辊底式热处理炉的高精度高可靠炉温控制系统和方法
【专利摘要】本发明公开一种辊底式热处理炉的高精度高可靠炉温控制系统及其方法。炉温控制系统包括11个燃烧控制区构成的炉膛、PLC下位机和工控上位机，炉膛的各燃烧控制区按需配置16或8只烧嘴、4支热电偶。热电偶基于“二乘二取二”祘法、上传经中位均值滤波处理的温度测量值，具有可维护、高可靠的优点；烧嘴的燃/空流量控制中，设计增设快速响应补偿环节的双交叉限幅法，不仅消除了缺/过氧燃烧，而且提升了双交叉限幅法的动态响应指标；立足热处理工艺，炉膛温度控制应用分区控制策略：第1～4、5～11燃烧控制区的炉膛温度分别采用PID和预测控制，兼顾控制计祘量的基础上提高了温控精度；炉膛温度控制与燃/空气流量控制则构成一种特殊的串级控制。
【专利说明】辊底式热处理炉的高精度高可靠炉温控制系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明属辊底式热处理炉的炉温控制技术范畴，尤其是指辊底式热处理炉的高精 度高可靠炉温控制系统及其方法。
【背景技术】
[0002] 2013年我国生产粗钢77904万吨，首超全球钢产量的一半；同时一个不争的、令人 尴尬的事实是全行业陷入产能过剩、效益下降的窘境。淘汰落后的过剩产能，面向市场优化 行业结构、调整生产布局，增加产品的技术含量和附加值是钢铁行业摆脱困境的唯一出路。 热处理能改善金属材料的组织结构、改进材料的理化指标，使零部件质量和寿命大大提高； 热处理炉则是热处理工艺的必要设备。辊底式热处理炉在三大主流热处理炉中占有一席之 地，经其处理的钢材不仅性能优良，而且具有能耗低产量高、易于实现机械化和自动化的优 势。
[0003] 辊底式热处理炉借助变频传动【技术领域】的成果、以及耐火高铝纤维或高铝质耐火 浇注新材料的问世、特别是脉冲燃烧调控供热量技术的突破，長期阻碍其发展的物料输送 可控问题、热处理炉寿命问题、调节燃烧按需供热的技术难题，均得到解决或相当程度的缓 解。另一方面，辊底式热处理炉的炉温控制系统在精度和可靠性上的缺陷却日渐凸现、亟待 解决；本发明围绕辊底式热处理炉的炉温控制展开。
[0004] 首先，辊底式热处理炉的温度测量精度和可靠性差強人意、有待提高。目前，广泛 使用K型热电偶温度传感器；在辊底式热处理炉的恶劣工况下，热电偶故障率偏高、精度偏 低，导致炉温控制系统的性能下降。立足现有的热电偶温度传感器，从热电偶温度传感器的 组成结构、以及传感器的数据处理两方面切入，有望消除困扰业界多年的难题。
[0005] 其次，辊底式热处理炉负荷变化时，理论上燃气和空气需作同步改变，且两者间还 需维系空气过剩系数μ于1. 02?1. 10 ;鉴于空气流量的动态响应远较燃气流量的动态响 应慢，一旦辊底式热处理炉出现大幅度的热负荷变化、比值控制下的燃气和空气流量改变 会出现不同步、即热负荷过渡过程中将难以维系空气过剩系数μ于1. 02?1. 10 ;从阻止 缺氧燃烧（环保）或过氧燃烧（节能）的视角考量，业内通行的举措是引入"双交叉限幅 法"。阻止缺/过氧燃烧，双交叉限幅法的有效性得到了工程实践的有力支持，但双交叉限 幅法在动态响应方面的缺陷却广受诟病、亟待改进。
[0006] 第三，辊底式热处理炉的炉温是典型的非线性、大滞后对象；传统的PID，以及 FuZZy_PID的控制效果欠佳，探寻更有效的控制赫法己列入议事日程。
[0007] 本发明旨在弥补辊底式热处理炉炉温控制系统的不足。目前，较有代表性的知识 产权成果综述如下：
[0008] ?发明专利"热处理炉温模糊控制系统"（申请号201110361174. 7)，提出由热电偶 测量热处理炉内每个加热段的炉温，并通过控制器的模糊控制模块处理后调节相对应的燃 气控制阀控制燃气喷入量，从而精确控制并及时调整热处理炉的炉温。
[0009] ?发明专利"一种多功能连续热处理炉及热处理方法"（专利号 ZL201110443767. 8)，热处理炉包括均热炉段、多个二次风高速调温烧嘴、加热炉段、多个高 速烧嘴、助燃空气管道、煤气管道；均热炉段采用二次风高速调温烧嘴进行供热，加热炉段 采用高速烧嘴进行供热。热处理方法具有操作简便、炉温均匀性好等特点。
[0010] ?发明专利"一种热处理炉脉冲燃烧的温度控制方法"（ZL 200910272332. 4)，提出 热处理炉脉冲燃烧的温度控制方法：①当加热区域的温控段没有钢坯进入的时候，用模糊 自适应PID脉冲调节进行温度控制；②根据热处理炉物料跟踪信息获知有钢坯进入加热区 域的时候，切断模糊自适应PID脉冲调节控制，进行热能平衡控制；③根据热处理炉物料跟 踪信息获知钢坯离开的时候，再切换到模糊自适应PID脉冲调节进行温控，恒定此温控段 温度；④在均热区域始终采取常规PID脉冲调节进行温度控制。
[0011] 上述有益探索，提出了采用模糊控制调节炉温；二次风高速调温烧嘴对均热炉段 供热，高速烧嘴对加热炉段供热的炉温控制策略；有/无钢坯分别按热能平衡/模糊自适应 PID脉冲调节控制炉温。研究成果有一定的参考价值，但探索成果仍存在局限；因此，有必 要在现有研究成果的基础上作深入的研究与创新，立足辊底式热处理炉、探寻提高炉温控 制精度和可靠性的新技术和方法。
【发明内容】
[0012] 本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种辊底式热处理炉的高精度高可靠 炉温控制系统及其方法。
[0013] 辊底式热处理炉的高精度高可靠炉温控制系统，包括PLC下位机、工控上位机，以 及11个燃烧控制区构成的炉膛；
[0014] 第1燃烧控制区配置16只一组的烧嘴、炉膛的左右侧各8只均勻排列，配置4支热 电偶：第一热电偶与第二热电偶封装在1个保护套内、安装在第1燃烧控制区中部的左侧， 第三热电偶与第四热电偶封装在另1个保护套内、安装在第1燃烧控制区中部的右侧，第1 燃烧控制区的热电偶对应第1燃烧控制区的烧嘴，第1燃烧控制区设定的工艺温度区间为 680±30°C ;第2燃烧控制区与第1燃烧控制区类同，第2燃烧控制区设定的工艺温度区间 为780±10°C，配置4支热电偶：第五热电偶、第六热电偶、第七热电偶和第八热电偶，且与 第2燃烧控制区的16只烧嘴对应；第3?11燃烧控制区的每区配置8只一组的烧嘴、炉 膛的左右侧各4只均勻排列，配置4支热电偶，热电偶的安装方式与第1燃烧控制区类同， 第3燃烧控制区设定的工艺温度区间为820±5°C、第4燃烧控制区设定的工艺温度区间为 835±2°C、第5?11燃烧控制区设定的工艺温度区间为835±1°C ;所有热电偶附设断线检 测报警单元；燃气管上布置燃气流量计和燃气调节阀、与布置空气流量计和空气调节阀的 空气管汇合，进入燃气和空气的混合气管，燃气和空气的混合气管对应11个燃烧控制区引 出11条燃气和空气的混合气支管，每组烧嘴的进气口均经烧嘴控制阀接入对应的燃气和 空气的混合气支管；
[0015] 辊底式热处理炉的控制系统采用PLC下位机和工控上位机的分层架构；热电偶的 输出信号接入PLC的模拟量输入模块SM331-7KF02, PLC的开关量输出模块SM322-1BL00 与烧嘴控制阀的控制端相连；燃/空气流量计的输出信号接入PLC的模拟量输入模块 SM331-7KF02, PLC的模拟量输出模块SM332-5HF00与燃气调节阀的控制端、空气调节阀的 控制端相连。
[0016] 辊底式热处理炉的高精度高可靠炉温控制方法是：每个燃烧控制区的热电偶基于 "二乘二取二"赫法、上传经中位均值滤波处理的温度测量值；辊底式热处理炉热负荷小范 围变化时、燃气流量和空气流量执行比值控制，辊底式热处理炉出现大幅度热负荷变化时、 燃气流量和空气流量实施增设快速响应补偿环节的双交叉限幅法控制；第1、2、3和4燃烧 控制区的炉膛温度调节器采用PID控制赫法，第5?11燃烧控制区的炉膛温度调节器采用 预测控制赫法；炉温控制与燃/空气流量控制则构成一种特殊的串级控制，即11个燃烧控 制区的炉温控制和燃/空气管上的燃/空气流量控制构成的串级控制、而燃/空气流量之 间则采用增设快速响应补偿环节的双交叉限幅法控制。
[0017] 所述的热电偶基于"二乘二取二"赫法、上传经中位均值滤波处理的温度测量值包 括：11个燃烧控制区温度测量值处理方法相同，以第1燃烧控制区的4支热电偶为例；
[0018] 温度测量流程：
[0019] 0.根椐热电偶和热处理炉工艺的技术参数，给出热电偶温度测量偏差的上限值 ESP，热电偶测量/备用状态变量赋值checklOO = 110
[0020] 1)测量状态的热电偶采样
[0021] 1-1. checklOO = 110注：第一、二热电偶/第三、四热电偶测量/备用
[0022] 第一热电偶与第二热电偶采样4次
[0023] 上传至下位机PLC
[0024] 1-2. checklOO = 120注：第三、四热电偶/第一、二热电偶测量/备用
[0025] 第三热电偶与第四热电偶采样4次
[0026] 上传至下位机PLC
[0027] 2)热电偶温度数据的中位均值滤波
[0028] 2-1. checklOO = 110
[0029] 第1燃烧控制区第一热电偶温度数据的中位均值滤波，即
【权利要求】
1. 一种辊底式热处理炉的高精度高可靠炉温控制系统，其特征在于包括PLC下位机 (310)、工控上位机（300)，以及11个燃烧控制区构成的炉膛； 第1燃烧控制区配置16只一组的烧嘴、炉膛的左右侧各8只均勻排列，配置4支热电 偶：第一热电偶（111)与第二热电偶（112)封装在1个保护套内、安装在第1燃烧控制区 中部的左侧，第三热电偶（121)与第四热电偶（122)封装在另1个保护套内、安装在第1燃 烧控制区中部的右侧，第1燃烧控制区的热电偶对应第1燃烧控制区的烧嘴，第1燃烧控制 区设定的工艺温度区间为680±30°C ;第2燃烧控制区与第1燃烧控制区类同，第2燃烧控 制区设定的工艺温度区间为780±10°C，配置4支热电偶：第五热电偶（211)、第六热电偶 (212)、第七热电偶（221)和第八热电偶（222)，且与第2燃烧控制区的16只烧嘴对应；第 3?11燃烧控制区的每区配置8只一组的烧嘴、炉膛的左右侧各4只均勻排列，配置4支 热电偶，热电偶的安装方式与第1燃烧控制区类同，第3燃烧控制区设定的工艺温度区间为 820±5°C、第4燃烧控制区设定的工艺温度区间为835±2°C、第5?11燃烧控制区设定的 工艺温度区间为835±1°C ;所有热电偶附设断线检测报警单元；燃气管上布置燃气流量计 和燃气调节阀、与布置空气流量计和空气调节阀的空气管汇合，进入燃气和空气的混合气 管，燃气和空气的混合气管对应11个燃烧控制区引出11条燃气和空气的混合气支管，每组 烧嘴的进气口均经烧嘴控制阀接入对应的燃气和空气的混合气支管； 辊底式热处理炉的控制系统采用PLC下位机（310)和工控上位机（300)的分层架 构；热电偶的输出信号接入PLC的模拟量输入模块SM331-7KF02, PLC的开关量输出模块 SM322-1BL00与烧嘴控制阀的控制端相连；燃/空气流量计的输出信号接入PLC的模拟量 输入模块SM331-7KF02, PLC的模拟量输出模块SM332-5HF00与燃气调节阀的控制端、空气 调节阀的控制端相连。
2. -种使用如权利要求1所述系统的辊底式热处理炉的高精度高可靠炉温控制方法， 其特征在于每个燃烧控制区的热电偶基于"二乘二取二"赫法、上传经中位均值滤波处理的 温度测量值；辊底式热处理炉热负荷小范围变化时、燃气流量和空气流量执行比值控制，辊 底式热处理炉出现大幅度热负荷变化时、燃气流量和空气流量实施增设快速响应补偿环节 的双交叉限幅法控制；第1、2、3和4燃烧控制区的炉膛温度调节器采用PID控制赫法，第 5?11燃烧控制区的炉膛温度调节器采用预测控制赫法；炉温控制与燃/空气流量控制则 构成一种特殊的串级控制，即11个燃烧控制区的炉温控制和燃/空气管上的燃/空气流量 控制构成的串级控制、而燃/空气流量之间则采用增设快速响应补偿环节的双交叉限幅法 控制。
3. 如权利要求2所述的一种辊底式热处理炉的高精度高可靠炉温控制方法，其特征在 于所述的热电偶基于"二乘二取二"赫法、上传经中位均值滤波处理的温度测量值包括：11 个燃烧控制区温度测量值处理方法相同，以第1燃烧控制区的4支热电偶为例； 温度测量流程： 〇.根椐热电偶和热处理炉工艺的技术参数，给出热电偶温度测量偏差的上限值ESP， 热电偶测量/备用状态变量赋值checklOO = 110 1)测量状态的热电偶采样 I-LchecklOO = 110注：第一、二热电偶（111)与（112)/第三、四热电偶（121)与 (122)测量/备用 第一热电偶（111)与第二热电偶（112)采样4次 上传至下位机PLC (310) 1- 2. checklOO = 120注：第三、四热电偶（121)与（122)/第一、二热电偶（111)与 (112)测量/备用 第三热电偶（121)与第四热电偶（122)采样4次 上传至下位机PLC (310) 2) 热电偶温度数据的中位均值滤波 2- 1. checklOO = 110 第1燃烧控制区第一热电偶（111)温度数据的中位均值滤波，即
第1燃烧控制区第二热电偶（112)温度数据中位均值滤波得D112Wage DllO = (DlllAverage+D112Average)/2 2- 2. checklOO = 120 第1燃烧控制区第三热电偶（121)温度数据的中位均值滤波，即
第1燃烧控制区第四热电偶（122)温度数据中位均值滤波得D122Av_ge D120 = (D121Average+D122Average)/2 3) "二乘二取二"赫法处理 3- 1. checklOO = 110 3-1-1. I DllIAverage-Dl12Average|<ESP D100 = DllO 返回"1" 3-1-2. I Dl IlAverage-Dl 12Average I ^ESP 注：第一、二热电偶（111)或（112)故障 checklOO = 120、故障报警 注：第三、四热电偶（121)或（122)投运 返回"1" 3-2. checklOO = 120 3-2-1. ID121Average-D122Average|<ESP D100 = D120 返回"1" 3-2-2. I D121Average-D122Average I ^ESP 注：第三、四热电偶（121)或（122)故障 checklOO = 110、故障报警 注：第一、二热电偶（111)或（112)投运 返回"1" 第2?11燃烧控制区热电偶"二乘二取二"赫法的温度测量流程与第1燃烧控制区的 热电偶类同；热电偶为K型，量程：0?1300°C ; 温度测量方法： 第1燃烧控制区的第一热电偶（111)、第二热电偶（112)和第1燃烧控制区的第三热电 偶（121)、第四热电偶（122)互为备份，由热电偶测量/备用状态变量checklOO控制切換： checklOO = 110、第1燃烧控制区的第一热电偶（111)与第二热电偶（112)为测量状态、而 第三热电偶（121)与第四热电偶（122)备份，checklOO = 120、第1燃烧控制区的第三热电 偶（121)与第四热电偶（122)为测量状态、而第一热电偶（111)与第二热电偶（112)备份； checklOO = 110,第1燃烧控制区的第一热电偶（111)、第二热电偶（112)测量温度、温度数 据中位均值滤波、二乘二取二表决，若两支热电偶的测量数据偏差〈ESP、输出测量的温度， 反之checklOO = 120、第1燃烧控制区的第三热电偶（121)、第四热电偶（122)转为测量状 态、故障报警更换第一热电偶（111)和第二热电偶（112) ;checkl00 = 120时与checklOO =110类同；第2?11区的"二乘二取二"温度测量方法、与第1燃烧控制区的温度测量方 法类同。
4.如权利要求2所述的一种辊底式热处理炉的高精度高可靠炉温控制方法，其特征在 于所述的增设快速响应补偿环节的双交叉限幅法包括： 增设快速响应补偿环节的双交叉限幅法控制装置由温度调节器、燃气调节器、空气调 节器、高/低选器和快速响应补偿环节组成；辊底式热处理炉热负荷小范围变化时，燃气流 量和空气流量执行比值控制，增设快速响应补偿环节的双交叉限幅法不起作用；辊底式热 处理炉出现大幅度热负荷变化时，燃气流量和空气流量实施增设快速响应补偿环节的双交 叉限幅法控制；炉膛温度控制与燃/空气流量控制构成的串级控制中，温度为主控回路，燃 气流量和空气流量为副控制回路；增设快速响应补偿环节的双交叉限幅法借助高/低选器 和快速响应补偿环节，维系燃气和空气流量大幅度变化时过渡过程中的同步、合理的空燃 t匕；现以热处理炉热负荷稳定、大幅度变化两种工况为例，论述"增设快速响应补偿环节的 双交叉限幅法"的原理： ① 设热负荷稳定，系统处于某一平衡状态，此时Af= β Gf 式中：β为系统处于某一平衡状态时所对应的空燃比曲线上的取值，Af为空气流量实 测值，Gf为燃气流量实测值； 平衡状态时下列条件成立 Af/β (I-K3) <G〇<Af/^ (I+K1) Gf^ (I-K4) <Α〇<6Γβ (I+K2) 式中Λ、Gtl为温度调节器输出的空气、燃气设定值，Kp K2、K3、K4为限幅偏置值，取值大 小决定上下限幅之间的调差宽度，取K2 = K3X1 = K4 ;在平衡状态时，高选器和低选器均不 起作用，空气调节器输入设定值As = Atl，燃气调节器输入设定值Gs = Gtl，燃气流量和空气流 量执行比值控制； ② 当辊底式热处理炉出现大幅度热负荷变化，不失一般性以热负荷大幅度增大为例展 开论述，热负荷增加、炉膛所处的热平衡状态被破坏，温度调节器输出值&、Gtl上升，通过增 加供热量使炉温符合工艺要求； 空气和燃气的设定值As、Gs上升，导致空气和燃气流量实测值Af和G f增加；因 Gf的 增加速率比Af快，会产生瞬间空燃比过低，但在交叉限幅的作用下，燃气控制回路Af/ Ml-K3) %，Gtl通过高选器，而在低选器下的作用有，Gs = Af/Ml+l) %，在高低选器的作 用下实际的燃料流量控制输入设定值gs = Af/β α+ig，从而使Gs的上升速率延缓起到抑 制Gf速率增加的作用；空气控制回路G f β (I-K4) <Gfi3 (^K2XAtl，在高低选器的作用下，实 际空气流量的设定值为As = Gf β (1+K2)，因燃料Gf的增加速率较快，等于使As的上升速率 加大，起到增加 Af增加速率的作用；燃气和空气流量大幅度变化时，双交叉限幅法维系过渡 过程中合理的空燃比是有效的，但造成了动态响应变差的负面影响；增设快速响应补偿环 节的双交叉限幅法，燃气设定值G s大幅上升时，将燃气流量限制环节的输入输出之差经过 动态补偿（llTeS/l+TtS)Te〈Tt、方向性增益和补偿量限制MID (补偿量〉补偿量上限时取上 限值一防止过度补偿）3个环节后，与空气流量限制环节的输出相加，把此信号作为空气流 量的前馈值，提高空气流量的动态响应指标； 热负荷大幅度减少，增设快速响应补偿环节的双交叉限幅法的情况类同。
5.如权利要求2所述的一种辊底式热处理炉的高精度高可靠炉温控制方法，其特征在 于所述的炉温控制与燃/空气流量控制构成一种特殊的串级控制包括： 11个燃烧控制区的炉温控制和燃/空气管上的燃/空气流量控制构成串级控制；第1、 2、3和4燃烧控制区的温度调节器基于PID控制赫法，第5?11燃烧控制区的温度调节器基 于预测控制赫法温度调节器输入对应燃烧控制区的工艺温度设定值tOi、热电偶上传的温 度测量值tsi，输出为ui，i = 1，2,... 11 ;温度调节器的输出ui -路与对应燃烧控制区的 烧嘴控制阀的控制端相连，另一路与加法器相连；加法器的输出U是燃气流量和空气流量 副控制回路的设定值，燃/空气流量则实施增设快速响应补偿环节的双交叉限幅法控制； 基于经典控制的PID赫法的温度调节器、比较设定值tOi，i = 1，"·，4,和热电偶上传 的温度测量值tsi，i = 1，"·，4、调节烧嘴控制阀的占空比ui，i = 1，"·，4,使炉膛温度按 照设定工艺曲线运行； 基于预测控制MPC赫法的温度调节器、比较设定值tOi，i = 5,…，11和热电偶上传的 温度测量值tsi，i = 5,…，11、调节烧嘴控制阀的占空比ui，i = 5,…，11，使炉膛温度按 照设定工艺曲线运行；以第5燃烧控制区的预测控制为例，论述预测控制流程： 令烧嘴控制阀输出M步控制增量为Λ u5 (k)，Λ u5 (k+Ι)，…，Λ u5 (k+m-1)，则过程对 象的P步热电偶温度预测值为t5(kkl |k)，t5(kk2|k)，···，t5(kkp|k)，当前的或者未来的烧 嘴控制阀输出m步控制增量（m〈p)则是通过计算二次目标的最小值获得的：mini (k)= ELiqiLtS (k + i|k) -t〇s (k+ 0 ]2+Σ?=ιηΔυ52 (k + j-1) min t5〈t5(k+j)〈max t5 j = I, ···, p min u5〈u5(k+j)〈max u5 j = 0,…，m_l min Δ u5< Δ u5 (k+j) <max Au5 j = 〇，…，m_l 由权系数构成的对角阵q、r分别称为误差权矩阵和控制权矩阵，用于在预测时间域 内惩罚特定变量红。5或者U5) 为将来设定值温度；虽然在滚动优化中，m步控制 增量厶1!5〇〇，厶115(1^1)，?，厶115(1^111-1)都会被计算出来，但也只有第一个控制增量会 执行；因此在滚动优化过程中，当下一个采样间隔到来时，控制域会向前移动一步，当过程 对象新的输出值被采集后，以上计算过程重复进行，新的控制增量的第一个又被执行，如此 重复，实现对过程对象的优化控制；而对象的热电偶温度预测值t(kkl |k)，t(kk2 |k)，…， t(kkp|k)则有赖于对象当前的热电偶温度实际值ts(k);如此重复的预测、优化和反馈校正 等步奏，炉膛温度将维持在设定温度的一定范围内，达到过程控制的目标。
【文档编号】C21D11/00GK104388667SQ201410609834
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月3日 优先权日:2014年11月3日
【发明者】李星, 李永泉, 黄懿明, 吴明光 申请人:浙江大学, 李永泉