1 引言
       安鋼高速線材軋鋼加熱爐是一座性能優良步進梁式加熱爐，其有效尺寸:20700×12700mm。額定加熱能力為:120t/h，最大加熱能力:140t/h。坯料規格:單排布料時:150×150×12000mm;雙排布料時:150×150×5800mm;非定尺坯料:9000-12000 mm;最大坯重量:2190kg。燃燒介質:高焦爐混合煤氣，低發熱值為7536±210kJ/m3。最大用量24812m3/h。其熱工控制系統是由Rockwell公司ProcessLogix DCS系統完成。步進爐內爐料步進及爐料進、出由西門子PLC控制。其中高速離散控制、過程控制和安全控制融合于一個Logix控制平臺上先進控制技術，使加熱爐爐溫控制精度±5℃，升降50℃僅需12min;編寫空燃比自動尋優器軟件代替熱值儀和氧氣分析儀功能，實現了燃料流量和空氣流量優化配比，使燃燒達最佳狀態。
2 系統硬件組成
       高線加熱爐使用RockwellProcessLogix DCS控制系統(編程軟件為ControlBuilder和DisplayBuilder)。本系統配置了操作站、服務器、控制站3個部分。其結構如圖1所示。

圖1 加熱爐控制系統結構圖

1) 服務器
高效利用過程參數，本系統配置了DELL服務器，系統平臺為Windows NT。配置了ProcessLogix Server 后，服務器具有了實時數據庫和功能完善功能模塊。用戶可以用ContorlBuilder 組態和優化用戶控制程序，用DisplayBulder制作HMI。同時，用戶可方便用C語言編寫自己特殊功能模塊。同時，服務器還完成打印報表任務。操作站出現特殊情況時，服務器還要兼操作站所有功能，服務器是CONTROLNET網從控制器收集數據和向控制器發送命令，乙太網向操作站傳送數據和接收命令。
(2) 操作站
操作站由研華工控機和基于Windows NT系統平臺上STATION軟件組成，總貌圖、控制圖、報警圖、過程狀態圖、過程歷史圖這些豐富人機界面，操作員可以設定、查看過程參數或狀態，察看故障報警明細。整個操作界面采用“向導式”結構，大大方便了操作員操作。
(3) 控制站
控制站采用PLX系統，用于完成對加熱爐熱工控制和過程參數檢測。該系統處理器1757PL*52A是Rockwell專用處理器，具有8MRAM，高速底板與網絡融為一體，I/O模塊可帶電插撥，并可以任意安排。該系統中，控制站共設有1個主機架和2個擴展機架，完成了整個加熱爐6段溫度控制、60多點模擬量檢測及20多個開關量輸入和輸出。系統模板采用如下:4個756 OF6CI/A模塊、9個1756 IB16D/A模塊、2個1756OW16I模塊、4個1756IF6I/A模塊、5個1756IR6I/A模塊、4個1756IT6I/A模塊。為提高本系統可靠量，所有AI、DI和DO均與現場進行了隔離，AI模板還選用了通道和通道間均有隔離雙隔離模板。確定控制規則進行編程，加熱爐工況選擇使用。將現場信號采樣﹑燃氣流量模糊控制回路﹑空氣流量模糊控制回路﹑溫度模糊控制回路編成子程序，模塊化，主程序中調用，以利于調試和控制功能組態。
(4) CONTROLNET網絡與現場儀表
該網絡屬于無源高性能多元總線，5M傳輸速度。數據傳輸采用確定性傳輸方式，大大減少了數據傳輸量，現場儀表控制閥采用耐高溫控制閥，執行機構采用氣動執行機構，壓力和差壓變送器采用FISHER 3051變送器。保證了具有苛刻時間要求加熱爐控制應用環境。
3 系統主要功能及策略
        加熱爐控制主要包括爐膛溫度控制、燃燒介質壓力控制、燃燒介質流量控制及部分設備保護控制。調整燃燒控制軟件中溫度模糊控制程序和流量模糊控制程序參數:采樣/控制周期，偏差模糊化因子，偏差變化率模糊化因子，輸出量化因子，同時對模糊控制參數表進行了初步優化。
(1) 爐溫控制
爐溫控制是加熱爐核心控制部分，其目是控制燃料—煤氣和助燃劑—熱空氣流量，使爐溫動態性能指標和靜態性能指標滿足工藝要求。
6段爐溫檢測、控制(含殘氧分析)，6段煤氣、空氣流量比例調節，6段煤氣流量/累計及空氣流量記錄。
加熱爐每段設二支熱電偶測量爐溫，經斷偶檢測器檢定后送DCS系統溫度控制器，溫度控制器設定值由操作員設定。爐子煙道內設有氧分析儀，對煙氣含氧量進行線分析，信號送DCS系統中，自動參與空燃比修正。溫度控制器送出信號雙交叉限幅控制、氧量反饋校正等環節后分別送給空氣和燃氣流量控制器，構成溫度流量串級回路，調節空氣和燃氣流量，以達到控制爐溫目。為此我們采用條件判斷語句模式，溫度誤差大小及其變化趨勢對交叉限幅模式進行優化，使流量控制器設定值準確。大大改善了溫度控制效果。
克服雙交叉限幅控制升降溫時間較慢缺點，控制中采用二自主度型前饋調節器技術以達到快速升(降)溫目。采用這些先進控制策略目是達到充分燃燒和提高加熱質量，以及作為軋機延遲時溫度控制，并確保燃燒自動控制穩定性。系統軟件上存干擾問題，曾造成多次計算機死機、畫面參數刷新緩慢等問題。優化，完全解決了存隱患，同時對空燃比自動尋優器進行了進一步優化，調整了控制表中一些具體控制參數，提高了控制精度，節約了燃料，滿足了生產要求，爐溫控制精度±5℃，升降50℃僅需12min。煤氣壓力擾動時溫度曲線見圖2。

圖2 溫度曲線(煤氣壓力擾動時)
(2) 爐壓控制
爐壓控制對保護爐膛爐壁和爐門，控制爐內合理氣氛有重要意義。爐壓控制采用單回路控制策略，它是調整煙道百葉窗開度，調節煙囪吸力，進而控制爐膛壓力。爐壓檢測點位于出料端，出料爐門開閉對爐壓測量有一定干擾，編制控制應用軟件對其進行修正是必要。
(3) 煤氣和空氣壓力控制
煤氣和空氣壓力控制采用單回路控制策略，它是煤氣總管調節閥和助燃風機進風中調節閥進行控制。
(4) 設備保護控制
加熱爐溫度高，燃料是易燃易爆高焦爐混合煤氣，采取必要保護措施是必須。本系統保護措施包括換熱器保護、冷卻水管保護及安全聯鎖控制保護。
a) 換熱器保護
換熱器保護是煙道摻冷風、放散預熱空氣進行。煙道廢氣溫度過高會燒壞換熱器。測量換熱器前廢氣溫度，當其超過報警預定值時，控制系統自動打開稀釋風機。混入稀釋冷風，達到降低煙氣溫度、保護換熱器目。稀釋風量煙氣溫度，由設稀釋風機出風口自動控制閥進行控制。預熱空氣溫度過高時，控制系統自動放散熱空氣，達到保護換熱器目。
b) 冷卻水管保護
爐內每個冷卻水回路上均配有溫度檢測開關和流量檢測開關，可對爐內每個水管進行間接監視。
c) 安全聯鎖控制
本加熱爐設有完善安全聯鎖裝置。空氣或煤氣低壓或斷電事故發生時，控制系統可報警并安全切斷煤氣供應，同時對煤氣總管和各段煤氣實行氮氣隔斷保護。
4 控制系統軟件設計
       該DCS是目前先進儀表過程控制系統，能完成自動化要求各種過程監視、回路控制、順序控制、邏輯控制、還具有運算、分析，統計、管理、專用燃燒控制算法等多種功能。DCS軟件主要包括控制組態軟件和監控組態軟件兩部分，工藝要求及設備編制加熱爐實時控制應用軟件，主要有:6個爐段燃燒控制程序，每個爐段燃燒控制程序包括:1個主程序，溫度/空氣流量/煤氣流量控制子程序各1個;每個溫度/空氣流量/煤氣流量控制子程序又各包括4個自尋優子程序;畫面包括:①運轉準備監視，②參數修改畫面，③運轉狀態與故障狀態監視，④報警畫面，⑤操作指導畫面，⑥控制流程畫面，⑦儀表回路畫面，⑧實時趨勢畫面﹑歷史趨勢畫面記錄畫面。
5 效果及結論
       該系統及現場儀表設計合理，控制策略及軟件實施科學，致使加熱爐升溫和降溫都比常規控制策略和PID算法快，一般每升降50℃大節約需要18分鐘;爐溫控制精度大大提高，一般控制±8℃范圍內。鋼坯斷面溫差10～20℃，沿長度方向上，坯兩端與坯中心溫度差為20～30℃，滿足了美國Morgan公司引進高速軋機要求。本系統不足是氧化鋯測試結果修正空燃比，效果不太理想。我們將探索和實驗沒有熱值儀情況下真正能現場運行良好尋優算法去實現空燃比線尋優。