CSP隧道爐過程控制系統升級改造

藺鳳琴，周 杰，趙海山，顧仲熙，石俊龍，李立剛

（1.北京科技大學工程技術研究院，北京100083；2.北京科技大學設計研究院有限公司，北京100083；3.馬鞍山鋼鐵股份有限公司一鋼軋廠，馬鞍山243011）

隧道爐是應用于CSP生產線的輥底式加熱爐，位于連鑄與軋機之間，用于對上游的鑄坯進行加熱和均熱，使板坯具有更好的熱特性，為后續軋制及冷卻等工藝環節提供優質的原料。因此，隧道爐過程控制系統的穩定性和精度直接影響CSP生產線最終產品的質量。此外，為響應國家對冶金行業節能降耗的號召，同時提升產品的市場競爭力，對于能耗大戶的加熱環節進行改造升級勢在必行。

本文以某CSP廠隧道爐過程控制系統改造升級為依托，介紹了隧道爐過程控制系統的整體構架、軟硬件配置及系統功能。解決了原系統運行穩定性差，需要人工定期（36小時）重啟服務器以及隧道爐與其他工序通訊中斷等亟待解決的問題，同時先進的模型算法大大提高了板坯的加熱質量，達到了系統設計的預期效果，得到用戶的高度認可。

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，其過程控制系統已運行十多年，服務器硬件CPU、內存和硬盤配置均已落后，且擴展困難。硬件故障常導致服務器死機，系統運行極不穩定，已無法適應高節奏的生產。此外，原系統除具備上下游生產工序的通信功能外，其余功能均處于癱瘓狀態。對原系統進行升級改造迫在眉睫。

此次改造僅對過程控制系統本身進行升級，保留原有功能的基礎上根據用戶需求增加其他功能。此外，與外部系統（L3級、連鑄L2級、軋線L2級及隧道爐L1級）的通信方式及內容均保持不變，即實現新系統與原系統的無縫切換。新增的板溫預報模型實現了板坯在爐內加熱履歷的“透明化”，使操作人員據此更好地控制爐溫和傳送點，達到節能降耗和穩定生產節奏的目的。新增的HMI系統為操作和技術人員提供了更豐富的可視化功能，展現隧道爐實時生產狀況的基礎上包含了強大的分析統計功能，大大提升了過程控制系統的地位和作用。

2 系統網絡結構及配置

新系統采用2臺PC服務器，其中1臺在線，另1臺備用，運行二級中間件、數據庫（Oracle）、HMI組件和所有應用軟件，實現過程控制系統的所有功能。新系統服務器的操作系統均采用Windows 2012 Server（64位），為與各外部系統兼容，Oracle采用11g版本，HMI則顛覆傳統工控軟件設計，基于IIS和Web框架設計實現了真正意義的“瘦客戶”。系統網絡結構如圖1所示。

為縮短系統開發和調試周期，盡可能地減少對生產的影響，新系統與外部系統的通信均沿用原有模式，與隧道爐L1級采用OPC協議，與其余外部系統采用Oracle數據庫接口表的方式。正式上線前，新系統采用“影子模式”與原系統并行，進行物料跟蹤和數學模型的調試，保證了新系統一次上線成功。

圖1 系統網絡結構圖

3 系統功能及實現

3.1 應用模塊結構

新系統基于自主知識產權的中間件PCDP（Process Control Development Platform，簡稱PCDP），中間件將通用的底層功能進行封裝，屏蔽了操作系統的差異，大大縮短了過程控制系統的開發周期。此外，PCDP提供的組件支持多種協議、異構數據庫間的數據交換，應用范圍廣泛，經過配置及定制能適應各種現場實例。應用模塊結構如圖2所示。

3.2 物料跟蹤系統

由圖2可見物料跟蹤系統（HTK）是隧道爐過程控制系統的調度中心，由該系統根據L1級上傳的板坯位置信息，來啟動各個模塊的計算及確定數據流的走向。該系統的作用是從入爐側板坯坯影產生開始，將實際板坯位置與連鑄傳送的板坯頭尾數據、MES系統下發的計劃進行一一對應，直至板坯出爐時將數據傳送至軋線L2級結束。因此，物料跟蹤系統按功能可劃分為三個關鍵區域：隧道爐前擺剪處、爐內跟蹤及板坯出爐[8]。

隧道爐前擺剪處是板坯頭尾產生的地方，產生本塊板坯的尾部及下塊板坯的頭部。此時，連鑄L2級將頭部及尾部數據發送至加熱爐L2級，L1級板坯坯影則在其后產生。因此，當坯影產生時，板坯的數據已經存入系統，物料跟蹤系統需要將實際坯影與板坯數據一一對應。若由于通信故障，坯影產生時無數據，物料跟蹤系統則將板坯號默認為L1級的序列號。操作人員通過L2級報警及HMI爐內板坯影像即能發現板坯號是否異常，并及時進行干預。

爐內跟蹤環節基本是L1級板坯頭尾位置的映射，關鍵環節是板坯在兩線進行擺動時，需要統一板坯的位置坐標，并保證在擺動過程中板坯號始終不丟失。

A線隧道爐9區為保溫段也稱為出爐段，板坯在該段進行保溫的同時則根據軋線生產節奏擇機出爐。板坯頭部出爐時，物料跟蹤系統即向軋線L2級發送本塊板坯的信息，同時更新即將出爐的板坯列表。軋線嚴格按照隧道爐傳送的出鋼列表進行模型與設定，因此板坯出鋼信息及出鋼列表至關重要。

升級改造后的物料跟蹤系統解決了原系統板坯丟號的現象，并徹底解決了隧道爐L2級無法發送板坯出爐列表的隱患，產線的效率得到了有效地提升。

圖2 應用模塊結構圖

3.3 板溫預報模型系統

模型系統是隧道爐過程控制系統的核心，物料跟蹤系統則是模型系統實現運行的前提。由于爐內高溫、氣氛復雜，因此對爐內板坯溫度無法實現有效地測量，除了入口和出口，爐內就是一個“黑匣子”。操作人員基本是憑多年的燒鋼經驗，通過工業電視觀察火焰和板坯顏色來判斷板坯是否到達目標溫度，造成出爐板坯實際溫度不穩定導致后續軋制工藝無法穩定，影響產線的生產質量和效率。

板溫預報模型通過實時計算預報爐內板坯的溫度場，將其發布至HMI的同時記錄至數據庫，實際是對爐內板坯溫度進行了“透明化”。有助于操作人員根據板坯溫度及時調整加熱策略、傳送點及出鋼節奏等，提高產量和質量的同時達到節能降耗的目的。

板坯預報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為導熱系數，W/(m·°C)；qs為板坯側面熱流密度，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；Tg為爐氣溫度，K；Tm為金屬表明溫度，K；Cgwm為導來輻射系數，W/(m2·K4)。

根據假設，板坯側面的熱流密度用式（8）近似處理：

式中：k為系數，0＜k＜0.5。

薄板坯連鑄連軋的特點是板坯均比較長，若按一塊板坯即便分頭、中、尾也難以準確描述整塊板坯的溫度，因此系統將板坯按固定長度分為各個獨立的長度單元，對每個長度單元均進行溫度計算，直至長度方向遍歷整塊板坯。板溫預報模型的程序流程圖如圖3所示[2]。

圖3 板溫預報模型程序流程圖

4 結語

新系統自上線以來，徹底消除了物料跟蹤異常的問題，板溫預報模型精度不斷提高?！?5℃命中率達到99.5%以上，部分鋼種達到100%；±10℃命中率達到87%以上，部分鋼種達到97.7%。新一代CSP隧道爐過程控制系統升級改造的成功，為產線生產的穩定及質量的提高提供了有利保障，也得到了用戶的高度認可。