劉 挺

(西安外事學(xué)院，陜西 西安 710077)

在產(chǎn)品品類與質(zhì)量要求逐步提升，以及成本降低需求不斷提高的趨勢下，迫切需要全面提升工業(yè)爐的終點控制水平，深入探究并構(gòu)建工業(yè)爐終點預(yù)測評估模型與工藝參數(shù)優(yōu)化模型，以保障產(chǎn)品質(zhì)量、煉成效率、經(jīng)濟效益。所以，工業(yè)爐煉鋼動態(tài)化智能控制技術(shù)是當(dāng)前我國工業(yè)爐煉鋼的主要發(fā)展趨勢[1]。據(jù)此，本文以計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計了脫磷工業(yè)爐過程智能化控制系統(tǒng)。

1 脫磷工業(yè)爐過程控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 工藝參數(shù)

基于計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的脫磷工業(yè)爐過程控制系統(tǒng)工藝參數(shù)[2]具體見表1。

表1 系統(tǒng)工藝參數(shù)

1.2 網(wǎng)絡(luò)框架

基于工藝與控制相關(guān)要求，明確工業(yè)爐過程控制系統(tǒng)以三級計算機加以控制[3]，其中L1級為基礎(chǔ)自動化控制，L2級為過程自動化控制，L3級為生產(chǎn)管理層級MES，具體見表2。

表2 三級計算機控制系統(tǒng)

系統(tǒng)基于100 M以太網(wǎng)有機連接L1級電氣控制站、儀表控制站、人機接口操作站與客戶機、服務(wù)器、打印機等相關(guān)設(shè)備，各個設(shè)備間基于交換機實現(xiàn)密切關(guān)聯(lián)。

L1級與L2級數(shù)據(jù)管理都是客戶機服務(wù)器模式，二者間設(shè)定了網(wǎng)管計算機，以負責(zé)數(shù)據(jù)交換傳輸，而L2與L3基于網(wǎng)管Gateway安全傳輸管理數(shù)據(jù)信息。其中，MCC室、L2級服務(wù)器室、Is5com交換機共同構(gòu)成控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)，然后和既有工業(yè)爐L1級內(nèi)環(huán)控制網(wǎng)實現(xiàn)橋接，并和系統(tǒng)外部工藝控制系統(tǒng)接入既有外環(huán)網(wǎng)[4]。

1.2.1 L1級基礎(chǔ)自動化控制

L1級基礎(chǔ)自動化控制子系統(tǒng)以多種PLC構(gòu)成，控制站和監(jiān)控站選擇Server/Client模式，而服務(wù)器選用冗余模式。工業(yè)爐主體系統(tǒng)以冶金行業(yè)普遍應(yīng)用的Rsview監(jiān)控軟件為載體，整體控制系統(tǒng)具體劃分為上料、投料、氧槍傾動、本體儀表、輔機、汽化冷卻、LT控制、煤氣儲配、供水等多個子系統(tǒng)[5]。

1.2.2 L2級過程自動化控制

L2級過程自動化控制子系統(tǒng)負責(zé)二級模型系統(tǒng)相關(guān)工作，而硬件系統(tǒng)基于TCP/IP和一級AB PLC控制系統(tǒng)、工業(yè)爐計劃生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)于各不同網(wǎng)段實現(xiàn)銜接。模型系統(tǒng)具體劃分為8個環(huán)節(jié)，分別完成相對應(yīng)的功能運算，同時下達一級執(zhí)行指令，從而促使系統(tǒng)構(gòu)成整體體系[6]，具體見圖1。

圖1 工業(yè)爐智能煉鋼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能

1.2.3 L1級與L2級控制模型

1)氧槍全自動控制

工業(yè)爐吹煉與干法除塵最佳配合的關(guān)鍵在于不斷探索過程中尋找PLC小流量控制與模型氧槍控制最佳切換點，以完成吹煉PLC控制氧槍，前期以小流量吹氧，從而滿足干法除塵系統(tǒng)相關(guān)要求。

工業(yè)爐氧槍自動化、半自動化、手動間的最優(yōu)化隨機切換，確?；诠I(yè)爐氧槍控制安全，實現(xiàn)手動最大優(yōu)先權(quán)，在設(shè)備與工藝同時滿足自動化的前提下，氧槍自動順利運轉(zhuǎn)[7]。

工業(yè)爐冶煉達到終點溫度與成分雙命中自動提槍的關(guān)鍵在于科學(xué)合理處理運行過程中氧槍獲取自動提槍信號之后的有關(guān)動作，確保氧槍可以自動有序提槍，并避免氧槍墜槍，這便需要有效解決氧槍上升、下降、中止等各種情形下自動提槍的準(zhǔn)確度。

2)頂?shù)讖?fù)吹全自動控制

頂?shù)讖?fù)吹控制系統(tǒng)以多元化模型控制思想為載體，對煉鋼過程進行自尋優(yōu)控制，基于L2級模型自主學(xué)習(xí)，動態(tài)化調(diào)整模型相關(guān)參數(shù)，促使整個工藝過程控制實現(xiàn)高度自動化，從而減少不必要的人力資源。

對模型吹煉參數(shù)配比進行合理優(yōu)化，有機整理模型計算參數(shù)條件，強化二級模型計算下發(fā)模式可執(zhí)行性，并修正二級模型與L2級、L3級工藝流程和功能不適應(yīng)的邊界參數(shù)，以此增加異常吹煉模式、冶金專家模式，以及專家推薦可實時修正冶煉參數(shù)的相關(guān)模式，從而避免異常吹煉狀態(tài)下出現(xiàn)的突發(fā)狀況，實現(xiàn)三層級之間的集成化[8]。

L1級與L2級切實分離，促使二者模型同時具備獨立性與關(guān)聯(lián)性。當(dāng)動態(tài)模型不具有投用條件時，L1級的靜態(tài)模型依舊可以充分發(fā)揮相關(guān)作用。而煉鋼生產(chǎn)初期時，靜態(tài)模型迅速投用在很大程度上為高附加值產(chǎn)品生產(chǎn)加工創(chuàng)造了良好條件。

煉鋼工業(yè)爐過程控制系統(tǒng)采用了Server/Client與單機板融合的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了系統(tǒng)資源的合理配置與利用。

3)氧氣流量自動控制

工業(yè)爐煉鋼吹煉時，需嚴(yán)格把控氧氣流量。在吹煉開始階段，開啟氧氣切斷閥，經(jīng)過氧槍吹進工業(yè)爐內(nèi)，若氧氣調(diào)節(jié)閥打開太快，極易導(dǎo)致氧氣流對鐵水造成巨大沖力，引發(fā)噴濺現(xiàn)象，而氧氣調(diào)節(jié)閥打開太慢，則會導(dǎo)致吹煉時間延長，所以需基于PID控制器進行氧氣有效控制。

PID控制包含比例、積分、微分三部分，可單獨使用也可聯(lián)合使用。其中PI調(diào)節(jié)器可降低穩(wěn)態(tài)誤差，可生成比積分調(diào)節(jié)更迅速且更多的動態(tài)化響應(yīng)。就流量與壓力等調(diào)節(jié)通道容量滯后比較小，負荷變化并非非常大的調(diào)節(jié)系統(tǒng)而言，可獲取良好自動調(diào)節(jié)效果。因此，選擇PI調(diào)節(jié)器調(diào)控氧氣流量。

4)SDM模型控制

SDM模型控制為工業(yè)爐煉鋼智能化控制的核心構(gòu)成部分，其利用副槍技術(shù)，可在不倒?fàn)t的前提下，迅速檢測獲取轉(zhuǎn)爐熔池鋼水溫度、碳含量、氧含量、液面高度。而且基于副槍技術(shù)，可對工業(yè)爐吹煉進行自動化控制，進而提升生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，提高金屬收得率，保障鋼水質(zhì)量。

SDM模型具體劃分為動態(tài)、靜態(tài)。其中靜態(tài)模型是基于吹煉之前的邊界條件，通過物料平衡與熱平衡理論，計算分析得出合適的加料、供氧、槍位等策略，此過程可忽視碳含量與溫度變化狀態(tài)；動態(tài)模型則是基于吹煉終點要求的碳含量、氧含量、溫度，加以計算分析，就計算結(jié)果修正前期靜態(tài)模型，這是鋼水終點碳溫雙命中的關(guān)鍵所在。工業(yè)爐冶金模型軟件功能包含著作業(yè)計劃執(zhí)行的整個流程，具備所需的全部功能，具體即冶煉爐次跟蹤、目標(biāo)溫度與熱平衡計算、吹煉控制、耗氧量與冷卻劑計算、動態(tài)矯正、自學(xué)習(xí)等等，而模型通過計算與冶煉信息，生產(chǎn)吹煉表、加料表、底吹表、副槍測量表，從而傳輸于L1級實現(xiàn)執(zhí)行控制。

5)動態(tài)與自動加料控制

在工業(yè)爐動態(tài)化調(diào)料調(diào)試時，很容易發(fā)生動態(tài)加料量計算準(zhǔn)確，但未按時傳輸于一級執(zhí)行，或一級動態(tài)調(diào)料執(zhí)行不到位，或二級與一級調(diào)試控制時間配合欠佳等不良現(xiàn)象。以動態(tài)加料二級程序控制與一級動態(tài)加料控制程序控制優(yōu)化改進，有效解決動態(tài)加料相關(guān)問題，實現(xiàn)終點適度動態(tài)化調(diào)整，從而滿足自動化控制模型煉鋼需要[9]。

自動加料的關(guān)鍵在于機械設(shè)備、稱重檢測系統(tǒng)穩(wěn)定性，工業(yè)爐料倉與料種響應(yīng)換倉匹配與可修正性，工業(yè)爐加料累計計料時機點，一稱雙料計量的精確性，計料時機點和模型計算要求等相關(guān)問題?；诙x模型加料物料編碼、料種與重量之間的相對應(yīng)關(guān)系，基于料種編碼作為唯一標(biāo)識實現(xiàn)接口通信，切實解決料倉料種動態(tài)加料的問題。以明確落差值變量，構(gòu)建迭代關(guān)系的方法，手動化設(shè)置落差值，以此解決模型加料時滑料的誤差。在加料執(zhí)行時，就實際情況開啟給料機，按照快振-慢振-停振的順序，進行精確化加料。

6)LT除塵與煤氣回收控制

工業(yè)爐煤氣干式回收系統(tǒng)可有效減少水能與電能消耗。工業(yè)爐煤氣回收量與蒸汽回收量是實現(xiàn)工業(yè)爐工序低能耗或者負能耗的關(guān)鍵所在，所以為實現(xiàn)煉鋼節(jié)能目標(biāo)，需提升煤氣與蒸汽回收量、品質(zhì)，并高效合理利用所回收蒸汽。LT除塵與煤氣回收控制系統(tǒng)具體劃分為三個回路，即蒸發(fā)冷卻器溫度控制、風(fēng)機壓力與流量控制、切換站氣體成分控制、轉(zhuǎn)速控制等等。在控制系統(tǒng)中，其關(guān)鍵在于靜電除塵器控制，負責(zé)火花跟蹤控制、間歇供電、反電暈檢測、峰值跟蹤控制一級保護控制。根據(jù)設(shè)定程序調(diào)節(jié)電壓電流，從而充分發(fā)揮最大電流效率，保障生產(chǎn)安全性與可靠性。

7)余熱全自動補水控制

汽包三沖量補水無法最大程度上滿足工業(yè)爐余熱系統(tǒng)需求，且汽包穩(wěn)壓性能與安全性能較差，就實際情況執(zhí)行全新汽包補水方式，即在煉鋼特殊性的條件下，選擇時間段控制以滿足冶煉各個時期汽包給水量與蒸發(fā)量需求，也就是基于工業(yè)爐吹煉過程中不同周期與狀態(tài)，選擇定時定期補水方式開展，即劃分吹煉周期為多時間段，其中各段時間長度可就實際需求實時設(shè)定調(diào)整，在不同時間段內(nèi)給水泵以不同頻率設(shè)定值面向汽包供水，以滿足汽包給水量相關(guān)要求。此補水方式在很大程度上避免了汽包液位大面積波動，使得汽包液位穩(wěn)定于正常液位，保障了煉鋼過程中汽包壓力的穩(wěn)定性，并有效防止了工業(yè)爐由于汽包液位檢測不準(zhǔn)確導(dǎo)致的聯(lián)鎖提槍現(xiàn)象，也切實節(jié)省了實際操作時間，此外此補水方式具備較高的自動化水平，運行穩(wěn)定性比較高，還有效降低了系統(tǒng)耗水量與相關(guān)成本。

2 系統(tǒng)運行效果

工業(yè)爐L1級與L2級自動化控制系統(tǒng)應(yīng)用，不僅可顯著延長爐使用壽命，減少耐材整體消耗，還可切實合理利用生產(chǎn)工藝中的不平衡，節(jié)約故障處理時間約98%，同時可為企業(yè)帶來良好經(jīng)濟效益，改善人類生存生態(tài)環(huán)境，應(yīng)用前景十分廣闊。

靜態(tài)模型與動態(tài)模型煉鋼運行穩(wěn)定性與可靠性較高，相較于傳統(tǒng)煉鋼方法，一次性拉碳與終點溫度命中率實現(xiàn)了顯著提升，高達90%，有效降低了煉鋼成本，減少了原料與氧消耗，節(jié)省了冶煉時間，延長了工業(yè)爐內(nèi)襯的使用壽命，減少了爐渣內(nèi)的鐵含量，脫磷效果良好，且集成了煉鋼時的快速測量、智能計算、快速動作，可謂是煉鋼工藝智能化控制的技術(shù)性改革。

3 結(jié) 論

綜上所述，本文以計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為載體設(shè)計了脫磷工業(yè)爐過程控制系統(tǒng)，并對其運行效果進行了深入探究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，控制系統(tǒng)運行效果較好，L1級基礎(chǔ)自動化控制穩(wěn)定性與可靠性較高，L2級過程自動化控制計算準(zhǔn)確性與及時性良好，真正意義上實現(xiàn)了從傳統(tǒng)經(jīng)驗煉鋼轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)爐模型智能煉鋼的發(fā)展，進而有效提高了工業(yè)爐冶煉終點命中率；靜態(tài)模型與動態(tài)模型煉鋼運行穩(wěn)定性與可靠性較高，一次性拉碳與終點溫度命中率實現(xiàn)了顯著提升，高達90%，有效降低了煉鋼成本，減少了原料與氧消耗，節(jié)省了冶煉時間，延長了工業(yè)爐內(nèi)襯的使用壽命，減少了爐渣內(nèi)的鐵含量，脫磷效果良好，且集成了煉鋼時的快速測量、智能計算、快速動作。