馬國正

（天津天鐵冶金集團(tuán)第一煉鐵廠，河北涉縣 056404）

天鐵燒結(jié)二級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

馬國正

（天津天鐵冶金集團(tuán)第一煉鐵廠，河北涉縣 056404）

敘述了天鐵燒結(jié)二級(jí)控制系統(tǒng)的組成和基本功能，針對(duì)燒結(jié)配料成分、混合料加水量波動(dòng)大，控制精度低及燒結(jié)過程大滯后等問題，通過建立數(shù)據(jù)庫、采用時(shí)序跟蹤預(yù)測相結(jié)合等方法提高了系統(tǒng)控制精準(zhǔn)度，解決了燒結(jié)過程連續(xù)性和自動(dòng)控制滯后的矛盾。該系統(tǒng)自投入運(yùn)行后穩(wěn)定使用率達(dá)到97.9%，燒結(jié)各項(xiàng)指標(biāo)明顯提升，降低了能耗和人工成本費(fèi)，達(dá)到了企業(yè)提質(zhì)降耗的目的。

燒結(jié)；二級(jí)系統(tǒng)；自動(dòng)控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

1 引言

天鐵煉鐵廠400m2燒結(jié)機(jī)系統(tǒng)以PLC為核心，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)、視頻等技術(shù)，構(gòu)建了集生產(chǎn)操作、遠(yuǎn)程管理與監(jiān)控為主的管控一體化體系，極大地提高了生產(chǎn)效率。隨著技術(shù)的發(fā)展，為進(jìn)一步提高企業(yè)信息化水平和管理水平，在原管控一體化的基礎(chǔ)上重點(diǎn)開發(fā)了生產(chǎn)過程模糊控制和人工智能控制等技術(shù)，將燒結(jié)的配料、混合加水、物料平衡及燒結(jié)過程的工藝參數(shù)優(yōu)化，使燒結(jié)塊礦的生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)了全面控制功能。不僅提高了燒結(jié)礦的產(chǎn)量和質(zhì)量，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了減員增效，降低工序能耗，節(jié)約成本的目的。

2 系統(tǒng)組成和基本功能

2.1 系統(tǒng)組成

二級(jí)系統(tǒng)設(shè)有2臺(tái)計(jì)算機(jī)，一臺(tái)計(jì)算機(jī)使用OPC協(xié)議和一級(jí)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)通訊，通過一級(jí)計(jì)算機(jī)讀取現(xiàn)場數(shù)據(jù)和下達(dá)控制命令，計(jì)算機(jī)把讀取到的數(shù)據(jù)存放到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫中。同時(shí)把各種化驗(yàn)數(shù)據(jù)和人工輸入數(shù)據(jù)也錄入到數(shù)據(jù)庫中，系統(tǒng)中的各種模型根據(jù)大量歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)建立強(qiáng)大的專家數(shù)據(jù)庫[1]。使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制理論等方法得出最佳操作參數(shù)，從而達(dá)到燒結(jié)生產(chǎn)過程全部受控。一級(jí)系統(tǒng)享有控制優(yōu)先權(quán)，二級(jí)系統(tǒng)運(yùn)行異?；虺霈F(xiàn)故障時(shí)可無擾切換到一級(jí)系統(tǒng)，由一級(jí)系統(tǒng)直接控制設(shè)備運(yùn)行。二級(jí)系統(tǒng)可以和廠級(jí)EMS系統(tǒng)相連，把數(shù)據(jù)送到廠級(jí)三級(jí)系統(tǒng)以供生產(chǎn)決策。

2.2 系統(tǒng)基本功能

（1）利用數(shù)據(jù)庫對(duì)重要的工藝參數(shù)進(jìn)行收集處理和儲(chǔ)存[1]。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集程序循環(huán)采集一級(jí)檢測設(shè)備檢測到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并用事件編程將這些數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。在線分析系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際控制電路、檢測信號(hào)采集、專家模型和歷史數(shù)據(jù)建立的數(shù)據(jù)知識(shí)庫進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了在線自動(dòng)分析，并將分析結(jié)果存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，由服務(wù)器向生產(chǎn)操作系統(tǒng)發(fā)出指令，同時(shí)通過人機(jī)界面（HMI）傳輸?shù)街骺厥?，供操作人員參考。

（2）工藝數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話并建立了故障信息共享平臺(tái)。將故障報(bào)警、生產(chǎn)工藝參數(shù)及歷史數(shù)據(jù)等采用圖表的形式直觀顯示，通過網(wǎng)絡(luò)在每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)和維修班組的計(jì)算機(jī)上都可以查詢故障信息、各種生產(chǎn)工藝參數(shù)數(shù)據(jù)和歷史曲線，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性，縮短了故障處理時(shí)間，使整個(gè)生產(chǎn)過程處于受控狀態(tài)。

3 存在問題和相應(yīng)改進(jìn)措施

3.1 燒結(jié)配料優(yōu)化控制

傳統(tǒng)的PLC控制技術(shù)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)燒結(jié)過程自動(dòng)化，但是在優(yōu)化原料配比方面，主要還是靠人工經(jīng)驗(yàn)來操作，難以做到精準(zhǔn)和穩(wěn)定。本廠含鐵原料的品種比較多，每種料每批次的量較少，導(dǎo)致混合料的成分變化過于頻繁，同時(shí)由于配料過程大滯后的特點(diǎn)，使得系統(tǒng)投入初期整個(gè)生產(chǎn)過程波動(dòng)較大，嚴(yán)重影響了二級(jí)控制系統(tǒng)功能和生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。

經(jīng)過對(duì)其他鋼廠的實(shí)地考察和學(xué)習(xí)，結(jié)合我廠實(shí)際生產(chǎn)情況，對(duì)進(jìn)場的各種含鐵原料和配料階段的工作做了相應(yīng)調(diào)整，力求原燃料上料組織階段在一個(gè)比較長的時(shí)間段內(nèi)使混合料成分不發(fā)生大的變化。

二級(jí)系統(tǒng)控制上采用了數(shù)據(jù)庫、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測和時(shí)序跟蹤預(yù)測相結(jié)合的技術(shù)，建立燃料-返礦及粉塵優(yōu)化規(guī)則[1]，利用燒結(jié)礦成分預(yù)測與實(shí)際結(jié)果的偏差進(jìn)行反饋修正。系統(tǒng)把燒結(jié)工藝過程中使用的原料品種、成分、成品礦成分記錄到數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中，完成對(duì)新增原料化驗(yàn)成分的實(shí)時(shí)錄入及預(yù)計(jì)變更、成品礦成分的實(shí)時(shí)錄入及處理以及配方的預(yù)計(jì)變更。當(dāng)輸入新的記錄時(shí)，系統(tǒng)能發(fā)現(xiàn)新記錄并通知相關(guān)程序，比如通知配比計(jì)算模型重新計(jì)算原料配比，優(yōu)化配料模型后系統(tǒng)自動(dòng)篩選最佳配比方案，同時(shí)根據(jù)此方案得出一個(gè)成品礦化學(xué)成分的預(yù)測結(jié)果，并自動(dòng)同成品礦實(shí)際的化驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較后，計(jì)算機(jī)根據(jù)預(yù)測結(jié)果和實(shí)際化驗(yàn)結(jié)果的偏差進(jìn)行PID計(jì)算，自動(dòng)修正原料配比方案，如果原料成分發(fā)生大的變化時(shí)，必須根據(jù)原料化驗(yàn)數(shù)據(jù)，重新人工輸入原料成分，由系統(tǒng)自動(dòng)重新計(jì)算最佳配比。其優(yōu)化配料模型關(guān)聯(lián)圖見圖1。

圖1 優(yōu)化配料模型關(guān)聯(lián)圖

3.2 混合料加水優(yōu)化控制

目前絕大多數(shù)鋼廠都采用紅外線水分儀來檢測燒結(jié)混合料中的水分。紅外水分儀對(duì)顏色、空氣中的水蒸氣和外界光源比較敏感。若原料組成有變化會(huì)造成原料料面顏色的變化，從而導(dǎo)致對(duì)混合料水分檢測的誤差。其次，水蒸氣中水分子的波長非常接近于混合料中水分的波長，會(huì)干擾水分儀的測量精度。另外，第一煉鐵廠由于生產(chǎn)和節(jié)能降耗的原因在混合機(jī)加水階段除了添加清水，還要往混合料中添加鋼泥水。鋼泥是煉鋼工藝的副產(chǎn)物，成分較為復(fù)雜，其濃度、流量也難以做到精確控制，導(dǎo)致用于燒結(jié)生產(chǎn)的混合料成分變化比較頻繁且水分控制的滯后性比較嚴(yán)重。為此采取了一系列改進(jìn)措施：第一、在配料階段盡量長時(shí)間保持混合料成分的穩(wěn)定，保證了料面顏色在一定時(shí)間段基本一致；第二，在水分儀上加防護(hù)罩和壓縮空氣吹掃裝置，防護(hù)罩有效阻斷了外部光源對(duì)水分儀的干擾，而吹掃裝置將水分儀周圍的水蒸氣吹散，減少了水蒸氣對(duì)水分儀的影響；第三，原來利用電磁流量計(jì)來控制鋼泥水的流量，鋼泥水對(duì)電磁流量計(jì)的沖刷磨損相當(dāng)嚴(yán)重，每兩個(gè)月就要更換一臺(tái)電磁流量計(jì)。由于鋼泥中含有大量的金屬顆粒物以及其他雜質(zhì)，超聲波流量計(jì)也無法準(zhǔn)確測量，經(jīng)過多次試驗(yàn)，最后采用了變頻泵對(duì)來控制鋼泥水的加入量，取得了很好的效果。

通過以上措施，有效克服了混合料水分大范圍波動(dòng)的現(xiàn)象。水分的精細(xì)調(diào)整則由二級(jí)系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)出現(xiàn)水分誤差時(shí)，采用了反饋修正，直接在一級(jí)或二級(jí)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)水分率進(jìn)行適當(dāng)修正，就可對(duì)現(xiàn)場的水分儀做水分遷移來解決。對(duì)于水分率的自適應(yīng)控制，借鑒了其他鋼廠燒結(jié)專家系統(tǒng)中混合料水分模型控制方法來完成。即根據(jù)大量歷史數(shù)據(jù)建立軟測量模型，不斷優(yōu)化、修正得到最新的入筒水分率（原始水分率），然后通過模糊算法控制加水量。混合加水監(jiān)控和操作界面截圖和一次、二次混合加水曲線見圖2。

圖2 混合加水監(jiān)控和操作界面截圖

針對(duì)水分控制滯后性，現(xiàn)在二級(jí)控制系統(tǒng)采用OPC訂閱方式采集數(shù)據(jù)，使用多線程技術(shù)，充分利用PLC的掃描高速性和服務(wù)器存儲(chǔ)量大，運(yùn)算性能高的特點(diǎn)，改變了以往數(shù)據(jù)交換都采用查詢的方式，提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率，減緩了加水控制的滯后。

3.3 物料平衡控制

混合料平衡自動(dòng)控制系統(tǒng)為燒結(jié)生產(chǎn)自動(dòng)控制的重要一環(huán)。其核心目的就是控制好燒結(jié)機(jī)泥輥礦槽的料位（1/3～2/3），保證上料量及燒結(jié)過程的穩(wěn)定維持。當(dāng)料位計(jì)顯示泥輥礦槽中的料位低于下限時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將信號(hào)反饋到配料，通過用料量計(jì)算出應(yīng)加的混合料量，自動(dòng)計(jì)算生成配料各個(gè)料種應(yīng)增加的量，并通過信號(hào)控制配料稱重系統(tǒng)自動(dòng)完成各個(gè)料種配加工作。人工只需要定期加以校核調(diào)整即可。

配料系統(tǒng)的控制分為自動(dòng)和手動(dòng)控制兩種方式。這兩種控制方式以互鎖關(guān)系存在，即當(dāng)系統(tǒng)控制切換為其中一種控制時(shí)，另一種控制方式便在邏輯上被鎖定。系統(tǒng)中的每一臺(tái)設(shè)備之間都是互相連鎖的狀態(tài)，當(dāng)某一臺(tái)設(shè)備發(fā)生故障停機(jī)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)PLC的預(yù)先設(shè)置進(jìn)行停機(jī)操作。故障設(shè)備之前的設(shè)備立即停車，避免繼續(xù)來料積壓在故障設(shè)備上，后面的設(shè)備依照從前往后的順序依次停車，將設(shè)備上的余料繼續(xù)輸送至下游的料倉，以減小設(shè)備啟動(dòng)負(fù)載。

天鐵燒結(jié)廠配料室共有17個(gè)料倉，利用圓盤給料機(jī)進(jìn)行配料，每臺(tái)圓盤給料機(jī)均由變頻器控制。下設(shè)配料秤，其精度達(dá)到≤±0.5‰FS；料倉稱重料位計(jì)采用德國賽多利斯稱重傳感器，精度達(dá)到≤±1‰FS。配料秤具有檢測瞬時(shí)流量、累積流量等功能。生產(chǎn)過程中，二級(jí)控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)生產(chǎn)情況給出一個(gè)目標(biāo)值，系統(tǒng)將配料秤提供的實(shí)際瞬時(shí)流量與目標(biāo)值進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果反饋到控制系統(tǒng)，由變頻器控制圓盤給料機(jī)的速度。同時(shí)每隔5 s，配料秤會(huì)將單位時(shí)間內(nèi)實(shí)際檢測的累積流量值反饋給系統(tǒng)，與目標(biāo)設(shè)定值進(jìn)行比較調(diào)節(jié)，從而達(dá)到配料系統(tǒng)的總體穩(wěn)定性。為了進(jìn)一步提高配料的精確度，二級(jí)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)采用了延時(shí)采集法。即每臺(tái)配料稱的瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)采集時(shí)間都比前一臺(tái)稱延遲5 s[2]，使得在一個(gè)下料周期內(nèi)，只要配料的總數(shù)不發(fā)生變化，就會(huì)準(zhǔn)確跟蹤各種不同料種的配比，實(shí)現(xiàn)精確配料的目的。另外，我廠模仿專家系統(tǒng)，給操作相關(guān)的工藝值一個(gè)極限值，一級(jí)檢測系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)和計(jì)算的工藝值被收錄到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中以后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，如果發(fā)現(xiàn)某一個(gè)數(shù)據(jù)超出了極限值，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警，并將其發(fā)送到日志記錄中，并通過人機(jī)接口（HMI）供操作人員瀏覽[1]。

3.4 燒結(jié)過程優(yōu)化控制

天鐵二級(jí)系統(tǒng)的燒結(jié)過程優(yōu)化控制環(huán)節(jié)主要包括透氣性計(jì)算模型、燒結(jié)機(jī)參數(shù)的動(dòng)態(tài)跟蹤、BTP控制模型、燒結(jié)橫向厚度控制。系統(tǒng)剛投入生產(chǎn)，基本能完成整個(gè)過程的自動(dòng)操作，但是對(duì)于系統(tǒng)燒結(jié)BTP的判斷始終存在一定的誤差。經(jīng)過反復(fù)的生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，主要問題是我們只在燒結(jié)機(jī)最后3個(gè)風(fēng)箱設(shè)置測溫點(diǎn)來檢測廢棄溫度，而且測溫元件安裝在小格平臺(tái)這一層的風(fēng)箱彎管上，距離燒結(jié)機(jī)臺(tái)車距離較遠(yuǎn)，由于人員差異、設(shè)備老舊等原因，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)料面不均勻和系統(tǒng)漏風(fēng)等情況，致使廢氣溫度測定值和實(shí)際值存在偏差，從而影響到二級(jí)系統(tǒng)對(duì)燒結(jié)終點(diǎn)的判斷失真。

為了使溫度檢測更接近于實(shí)際溫度，首先將用于測溫的熱電偶安裝位置上移，安裝在距離臺(tái)車底面30cm處，使測溫點(diǎn)更接近燃燒的燒結(jié)礦，提高了測量值的準(zhǔn)確性。同時(shí)在所有風(fēng)箱設(shè)置測溫點(diǎn)，其中后面9個(gè)風(fēng)箱上面，每個(gè)風(fēng)箱設(shè)置6個(gè)測溫點(diǎn)(其數(shù)量與輔門數(shù)量一一對(duì)應(yīng))，且均勻分布，測溫點(diǎn)形成一個(gè)矩陣模型，如圖3所示。

圖3 風(fēng)箱溫度檢測示意圖

后面9個(gè)風(fēng)箱的溫度變化通過溫度點(diǎn)矩陣形成橫向燒透點(diǎn)曲線，來判斷燒透點(diǎn)，進(jìn)一步提高了測量值的精確程度。安裝在風(fēng)箱上的熱電偶將料溫信號(hào)傳送至系統(tǒng)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫根據(jù)料溫信號(hào)判斷燒結(jié)BTP。同時(shí)通過PLC將判斷結(jié)果傳送到燒結(jié)機(jī)主輔料門控制系統(tǒng)，主輔料門控制系統(tǒng)下達(dá)調(diào)整命令。如果是整體燒透點(diǎn)提前，則通過提高機(jī)速或提高料層來解決；若滯后，則要通過控制燒結(jié)機(jī)主料門進(jìn)行控制，降低機(jī)速或降低料層來解決。如果是燒結(jié)機(jī)臺(tái)車橫向有燒透點(diǎn)不均勻的情況，則要通過控制相應(yīng)輔料門進(jìn)行控制。為了使料門的開度更為精確、故障率更低，將以前的電動(dòng)調(diào)節(jié)裝置更換為控制精度更高的液壓控制系統(tǒng)。液壓控制系統(tǒng)控制精度高，反應(yīng)靈敏，有效地解決了燒結(jié)機(jī)上料面的平整度和橫向松緊度的問題。

由于燒結(jié)過程的連續(xù)性和大滯后特點(diǎn)，如果只是一味地通過調(diào)節(jié)機(jī)速和料門開度，勢必會(huì)影響到后續(xù)的正常生產(chǎn)。因此機(jī)速、BTP、料門開度、料面高度、泥輥礦倉料面等信號(hào)組成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，同時(shí)該閉環(huán)系統(tǒng)又和整個(gè)上料系統(tǒng)、水分控制系統(tǒng)、燃料控制系統(tǒng)組成一個(gè)大閉環(huán)[3]。二級(jí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)燒結(jié)數(shù)據(jù)跟蹤模型和歷史數(shù)據(jù)，分析溫度變化曲線，得出一個(gè)燒透時(shí)間的預(yù)測值，然后通過BTP控制模型和燒結(jié)過程狀態(tài)的診斷來控制燒結(jié)機(jī)的速度，并給上一級(jí)生產(chǎn)控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，保證泥輥及鋪底料礦倉的料位始終保持在合理范圍內(nèi)。

4 應(yīng)用效果

天鐵第一煉鐵廠對(duì)自動(dòng)控制二級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)后，系統(tǒng)的穩(wěn)定性使用率達(dá)到了97.9%，并使燒結(jié)礦的成本每噸降低2.23元，使用前后生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比情況見表1。

5 結(jié)束語

通過數(shù)據(jù)庫及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測等技術(shù)應(yīng)用，建立燃料-返礦及粉塵優(yōu)化規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)配料優(yōu)化控制。采用前反饋加串級(jí)調(diào)節(jié)修正水分誤差等方法控制混合料加水量，利用數(shù)據(jù)庫對(duì)燒結(jié)生產(chǎn)指標(biāo)進(jìn)行挖潛，獲得工藝參數(shù)的最佳區(qū)間，使得指標(biāo)參數(shù)以最大概率落入理想?yún)^(qū)間中，然后用最佳區(qū)間來控制燒結(jié)過程。系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來，燒結(jié)各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)得以提升，有效節(jié)約了人工成本，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)的清潔生產(chǎn),促進(jìn)了集團(tuán)公司提質(zhì)降耗活動(dòng)的深入開展。

表1 400m2燒結(jié)機(jī)使用系統(tǒng)前后生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

[1] 宋正中.專家系統(tǒng)在燒結(jié)工藝中的應(yīng)用[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2007（22）：204-205.

[2] 公維娥，張新寧，田美．265 m2燒結(jié)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的三電一體化設(shè)計(jì)[J].國內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù)，2008（1）:15-16.

[3] 范曉慧，王海東，李桃，等.燒結(jié)生產(chǎn)自動(dòng)控制新技術(shù)（下）[J].燒結(jié)球團(tuán)，2002（4）:3-4.

Design and Application of Tiantie Sintering Level 2 Control System

MA Guo-zheng

(Iron-making Plant 1,Tianjin Tiantie Metallurgical Group,She County,Hebei Province056404,China)

The paper describes the constitution and basic functions of Tiantie Sintering Level 2 control system.Aiming at the problems of big fluctuation of sinter blending composition and water addition for mixing material,low control precision and long lag of sintering process,methods of establishing database and adopting time sequence tracking prediction were taken to improve system control precision and remove contradiction between the continuity and automation control lag of sintering process.The availability of the system after being putting into operation reached 97.9%and all indices of sintering remarkably went up.Energy consumption and labour cost were lowered and the goal that the enterprise improved quality and lowered consumption was hit.

sinter;level 2 system;automatic control system;design;application

10.3969/j.issn.1006-110X.2014.03.007

2014-01-01

2014-01-25

馬國正（1978—），男，工程師，主要從事冶金控制技術(shù)管理工作。