JPH04143222A - 加熱炉の炉温制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ 本発明はビレットの加熱炉内の温度を最適に制御するた
めの加熱炉の炉温制御方法に関するものである。

［従来の技術］ 従来、線材の加熱炉はブツシャ−式が一般に用いられ、
その加熱制御は熱伝導方程式をベースとした加熱プロセ
スを用いて行われている。

しかし、最近では、高級線材などを扱うことが多（なる
傾向にあり、品質向上や生産性の面からウオーキングビ
ーム炉（以下、ＷＢ炉という）を用いる傾向にある。

線材用のビレットを加熱するためのＷＢ炉においては、
炉内に多数（例えば、５３本）のビレットを装入し、こ
れらを一定速度で搬送する過程でバーナにより加熱及び
均熱を施している。このような炉において、所望の焼き
上がりの製品を得るためには、炉内温度を最適に設定並
びに保持する必要がある。

なお、炉内制御に関する技術として、例えば、特公平２
−１７６０９号及び特公平２−１７６１０号がある。

〔発明が解決しようとする課題］ しかし、従来においては仕様、素材などの異なるビレッ
トが混在して装入された場合でも、同一の炉温制御条件
を採用していたため、製品にばらつきを生じる。

近年、ユーザ側から焼き上がりに対する厳しい管理要求
があり、ビレット品種ごとに応じた加熱を行うことが要
求されており、何らかの対策が要望されている。

本発明の目的は、ビレットの各々に対する最適な炉温制
御がリアルタイムに行えるようにした加熱炉の炉温制御
方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明は、仕様素材などの
異なるビレットを連続的に炉内に装入して加熱を行う加
熱炉において、現在のビレット温度から帯出口目標温度
まで焼き上げるに要する昇温速度、ビレットが現在在荷
位置地点から帯出口に到達するまでの時間、帯毎の在荷
総本数に対する脱炭管理材の占める比率、及び各ビレッ
トの寄与率（重み）の各々をファジィ変数として定義し
、その４つの変数の夫々の状態をその変化態様に応じて
ルール化し、そのファジィ制御規則に基づいて炉内の各
ビレットの重み付けをし、これを係数とする加重平均に
より各号の設定炉温を決定するようにしている。

［作用］ 上記した手段によれば、焼けにくさ、残り加熱時間、脱
炭材比率（特別脱炭管理材が占める本数割合）などのフ
ァジィ変数を前件部とし、その適合度をファジィ変数の
積（Ｍｉｎ）で求め、これに対し帯（過熱帯、均熱帯）
とビレット材（−殻材、脱炭管理材）との組み合わせに
よる後件部のファジィ変数を求め、この後件部及び前件
部に対し設定した複数のファジィ制御規則ごとのファジ
ィ推論を行い、個別の推論結果を重心法により総合して
非ファジィ化し、これに基づいて設定炉温か計算される
。したがって、既存の熱伝導方程式をベースとした加熱
プロセスの定量モデルでは表現しづらいウオーキングビ
ーム炉にあって、ビレットの各々に対し最適な燃焼制御
を行うことができ、線材加工の品質向上を図ることがで
きる。

［実施例１ 第１図は本発明を適用するに好適な炉温制御装置を示す
ブロック図である。

ＷＢＢ１０、一端に装入口を有し他端に抽出口を有し、
装入口から抽出口へ向けてビレット２が一定間隔に定め
られた速度で移送される。ＷＢＢ１０前半部が加熱帯を
形成し、後半が均熱帯を形成し、そのゾーン境界部の上
下に一対のバーナ３が設けられ、さらに均熱帯の出側の
上下に一対のバーナ４が設けられている。また、ＷＢＢ
ｉ２Ｏ各所には、炉内温度を測定するための複数の熱電
対５が設置されている。

バーナ３及びバーナ４の燃料流量を制御するために炉温
制御部６が設けられ、この炉温制御部６を制御するため
に主制御部７が設けられている。

この主制御部７は、例えば、プロセスコンピュータを流
用することができる。主制御部７には、生産スケジュー
ルで決められた製造命令の送信と、製造実績の受信、管
理を行うためのビジネスコンピュータ８、ビレット毎の
製造仕様、トラッキング情報、主制御部７による計算結
果などを記憶する磁気記憶装置９、計算により得られた
設定炉温、燃料流量などを表示する表示装置１０、及び
予定休止時間などの操業情報を入力するためのキーボー
ド１１が接続されている。

次に、以上の構成による炉温制御装置の概略動作を説明
する。

ビレット２の装入に先立ってビジネスコンピュータ８か
ら製造命令（ロフトＮｏ、　　ビレットＮｏ。

ビレットサイズ、標準Ｔ／Ｈ（トン／時間）、各帯出口
目標温度、特別脱炭管理材コード、圧延列数など）を受
信する。バーナ３．４を添加することによって炉内温度
が上昇し、その温度値は熱電対５によって測定され、実
測炉温として主制御部７に取り込まれる。

主制御部７は、ビジネス・コンピュータ８からの受信デ
ータ、キーボード１１による入力データ及び熱電対５に
よる炉温実測値とに基づいて、次のような計算処理を行
う。なお、ビジネス・コンピュータ８による受信及びキ
ーボード１１による操業情報などは磁気記録装置９に記
憶される。

Ａ、実時刻ビレット温度の計算（この計算結果は磁気記
憶装置９に記憶される）。

一時元熱伝導差分方程式を用いて一分周期により行う。

Ｂ、燃焼制御の計算（この計算結果は磁気記憶装置９に
記憶される）。

（１）残り在炉時間計算（炉内各ビレットについて）。

（２）炉内各ビレット所要炉温計算 （３）設定炉温計算。

■ファジィ理論適用による炉内各ビレット寄与率（重み
）計算。

■炉内各ビレット所要炉温に対する加重平均による設定
炉温決定。

（４）流量ターンダウン制御。

圧延休止、Ｔ／Ｈ（）−ン／時間）ダウン時の流量制御
モードの切替え、設定流量値の決定。

Ｃ８設定出力処理（この結果が炉温制御部６へ送出され
る）。

各ゾーン上下部設定炉温、燃焼制御モード、及び設定流
量を計装へ出力すると共に表示装置１０に結果が表示さ
れる。

Ｄ、炉内温度分布計算。

熱電対５の測定値に基づいて、例えば、−分周期で計算
し、これを実時刻ビレット温度の計算に用いる。

以上の一連の計算によって得られた設定出力に基づいて
、炉温制御部６は炉温制御モードまたは流量制御モード
を選択し、炉温制御モードにあっては炉内温度調節計を
制御し、流量制御モードにあっては流量調節計を制御す
る。

炉温制御部６の出力はＷＢＢ１０バーナ３及びバーナ４
に印加され、炉内温度をビレット２に応じた最適な値に
制御する。

次に、上記した燃焼制御計算の詳細について説明する。

この処理は、次の４つに大別され、そのうち■はファジ
ィ理論を利用して行われる。

■製造命令で決められた標＃Ｔ／Ｈ及び予定休止時間よ
りビレット毎に残り在炉時間を計算する。

■炉内各ビレットについて、残り在炉時間と現在ビレッ
ト温度を元に帯出四回ＰＡ温度に到達させるに必要な所
要炉温を推定する。

■決められた在炉時間（例えば、４５分）内に全ビレッ
トを帯出口目標温度まで焼き上げるために必要な設定炉
温を決定する。

■搬送停止のタイミング、時間に応じて流量ターンダウ
ン（大きく遅れる時はガスの流量を落とし、焼き過ぎを
防ぐ処理）を行う。

周知のように、ファジィ理論にあってはファジィ変数を
定義する必要がある。この場合のファジィ変数は、前件
部（「もし〜ならば」の部分）と後件部（「〜である」
の部分）に大別され、その各々は次の如くである。

（１）前件部（次の３つの条件を考慮する）。

ａ）焼けにくさｆ、（昇温率）： 残り在炉時間（該当ビレットが在荷帯出口に達するまで
の時間）内に現在のビレット温度から帯出口目標温度ま
で焼き上げるのに要する昇温速度（’Ｃ／分）。

ｆｌ＝　（目標ビレット温度−現在ビレット温度）／残
り在炉時間て（分） ｂ）残り在炉時間ｆ２　（分）： ビレットが現在在荷地点から帯出口に到達するまでの時
間（分）。

Ｃ）脱炭材比率ｆ３　： 帯（ゾーン）毎に在荷総本数に対する脱炭管理材の占め
る割合。

（２）後件部 ｄ）寄与率（重み付け）。

ビレットは材質や仕様が異なれば、焼き具合も異なる。

そこで、どのビレットに注目すれば良いか否かを考慮す
るため、各ビレットに重み付けをする。

寄与率は焼けに（さｆｌ、残り在炉時間ｆ２及び脱炭材
比率（特別脱炭管理材が占める本数割合）ｆ３をファジ
ィ変数とするファジィ制御規則に基づき決定される。

脱炭材比率は次のように寄与に求められる。

脱炭材比率＝（在荷帯における脱炭材本数）／（在荷帯
における総本数） （本実施例では、炉内満杯時加熱帯総本数＝３２本、均
熱帯総本数２２１本） なお、ビレット２を加熱し過ぎると脱炭が大きく進行し
て所要の強度を保持することができなくなるなど品質に
悪影響を及ぼすため、脱炭材比率に応じて炉温を調節し
、脱炭の進行を抑止しなければならない。

次に、上記した各変数に対するメンバーシップ関数の定
義について説明する。

第２図は焼けにくさ（昇温率）のメンバーシップ関数を
示すもので、昇温率ｆ＋に対し、焼は易さ（Ｌｏｗ）及
び焼けにくさ（Ｈｉｇｈ）の各関数を設定する。また、
第３図は残り在炉時間ｆ２のメンバーシップ関数を示す
もので、残り在炉時間ｆ２に対し、時間の短い（Ｓｈｏ
ｒｔ）及び長い（Ｌｏｎｇ）の各関数を設定する。更に
、第４図は脱炭材比率ｆ３のメンバーシップ関数を示す
もので、脱炭材少ない（Ｓｍａｌｌ）及び多い（Ｂｉｇ
）の各関数を設定する。

また、ファジィ制御規則は、上記３つのファジィ変数（
焼けにくさｆｌ、残り在炉時間ｆ２、及び脱炭材比率ｆ
、）の夫々の状態（Ｌｏｗ／Ｈｉｇｈ、５ｈｏｒｔ／Ｌ
ｏｎｇ、Ｓｍａｌ　ｌ／Ｂｉｇ）を前件部（Ｉ　Ｆ）と
し、設定炉温に対する寄与率（ｖｅｒｒｙ６ＬＯＷ〜Ｖ
ｅｒｙＩＩＨｉｇｈ）を後件部（ＴＨＥＮ）とした構造
を有している。本実施例では８つの規則（ルール）を有
し、第５図の如きルール内容を持っている。寄与率は、
加熱帯及び均熱帯の夫々における一般材及び脱炭管理材
について各々ルールが設定される。また、後件部に対す
るメンバーシップ関数は第６図のようになる。

次に、第７図のフローチャート及び第８図の前件部ファ
ジィ変数設定説明図を参照して主制御部７による設定炉
温の計算方法の前半について説明する。なお、第７図中
のＳはステップを意味している。

まず、脱炭材比率に対するグレードを計算するに際し、
第８図の（ａ）のようにＳｍａｌｌメンバーシップ関数
上の関数−ドＧ、、を決定し、さらに第８図の（ｂ）の
ようにＢｉｇメンバーシップ関数上のグレードＧ、□を
決定する（Ｓ７３）。

この後、昇温率に対するグレードを計算する。

まず、第８図の（Ｃ）のように、Ｌｏｗメンバーシップ
関数上のグレードＧｅｌを決定し、更に、第８図の（ｄ
）のように、Ｈｉｇｈメンバーシップ関数上のグレード
Ｇ２□を決定する（Ｓ７４）。

次いで、残り在炉時間に対するグレードを計算する。ま
ず、第８図の（ｅ）のように５ｈｏｒｔメンバーシツプ
関数上のグレードＧ　３１を決定し、さらに、第８図の
（ｆ）のように、Ｌｏｎｇメンバーシップ関数上のグレ
ードＧ３□を決定する（Ｓ７５）。

この後、設定炉温の計算の最後の処理であるルールごと
の前件部最小グレード、すなわちミニマム（ＭＩＮ）の
計算を行う（Ｓ７６）。例えば、加熱帯と一般材との組
合せでは次のようになる。

ルール１　：　Ｇａ＋＝ｍ　ｉ　ｎ　（Ｇ２２、Ｇ　ｓ
＋、Ｇ、２）ルール２　：　Ｇ＋ｍｚ＝　ｍ　ｉ　ｎ　
（Ｇ　２２、Ｇ　ｓｚ、Ｇ、、）Ｓ　　　　　　　　　
　　’Ｓ ルール８　：’Ｇｒａａ＝ｍ　ｉ　ｎ　（Ｇｔ＋、Ｇ　
３２、Ｇ、１）すなわち、ルールｌをとった場合、第５
図に示すように、昇温率がＨｉｇｈであるから第８図の
（ｄ）、残り在炉時間が５ｈｏｒｔで第８図の（ｅ）、
脱炭材比率がＢｉｇで第８図の（ｂ）というように選択
される。

次に、第９図のフローチャート及び第１Ｏ図の後件部フ
ァジィ変数設定説明図を参照して主制御部７による設定
炉温の計算方法の後半について説明する。

まず、後件部最大グレード（ファジィ変数の和）、すな
わちマキシマム（ＭＡＸ）を計算する（Ｓ９１）。例え
ば、加熱帯と一般材との組合せでは次のようになる。

Ｖ６ｒｙ　　　Ｌｏｗ： Ｇ　ｇ＋＝ｍａＸ　　（ＧＩＩｌ３、Ｇ　１１１４、Ｇ
、ｎ８）Ｌ　ｏ　ｗ　：　　　Ｇｇ２＝ｍ　ａ　ｘ　　
（Ｇｍｚ、ＧＩＩｌ、）ＭＬ　ｄ　：　　　Ｇｇ３＝ｍ
ａｘ　　（Ｇａｐ、　　Ｇ＋ｅｓ）Ｈ１ｇ　ｈ　：　Ｇ
　ｓ４＝　ｍ　ａ　Ｘ　　（Ｇａ５）　　＝　Ｇｍ５Ｖ
ｅｒｙ　　　Ｈｉｇｈ： Ｇ−ｓ”０ ついで、重心（重み）Ｗを計算する。

１ｕ（ｘ） 会　ｘｄｘ 重心ｗ　（ｊ）　＝ ｉｕ（ｘ）　　・ｄｘ ここで、第１０図及び第５図を参照して重心の求め方を
説明する。

Ｇ、、、Ｇ、□、ＧＫ３、Ｇ　ｇ４、Ｇ　ｇ　ｓの各々
は、第５図からファジィ変数が一義的に決定される。す
なわち、加熱帯と一般材との組合せの場合、Ｇ　ｇ　ｌ
はＶｅｒｙ　　Ｌｏｗであるのでルール３と４と８が該
当し、６．２はＬｏｗであるのでルール２と７が該当す
る。以下、Ｇａｇ〜Ｇａｇは次のようになる。

Ｇ　ｍ　ｓ−Ｍ　ｌ　ｄ→ルール１．６Ｇｓ４−Ｈｉｇ
ｈ→ルール５ Ｇ、、−Ｖｅｒｙ　　Ｈｉｇｈ−＊該当無しこれらの各
々に対するグレードを決定し、いわゆる重心法を用いて
メンバーシップ関数の面積が半分になる場所を特定し、
これを重心とする。これがファジィ推論による最終結果
となる。

ステップ７３〜９２までの処理は１つのビレットに対す
るものであるため、１つのビレットが終了するごとにス
テップ７２に戻り、ｊ＝ｌ〜Ｎ（Ｎは帯毎の在荷本数）
まで処理を繰り返し実行する。

次に、重みの正規化Ｗ′の計算を次式により行う（Ｓ９
３）。この場合、正規化される重みの総和は１であり、
この総和に対する重みの割合をステップ９３で求めるこ
とになる。

ｗ’　　（ｋ）＝ｗ　（ｋ）／Σｗ　（ｊ）（ただし、
ｋ＝１〜Ｎ） 次に、設定炉温Ｔの計算を行う（Ｓ９４）。

Ｔ＝Σ　（Ｔｒ　　（ｋ）ｗ’　　（ｋ））（ただし、
Ｔｒ　（ｋ）はビレット所要炉温である。） 以上の処理を加熱帯、均熱帯別に繰り返し実行する（Ｓ
７１）。

ステップ９４で求められた設定炉温Ｔは、炉温制御部６
へ送出される。

［発明の効果］ 以上説明した通り、本発明によれば、仕様などの異なる
ビレットを連続的に炉内に装入して加熱を行う加熱炉に
おいて、現在のビレット温度から帯出口目標温度まで焼
き上げるに要する昇温速度、ビレットが現在在荷位置地
点から帯出口に到達するまでの時間、帯毎の在荷総本数
に対する脱炭管理材の占める比率、及び各ビレットの寄
与率（重み）の各々をファジィ変数として定義し、その
４つの変数のそれぞれの状態をその変化態様に応じてル
ール化し、そのファジィ制御規則に基づいて炉内の各ビ
レットの所要炉温に対する重みを求め、これを係数とす
る加重平均により各号の設定炉温を決定するようにした
ので、燃焼条件が各々異なるビレットに対して最適な炉
温制御がリアルタイムに行えるようになり、高級線材な
どの品質向上を図ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用するに好適な炉温制御装置を示す
ブロック図、第２図は焼けにくさ（昇温率）で＋のメン
バーシップ関数を示す関数特性図、第３図は残り在炉時
間ｆ２のメンバーシップ関数を示す関数特性図、第４図
は脱炭材比率ｆ。 のメンバーシップ関数を示す関数特性図、第５図は本発
明によるファジィ制御規則を示す説明図、第６図は後件
部に対するメンバーシップ関数を示す関数特性図、第７
図は主制御部による設定炉温のファジィ計算の前半の処
理を示すフローチャート、第８図（ａ）〜（ｆ）は前件
部のファジィ変数設定を示す説明図、第９図は主制御部
７による設定炉温のファジィ計算の後半の処理を示すフ
ローチャート、第１０図は後件部のファジィ変数の設定
を示す説明図である。 図　中。 １：ウオーキングビーム類 ２：ビレット ３．４：バーナ ５：熱電対 ６：炉温制御部 ７：主制御部 ８：ビジネス・コンピュータ ９：磁気記録装置 ｌＯ：表示装置 ｌｌ：キーボード

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　製造仕様や加熱条件がそれぞれ異なるビレットを連続
   的に炉内に装入して加熱を行う加熱炉において、現在の
   ビレット温度から帯出口目標温度まで焼き上げるに要す
   る昇温速度、ビレットが現在在荷位置地点から帯出口に
   到達するまでの時間、帯毎の在荷総本数に対する脱炭管
   理材の占める比率、及び各ビレットの寄与率（重み）の
   各々をファジィ変数として定義し、その４つの変数の夫
   々の状態をその変化態様に応じてルール化し、そのファ
   ジィ制御規則に基づいて炉内の各ビレットの主要炉温に
   対する重みを求め、これを係数とする加重平均により各
   帯の設定炉温を決定することを特徴とする加熱炉の炉温
   制御方法。