关键词：加热炉 温度 DCS 专家控制
1 引言
某轧钢厂加热炉，为三段式连续加热炉，以重油作为燃料，每段的上下均设有一排烧嘴，但二加热段上面的烧嘴没使用。考虑影响加热炉温度的因素很多，不确定的干扰也很多，如待加热的钢坯是冷坯还是热坯、燃油的质量如何、出钢的速度快慢、炉压的大小、空燃比的大小等等。为保证加热质量，提高产量，降低能耗，提高控制性能，有效抑制各种扰动，首先利用DCS系统对电控部分进行了改造，取代了原来的分散手操控制，并运用专家控制实现了加热炉温度的自动调节。
2 系统硬件配置
计算机集散控制系统（即计算机DCS系统）由上位系统和下位系统组成。上位系统采用工业控制计算机，用Siemens组态软件WinCC完成现场数据的实时显示、存储、报警处理、打印及控制参数设定。下位系统由Siemens PLC构成，与现场设备相连。上位系统和下位系统之间的通讯采用Profibus方式，其最高传输速率可达1.5Mbit/s，完全满足对数据实时监控的要求。DCS系统组成如图1所示。
3 专家控制器及软件组态
3.1 专家控制器
此加热炉原来是手操控制，由于手操控制调节不及时，而且对操作工的经验有依赖性，一直能耗降不下来。采用常规的PID自动控制，特别是在燃油的粘稠度、热值有很大差异，现场设备老化的情况下，显得适应性不够，控制效果也不好。因此，结合现场实际情况，我们采用了专家控制的思想，设计了加热炉温度的专家控制器。
专家控制器由知识库、控制规则集、推理机构及信息获取与处理四个部分组成。其结构图如图2所示。
图2 专家控制器结构图
3.1.1 知识库
由事实集和经验数据库、经验公式等组成。事实集主要包括被控对象（加热炉）的有关知识，如该加热炉为三段式（二加热段、一加热段和均热段）推钢连续加热炉，每段分为东、西两侧温度检测点，是通过控制电动执行阀的开度，调节燃油和空气的流量来控制加热炉各段温度的。经验数据库中的数据包括加热炉的参数变化范围，控制参数的调整范围及其限幅，传感器的静、动态特性、参数及阈值，控制系统的性能指标以及由专家总结的经验公式等。
3.1.2 控制规则集
根据专家（或熟练操作工）对被控对象的特点及其操作控制的经验，可采用产生式规则、模糊关系及解析形式等多种方法来描述被控对象的特征，这样可以处理各种定性的、模糊的、定量的、精确的信息。
我们通过在现场的一段时间调研，观察总结三个班次的熟练操作工的操作控制经验，结合书本上的理论知识，采用产生式规则构成控制规则集。在调试过程中，一开始发现响应慢，调节时间比较长，于是在规则中考虑了一个回调量，但是后来又发现最大偏差值增大（即超调量增大），于是决定在偏差大时不加回调，当偏差小于某一个值时，再加回调，使系统尽快达到稳态。这里，把输入量1（温度偏差）根据其大小范围分为九个等级;把输入量2（温度偏差的变化量）按其大小分为七个等级。把控制量（电动执行阀的开度）的输出（增量式）分为13个等级。其中要加限幅条件。最后，总结出了55条控制规则，即形成本专家控制器的控制规则集。
3.1.3 推理机构
由于本专家控制器的知识库及控制规则集的规模较小，因此，推理机构的搜索空间有限，采用的是前向推理机制。对于控制规则由前向后逐条匹配，直至匹配成功（当然，编写控制规则时要考虑不能出现失控现象）。
3.1.4 信息获取与处理
信息获取主要是通过闭环控制的反馈信息及系统的输入信息而得到，通过对信息的处理得到控制系统的误差及其误差的变化量等对控制有用的信息。本加热炉是用热电偶来检测各段炉温，然后与各段炉温设定值比较得到其偏差量，并通过计算得到偏差的变化量。分段实施控制。另外，信息的处理还包括必要的数据滤波措施。本系统采用算术平均滤波。
3.2 软件组态
3.2.1 监控界面组态
在上位机上，对采集的数据实时显示，使操作员能及时了解加热炉的工作状态，对主要数据可存储达一年之久，可方便地查询和打印，并可完成控制参数的设定、报警参数的设定。用WinCC组态的主监控界面如图3所示。
图3 主监控界面
另外，根据现场需要，还组态了包括汽包画面、控制参数设置界面、历史趋势曲线界面、压力水位界面、报警界面及报表打印界面等。它们都与实测数据相链接，并在界面上动态地显示出来。同时，在此界面上还可以进行手、自动的无扰切换。
3.2.2 控制算法的实现
专家控制的控制算法在下位系统（PLC）上实现，用Step 7编程。考虑到加热炉的生产过程是一个慢变化过程，具有时间延迟，控制信号的输出不能过于频繁，否则会产生振荡。所以，每经过5个采样周期输出一次控制信号。其软件流程如图4所示。
图4 软件流程图
3.3 应用效果
采用DCS系统及专家控制以后，首先使操作工操作方便，使用鼠标点击即可，整个加热炉的运行状况在计算机屏幕上一目了然。从控制性能看，调节比较及时，超调不大，稳定运行时，上下波动在±5℃以内。从节能降耗看，每天节省重油约3吨，按每吨1100元人民币计算，每月节省约10万，每年获利润约120万人民币。给企业带来了经济效益。
4 结束语
本系统投运以来，一直稳定运行。其专家控制算法简单实用，控制效果好，对于中小型轧钢加热炉值得推广。
参考文献
1 李士勇，模糊控制•神经控制和智能控制论，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1996：244～246
2 孙增圻，智能控制理论与技术，北京：清华大学出版社，1997：264～270
