huán)節(jié)是板坯在兩線進(jìn)行擺動(dòng)時(shí)，需要統(tǒng)一板坯的位置坐標(biāo)，并保證在擺動(dòng)過程中板坯號始終不丟失。

A線隧道爐9區(qū)為保溫段也稱為出爐段，板坯在該段進(jìn)行保溫的同時(shí)則根據(jù)軋線生產(chǎn)節(jié)奏擇機(jī)出爐。板坯頭部出爐時(shí)，物料跟蹤系統(tǒng)即向軋線L2級發(fā)送本塊板坯的信息，同時(shí)更新即將出爐的板坯列表。軋線嚴(yán)格按照隧道爐傳送的出鋼列表進(jìn)行模型與設(shè)定，因此板坯出鋼信息及出鋼列表至關(guān)重要。

升級改造后的物料跟蹤系統(tǒng)解決了原系統(tǒng)板坯丟號的現(xiàn)象，并徹底解決了隧道爐L2級無法發(fā)送板坯出爐列表的隱患，產(chǎn)線的效率得到了有效地提升。

圖2 應(yīng)用模塊結(jié)構(gòu)圖

3.3 板溫預(yù)報(bào)模型系統(tǒng)

模型系統(tǒng)是隧道爐過程控制系統(tǒng)的核心，物料跟蹤系統(tǒng)則是模型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的前提。由于爐內(nèi)高溫、氣氛復(fù)雜，因此對爐內(nèi)板坯溫度無法實(shí)現(xiàn)有效地測量，除了入口和出口，爐內(nèi)就是一個(gè)“黑匣子”。操作人員基本是憑多年的燒鋼經(jīng)驗(yàn)，通過工業(yè)電視觀察火焰和板坯顏色來判斷板坯是否到達(dá)目標(biāo)溫度，造成出爐板坯實(shí)際溫度不穩(wěn)定導(dǎo)致后續(xù)軋制工藝無法穩(wěn)定，影響產(chǎn)線的生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

板溫預(yù)報(bào)模型通過實(shí)時(shí)計(jì)算預(yù)報(bào)爐內(nèi)板坯的溫度場，將其發(fā)布至HMI的同時(shí)記錄至數(shù)據(jù)庫，實(shí)際是對爐內(nèi)板坯溫度進(jìn)行了“透明化”。有助于操作人員根據(jù)板坯溫度及時(shí)調(diào)整加熱策略、傳送點(diǎn)及出鋼節(jié)奏等，提高產(chǎn)量和質(zhì)量的同時(shí)達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

板坯預(yù)報(bào)模型采用二維有限差分的算法，控制方程按公式（1）確定[1-2]：

初始條件：

邊界條件：

式中：ρ為密度，kg/m3；cp為比熱容，kJ/(kg·°C)；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·°C)；qs為板坯側(cè)面熱流密度，W/m2；ql為板坯下表面熱流密度，W/m2；qu為板坯上表面熱流密度，W/m2；其中：qu，ql可按式（7）確定：

式中：k為修正系數(shù)；Tg為爐氣溫度，K；Tm為金屬表明溫度，K；Cgwm為導(dǎo)來輻射系數(shù)，W/(m2·K4)。

根據(jù)假設(shè)，板坯側(cè)面的熱流密度用式（8）近似處理：

式中：k為系數(shù)，0＜k＜0.5。

薄板坯連鑄連軋的特點(diǎn)是板坯均比較長，若按一塊板坯即便分頭、中、尾也難以準(zhǔn)確描述整塊板坯的溫度，因此系統(tǒng)將板坯按固定長度分為各個(gè)獨(dú)立的長度單元，對每個(gè)長度單元均進(jìn)行溫度計(jì)算，直至長度方向遍歷整塊板坯。板溫預(yù)報(bào)模型的程序流程圖如圖3所示[2]。

圖3 板溫預(yù)報(bào)模型程序流程圖

4 結(jié)語

新系統(tǒng)自上線以來，徹底消除了物料跟蹤異常的問題，板溫預(yù)報(bào)模型精度不斷提高?！?5℃命中率達(dá)到99.5%以上，部分鋼種達(dá)到100%；±10℃命中率達(dá)到87%以上，部分鋼種達(dá)到97.7%。新一代CSP隧道爐過程控制系統(tǒng)升級改造的成功，為產(chǎn)線生產(chǎn)的穩(wěn)定及質(zhì)量的提高提供了有利保障，也得到了用戶的高度認(rèn)可。