基于计算机网络技术的脱磷工业炉过程控制系统设计

刘 挺

(西安外事学院，陕西 西安 710077)

在产品品类与质量要求逐步提升，以及成本降低需求不断提高的趋势下，迫切需要全面提升工业炉的终点控制水平，深入探究并构建工业炉终点预测评估模型与工艺参数优化模型，以保障产品质量、炼成效率、经济效益。所以，工业炉炼钢动态化智能控制技术是当前我国工业炉炼钢的主要发展趋势[1]。据此，本文以计算机网络技术为基础设计了脱磷工业炉过程智能化控制系统。

1 脱磷工业炉过程控制系统设计

1.1 工艺参数

基于计算机网络技术的脱磷工业炉过程控制系统工艺参数[2]具体见表1。

表1 系统工艺参数

1.2 网络框架

基于工艺与控制相关要求，明确工业炉过程控制系统以三级计算机加以控制[3]，其中L1级为基础自动化控制，L2级为过程自动化控制，L3级为生产管理层级MES，具体见表2。

表2 三级计算机控制系统

系统基于100 M以太网有机连接L1级电气控制站、仪表控制站、人机接口操作站与客户机、服务器、打印机等相关设备，各个设备间基于交换机实现密切关联。

L1级与L2级数据管理都是客户机服务器模式，二者间设定了网管计算机，以负责数据交换传输，而L2与L3基于网管Gateway安全传输管理数据信息。其中，MCC室、L2级服务器室、Is5com交换机共同构成控制系统内环，然后和既有工业炉L1级内环控制网实现桥接，并和系统外部工艺控制系统接入既有外环网[4]。

1.2.1 L1级基础自动化控制

L1级基础自动化控制子系统以多种PLC构成，控制站和监控站选择Server/Client模式，而服务器选用冗余模式。工业炉主体系统以冶金行业普遍应用的Rsview监控软件为载体，整体控制系统具体划分为上料、投料、氧枪倾动、本体仪表、辅机、汽化冷却、LT控制、煤气储配、供水等多个子系统[5]。

1.2.2 L2级过程自动化控制

L2级过程自动化控制子系统负责二级模型系统相关工作，而硬件系统基于TCP/IP和一级AB PLC控制系统、工业炉计划生产调度系统于各不同网段实现衔接。模型系统具体划分为8个环节，分别完成相对应的功能运算，同时下达一级执行指令，从而促使系统构成整体体系[6]，具体见图1。

图1 工业炉智能炼钢系统结构功能

1.2.3 L1级与L2级控制模型

1)氧枪全自动控制

工业炉吹炼与干法除尘最佳配合的关键在于不断探索过程中寻找PLC小流量控制与模型氧枪控制最佳切换点，以完成吹炼PLC控制氧枪，前期以小流量吹氧，从而满足干法除尘系统相关要求。

工业炉氧枪自动化、半自动化、手动间的最优化随机切换，确保基于工业炉氧枪控制安全，实现手动最大优先权，在设备与工艺同时满足自动化的前提下，氧枪自动顺利运转[7]。

工业炉冶炼达到终点温度与成分双命中自动提枪的关键在于科学合理处理运行过程中氧枪获取自动提枪信号之后的有关动作，确保氧枪可以自动有序提枪，并避免氧枪坠枪，这便需要有效解决氧枪上升、下降、中止等各种情形下自动提枪的准确度。

2)顶底复吹全自动控制

顶底复吹控制系统以多元化模型控制思想为载体，对炼钢过程进行自寻优控制，基于L2级模型自主学习，动态化调整模型相关参数，促使整个工艺过程控制实现高度自动化，从而减少不必要的人力资源。

对模型吹炼参数配比进行合理优化，有机整理模型计算参数条件，强化二级模型计算下发模式可执行性，并修正二级模型与L2级、L3级工艺流程和功能不适应的边界参数，以此增加异常吹炼模式、冶金专家模式，以及专家推荐可实时修正冶炼参数的相关模式，从而避免异常吹炼状态下出现的突发状况，实现三层级之间的集成化[8]。

L1级与L2级切实分离，促使二者模型同时具备独立性与关联性。当动态模型不具有投用条件时，L1级的静态模型依旧可以充分发挥相关作用。而炼钢生产初期时，静态模型迅速投用在很大程度上为高附加值产品生产加工创造了良好条件。

炼钢工业炉过程控制系统采用了Server/Client与单机板融合的结构，实现了系统资源的合理配置与利用。

3)氧气流量自动控制

工业炉炼钢吹炼时，需严格把控氧气流量。在吹炼开始阶段，开启氧气切断阀，经过氧枪吹进工业炉内，若氧气调节阀打开太快，极易导致氧气流对铁水造成巨大冲力，引发喷溅现象，而氧气调节阀打开太慢，则会导致吹炼时间延长，所以需基于PID控制器进行氧气有效控制。

PID控制包含比例、积分、微分三部分，可单独使用也可联合使用。其中PI调节器可降低稳态误差，可生成比积分调节更迅速且更多的动态化响应。就流量与压力等调节通道容量滞后比较小，负荷变化并非非常大的调节系统而言，可获取良好自动调节效果。因此，选择PI调节器调控氧气流量。

4)SDM模型控制

SDM模型控制为工业炉炼钢智能化控制的核心构成部分，其利用副枪技术，可在不倒炉的前提下，迅速检测获取转炉熔池钢水温度、碳含量、氧含量、液面高度。而且基于副枪技术，可对工业炉吹炼进行自动化控制，进而提升生产率，降低生产成本，提高金属收得率，保障钢水质量。

SDM模型具体划分为动态、静态。其中静态模型是基于吹炼之前的边界条件，通过物料平衡与热平衡理论，计算分析得出合适的加料、供氧、枪位等策略，此过程可忽视碳含量与温度变化状态；动态模型则是基于吹炼终点要求的碳含量、氧含量、温度，加以计算分析，就计算结果修正前期静态模型，这是钢水终点碳温双命中的关键所在。工业炉冶金模型软件功能包含着作业计划执行的整个流程，具备所需的全部功能，具体即冶炼炉次跟踪、目标温度与热平衡计算、吹炼控制、耗氧量与冷却剂计算、动态矫正、自学习等等，而模型通过计算与冶炼信息，生产吹炼表、加料表、底吹表、副枪测量表，从而传输于L1级实现执行控制。

5)动态与自动加料控制

在工业炉动态化调料调试时，很容易发生动态加料量计算准确，但未按时传输于一级执行，或一级动态调料执行不到位，或二级与一级调试控制时间配合欠佳等不良现象。以动态加料二级程序控制与一级动态加料控制程序控制优化改进，有效解决动态加料相关问题，实现终点适度动态化调整，从而满足自动化控制模型炼钢需要[9]。

自动加料的关键在于机械设备、称重检测系统稳定性，工业炉料仓与料种响应换仓匹配与可修正性，工业炉加料累计计料时机点，一称双料计量的精确性，计料时机点和模型计算要求等相关问题。基于定义模型加料物料编码、料种与重量之间的相对应关系，基于料种编码作为唯一标识实现接口通信，切实解决料仓料种动态加料的问题。以明确落差值变量，构建迭代关系的方法，手动化设置落差值，以此解决模型加料时滑料的误差。在加料执行时，就实际情况开启给料机，按照快振-慢振-停振的顺序，进行精确化加料。

6)LT除尘与煤气回收控制

工业炉煤气干式回收系统可有效减少水能与电能消耗。工业炉煤气回收量与蒸汽回收量是实现工业炉工序低能耗或者负能耗的关键所在，所以为实现炼钢节能目标，需提升煤气与蒸汽回收量、品质，并高效合理利用所回收蒸汽。LT除尘与煤气回收控制系统具体划分为三个回路，即蒸发冷却器温度控制、风机压力与流量控制、切换站气体成分控制、转速控制等等。在控制系统中，其关键在于静电除尘器控制，负责火花跟踪控制、间歇供电、反电晕检测、峰值跟踪控制一级保护控制。根据设定程序调节电压电流，从而充分发挥最大电流效率，保障生产安全性与可靠性。

7)余热全自动补水控制

汽包三冲量补水无法最大程度上满足工业炉余热系统需求，且汽包稳压性能与安全性能较差，就实际情况执行全新汽包补水方式，即在炼钢特殊性的条件下，选择时间段控制以满足冶炼各个时期汽包给水量与蒸发量需求，也就是基于工业炉吹炼过程中不同周期与状态，选择定时定期补水方式开展，即划分吹炼周期为多时间段，其中各段时间长度可就实际需求实时设定调整，在不同时间段内给水泵以不同频率设定值面向汽包供水，以满足汽包给水量相关要求。此补水方式在很大程度上避免了汽包液位大面积波动，使得汽包液位稳定于正常液位，保障了炼钢过程中汽包压力的稳定性，并有效防止了工业炉由于汽包液位检测不准确导致的联锁提枪现象，也切实节省了实际操作时间，此外此补水方式具备较高的自动化水平，运行稳定性比较高，还有效降低了系统耗水量与相关成本。

2 系统运行效果

工业炉L1级与L2级自动化控制系统应用，不仅可显著延长炉使用寿命，减少耐材整体消耗，还可切实合理利用生产工艺中的不平衡，节约故障处理时间约98%，同时可为企业带来良好经济效益，改善人类生存生态环境，应用前景十分广阔。

静态模型与动态模型炼钢运行稳定性与可靠性较高，相较于传统炼钢方法，一次性拉碳与终点温度命中率实现了显著提升，高达90%，有效降低了炼钢成本，减少了原料与氧消耗，节省了冶炼时间，延长了工业炉内衬的使用寿命，减少了炉渣内的铁含量，脱磷效果良好，且集成了炼钢时的快速测量、智能计算、快速动作，可谓是炼钢工艺智能化控制的技术性改革。

3 结 论

综上所述，本文以计算机网络技术为载体设计了脱磷工业炉过程控制系统，并对其运行效果进行了深入探究。结果发现，控制系统运行效果较好，L1级基础自动化控制稳定性与可靠性较高，L2级过程自动化控制计算准确性与及时性良好，真正意义上实现了从传统经验炼钢转变为工业炉模型智能炼钢的发展，进而有效提高了工业炉冶炼终点命中率；静态模型与动态模型炼钢运行稳定性与可靠性较高，一次性拉碳与终点温度命中率实现了显著提升，高达90%，有效降低了炼钢成本，减少了原料与氧消耗，节省了冶炼时间，延长了工业炉内衬的使用寿命，减少了炉渣内的铁含量，脱磷效果良好，且集成了炼钢时的快速测量、智能计算、快速动作。