CN104388667B - 辊底式热处理炉的高精度高可靠炉温控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

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

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。

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，长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。

首先，辊底式热处理炉的温度测量精度和可靠性差强人意、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。

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。

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，探寻更有效的控制算法己列入议事日程。

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：

·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。

·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。

·发明专利“一种热处理炉脉冲燃烧的温度控制方法”(ZL200910272332.4)，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。

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

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。

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；

第1燃烧控制区配置16只一组的烧嘴、炉膛的左右侧各8只均匀排列，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℃；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℃，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只均匀排列，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℃、第4燃烧控制区设定的工艺温度区间为835±2℃、第5～11燃烧控制区设定的工艺温度区间为835±1℃；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。

辊底式热处理炉的高精度高可靠炉温控制方法是：毎个燃烧控制区的热电偶基于“二乘二取二”算法、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控制算法，第5～11燃烧控制区的炉膛温度调节器采用预测控制算法；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。

所述的热电偶基于“二乘二取二”算法、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：

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check100＝110

1)测量状态的热电偶采样

1-1.check100＝110注：第一、二热电偶/第三、四热电偶测量/备用

第一热电偶与第二热电偶采样4次

上传至下位机PLC

1-2.check100＝120注：第三、四热电偶/第一、二热电偶测量/备用

第三热电偶与第四热电偶采样4次

上传至下位机PLC

2)热电偶温度数据的中位均值滤波

2-1.check100＝110

第1燃烧控制区第一热电偶温度数据的中位均值滤波，即

${D111}_{\mathrm{Average}}=\begin{array}{c}\left\{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}D111\right[i]-\min \left(D111\right[1],D111[2],D111[3],D111[4\left]\right)\\ -\max \left(D111\right[1],D111[2],D111[3],D111[4\left]\right)\}/2\end{array}$

第1燃烧控制区第二热电偶温度数据中位均值滤波得D112_Average

D110＝(D111_Average+D112_Average)/2

2-2.check100＝120

第1燃烧控制区第三热电偶温度数据的中位均值滤波，即

${D121}_{\mathrm{Average}}=\left\{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}D121\right[i]-\min \left(D121\right[1],D121[2],D121[3],D121[4\left]\right)$

$-\max \left(D121\right[1],D121[2],D121[3],D121[4\left]\right)\}/2$

第1燃烧控制区第四热电偶温度数据中位均值滤波得D122_Average

D120＝(D121_Average+D122_Average)/2

3)“二乘二取二”算法处理

3-1.check100＝110

3-1-1.|D111Average-D112Average|<ESP

D100＝D110

返回“1”

3-1-2.|D111Average-D112Average|≥ESP

注：第一或第二热电偶故障

check100＝120、故障报警

注：第三或第四热电偶投运

返回“1”

3-2.check100＝120

3-2-1.|D121Average-D122Average|<ESP

D100＝D120

返回“1”

3-2-2.|D121Average-D122Average|≥ESP

注：第三或第四热电偶故障

check100＝110、故障报警

注：第一或第二热电偶投运

返回“1”

第2～11燃烧控制区热电偶“二乘二取二”算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℃；

温度测量方法：

第1燃烧控制区的第一热电偶、第二热电偶和第1燃烧控制区的第三热电偶、第四热电偶互为备份，由热电偶测量/备用状态变量check100控制切换：check100＝110、第1燃烧控制区的第一热电偶与第二热电偶为测量状态、而第三热电偶与第四热电偶备份，check100＝120、第1燃烧控制区的第三热电偶与第四热电偶为测量状态、而第一热电偶与第二热电偶备份；check100＝110，第1燃烧控制区的第一热电偶、第二热电偶测量温度、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check100＝120、第1燃烧控制区的第三热电偶、第四热电偶转为测量状态、故障报警更换第一热电偶和第二热电偶；check100＝120时与check100＝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。

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、合理的空燃比；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A_f＝βG_f

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，A_f为空气流量实测值，G_f为燃气流量实测值；

平衡状态时下列条件成立

A_f/β(1-K₃)<G₀<A_f/β(1+K₁)

G_fβ(1-K₄)<A₀<G_fβ(1+K₂)

式中：A₀、G₀为温度调节器输出的空气、燃气设定值，K₁、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＝K₃>K₁＝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A_S＝A₀，燃气调节器输入设定值G_S＝G₀，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A₀、G₀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A_S、G_S上升，导致空气和燃气流量实测值A_f和G_f增加；因G_f的增加速率比A_f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A_f/β(1-K₃)<G₀，G₀通过高选器，而在低选器下的作用有，G_S＝A_f/β(1+K₁)<G₀，在高低选器的作用下实际的燃料流量控制输入设定值G_S＝A_f/β(1+K₁)，从而使G_S的上升速率延缓起到抑制G_f速率增加的作用；空气控制回路G_fβ(1-K₄)<G_fβ(1+K₂)<A₀，在高低选器的作用下，实际空气流量的设定值为AS＝G_fβ(1+K₂)，因燃料G_f的增加速率较快，等于使A_s的上升速率加大，起到增加A_f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GS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(1+T_eS/1+T_tS)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--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。

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控制算法，第5～11燃烧控制区的温度调节器基于预测控制算法温度调节器输入对应燃烧控制区的工艺温度设定值t0i、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一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算法的温度调节器、比较设定值t0i，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算法的温度调节器、比较设定值t0i，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△u5(k)，△u5(k+1)，…，△u5(k+m-1)，则过程对象的P步热电偶温度预测值为t₅(k+1|k)，t₅(k+2|k)，…，t₅(k+p|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： $\min J\left(k\right)=$ ${\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^P{q}_i[t_5(k+i|k)-t_{05}(k+i){]}^2+{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^m{r}_j\mathrm{\&Delta;}{u_5}^2(k+j-1)$

mint₅<t₅(k+j)<maxt₅j＝1，…，p

minu₅<u₅(k+j)<maxu₅j＝0，…，m-1

min△u₅<△u₅(k+j)<max△u₅j＝0，…，m-1

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(t₀₅或者u₅)；t₀₅(k+i)为将来设定值温度；虽然在滚动优化中，m步控制增量△u₅(k)，△u₅(k+1)，…，△u₅(k+m-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(k+1|k)，t(k+2|k)，…，t(k+p|k)则有赖于对象当前的热电偶温度实际值t_s(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；

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

热电偶基于“二乘二取二”算法、上传经中位均值滤波处理的温度测量值，具有可维护性好、高精度和高可靠的优点；烧嘴的燃气和空气流量控制中，设计增设快速响应补偿环节的双交叉限幅法，不仅有效消除了缺/过氧燃烧现象，而且提升了双交叉限幅法的动态响应指标；第1～4、5～11燃烧控制区的炉膛温度分别采用PID和预测控制算法，兼顾控制计算量的基础上提高了温度控制精度。

附图说明

图1是辊底式热处理炉的控制系统结构图；

图2a是二乘二取二温度测量的流程图；

图2b是二乘二取二温度测量的原理图；

图3是增设快速响应补偿环节的双交叉限幅法原理图；

图4是辊底式热处理炉炉温控制系统的原理框图。

具体实施方式

如图1、图3所示，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只均匀排列，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℃；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℃，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只均匀排列，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℃、第4燃烧控制区设定的工艺温度区间为835±2℃、第5～11燃烧控制区设定的工艺温度区间为835±1℃；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。

辊底式热处理炉的高精度高可靠炉温控制方法是：毎个燃烧控制区的热电偶基于“二乘二取二”算法、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控制算法，第5～11燃烧控制区的炉膛温度调节器采用预测控制算法；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。

如图2所示，所述的热电偶基于“二乘二取二”算法、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：

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check100＝110

1)测量状态的热电偶采样

1-1.check100＝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PLC310

1-2.check100＝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PLC310

2)热电偶温度数据的中位均值滤波

2-1.check100＝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

${D111}_{\mathrm{Average}}=\left\{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}D111\right[i]-\min \left(D111\right[i],D111[2],D111[3],D111[4\left]\right)$

$-\max \left(D111\right[1],D111[2],D111[3],D111[4\left]\right)\}/2$

第1燃烧控制区第二热电偶112温度数据中位均值滤波得D112_Average

D110＝(D111_Average+D112_Average)/2

2-2.check100＝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

${D121}_{\mathrm{Average}}=\begin{array}{c}\left\{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}D121\right[i]-\min \left(D121\right[1],D121[2],D121[3],D121[4\left]\right)\\ -\max \left(D121\right[1],D121[2],D121[3],D121[4\left]\right)\}/2\end{array}$

第1燃烧控制区第四热电偶122温度数据中位均值滤波得D122_Average

D120＝(D121_Average+D122_Average)/2

3)“二乘二取二”算法处理

3-1.check100＝110

3-1-1.|D111Average-D112Average|<ESP

D100＝D110

返回“1”

3-1-2.|D111Average-D112Average|≥ESP

注：第一、二热电偶111或112故障

check100＝120、故障报警

注：第三、四热电偶121或122投运

返回“1”

3-2.check100＝120

3-2-1.|D121Average-D122Average|<ESP

D100＝D120

返回“1”

3-2-2.|D121Average-D122Average|≥ESP

注：第三、四热电偶121或122故障

check100＝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”算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℃；

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check100控制切换：check100＝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，check100＝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；check100＝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check100＝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；check100＝120时与check100＝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。

二乘二取二热电偶温度测量是一种组合了双热备结构和二取二结构的一种复合结构，继承双热备结构持续运行能力强、可维护性好的优点和二取二结构的可靠性高的优点。

如图3所示，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、合理的空燃比；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A_f＝βG_f

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，A_f为空气流量实测值，G_f为燃气流量实测值；

平衡状态时下列条件成立

A_f/β(1-K₃)<G₀<A_f/β(1+K₁)

G_fβ(1-K₄)<A₀<G_fβ(1+K₂)

式中：A₀、G₀为温度调节器输出的空气、燃气设定值，K₁、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＝K₃>K₁＝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A_S＝A₀，燃气调节器输入设定值G_S＝G₀，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A₀、G₀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A_S、G_S上升，导致空气和燃气流量实测值A_f和G_f增加；因G_f的增加速率比A_f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A_f/β(1-K₃)<G₀，G₀通过高选器，而在低选器下的作用有，G_S＝A_f/β(1+K₁)<G₀，在高低选器的作用下实际的燃料流量控制输入设定值G_S＝A_f/β(1+K₁)，从而使G_S的上升速率延缓起到抑制G_f速率增加的作用；空气控制回路G_fβ(1-K₄)<G_fβ(1+K₂)<A₀，在高低选器的作用下，实际空气流量的设定值为A_S＝G_fβ(1+K₂)，因燃料G_f的增加速率较快，等于使A_s的上升速率加大，起到增加A_f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(1+T_eS/1+T_tS)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--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。

改进的双交叉限幅法保留了传统双交叉限幅法有助热处理炉节能环保的优点，而且提升了跟踪热处理炉负荷变化的实时性。

如图4、图3、图1所示，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控制算法，第5～11燃烧控制区的温度调节器基于预测控制算法温度调节器输入对应燃烧控制区的工艺温度设定值t0i、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一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算法的温度调节器、比较设定值t0i，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算法的温度调节器、比较设定值t0i，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△u5(k)，△u5(k+1)，…，△u5(k+m-1)，则过程对象的P步热电偶温度预测值为t₅(k+1|k)，t₅(k+2|k)，…，t₅(k+p|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： $\min J\left(k\right)=$ ${\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^P{q}_i[t_5(k+i|k)-t_{05}(k+i){]}^2+{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^m{r}_j\mathrm{\&Delta;}{u_5}^2(k+j-1)$

mint₅<t₅(k+j)<maxt₅j＝1，…，p

minu₅<u₅(k+j)<maxu₅j＝0，…，m-1

min△u₅<△u₅(k+j)<max△u₅j＝0，…，m-1

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(t₀₅或者u₅)；t₀₅(k+i)为将来设定值温度；虽然在滚动优化中，m步控制增量△u₅(k)，△u₅(k+1)，…，△u₅(k+m-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(k+1|k)，t(k+2|k)，…，t(k+p|k)则有赖于对象当前的热电偶温度实际值t_s(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。

辊底式热处理炉的11个燃烧控制区，第1～4燃烧控制区的工艺炉温区间较大、采用简单的PID控制算法；第5～11燃烧控制区要求精准的工艺炉温，采用在线识别获得模型参数、再利用模型参数实现多步预测和滚动优化的自适应模型预测控制算法；分区控制策略兼顾控制计算量的基础上提高了温度控制精度。

Claims (2)

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只均匀排列，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℃；第2燃烧控制区与第1燃烧控制区相同，第2燃烧控制区设定的工艺温度区间为780±10℃，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只均匀排列，配置4支热电偶，热电偶的安装方式与第1燃烧控制区相同，第3燃烧控制区设定的工艺温度区间为820±5℃、第4燃烧控制区设定的工艺温度区间为835±2℃、第5～11燃烧控制区设定的工艺温度区间为835±1℃；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；燃气或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。

2.一种使用如权利要求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”算法、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控制算法，第5～11燃烧控制区的炉膛温度调节器采用预测控制算法；炉温控制与燃气或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/空气管上的燃气或空气流量控制构成的串级控制、而燃气或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。