李詩京  周衛(wèi)

(中鋼設(shè)備有限公司北京100080)

【摘要】介紹了燒結(jié)智能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括配料計(jì)算模型、堿度控制模型、終點(diǎn)控制模型、點(diǎn)火模型等。應(yīng)用后極大的提高了燒結(jié)過程自動(dòng)化和智能化水平，減少了人員配置，實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)礦的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和生產(chǎn)過程的低能耗。

【關(guān)鍵詞】智能控制系統(tǒng)；燒結(jié)機(jī)；自動(dòng)化

1國內(nèi)外燒結(jié)專家系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

國外有許多先進(jìn)的智能控制系統(tǒng)在燒結(jié)領(lǐng)域成功應(yīng)用。最有代表性的是日本和芬蘭。日本川 崎鋼鐵公司千葉廠于1980年研制了操作指導(dǎo)系統(tǒng)(OGS)并將其用于控制燒結(jié)過程。川崎水島廠開發(fā)的診斷型專家系統(tǒng)由終點(diǎn)控制、設(shè)備保護(hù)和產(chǎn)質(zhì)量控制功能構(gòu)成。芬蘭羅德駱基燒結(jié)專家系統(tǒng)的成功應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)生產(chǎn)的智能化。

國內(nèi)一些高校在燒結(jié)專家系統(tǒng)方面也做了很多工作,還有一些重點(diǎn)企業(yè)也做了很多研究工作。包括燒結(jié)礦化學(xué)成分控制、燒結(jié)過程透氣性控制、燒結(jié)過程熱狀態(tài)控制和異常狀態(tài)診斷等專家系統(tǒng)逐步得到了成功應(yīng)用。但是該系統(tǒng)還是存在與客戶需求、生產(chǎn)工況、裝備現(xiàn)狀脫節(jié)的一系列問題。

2燒結(jié)智能控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型介紹

本系統(tǒng)是立足于鋼廠生產(chǎn)實(shí)踐自主研發(fā)的,并且具有自主知識產(chǎn)權(quán)。系統(tǒng)功能框架如圖1所示。軟件平臺是針對燒結(jié)一級的施耐德PLC系統(tǒng)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性及更好完成模型計(jì)算而設(shè)計(jì)的。軟件體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本系統(tǒng)主要是根據(jù)燒結(jié)生產(chǎn)過程，建立數(shù)學(xué)模型對其進(jìn)行控制。各功能塊具體介紹如下。

2.1配料計(jì)算模型

行業(yè)現(xiàn)行配料方法采用的是人工計(jì)算方法, 需要進(jìn)行反復(fù)的驗(yàn)算，計(jì)算量大,計(jì)算過程復(fù)雜, 計(jì)算精度也不能滿足現(xiàn)代燒結(jié)生產(chǎn)的需要;而且配料過程很少考慮成本最優(yōu)的問題。而該模型主要依據(jù)的是物料平衡原理，根據(jù)燒結(jié)礦的目標(biāo)成分和目標(biāo)產(chǎn)量，在限定的料種使用范圍內(nèi)，求出各種原料使用的最優(yōu)配比。

實(shí)現(xiàn)目標(biāo)是根據(jù)原燃料的成分及配料目標(biāo)采用線性規(guī)劃方法進(jìn)行計(jì)算，給出滿足目標(biāo)成分和成本最優(yōu)的混合料配比,實(shí)現(xiàn)燒結(jié)過程的優(yōu)化配料。減少了人為計(jì)算的不確定性，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。

2.2堿度控制模型

首次配料根據(jù)原料成分，計(jì)算出滿足目標(biāo)的原料配比。在生產(chǎn)過程中對成品礦的檢化驗(yàn)信息進(jìn)行跟蹤，當(dāng)檢測結(jié)果與配料目標(biāo)R發(fā)生偏差時(shí)候,對配料的目標(biāo)R進(jìn)行修正。修正量ΔR_Re根據(jù)偏差大小決定，分多種情況進(jìn)行控制。

(1) ΔR>0.05,做二分之一調(diào)整。

(2)0.03<ΔR<0.05，做三分之一調(diào)整。

(3 )0.02<ΔR<0.03，連續(xù)三點(diǎn),取均值做三分之—調(diào)整。

(4)ΔR<0.03,連續(xù)4點(diǎn)，取均值做四分之一調(diào)整。

模型自動(dòng)計(jì)算出熔劑配比的修正值，并通過一級粉塵下料模型改變下料量；最終實(shí)現(xiàn)燒結(jié)礦堿度的自動(dòng)控制。

2.3總料量控制模型

小礦槽是燒結(jié)整個(gè)生產(chǎn)流程的緩沖環(huán)節(jié)，對于調(diào)整生產(chǎn)節(jié)奏,起著至關(guān)重要的作用，小礦槽料位變化受多方面因素影響，其中包括配料量、泥輥系數(shù)、燒結(jié)機(jī)速度等工藝參數(shù)。通過對這一環(huán)節(jié)的合理調(diào)控，可以保證燒結(jié)過程的連續(xù)穩(wěn)定。

小礦槽料位控制是燒結(jié)過程控制中的難點(diǎn)，受進(jìn)料、出料兩方面不確定因素影響成非線性變化；同時(shí)料量調(diào)節(jié)又存在滯后的特點(diǎn)。因此，多數(shù)情況采用手動(dòng)調(diào)整總料量的方式。此模型實(shí)時(shí)跟蹤小礦槽料位的變化率,綜合考慮機(jī)速、料厚等影響燒結(jié)機(jī)吃料的各種因素，合理計(jì)算總的上料量。實(shí)現(xiàn)目標(biāo)是合理控制總的上料量，保持生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

2.4返礦控制模型

返礦控制的指導(dǎo)思想是“多有多用、少有少用”。

B = RA/RE

式中:B —衡系數(shù)；

RA——篩分后所得返礦；

RE——加入混和料的返礦。

生產(chǎn)平衡時(shí)B=1,根據(jù)實(shí)際工況的基本返礦率RF_Ration和燒損，計(jì)算出實(shí)際返礦配比RF_Ration_SM,根據(jù)返礦倉位調(diào)整返礦配比。

實(shí)現(xiàn)目標(biāo)：根據(jù)返礦率和返礦倉位實(shí)現(xiàn)了返礦的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)生產(chǎn)過程中返礦的動(dòng)態(tài)平衡。

2.5點(diǎn)火控制模型

點(diǎn)火模型是通過合理控制空、煤氣流量，保證合適的點(diǎn)火溫度和點(diǎn)火強(qiáng)度，滿足燒結(jié)生產(chǎn)的要求。綜合考慮機(jī)速、煤氣熱值等因素，通過合理控制空煤氣流量實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火過程的智能化。

系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)在操作人員給定目標(biāo)點(diǎn)火溫度和目標(biāo)點(diǎn)火強(qiáng)度的條件下，自動(dòng)調(diào)節(jié)過剩系數(shù)，滿足點(diǎn)火溫度要求；同比例調(diào)節(jié)空、煤氣流量，保證點(diǎn)火強(qiáng)度的要求，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火過程的智能控制。在滿足生產(chǎn)要求的同時(shí)，最大限度的節(jié)省煤氣用量,為企業(yè)創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

2.6終點(diǎn)控制模型

該模型主要是實(shí)現(xiàn)如何準(zhǔn)確判斷燒結(jié)終點(diǎn)(BTP)和溫度上升點(diǎn)(BRP),并合理控制燒結(jié)終點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)機(jī)的智能控制，穩(wěn)定生產(chǎn)以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。此處采用對廢氣溫度進(jìn)行曲線回歸擬和的辦法進(jìn)行分析。曲線擬和效果如圖3所示，由燒結(jié)工藝?yán)碚摽芍篨₁點(diǎn)對應(yīng)燃燒帶前沿接近臺車蓖條的位置，而X₂點(diǎn)對應(yīng)燃燒帶最高溫度抵達(dá)臺車蓖條的位置,燃燒過程即將完成。

圖3中的X₁就是溫度上升點(diǎn)BRP,X₂就燒結(jié)終點(diǎn) BTP。

實(shí)現(xiàn)目標(biāo)是通過對廢氣溫度場的分析，進(jìn)行曲線擬和，實(shí)現(xiàn)了 BRP和BTP準(zhǔn)確判斷，合理而準(zhǔn)確的控制燒結(jié)終點(diǎn)的位置和溫度，穩(wěn)定了燒結(jié)生產(chǎn)過程,使終點(diǎn)的穩(wěn)定率大大提高,對提高燒結(jié)礦的產(chǎn)質(zhì)量大有裨益。

2.7終點(diǎn)偏差控制模型

該模型解決了在燒結(jié)機(jī)寬度方向上如何合理布料才能使垂直燒結(jié)速度趨于一致的問題，合理布料會(huì)消除臺車寬度方向上終點(diǎn)(BTP)位置的偏差。

造成BTP偏差的原因是由于寬度方向上的垂直燒結(jié)速度不一致，為此對寬度方向上的垂直燒結(jié)速度進(jìn)行研究。

針對360 m²燒結(jié)機(jī),建立風(fēng)箱平面溫度場，熱電偶的詳細(xì)安裝位置為從11號風(fēng)箱開始每個(gè)風(fēng)箱裝有6個(gè)溫度測點(diǎn)，直到24號風(fēng)箱.圖4中的1~6列測點(diǎn)號,對應(yīng)由南到北的6個(gè)閘門。這樣可以對每個(gè)風(fēng)箱的溫度測量值取平均，擬和出一條曲線; 對寬度方向上的燒結(jié)情況進(jìn)行更細(xì)的研究。

具體的模型建立方法是,沿?zé)Y(jié)斷面寬度方向?qū)Y(jié)混合料床等分為M(j=l,2,…,M)個(gè)區(qū)域，并認(rèn)為燒結(jié)混合料床寬度方向上除密實(shí)度外無其它偏析,如果第j區(qū)域的垂直燒結(jié)速度為Vj,各等分區(qū)域的混合料平均垂直燒結(jié)速度是如圖5所示。

為了便于研究定義了燃燒速度一致性的指數(shù):

式中:V,—某列的燃燒速度；

V一均燃燒速度。

本模型涉及的燃燒速度一致性指數(shù)指的是臺車寬度方向上垂直燃燒速度的一致。使各列的燒結(jié)終點(diǎn)趨于同時(shí)出現(xiàn).定量給岀了燒結(jié)機(jī)寬度方向上的布料厚度,實(shí)現(xiàn)了精確合理布料，使風(fēng)量合理分布，燒結(jié)過程均勻一致，使燃燒帶同時(shí)到達(dá)臺車篦條，消除BTP位置偏差。對提高燒結(jié)礦的產(chǎn)質(zhì)量降低返礦大有益處。

2.8 FeO控制模型

燒結(jié)礦FeO含量是評價(jià)燒結(jié)生產(chǎn)的一項(xiàng)綜合指標(biāo)，也是影響高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的因素之一。降低燒結(jié)礦的FeO含量,能降低燒結(jié)能耗,改善燒結(jié)礦的還原性；但過低的FeO又會(huì)使燒結(jié)礦的強(qiáng)度指標(biāo)惡化、低溫還原粉化率提高、燒結(jié)的成品率降低。因此.確定適宜的FeO含量對燒結(jié)生產(chǎn)具有十分重要的意義。

本模型是綜合考慮影響FeO的因素，如含碳量、料厚、返礦配比等。當(dāng)最新的一個(gè)化驗(yàn)返回系統(tǒng)后,通過調(diào)整含碳量來穩(wěn)定FeO的值。

2.9成分預(yù)報(bào)模型

燒結(jié)生產(chǎn)的特點(diǎn)就是周期長、滯后性明顯。一般從配料開始到成品檢測信息出來要4~5h,如果岀現(xiàn)廢品，再進(jìn)行調(diào)整為時(shí)已晚。預(yù)報(bào)模型就是在成品檢測信息出來之前做出預(yù)報(bào)，提前做出干預(yù)，防止和降低廢品率。本模型采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖6所示，其中隱含層的個(gè)數(shù)是通過大量的數(shù)據(jù)測試后確定的。

主要實(shí)現(xiàn)的是R,FeO的預(yù)報(bào)。R預(yù)報(bào)的輸入變量是混合料中SO₂含量、混合料中CaO含量、料層厚度、主管負(fù)壓、機(jī)速。FeO預(yù)報(bào)的輸入變量是混合料含碳量、終點(diǎn)位置、料層厚度、返礦配比、終點(diǎn)溫度。

對選取的優(yōu)質(zhì)樣本進(jìn)行訓(xùn)練，得到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。然后將實(shí)時(shí)的輸入變量帶入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算預(yù)報(bào), 從而做岀人為干預(yù)防止出現(xiàn)大的波動(dòng),提高成品質(zhì)量。

2.10信息管理

信息管理部分包括報(bào)表管理、物料維護(hù)、參數(shù)修改和歷史數(shù)據(jù)查詢。報(bào)表管理實(shí)現(xiàn)了各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理，比如能源消耗、開停機(jī)率等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤。本系統(tǒng)的檢化驗(yàn)數(shù)據(jù)來自公司的三級系統(tǒng), 保證了實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性,同時(shí)也保留了手動(dòng)修改的功能。系統(tǒng)在運(yùn)行過程中各類參數(shù)是不斷優(yōu)化的，為此專門設(shè)計(jì)了參數(shù)修改界面。

3結(jié)語

整個(gè)系統(tǒng)從2015年7月開始投用，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)生產(chǎn)的智能化控制。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定率在99%以上,主要技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均達(dá)到和超過項(xiàng)目研發(fā)目標(biāo)，燒結(jié)生產(chǎn)水平得到明顯提高。燒結(jié)智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用，使生產(chǎn)操作過程更加合理、均勻、一致，避免了人為因素帶來的波動(dòng)。自從投產(chǎn)以來，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)穩(wěn)步提高。部分指標(biāo)見表1。

燒結(jié)智能控制系統(tǒng)在柳鋼360m²燒結(jié)機(jī)進(jìn)行了應(yīng)用。柳鋼燒結(jié)智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用,優(yōu)化了燒結(jié)生產(chǎn)過程，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率,降低了能耗，實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)生產(chǎn)的智能閉環(huán)控制;該系統(tǒng)的研制成功,填補(bǔ)了中鋼在燒結(jié)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的空白，提高了企業(yè)形象和競爭力;并在行業(yè)內(nèi)具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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