炼钢厂50吨转炉动态炼钢控制系统的开发与应用

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炼钢厂50吨转炉动态炼钢控制系统的开发与应用

　　摘 要：本文着重讲述了莱钢炼钢厂转炉动态炼钢控制系统，详细的介绍了转炉动态炼钢的特点、特征，并对其关键技术进行了描述。
　　关键词：计算机过程级；炉气分析；动态模型； 静态模型。
　　
　　1、引言
　　
　　近年来，计算机过程级控制冶金行业得到了广泛的应用，目前在国内的多家钢厂都在不同规模上实现了计算机控制。为了提高产品的产量和质量，扩大品种，降低成本和消耗，稳定生产工艺，在转炉上使用计算机过程控制已经成为必要。生产上采用动态炼钢以后，可以大幅度提高产量、质量，有效的优化全生产线生产过程，对于迅速提高经济效益起到立杆见影的效果。因此，炼钢厂50吨转炉进行动态炼钢控制势在必行。
　　
　　2、系统概述
　　
　　莱钢4#转炉，为无副枪顶吹型式，年设计生产能力为50万吨，于2002年11月建成并投入使用，经过扩容改造，目前具备了80万吨的生产能力，它与大方坯连铸机构成了产能匹配的短流程生产线。
　　该转炉动态炼钢控制系统于2004年01月开始实施，运行稳定正常，能够完成动态炼钢对数据的需求。本系统主要完成实现了的生产管理，包括生产作业状况显示和传送等；并对吹炼开始、吹炼结束等状态进行跟踪；能够对相关的数据进行采集，并进行存储、记录；实现了对主料和辅料的计算及管理；实现了对废钢、生铁的配比及称量的管理；能够打印各种报表和记录；能够对转炉的作业时间进行管理；实现了与连铸机、化验室等计算机通讯。
　　
　　3、国内外现状对比分析
　　
　　为了提高产品的产量和质量，扩大品种，降低成本和消耗，稳定生产工艺，使用计算机控制生产比其他的流程更为必要，故在钢铁工业，转炉是首先使用计算机控制的机组。目前在国外转炉普遍采用了计算机控制，国内从20世纪70年代开始对转炉计算机控制进行了大量的实验研究，取得了可喜的成果。目前，国内的几家钢厂的转炉在不同的规模上实现了计算机控制。进行生产过程的计算机控制十分必要。转炉炼钢为紧凑型生产，因此引入高性能计算机控制系统是提高产量和质量的必要条件，为此我们选用了静态模型和动态模型。
　　
　　4、主要的特点、特征
　　
　　(1)基础级到计算机级数据传输程序设计：50吨转炉数据传输的控制程序通过使用西门子公司专用的编程软件STEP7，并采用LAD、CSF、STL三种灵活的方式编制而成。整套控制程序采用模块化/结构化编程方法：控制程序分为若干控制部分，每一部分的控制程序及数据分别编制在不同的FC、FB以及DB程序块中，并由主程序OB1在每次扫描周期中依次调用来实现各自的控制功能；此外，在每一个程序块中，加以详细的注释以进行说明。这种编程方法使得程序的查阅、功能的扩充及修改变得更加容易，大大增强了程序的灵活性、可读性、实用性和维护性。
　　（2）炉气分析系统通过对转炉炉气（如CO、CO2、N2、O2Ar等）进行分析，实现对冶炼进程的检测。
　　（3）数据传输控制系统中的监控系统，具有数据录入、显示、传送、自诊断/报警、历史趋势记录等功能，为动态炼钢提供了正确无误的数据和对原始数据的记录功能。
　　
　　5、关键技术
　　
　　(1)氧枪精确定位控制：
　　在转炉炼钢生产中，基础控制级的氧枪定位的精确性直接影响吹炼终点的钢水温度和碳含量，同时，对生产安全和炉龄、枪龄也有很大的影响。因此，我们将氧枪定位作为一个重点技术问题解决，硬件上采用德国TURCK增量型编码器和西门子FM450高速计数模板配合，完成氧枪位置信号的采集。定位数据的处理采用点线结合的方法，对于极限位、待吹位、开氧/闭氧位、变速位等需精确定位的关键点，采用10次往返计数值加权平均的方法，以抵消提升加速和下降加速引起的卷扬钢绳弹性形变所造成的定位误差。对于纵轴线上的枪位显示数据，则采用自动定量补偿和人工校准相结合的方法予以处理：即当氧枪提升和下降的过程中，在编码器读数的基础上，分别加或减一个补偿量，这个补偿量是对氧枪1000次往返读数与实测枪位误差的统计处理结果，用这一数据补偿，在氧枪的工作行程上，可以达到+/-2CM的定位精度，完全能够满足枪位指示的精度要求。另外，为提高系统的可靠性，通过MMI设置了枪位校准按钮，当控制误差较大时，可以把氧枪下降到校准点，按下校枪按钮进行软手动校枪，此时定位系统自动初始化，恢复设定精度。
　　枪位计算公式如下：
　　L升=（W+M-N升）×（3.1416×D）÷S
　　L降=（W+M+N降）×（3.1416×D）÷S
　　其中：
　　L升：提升过程实际枪位
　　L降：下降过程实际枪位
　　W：计数模板当前计数值
　　N升：提升过程补偿量
　　N降：下降过程补偿量
　　M：校准点初始计数读数
　　S：编码器每周脉冲数
　　D：提升装置卷扬辊直径
　　
　　（2）炉气分析系统：
　　炼钢厂四号转炉动态炼钢炉气分析系统分为三个部分，即EMG模块、SPS模块和图表站。其中EMG模块运用于DOS下，主要实现数据的分析；SPS模块运行于UNIX下，主要用来采集控制阀（气体阀）的参数；图表站用来实现气体含量的显示。
　　转炉动态炼钢系统炉气分析采用俄罗斯EMG-20-1型飞行时间质谱仪，EMG-20-1是一种时间质朴仪，专为记录炼钢转炉或其它冶炼过程所排放气体的质谱图并同时分析其中多个成分含量而设计。它属于过程质谱，能对转炉排出的烟气进行实时、连续监控，从而达到优化工作参数，对冶炼工艺和设备进行监控、管理，完善工艺过程的目的。
　　EMG-20-1质谱仪于2004年1月初开始安装。质谱仪安装在转炉的超净化房间，采用真空泵将炉气吸入质谱仪进行分析。质谱仪在气体到达后0.3S的时间内将炉气分析出来，其中包括CO、O2、CO2、H2、N2、Ar六种气体。
　　质谱仪的原理是将采集到的炉气气体样品引入电离区，通过电子撞击，电离原子和分子以形成带正电荷的离子。经过固定电势的加速电场，具有相同初始功能的离子被抛出。按照离子质荷比的不同，在无场的漂移空间离子得以分开。离子的分离依靠离子在无场漂移区的飞行时间与其质荷比的相关性。在具有相同功能的情况下较轻的离子较之较重的离子具有更高的速度并能较早到达检测器。通过质谱仪在时间刻度上的图谱记录和对这些数据的处理可以确定混合气体的成分及百分比含量。现在根据分析的CO的含量可以来指导转炉的煤气回收，根据H2的含量可以判定氧枪是否漏水。
　　飞行时间质谱仪的反射器，加长了离子的飞行时间，减少了由离子源环境引起的离子初始能量分散的问题，从而改进了分辨能力和灵敏度。在反射器中离子借助静电离子透镜折回，具有同等质量的离子的飞行时间得到校正，聚成离子束。在开始具有较高速度（能量）的离子通过了较长的飞行路线，所以和较慢的离子到达检测器的时间相同。
　　
　　（3）静态控制模型：
　　静态控制模型的主要任务是根据原料的条件寻找最佳的原料配比，并根据已知的配料确定冶炼的方案。转炉静态控制模型是转炉炼钢计算机终点控制的核心，其精度直接影响到终点钢水碳含量与温度同时命中率的高低。依据建立模型方法的不同，静态控制模型有理论型、统计型和经验型。炼钢厂50吨转炉，采用经验型，构成炉气分析终点控制静态模型。该模型建立在炉气分析数据的基础上，实现终点控制。主要终点控制的参数为：O、C、Mn、P、温度等。

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　　（4）动态控制模型：
　　转炉动态控制模型则是对静态控制模型精度的补偿。根据物料平衡、能量平衡、化学动力学、化学热力学等理论，以及炉气分析结果建立脱C速度计算模型、温度变化计算模型、其他元素变化计算模型等，采用增量校验技术和神经网络技术实现对分析结果延误的矫正和系统误差的消除，提高转炉的终点命中率。
　　动态控制模型主要由炉气定碳模块、温度预报模块、喷溅预报模块、冷却剂控制模块构成。模型的自学习、自适应功能的实现是提高模型精度和使用性的关键。根据具体方式的不同，模型对误差的处理方法大体又可分为数值处理方法和人工智能方法两类。
　　数值处理方法：T.Hara[1]将每个预测模型都表示为
　　y'=F(x)+△a
　　式中，学习项△a在每炉喷吹结束后及时学习实际数据，并预测下一炉y-F(x)值。
　　另外，还可采用动态控制模型和反馈计算模型，其中反馈模型基于炉气分析结果，分析动态模型的误差趋势，并根据相应的规则确定反馈量，从而达到调整动态模型误差的目的。
　　人工智能方法：
　　人工智能方法模拟了人类专家的思维与决策过程，它可以引进人类经验并提高模型弹性，从而弥补传统控制模型的部分缺陷和不足。
　　
　　（5）管理功能：
　　炼钢生产是物流和信息流密集的生产过程，保持物流和信息流的顺畅，是生产管理的重要环节，转炉动态炼系统为过程级控制，信息采集、处理功能强大的监控软件，为实现部分过程级控制功能提供了可能，基于这一情况，在自控系统中开发了辅助管理功能。这一功能主要侧重两个方面：
　　生产数据采集和上传：实现这一功能的基础是构建了高速的通讯网络，实现了全线数据的完整采集，然后通过网络接口上传给炼钢厂生产管理的局域网。炼钢厂4#转炉系统包括三个子系统：转炉本体子系统，转炉煤气回收子系统，转炉余热利用子系统。采集上传的数据为车间和炼钢厂两级生产管理和组织调度提供依据，也为进一步挖潜增效和优化工艺提供了支持，有效地提升了生产管理的水平。
　　操作指令记录和设备状态记录：在一个复杂系统的故障分析和责任确认中，必须有完善的原始数据记录作为依据，用于分析故障当时的现象和设备状态，找出故障的真正原因，从根本上解决问题，避免同类故障的重复，减少停机时间，这一功能的应用，间接的成果在于，随着生产的持续进行，故障会逐渐减少。
　　
　　6、结束语
　　据该系统投运近一年来的实际效果看，该动态炼钢控制系统设计合理，控制先进，功能丰富，运行安全稳定可靠，很好地完成了转炉的过程级控制，确保了生产的顺行，取得了极好的经济效益。该自控系统具有一定的自扩展、自学习功能，在本行业及其它相关行业具有很高的推广价值。进入正常的生产后，该系统仍然暴露出了一些问题，如：系统中个别设备的控制功能及网络通讯能力还需要根据生产要求做进一步修改、补充、完善。只有根据生产中的实际问题，进一步修改、完善软/硬件，以最大限度满足生产的需要，才能使系统更加趋于完美。