面向冶金工业各工艺过程的专用控制系统

来源:热处理网作者:李书常

工业包括众多的工艺过程,主要有磨矿、焦化、烧结、高炉、转炉、电炉、精炼、连铸、模铸、热轧、冷轧、锻压等。国内有实力进行产业化的专用控制系统几乎覆盖了冶金工业的所有工艺过程。传统的专用控制系统大多采用DCS和PLC,对整个生产线进行控制,在硬件和软件上很难分割。新一代的冶金工业专用控制系统是基于PC和网络化的,整个系统在硬件和软件上都是开放的,所以一条生产线的功能可以划分为几个相对独立的部分,用完全独立的控制系统来实现,再通过计算机网络连接起来共同完成对整条生产线的控制。下面所列的专用控制系统,都是基于这种开放的硬件和软件平台的。 
    一、球磨机智能解耦控制系统
   
球磨机智能解耦控制系统解决了球磨机长期不能实现自动控制的难题,该系统分为三层,上层的管理级针对系统的运行工况进行实时辨识和控制策略切换,通过中层的协调级修改下层控制器的设定值,协调三个被控量之间的互相矛盾的关系,下层的基础控制级采用了参数自整定、模糊和神经网络解耦等一系列的先进控制技术,三层分工合作,使该系统具有很强的自适应能力,在质和设备特性发生很大变化时,仍能保证系统安全可靠地工作。系统设计了比较完善的异常工况处理功能,实现了断煤、堵磨、超温等故障的自动处理,并且通过基于专家经验的运行支援系统,给出了必要的提示和在线操作指导,消除了操作人员的失误,保证了运行安全,避免了设备损坏和环境污染。该系统的投入,降低了制粉电耗,具有显著的经济效益和社会效益。
    全国有500多套钢球磨中储式制粉系统,基本上都处于手动运行状态,另外,球磨机还广泛地应用于矿山和水泥等行业,球磨机智能解耦控制系统的市场前景非常广阔。
    二、高炉多媒体计算机集散监控系统
   
高炉是冶金工业的重要装备,对其控制系统进行产业化有重大意义。高炉多媒体计算机集散监控系统,实现了高炉称量装入和实绩收集,高炉本体和热风炉数据处理,出渣作业管理和数据处理,高炉炉况分析,设备状态分析等多种功能,并采用了报警分类、大屏显示、语音广播等形式。该系统无论从投产后运行的顺利程度还是从生产状态的稳定性来看,都达到了国际先进水平,产业化和推广应用的前景广阔。
    三、转炉炼钢终点动态控制系统
   
转炉终点动态控制系统以钢水终点碳温为主要控制目标,根据前几炉的数据对模型进行训练,在吹炼前根据钢种、初始条件及吹炼终点目标值,计算铁水、废钢、造渣剂和冷却剂的加入量以及供氧量,在吹炼中利用废气分析及声纳化渣技术对冶炼状态不断给出预测,特别是给出何时用副枪检测的建议,根据副枪检测结果推算出达到终点所需补吹的氧量和外加的冷却剂量,命中率达到89%以上,极具推广价值。
    四、电炉炼钢智能控制系统
   
该系统采用典型的两级计算机控制系统结构,基础自动化级完成电极、上料、除尘等回路控制任务,上位机完成过程监控与优化控制。该针对因炼钢过程存在高温、强腐蚀使钢水温度和成分不能连结检测的特点,建立了炼钢过程温度和成分预报模型,通过专家系统优化设定供电曲线、各种配料填加量和合金料补加量,从而显著地缩短冶炼时间、提高钢水终点温度和成份的命中率。通过硬件选配和软件可组态,该系统适用于各种功率的交流和直流电弧炉。
    五、LF/VD型钢包精炼炉先进控制系统
   
钢包精炼可以显著提高合金收得率和钢水成份控制精度,方便地进行温度调节,以作为炼钢和连铸中间和一个缓冲环节,在现代钢铁企业中应用很广。LF/VD型钢包精炼炉控制系统是一种集决策、管理、优化和控制于一体的两级计算机控制系统,基础自动化级采用现场总线技术和基于PC的可编程控制器,完成电极位置、上料称量、氩气流量等控制;过程计算机完成生产监控、能量需求计算、合料添加量计算、钢水成份和温度估计、供电曲线优化等功能。随着我国连铸比的不断提高,采用炉外精炼的企业越来越多,所以钢包精炉先进控制系统的应用前景很广。
    六、连铸机结晶器液面高精度控制器
   
结晶器液面是影响铸坯质量的一个重要指标,在高速连铸中,减小结晶器液面液面波动是一个难题,从而严重制约着连铸机产量的提高。结晶器液面高精度控制器采用和鲁棒控制技术,可以在高速连铸中保持很高的液面控制精度。该控制器有两种形式,一是有独立的硬件和软件,二是编译成C代码,嵌入到现有的控制系统中。[next]
    七、连铸坯质量监控专家系统
   
该专家系统具有铸坯温度场计算模型、晶粒生长模型、应力模型等,能够对铸坯的表面和内部缺陷进行预报,提醒操作人尽早采取措拖。该专家系统还能记录与质量相关的过程数据,结合实际的质检报告,对预测模型进行修正,不断提高预测精度,并采用人机交互的方式,协助技术人员对铸坯出现的质量问题进行分析,以便查清原因,尽快消除。该专家系统目前只有轴承钢大方坯知识库,但知识库是可组态的,经过进一步开发可适用于其它钢种和规格的连铸坯。
    八、冶金工业炉智能燃烧控制系统
   
随着世界范围内经济竞争越演越烈,钢铁成本的降低已经与钢铁企业的生存休戚相关。在冶金行业中,能源消耗的一大用户是加热炉,据有关文献介绍,在轧钢加工费用中能源消耗占65%~ 70%,在整个轧钢工序能耗中,加热炉燃耗占60%~ 70%。冶金行业中的加热炉,大多数设备陈旧,能耗过大,环境污染严重,急待改造。这种改造不仅可以通过节能产生巨大的经济效益,而且推动我国冶金行业的自动化控制水平的提高。
    冶金工业炉智能燃烧控制系统,包括可以组态的十分丰富的软件模块,适用于步进梁式加热炉、步进底式加热炉、推钢式加热炉以及连续退火炉,主要功能有:
    (1)具有驱动燃油、燃气各种烧嘴的程序,即可以进行连续燃烧控制,也可以用脉冲燃烧的方式进行控制,适合不同炉温的高精度控制要求。
    (2)采用双交叉限幅等策略,对炉温进行分段控制。
    (3)钢坯温度预报。用数学模型预报钢坯的温度场,使之跟踪理想的加热曲线。
    (4)钢坯跟踪。动态给出炉内钢坯的分布图,对每根钢坯的坯号、钢号、温度场进行全过程跟踪。
    (5)炉温优化设定。考虑计划和非计划待轧、多钢种小批量混合加热和不同的热送温度,在保证钢坯加热质量的前提下,对各段炉温进行优化设定,以达到节能降耗的目的。
    (6)自学习功能。系统可以方便地进行自动和手动控制切换,系统能够学习比较好的手动控制过程,不断完善优化设定策略。
    (7)友好的图形界面。对炉温、坯温、阀开度、空燃流量等参数给出直观的图形显示,并显示控制量和反馈量的趋势曲线。与加热质量有关的数据还可以通过计算机网络传到服务器保存,以便于管理层加强质量控制。
    冶金工业炉在钢铁厂普遍存在,部分仍停留在手工操作或回路仪表操作阶段,有待进行控制系统改造;部分大中型企业的炉窑系统面临更新换代;各企业内部紧抓节能增效也为冶金工业炉先进控制系统的推广提供了良好的机遇。仅就加热炉说,全国就有700多座,而实现计算机控制的不足30%,即使在我国十大钢铁企业中也仍有人工操作的加热炉存在,另外绝大多数限于常规控制系统,可见冶金工业炉先进控制系统的市场前景是十分诱人的。
    九、冷轧薄带智能控制系统
   
世界上美、俄、日、法、德、英等主要产钢国家,冷轧板卷占轧材总产量的比例大都在30%以上,而我国冷轧板卷占轧材总量比例仅为4%,每年都需要大量进口冷轧板卷,自给率仅达40%左右。目前国内所需要的高精度带材主要依赖进口的局面与轧制控制技术落后有关。我国已有的冷轧装备及控制手段,大多为50~70年代水平,必须增置先进的检测和控制手段,才能确保生产出高质量的产品;国外先进的控制技术不仅昂贵,而且优化管理级极少能正常工作(基础自动化级绝无问题),这是由于我国特定的环境、市场、人员以及组织等与国外不同所造成的;另外,轧材质量的高低也直接影响企业的经济效益,厚度为0.4毫米,偏差为±10微米的带材每吨约4000元,而厚度为0.1毫米,偏差为±5微米的薄带每吨约6000元,紧俏时每吨达8000元。所以,由我国科研人员自主开发的高精度薄带控制系统,不仅能减少我国冶金工业对国外的依赖性,节约大量外汇,同时还可以为企业创造巨大的经济效益,将在我国具有广阔的推广应用前景。
    拟产业化的冷轧带钢智能控制系统通过两级计算机实现了对板厚和板形两个指标的高精度控制,上位机完成过程监控和优化,给出下级控制器的设定值,实现各控制回路间的解耦。下级可分为三个相对独立的控制器——高精度厚度控制器、板形控制专家系统和高精度张力控制器,现分别加以介绍。
    1、高精度板厚控制器[next]
    对板厚控制系统的研究理论上已比较成熟,且国外应用也很成功,但国内的应用水平较低,冷连轧厚度精度在±30~40微米,远远不能满足现代工业发展的高精度要求。以前常用的厚度控制策略有前馈式AGC、反馈式AGC、张力式AGC和压力式AGC等。前馈AGC主要用来消除来料厚度波动;对反馈式AGC来说,由于测厚仪不能离轧辊太近,因此只能用来消除全局性误差,而不能消除局部误差;至于张力AGC只能用来微调;而压力AGC虽说能较为及时进行厚度调节,但毕竟不是直接根据厚度反馈进行控制,为了提高控制精度,还要采取多种补偿措施。拟产业化的高精度板厚控制器是基于国际上最先进的秒流量控制策略,采用专利产品——虚拟测厚仪,克服了反馈式AGC的滞后和压力式AGC的测不准,从而使带钢厚度的控制精度得到了极大提高。所用的虚拟测厚仪能及时提供刚离开轧辊的带钢厚度,不仅克服了测厚仪不能离轧机太近的缺点,而且在测量精度上完全满足轧制高精度带钢的要求,在可靠性上更远远超过了常规测厚仪。
    2、板形控制专家系统
    由于板形控制需要考虑的因素太多,迄今为止,还无法定量地表示板形与其它执行机构的控制量间的关系,所以用常规的控制器不能得到满意的控制效果。但是在轧钢企业的操作现场,由于熟练工人积累了丰富的经验,凭借他们迅速而准确的调节,在某种程度上仍能维持良好的板形。板板形控制专家系统正是总结了现场操作工人多年的控制板形经验,通过对激光板形仪的测量结果进行处理,在直观显示出当前的板形的同时,给出操作指导。该系统采用人机交互方式,兼有培训和操作指导双重作用,能够使新手较快地成为板形控制专家,对提高板形控制质量,效果明显。
    3、高精度张力控制器
    带钢质量的优劣主要由板厚和板形来衡量,而板形和板厚在很大程度上取决于张力控制,因此适当的带钢张力是保证轧制过程正常进行的条件和提高轧制产品质量的关键。现有的张力控制方案可归纳为两种类型,即直接控制和间接控制,间接控制是根据张力设值计算轧机和卷取机所需的电流,这种方法简单、可靠,目前大多数轧机都采用间接张力控制,但这种方法需要进行动态和静态补偿,并且控制精度较差;直接控制是利用张力计构成张力闭环,这种方法不必考虑各种补偿,可以消除稳态误差,但闭环控制系统不易稳定。拟产业化的高精度张力控制器,采用复合张力控制方案,即先根据间力控制算法确定所需的电流,同时考虑各种补偿使间接控制尽可能准确,然后利用直接张力控制进行微调。对于卷取张力,还采用了前馈控制、增益调度自适应等一系列先进控制技术,实现了冷连轧过程中所有张力的高精度控制,为取得良好的板形和板厚控制效果提供了有力保障。
    十、棒线材热连轧机先进控制系统
   
该系统包括传动、过程控制和过程监控三级,采用世界上最先进的的交流传动技术,不仅在轧机调节性能上优于直流调速,而且大大降低了电动机的维护费用。控制系统基于PC,采用开放式的网络连接,在采用多变量解耦技术控制活套和微张力方面处于国际先进地位。该系统不仅占领了国内市场,而且能够走出国门,参与国际竞争。
    十一、棒线材连轧生产线高精度交流飞剪控制系统
   
该系统以大功率交流异步电动机为执行机构,采用最先进的直接转矩控制型变频调速器进行拖动,利用变频器内的高速单板机,完成定尺剪切(加速、剪切、制动、定位)和切头、切尾、点动等各种功能。系统中采用了转矩预设定、提前时间自调整和参数自整定等先进技术,整个系统稳定可靠,响应速度快,剪切精度高,可与国产的飞剪机械设备相配套,彻底解决飞剪整个系统国产化的难题。
    十二、中厚板板层流智能控制系统
   
板层流(即水幕)冷却系统位于中厚板终轧机出口之后,通过水幕的开关数量和水幕的流量来实现对钢板冷却速率和终冷温度的控制,使钢板在冷却过程中的相变符合工艺要求,提高钢板强度、韧性和加工性能。该系统分为两级,上位机作为专家系统,完成模型参数优化及控制决策,下位机完成基础自动化的单回路调节及开关量控制。该系统基于智能控制技术,根据钢板厚度和热物理参数、钢板的运动速度和初始温度,动态调整水幕的开关数量和各水幕的流量,并能根据终冷温度的实测值对控制策略进行修正,从而不断改善控制效果,提高产品质量。该系统成功地解决了国内板层冷却系统长期不能投入自动控制的难题,具有很大的推广应用价值。
    十三、带钢管层流模型约束先进控制系统
   
管层流冷却系统位于终轧机下游,用于薄板和带钢的轧后加速冷却。由于带钢卷曲有一定的温度要求,特别是带钢在穿过管层流冷却水过程中,速度要发生大幅度的升降变化,客观上要求管层流的数量要随之进行快速的变化,这大大增加了控制难度。该系统采用基于模型约束的先进控制技术,能够随着工况的变化,适当地增减管层流的数量,在很快的生产节奏中保证卷曲温度的高精度控制,从而显著地提高带钢的产量和质量,为企业赢得巨大的经济效益。在高质量热轧板卷紧俏的今天,该系统的市场前景更是看好。

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