梅钢炼钢原料上料智能模型研究

李 宁

（宝钢股份上海梅山钢铁股份有限公司，江苏 南京 210039）

1 梅钢二炼原料输送系统

梅钢二炼原料上料系统包括副原料上料系统和铁合金上料系统。副原料上料系统为2座转炉供应冶炼造渣用散状料，该系统是指从副原料地下料仓向转炉高位料仓供料的设施。

1.1 副原料上料系统

副原料上料系统的散状料主要有活性石灰、轻烧白云石、轻烧镁球、铁矿石、污泥球、改质剂、硅石、锰矿石、增碳剂、压渣剂、钢包顶渣等11个品种，年供应副原料约为58.39万吨。除活性石灰外，所有炼钢用副原料均考虑汽车运入地下料仓，再通过G114、G115管状带式胶带输送机和G116胶带输送机等设备送入副原料高位料仓。

除活性石灰石运输采用直拨系统外，所有炼钢用副原料均考虑汽车运入副原料地下料仓，共设有13个地下料仓，其中轻烧镁球占2个料仓，污泥球占3个料仓，除增碳剂外，其余每种物料占1个料仓，剩余1个地下料仓作为备用。此外每个地下料仓上方设置一个除尘阀，当该料仓振动给料机工作时，打开对应除尘阀[1]。

1.2 钛合金上料系统

铁合金上料系统输送的物料主要有铁合金、增碳剂、冷却剂、石灰、合成渣、萤石、埋弧渣等物料，年供应铁合金约为9.3万吨，年供应LF炉所用副原料约为3.6万吨。炼钢车间内的转炉、LF炉及RH真空处理装置所用铁合金、副原料均通过汽车运入铁合金地下料仓，再经 电机振动给料机、胶带机等设备送入铁合金高位料仓。

铁合金上料系统主要由铁合金地下料仓、转运站、胶带机通廊以及铁合金高位料仓上部设施等建构筑物组成。主要设备有：电机振动给料机，胶带机，卸矿车。

2 系统现状

二炼钢原料输送上料系统自动化程度比较好，上料设备信号基本已进PLC系统，实现远程控制；高位料仓的料位经过年前升级改造，已全部更换成vega雷达物位计，并接入PLC，可以满足在画面实现量程、报警值等灵活配置和实时料位显示功能，料位计的接入使得实际仓位实时又直观，二炼钢副料系统主要包括28台料位计、小车控制以及皮带系统。

随着降本增效的压力所迫以及智能制造的技术变革，尤其在二炼钢辅料系统自动化程度较高的区域更具备智能制造的改造条件。然而在改造的过程中面临着四大技术难点：如何实现料流跟踪、料位转换、上料需求自学习以及异常处理。

针对上述问题，本文提出了一种基于plc控制系统的炼钢原料上料智能模型。首先料位传感信号反应的是实际仓位，而合理的仓位控制正是生产的需求，正印证了工业4.0中关于“价值链”的变革，即由最终用户的定制需求自动去安排设备控制和生产制造，因此可以将料位与上料系统控制相结合，通过料位吨位转换和料位自学习判断，建立上料模型系统，结合设备联动控制以及给料机根据给料量自动自学习启停控制，实现全智能上料；其次智能上料系统的实现，必须整体规划和分步实施，在分项设备自动化程度、信号精度以及系统数据稳定可靠的基础上，通过料位故障判断、上料需求自学习、自动化联动，建立上料模型，才能最终脱离人员干预，放心交给智能系统去实现。

3 料流跟踪模型

为了实时监控物料首末端所在的位置，编制了料流跟踪模块，其基本原理，是根据上游设备开启及停止时间，皮带机的走行速度和长度，对物料的首末端的位置进行实时计算，并对相关设备的起停进行联锁。为了确保安全已经对料流的走行速度留有余量，因此设置了料流清除按钮，当操作员在监视器中观察皮带机上的物料，确认物料已经输送完成，可以对皮带上的剩余料流进行清除[2]。

4 料位转换模型

本文针对料位转换问题提出了一种料位转化模型。原理如下。

根据现场料仓规格以及物料品类，进行计算吨位转换。根据料仓规格尺寸计算容积：结合料位数据判断物料所处位置的料仓形态，计算容积。通过密度和转换因子，最终计算出料仓内的物料吨位。该实时吨位、报警吨位用来指导上料需求，最终决定上料计划的自学习和下达。

吨位转换的精确可靠及稳定性，是实现智能制造的基础条件，也是智能上料的核心数据。

转换计算模型如图1所示。

图1 转换计算模型

料位计安装位置图1红色圆点出；红色线为料位计实际标尺距离（料位计到此距离7.3m），即空仓位位置，实际可能有料；考虑落料点及料堆的安息交，满仓面料位计探尺点在红圈位置，如图1（料位计到此位置距离1m）；图中的料位量程设定为0m～6.3m，即到达6.3m为满仓位。

H：0m～3.7m～6.3m：a2*b2随h而动态变化

5 上料模型

为了解决上料精度问题，本文题出了一种基于小设定量料的落差量动态修正上料模型和一种自主上料的自学习模型。

5.1 落差量动态修正上料模型

由于皮带秤距离振动给料机的位置各不相同，因此如果想实现累积的给料量与设定给料量完全一致，必须对每个料仓设置落差量，另一方面物料受天气湿度等原因，物料的密度会发生变化，因此必须对每个料仓的落差量进行修正。当设定重量与累计重量之差小于某设定阈值时，并且当前计算误差与前次计算误差之差小于某设定阈值时，以确保此次上料为正常上料，进行落差量补正。其公式为：

WEIGHT_ERR:=WEIGHT_ERR+(WEIGHT_VALUEWEIGHT_SP)/2

WEIGHT_ERR：当次计算所得落差量

WEIGHT_VALUE：当次累计量

WEIGHT_SP：设定上料量

当设定上料量小于该料仓的落差量时，则自动停止振动给料器的联锁方式，采用设定上料量除以该料仓的瞬时流量计算出振动给料器的振动时间，通过定时器自动停止振动给料器，以实现小设定量的精确上料。

5.2 上料自学习模型

根据仓位的实际信息（高低料位、吨位）、上料需求量差异、上料频率，形成上料需求的优先级别，系统根据优先顺序选择目标仓位以及目标值，进行上料动作。

高高料位、吨位：6m 吨。

高料位、吨位：5m 吨。

低料位、吨位：2m 吨。

低低料位、吨位：1m 吨。

影响优先权限的因素有：高低料位吨位、仓位存量M、炉次消耗预估M1等。智能模型优先值决定上料顺序，其动态变化，计算方法：M/M1，结合低料位报警，生成上料表（上料量、优先级）。

将一次上料过程定义为准备好上料、选定上料、启动上料（皮带启动中、小车对位中、对位成功）、上料中、上料结束，根据状态的转变，从而切换相关设备的动作，直到上料结束，将上料权限交还系统，再由系统决定下一个料仓，循环整个智能自学习上料过程。

准备好上料：相关设备准备好无故障、本料仓存在上料需求

选定上料：优先级别最高，获取上料权限

启动上料：启动上料过程，小车开始无故障走行

上料中：小车对位，给料机启振

上料结束：到达设定重量，给料机停振，料流满足给其他仓上料。

6 料位故障判定模型

料位数据的准确和稳定性，决定整个建模成功和智能上料的效果，因此料位的数据分析、故障判定尤为重要，料位故障判定失误，将影响设备控制，影响现场铺料、少料现象，甚至直接影响转炉的生产、上料节奏和人员安全。

一个正常、安全的系统，关键是对安全（设备安全、生产安全、人员安全）因素的完整设计，对异常情况的完整考虑和处理。料位故障判定有如下情形：

①PLC硬件判定通道故障；②料位信号过滤掉突变信号；③料位信号异常1：料步到达后，料位不升高，反而降低；④料位信号异常2：料步到达2分钟后，每10S内的料位（吨位）增量变化值小于10kg（参数可调）；⑤紧急模式停止。

异常处理步骤如下：

①设备联动停机；②上料状态信息（准备好上料、选定上料、启动上料、上料中、上料结束）复位处理，不影响下一次正常投用；③模式互切后的数据移位处理及状态信息复位处理；④报警信息归档；⑤自动模式及模型模式下的需求表单中的数据进行校验异常处理。

7 结束语

全智能上料系统，改变现场人员配置、优化结构调整，原来传统的操作工操作设备模式转变为检验系统模式，将设备控制全交给系统的智能化去实现，包括上料需求表、上料联动控制、给料自学习启停、预警输出及异常动作；而此时的人员工作对象则是对需求量的确认、预警切换控制以及系统异常“后处理”，不需要对设备的单联体控制及选择对位进行干预，大大减少操作强度，将原来传统的设备控制向现代化数字控制脱变。