钢包炉精炼（LF）过程控制系统的软件架构设计及开发

朱偲

摘要：设计了一套钢包精炼炉过程控制系统，介绍了过程控制系统的技术方案和实现的功能。系统功能包括生产数据的管理、生产过程监控、报表打印、模型计算和数据通信等，以标准化流程指导生产，改善产品质量，降低生产成本。

【关键词】 过程控制 钢包炉精炼

一、引言

钢包炉精炼（LF）是优化炼钢生产的一项重要工艺技术，它不仅仅能够调控产品质量，还可以优化工艺和产品结构、开发高附加值产品、节能降耗、降低生产成本、增加效益，调节生产节奏，保证生产稳定进行。通过钢包炉精炼过程控制系统包括生产标准数据管理、生产过程监控、模型计算、生产信息收集等人機界面（HMI）、外部通讯管理。

二、过程控制系统的软件架构

本软件系统使用.NET4.0框架。开发工具选用Visual Studio 2012，后台程序和前台画面都采用Microsoft Visual C#.NET高级语言开发，数据库可以通过配置可以支持目前市场上流行的通用大型数据库，如 ORACEL 和SQL SERVER等。 系统采用C/S架构，分为表现层、逻辑处理层、数据访问层。表现层（人机界面系统）：系统的操作界面采WPF技术，并应用了MVVM设计模式，把程序的业务与展现逻辑从用户界面干净地分离开，保持程序逻辑与界面分离能够帮助解决很多开发以及设计问题，能够程序能更容易的测试，维护与升级。逻辑处理层（系统逻辑处理系统）：系统根据过程控制的不同功能，分为多个功能模块比如数据通讯模块、数据采集模块、物料跟踪模块、模型计算模块等，降低不同模块间的耦合性，使得系统功能的扩展、开发和调试等到大大提高，提高了系统的灵活性。数据访问层（数据处理访问系统）：数据访问层框架采用ORM框架中的NHibernate，Nhibernate从数据库底层来持久化.Net对象到关系型数据库，大量减少开发时人工使用SQL对ADO.NET处理数据的时间。

三、过程控制系统实现的功能

钢包炉精炼过程控制系统应包括以下功能：

1、与外部计算机系统的通讯。过程控制系统与下列系统之间网络连接介质用工业以太网，通讯协议采用TCP/IP协议Socket方式交换数据。与上级生产管理系统（3级）计算机之间通讯数据内容包括：生产计划数据、原料数据、检化验数据、生产状态信息、生产实绩数据。与基础自动化系统之间通讯，数据交换内容为生产过程数据。

2、生产计划管理。此功能模块为钢包炉精炼生产工序起始端。主要显示3级系统下发的精炼计划，由操作工选择该计划进入合适的工位进行生产，并监视当前工位的生产状态。

3、生产原料管理。此功能模块管理钢包炉生产中用到的物料种类及各种属性信息。

4、检化验数据管理。此功能模块可以根据炉次号或者精炼生产顺序号查询该炉次的检化验实绩以及自动匹配该炉次计划钢种中的成分上下限数据与检测数据进行对比来指导生产。

5、生产过程监控。此功能模块主要显示工位当前的实时数据信息。数据包括：生产事件信息、测温信息、加料信息、通电信息、化验数据等，并提供钢种标准查看、手动投料、投料值管理等功能。

6、生产实绩管理。此功能模块主要根据不同的查询条件如时间、班次、班别、炉次号、计划号、制造命令号等查询炉次生产实绩数据，并提供报表打印功能。

8、模型优化管理。模型优化管理包括二个模型应用：合金加料模型、温度预测模型。该优化工具可以作为一个独立的子系统运行，但属于二级机系统的一部分，计算所需的部分关键数据以及计算的结果由二级机系统统一调配。

1）合金加料模型。合金优化配料模型的功能为：根据当前钢水中元素实际含量，当前可用的合金料，考虑一定约束条件，采用单纯形法解决线性优化问题，计算出达到钢水目标要求的化学元素含量所要加入的合金料重量。计算结果满足钢液成分要求和成本控制。

2）温度预测模型。温度预测模型采用使用神经元网络模型预报钢水温度，步骤：1.建立神经元网络模型；2.收集样本数据；3.离线学习；4.在线应用。该模型的优点是具有自学习功能，因而能够在不同程度上反应出一些不能被检测的因素对输出的影响、使用比较方便。

结论：该系统对钢包炉精炼实现了信息化的管理，便于三级系统对生产进行系统化的管理与调配，保证数据的准确性；对生产过程进行实时监控与跟踪，方便生产人员对生产进行管理与监控；对生产过程数据进行系统化的采集与分析，以便对生产过程进行优化；采用了数学模型来计算调节钢水成分所需要添加的合金重量和预报钢水温度曲线，不仅降低了生产成本，而且提高了生产效率和产品质量，从而提高了产品在国际市场中的竞争力。

参 考 文 献

[1] 《C#高级编程（第 6版）》（美）内格尔 等编著，李铭 翻译 2008

[2] 《.NET 框架程序设计（修订版）》（美）Jeffrey Richter 著 李建忠译 2004