（钢铁冶金专业论文）转炉氧枪枪位自动调节系统的实验研究.pdf

摘要 钢铁工业是我国国民经济的支柱产业，为适应现代化大生产的要求，在规模效 益、产品的灵活性和质量稳定性方面提高竞争力不仅需要改进工艺方式，而且需 要提高生产的自动化水平。这包括将计算机技术引入生产流程以自动控制及信息 网络技术推动钢铁工业的技术进步。 转炉炼钢自动控制系统已在世界钢铁工业领域普遍应用。电控、仪控和自控的 结合使基础自动化、过程控制和生产信息管理形成有机整体，为全面的生产管理和 生产自动化创造了条件。在转炉炼钢过程中建立过程模型和采用计算机控制，对于 提高我国转炉冶炼水平和产品质量具有重要的现实意义。 本课题是上海大学钢铁冶金重点实验室与冶金企业在转炉炼钢过程监测与控制 方面的合作课题之一。在原有的转炉炼钢渣况音平检测系统的基础上，结合枪位模 糊控制模型，在实验窒建立转炉氧枪枪位自动控制模拟试验台，以完成转炉吹炼过 程中根据音平检测信息自动调节枪位的模拟实验研究。 模拟实验研究以工业控制计算机为核心。以脉冲枪位仪和光电编码器作为氧枪 枪位的检测装置，设计并制作了其他控制电路和软硬件装置，包括枪位调速电机控 制电路、枪位驱动机构、计算机控制软件以及枪位模糊控制接口等。通过计算机自 动调节氧枪位移，控制氧枪在最佳化渣区域工作，从而提高转炉吹炼过程的自动化 程度减少人工操作中的主观性和不稳定因素。 转炉氧枪枪位自动调节系统的研究是转炉全自动控制系统开发中的一个重要部 分，作为该项研究中的予课题之一，本研究通过实验室的仿真试验，表明所研制的 系统能够实现转炉吹炼过程中枪位自动化控制，满足冶炼过程的工艺要求。本研究 工作是对转炉炼钢渣况音平监测技术的深化和拓展，有助于发展具有本国特色和自 # 知识产权的转炉自动控制系统，有利于实现转炉自控系统的国产化。 关键词：转炉音平检测模糊控制氧枪枪位自动调节 a b s t r a c t i r o na n ds t e e li n d u s t r yi so n eo ft h ep i l l a ri n d a s t r i e si no u rn a t i o n a le c o n o m y i n o r d e rt om e e tt h en e e d so fm o d e mi n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n di m p r o v et h ea b i l l t yo f c o m p e t i t i o ni ns c a l eo fp r o f i t s ，f l e x i b i l i t ya n dq u a i l t ys t a b i l i t yo fp r o d u c t s ，n o to n l y t h e p r o c e s st e c h n o l o g y b u ta l s ot h ea u t o m a t i o nl e v e lo fp r o d u c t i o n s h o u l db e i m p r o v e d ，i n c l u d i n gt h ea p p l i c a t i o n o fc o m p u t e rt e c h n o l o g yi n p r o c e s s a n dt h e p r o m o t i o no ft e c h n i c a lp r o g r e s s i ns t e e l i n d u s t r yw i t hm o d e m t e c h n o l o g i e s o f a u t o m a t i o nc o n t r 0 1 j n f o r m a t i o na n dn e t w o r k a u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e m sw e r ew o r t d w i d ea p p l i e di ns t e e l i n d u s t r y t h e c o m b i n a t i o no fe l e c t r i c a l - ，i n s t r u m e n t a l a n dc o m p u t e r - b a s e dc o n t r o l ( e i c ) f o r m e da n o r g a n i ci n t e g r a t i o n o fb a s i c a u t o m a t i o n ，p r o c e s s c o n t r o la n d m a n a g e m e n t o f p r o d u c t i o n i n f o r m a t i o n , w h i c hp r o v i d e d t h e c o n d i t i o n o fo v e r a l l p r o d u c t i o n m a n a g e m e n ta n da u t o m a t i o n i ti st m p o r t a n tt oi m p m v eo u rc o n v e r t e rc o m p e t e n c e a n dp r o d u c t q u a l i t yt h r o u g hb u i l d i n gp r o c e s sm o d e l sa n da d o p t i n gc o m p u t e rc o n t r o l t e c h n o l o g y 硼s s u b j e c tb e l o n g e dc o o p e r a t i o np r o j e c t s b e t w e e n s h u n g h a i e n h a n c e d l a b o r a t o r yo ff e r r o m e t a l l u r g y ( s e l f ) a n ds t e e l m a k i n ge n t e r p r i s e si n f i e l d so f c o n v e r t e r p r o c e s ss u p e r v i s o ra n dc o n t r 0 1 b a s eo n t h ea v a i l a b l en o i s ed e t e c t i o n s y s t e m o f s l a g i nc o n v e r t e r a n d t e s tr e s u l t s o f f u z z yc o n t r o l m o d e l so f l a n c e ，t h es u b j e c ts e t u p as i m u l a t i o np l a t f o r mi nl a b o r a t o r yf o r e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fa u t o m a t i cr e g u l a t i o n o f l a n c e p o s i t i o na c c o r d i n g t om e a s u r e ds o n i ci n f o r m a t i o u d u r i n gt h el dp r o c e s s n l ek e yi n s t r u m e n tf o rt h ee x p e r i m e n t a ls i m u l a t i o nr e s e a r c hw a sa ni n d u s t r i a l c o n t r o lc o m p u t e r ( i p c ) w i t hl a l i c e p o s i t i o nm e a s u r i n gd e v i c e a n d p h o t o e l e c t r i c e n c o d e ra si t s m e a s u r i n gd e v i c e s t h ea u t h o rh a dd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e do t h e r c o n t r o ic i r c u i t sa n ds o f t w a r e h a r d w a r es u c ha sl a i c em o t o r s p e e d c o r t t r o lc i r c u i t d r i v e m a c h i n e r y ，c o m p u t e r c o n t r o is o f t w a r ea n dn o i s ef u z z yc o n t r o li n t e r f a c e ，e t c f r o mt h e c o m p u t a t i o n a la d j u s t m e n to fl a n c em o v e m e n t t h eo x y g e nl a n c ec o u l dw o r ki nt h e b e s ta r e ag ot h a tt h ec o n v e n e ra u t o m a t i o nl e v e lc o u l db e i m p r o v e da n d 也e s u b j e c t i v i t ya n di n s t a b i l i t yi nh a n do p e r a t i o nc o u l db er e d u c e d a u t o m a t i cr e g u l a t i o ns y s t e mo f o x y g e nl a n c ew a s o n eo fm o s ti m p o r t a n tp a r t si n d e v e l o p m e n to ff u l l a u t o m a t i c c o n v e n e rc o n t r o i s y s t e m a si t ss u b s u b j e c t t h e s i m u l a t i o nr e s e a r c hi nl a b o r a t o r yl n d i c a t e dt h a t 也ed e v e l o p e ds y s t e mc o u l dr e a l i z e a u t o m a t i cl a n c ec o n t r o la n dc o u l dm e e tt h e t e c h n o l o g i c a lq u e s t sd u r i n g 山el d b l o w i n g c o u r s e t h ew o r kw a saf l l l t h e rs t e pa n de x t e n s i o no fn o i s ed e t e c t i o ns y s t e m a n da t s oas i g n i f i c a n ta t t e m p tt od e v e l o pt h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo fc o n v e r t e r w i t hh o m ec h a r a c t e ra n ds e l f - o w n e dp r o p e r t yr i g h t k e y w o r d s ：c o n v e r t e r n o i s ed e t e c t i o n f u z z yc o n t r 0 1 o x y g e n l a n c e p o s i t i o n a u t o m a t i cr e g u l a t i o n 上海大学硕士学位论文 第一章计算机控制技术在钢铁工业中的应用 近年来，随着全球竞争加剧，世界各国的工业、企业界都致力于摆脱传统工 业化模式、实现企业信息化的途径。党的十六大也指出：信息化是我国加快实现 工业化和现代化的必然选择，坚持走以信息化带动工业化、以工业化促进信息化 是实现新型工业化的必由之路。 卜1 钢铁企业信息化和c i m s e r p 建设 1 1 1 企业信息化和c i m s e r p 的关系 企业信息化是一个很广泛的概念，总的来说就是广泛利用信息技术，使企业 在生产、管理等方面实现信息化，从而提高企业的综合实力，使企业的生产效率 获得充分提升。 企业信息化具体可以分为三个层次： 第一层是企业在生产中广泛运用电子信息技术，在线采集生产实时数据，实 现生产自动化，如：设计自动化( c a d ) ，集散控制系统( d c s ) 等。 第二层是企业数据的自动化、信息化，采用计算机信息技术对生产、销售、 财务等数据进行处理。 第三层是企业辅助管理决策层，包括：i n t r a n e t 、e x t r a n e t 、计算机集成制 造系统( c i m s ) 、企业资源计划( e r p ) 、供应链管理( s c m ) 、客户关系管理( c r m ) 等。 c i m s e r p 系统是综合运用制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技 术和现代管理技术集成企业生产全部过程中有关人、技术、经营管理等要素， 并将信息流与物流有机地集成及优化运行，从而提高生产效率，以提高企业的市 场竞争力的一种先进生产模式。3 。 因此，c i m s e r p 作为传统产业改造的主要工具，是信息技术与传统工业结合 的个切八点。它既是传统工业实现信息化、管理现代化的有效途径，也是引入 现代化管理制度的必由之路。它对于企业提高生产效率，增强对市场的反应能力， 降低生产成本具有重大意义。 1 1 2c i m s 的基本结构及其发展 国际标准化组织认为c i m s 的结构是由物理结构、功能结构、计算机系统结 构、信患结构、管理结构五个方面组成的。 从功能结构来看，c i m s 通常由管理信息分系统、设计自动化分系统、制造自 动化分系统、质量保证分系统、计算机 网络分系统和数据库分系统，共六个部 分有机组成，即由四个功能分系统和两 个支撑分系统组成，其各部分之间的逻 辑关系如图1 1 所示【3 】。 正如现代化企业的模式是在发展 中形成和完善一样，c i m s 也是一个不 后 务 息 表1 1与c i m s 相关技术名称、内容、提出年代简表1 ” 上海人学硕士学位论文 1 1 3 钢铁企业信息化建设和计算机控制技术的应用 钢铁行业已经步入微利时代。据统计现在钢铁企业的平均利润在3 一6 。 一吨钢的利润一般为几百元，有些品种只有几十元。为了适应市场的迅速变化， 对钢铁行业来说，必须加快新产品的开发和产品的上市时间t ( t i m e t om a r k e t ) ， 改善质量q ( q u a l i 奶，降低成本c ( c o s t ) 以及完善售前售后服务s ( s e r v i c e ) 。因此， 引入信息化技术改造传统生产方式已经成为现代钢铁企业的共识。 国外从7 0 年代就开始从事钢铁企业c i m s 的研究，通常它是一个集成的六级 自动化系统，即参数检测和设备操作驱动级、生产设备控制级、过程控制级、车 间的在线作业管理级、企业的短期生产计划及业务管理级、企业的长期生产经营 决策规划级。日本的新日铁和意大利的多伦多钢厂、澳大利亚b h p 钢厂、韩国的 光阳钢铁厂先后在7 0 8 0 年代花费巨额投资建立c i m s ，见表l 一2 所示，这些系 统投入使用后，都取得了显著的经济效益。 表1 - 2国外钢铁厂典型c i m s 系统简介 钢铁工业作为我国国民经济的支柱产业，与国计民生息息相关，现代经济发 展需要新一代的钢铁材料即高洁净、超细晶、高均匀特征的钢铁材料。另一方 面，随着我国加入w t 0 我国钢铁工业也必将面临国外大企业更猛烈地冲击。要 适应现代化大生产的需要。提高我国钢铁工业的竞争水平不汉需要在技术上改 进工艺方式，而且还需要在生产中提高自动化水平，在规模效应、灵活性和生产 质量稳定性上满足要求。 然而，我国钢铁企业基础薄弱，设备自动化程度较低。早在1 9 8 3 年，国务 院科技领导小组组织钢铁系统专家学者提出的钢铁工业技术政策和装备政策 上海大学硕士学位论文 的报告中，明确指出：我国钢铁工业当前的主要问题是产品质量差，能源消耗高， 生产工艺和技术装备水平落后”1 。因此，不论从自动化系统分层的观点，还是从 企业信息化的角度来看，作为钢铁工业底层的基础自动化，即生产过程的自动化 程度是始终制约我国钢铁企业信息化建设的瓶颈因素。 综上所述，要实现钢铁企业信息化必须依靠微电子技术，以电子学为基础的 自动控制及信息网络技术渗入冶金领域，推动钢铁工业的重大革新，即用先进的 计算机技术、自动控制技术来改造大量的老设备，把计算机控制技术引入钢铁工 业各生产流程，设计出自动化程度高、加工效率高、精度高的先进的冶金及材料 制备系统。 卜2 计算机控制技术概述 计算机控制技术鉴于其优良的性能、成熟的技术，己广泛地应用在工业生产 各过程，不仅提高了生产效率，改善产品 的质量，而且取得了显著的经济效益和成 果。可编程控制器( p l c ) 、工业控制计算 机q p c ) 、分布式控制系统( d c s ) 是计算机 世界控制市场销售情况 控制技术最主要的几种应用方式，在世界 全球 “。”。“8 口j 9 9 32 0 0 0 自控市场上占有重要的地位，它们的分布 图卜2 世界自控市场的主要分布 ”如图卜2 所示。 l _ 2 1 计算机控制系统的组成 工业生产中的自动控制系统随控制对象、控制规律和所采用的控制器结构不 同而有很大的差别。一般的自动控制系统中，若采用计算机作为控制器，那么就 构成了计算机控制系统。 计算机控制系统简单的说，就是由计算机和自动化仪表装置与被控对象连接 而成的具有各种自动化功能的技术工程系统。它的硬件由主机、外部设备、过程 输入输出设备和广义被控对象组成，主要包括兰部分：传感器、运算单元和执行 单元。 传感器：即测量元件，工作时直接或间接提取机械系统的被测对象的有 4 上海大学硕七学位论文 关信息输出给运算单元处理。 运算单元：是控制系统的核心，主要由p l c 、单片机或工业计算机来组 成的。 执行单元：输出控制要求，主要有直交流伺服电机直流力矩电机， 步进电机。液压缸和马达，气压缸和马达等。 计算机控制系统的软件则由两个部分构成：系统软件和应用软件。 系统软件：为通用性软件主要包括数据结构、操作系统、数据库系统 和一些公共服务软件( 如计算机语言编译、程序诊断以及网终通信等) 。 应用软件：是计算机在系统软件支持下实现各种应用功能的专用程序， 一般是系统设计人员针对某个生产过程而编制的控制和管理程序，包 括：控制程序，过程输入输出接口程序，人机接口程序，显示、打印、 撤警和故障连锁程序等， 1 2 2 计算机控制系统的分类 计算机控制系统是一个非常大的概念对其没有个标准的分类方法分类 方式不同，结果也不同。 按控制规律分类： 程序和顺序控制。 比例积分微分控制( p i d ) 。 0 最小拍控制：系统在尽可能短的时间旱完成调节过程，通常用在数字随 动系统的设计中。 复杂规律的控制：运用高效控制算法实现，包括最优控制、包适应控制 和自学习控制。 智能控制：是入工智能、运筹学和控制理论三个理论领域的交叉和汇合， 控制的是综合自动化系统。 依据应用特点、控制方案、控制目的和系统构成分类。”1 ： 操作指导控制系统：其属于歼环控制结构，这时计算机的输出与生产过 程的各个控制单元不直接发生联系，控制动作实际上由操作人员接受计 上海大学硕士学位论文 算机指示去完成。 直接数字控制系统( d d c ) ：计算机通过测量元件对一个或多个物理量进 行巡回检测，经采样、a i d 转换为数字量，并按照规定的控制规律直接 去控制执行机构，使各个被控制量达到预定的要求。 监督控制系统( s c c ) ：与d i ) c 不同的是由计算机按照描述生产过程的数 学模型，计算出最佳给定值送给模拟调节器或d d c 计算机，并由二者对 生产过程进行直接控制。 分布式控制系统( d c s ) ，也称为集散控制系统，它是一种为满足大工业 生产和日益复杂的过程控制要求，按功能分散、管理集中原则设计的， 以系统最优化为目标；它以计算机技术为核心，与数据通讯技术、c r t 显示、人机接口技术、输入输出接口技术相结合，是用于数据采集、过 程控制、生产管理的新型控制系统。 依据所使用的底层测控器的不同分类： 单片机系统：是以单片机为核心设计的底层测控器，目前在国内常用的 有i n t e l 的5 l 系列和9 6 系列。 p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 系统：又称可编程控制器，实 际上是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计的，有丰富的输入 输出接口，并且具有较强的驱动能力。但p l c 产品并不针对某一具体工 业应用，在实际应用时，其硬件可根据实际需要进行选配，软件则根据 具体监测控制系统的要求设计。 p c b a s e d 系统：是基于普通p c 机，安装一个稳定可靠的操作系统( 例如 i c r o s o f t 的w i n d o w sn t ) 以及一套基于p c 的控制软件，并扩展足够的 i o 硬件设备所组成的系统。它的发展适应了工业和制造业对电控、仪 控及管控一体化的需求，也适应了信息技术的发展和高集成度控制系统 的需求。其最重要的产品是工控机i p c ( 【n d u s t r i a lp e r s o n a l c o m p u t e r ) 。 上海大学硕士学位论文 1 2 3 计算机控制系统的特点 在计算机控制系统中，采用的都是数字信号，数字信号相对模拟信号具有准 确，易于实现的特点。因此，计算机控制系统具有精度高、稳定性好、可靠性高、 抗干扰能力强、便于扩充、具有自诊断能力等优点，主要表现为“”1 ： - 1 利用计算机的存储记忆、数字运算和c r t 显示功能，可以同时实现多种 模拟仪表的功能，便于集中监视和操作。 2 利用其快速运算能力，可以分时通过一台计算机控制多个回来或实现多 种控制功能。易于将过程控制、逻辑控制、批量控制以及运动控制等合 为一体而不依赖于各种专有的控制系统。 3 和用其强大的信息处理能力，可以实现模拟控制难以实现的各种先进复 杂的控制策略，如：最优控制，自适应控制，多变量控制、模型预测控 制以及智能控制。 4 计算机控制系统的调试、整定灵活方便。可以充分利用计算机强大的计 算，逻辑判断和记忆等信息加工能力，只要改变程序，就可以改变系统 的控制规律：而系统控制方案、控制簧路以及控制算法及其参数的改变 和整定，只通过修改软件即可实现，不需要变换或变动硬件。 5 乖j 用网络分稚结构可以构成计算机控制管理集成系统，实现工业生产与 经营的控制管理一体化，大大提高工业企业的综合自动化水平，降低制 造成本。 1 2 4 计算机控制系统的设计和工程实现 计算机控制系统的设计是一个综合运用知识的过程，它涉及的技术领域广 泛，不仅需要自动控制、计算机技术、测量技术、仪器仪表等方面的知识，而且 还需要具备一定的生产工艺知识，因此，在计算机控制系统设计和工程实现的过 程中，经常需要各个专业的协调工作。 计算机控制系统的设计大致可分为四个阶段：准备阶段、设计阶段、仿真与 调试阶段以及现场联调与运行阶段。” “。 ( 1 ) 准备阶段：( 需求分析) 对被控对象的工作过程进行深入调查、分析，建 上海大学硕士学位论文 立设计任务书：包括主题任务、项目意义、研究内容、功能要求和技术指标。 确定系统的功能：明确工程目标任务和内容，控制技术指标，确定系统 可靠性可维护性和系统运行环境等包括：确定哪些对象采用开环控铋， 哪些对象采用闭环控制；根据实际应用中的问题提出具体要求，规定系 统应具备的功能：如输入输出信号处理功能、控制功能、显示功能、操 作功能和管理功能。 确定系统的性能：根据工艺条件，明确各个工艺流程的控制要求和技术 指标，确定系统初步控制方案等，包括：初步控制算法检测元件和输 入输出通道，主控系统计算机选择等。 确定系统运行的环境，包括：温度和湿度指标；抗振动与抗冲击指标； 电源适应能力和物理尺寸方面的指标等。把可靠性和安全性放在首位。 ( 2 ) 设计阶段：包括总体设计和详细设计两部分。 总体设计： 确定系统的控制方案及控制策略( 比例控制、p i d 控制或大林算法等) ， 拟采用的技术路线，系统的结构与功能模块的选择，外部网络设备的选 择，信号输入输出点的物理类型、数量和数值范围等等。 详细设计( 软硬件的细化) ： 控制计算机选型、有关硬件电路设计。 包括：根据控制规模和资金成本，进行计算机选型；根据控制精度 和工作环境选择传感器：模拟数字接口电路的设计，包括：信号类型 ( 流量、压力、温度、距离和质量等) ，以及把各种物理信号转换成标 准的电信号( 电流或电压) 送入系统的方式；设汁出系统中各元器件与 计算机的连接原理圈、接线圈。 控制软件设计、编码、调试。 包括：直遵循软件工程的方法 龟，蹈工程的概念、原理、技术及方 法来丌发和维护系统的控制软件，以提高软件的质量，减少软件中的问 题，增加其可维护性。控制系统对应用软件的要求：实时性、针对性、 灵活性和通用性、可靠性。 上海人学硕士学位论文 ( 3 ) 仿真和调试阶段：在总装完成以后，进行实验室的开发调试，包括硬件 联调、软件联调和系统仿真。 硬件调试：包括元器件的筛选、印刷电路板的制作、元器件的焊接，执 行机构的选择。 软件调试：主要在计算机上把各模块程序分别进行调试，使其正确无误。 软硬件联调：把二者组合起来，在实验室进行模拟试验，发现软硬件的 错误和缺陷，并给予纠正。 ( 4 ) 现场联调与运行阶段：工业现场参数设置，以及系统磨合。 卜3p l c 控制技术在钢铁工业中的应用 p l c 作为是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计， 它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、 计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种 类型的机械和生产进程“”。 1 3 1p l c 控制技术的特点及优势“”1 1 对环境要求低，能够适与恶劣的工业环境，并具有能耗低、高可靠性的特点。 p l c 的循环扫描工作方式能在很大程度上减少软故障的发生；其内部提供了 无穷多的各类触点、辅助继电器，可以取代传统的工业继电器，并采用光电 隔离电路，平均无故障时间达j 乃| 。1 0 万小时以上。 2 p l c 所使用的编程语言是面向现场、面向问题、面向用户的控制语言，能直 接而简明地表达被控对象的输入输出之间的关系及动作方式，有效地表达顺 序控制、逻辑运算、数学运算、数掘处理、文字处理以及其他必须的控制要 求。因此编程方便易于使用。 3 p l c 体积小，安装和现场接线简便，可以按积木方式扩充和删减功能模块。 同时与其他装置联接方便，易于扩展、扩充、安装、凋试。 总的来说，可编程控制器由于是计算机产品，其程序的易修改性、可靠性、通用 性、易扩展性、易维护性都大大提高，加上其体积小，安装、调试方便，使设计 加工周期大大缩短。 上海大学硕七学位论文 1 3 2p l c 的组成部分 1 p l c 的硬件部分主要由五个模块组成“。：电源模块( p s ) 、中央处理模块( c p u ) 、 输 输出模块( i o s ) 、编程器和通信模块( c p s ) ，如图t - 3 所示。有些p l c 还有 智能输入输出模块( i p s 、w f s ) 和扩充模块( e u s ) 作附件提供。 2 p l c 软件部分主要包括系统监控程序 和用户程序两部分组成“。 系统监控程序：由管理程序、用户 指令解释程序和标准程序模块系 统调用三部分组成，提供系统工作 的环境和控制的平台。 用户程序：是用户根据实际要控制 l圆 i n ： i 固叫c 。p 咎纠t 黼! ；副；篙藤 l o 一。一】控硅： 圈 j 后箭电源i ! 图1 3p l c 组成框图 的系统编制的过程控制程序，一般通过p l c 自带的编程器编制。 3 p l c 可编程控制器采用的编程语言多样，一般都支持功能块图( f b d ) 、梯形图 ( l a b ) 、语句表( s t l ) 编程。 1 3 3p l c 在钢铁冶金工业中的应用 p l c 控制技术介于它与传统机械结合良好的性能，己首先在钢铁工业设备改 造中，在降耗节能、提高经济效益方面发挥了巨大的作用。我国早在7 0 年代未 和8 0 年代初开始引进p l c ，如在宝钢工程中，引进了十几种机型达2 0 0 多台p l c 。 到8 0 年代中期，p l c 己广泛地应用于钢铁工业各大钢厂。 p l c 它不仅可自成体系构成控制系统，而且还可作为集散控制系统( d c s ) 或 监视控制和数据采集系统( s c a d a ) 的下位机部分，进行工艺参数采集，控制实时 顺序操作等，在钢铁生产各阶段取得了显著的经济效益。按照钢铁生产流程主 要可以分以下几类： 原料过程：主要实现原材料的称量、集料的顺序控制或料方配比、流量计 算等。 高炉：实现的控制功能主要包括： 1 ) 生产过程控制：称量、配比、上料控制；压力、温度检测、控制； o 上海大学硕七学位论文 2 ) 综合回收利用：冲渣水余热利用，靠袋除尘等； 炼钢：主要满足对投料氧枪欧炼，电极提升等自动控制的要求。 轧制：现代轧钢过程包括连铸连轧等相关工艺，控制参数复杂多样，运用p l c 控制技术取得不错的经济效益。 以上所说，如表t - 3 所示。 表t - 3p l c 在钢铁中的应用典型事例 卜4i p c 控制技术在钢铁工业中的应用 i p c ，即工业控制计算机，与通用的个人计算机的本质区别是，它能够可靠 的在恶劣的工业现场环境下工作。由于钢铁生产过程极其庞大复杂，其工艺对象 ( 铁、钢、轧) 是非结构化的，不确定的和强耦合的，因此 p c 被广泛地运用到国 内外钢铁生产各环节的控制。 1 4 1i p c 的特点及应用范围“” 软件支持特别丰富，由于 p c 是通用计算机产品，因此常用的操作系统和应 用开发软件可以很容易移植到 p c 中。 c p u 功能强大，升级容易，可以随着p c 的不断升级而提升速度。 联网极其方便。 各种直接控制，可对工业控制对象直接进行控制。 可以与p l c 等连接起来在车间组成4 、型集散系统。 上海大学硕士学位论文 1 4 2 计算机在钢铁工业生产中应用 钢铁工业生产具有多变量、时变、非线性的特点，应用经典的控制理论已不 链满足其复杂生产的要求。应用现代控制理论再加上计算机控制技术的发展，i p c 作为冶金过程控制中最重要的控制器，已经广泛地应用在钢铁工业各个生产环 节。 在原料处理过程中，它应用于整粒破碎枫空隙调节，返矿配比，烧结、焦炉 作业等控制：在高炉生产中，它可以进行炉热、炉内气流、温度分布、煤气化学 反应等许多参数的预测和控制；运用神经网络专家系统控制的电弧炉，节能降耗 取得显著成效；计算机控制技术也广泛应用于轧钢生产各流程：冷、热连轧，连 铸，精轧，轧机报警，加热炉控制等等。 计算机控制技术在钢铁工业中应用的典型实例见表卜4 所示。 表1 - 4 计算机在钢铁冶金中应用实例简表 l 一5 计算机控制技术的发展趋势和在钢铁工业中的前景展望 从广义的概念来说，p l c 和i p c 部属于计算机控制的 巨畴，它们作为计算机 控制系统的核心部件，广泛地应用在钢铁工业生产过程的各环节但它们的特点 和侧重点各有不同。一般来说，馍型复杂、计算量大且较难、实时性要求较高的 环境中以 p c 为主：而工业现场应用，可靠性要求极高的设备绒传动控制则主 要采用p l c 。 上海人学硕十学位论文 1 5 1 发展趋势”1 ” p l c 向多品种，编程语言多样化方向发展，允许同一个p l c 使用多种编程语 言。同时发展分散型、智能型、现场总线型i o 及模块化结构模块，提高p l c 的处理信息的能力。 两种控制系统向高功能、高速度、大存储容量方向发展。 两种控制系统的硬件费用比例下降，软件、集成等费用比例上升。 两种控制系统由于采用多c p u 结构、冗余备用技术、带电插拔、故障状态自 定义等技术，其可靠性进一步加强。 两种系统与现场总线结合，实现网络化和强化的远程通信能力。 l 。5 2 前景展望 p l c 系统、i p c 系统与其他系统，如集散控制系统( d c s ) 和可编程计算机控制 器( p c c ) 等融合，它们之间的界限越来越模糊。 d c s 原用于过程控制，p l c 原用于离散控制，但一个控制系统中往往既 有过程控制又有离散控制，由p l c 和i p c 组成的多级网络系统更容易实现复 杂的控制。 结合现场总线技术，共同组成实时监控网络和信息管理网络，向三电一体化 ( e i c ) 和c i m s e r p 方向发展。 e i c 指电气传动控制、仪表控制和计算机控制的三电一体化系统，这也 是钢铁工业自动化使用较多而又急需的控制系统。在c i m s e r p 技术的集成 下，计算机控制系统不在是一个个的信息化孤岛，而是成为企业信息化的资 源共享网络，把生产过程控制和企业管理决策联系成为一个有机的整体。 上海大学硕七学位论文 第二章转炉炼钢计算机控制的现状 l d 氧气顶欢转炉炼钢法自1 9 5 2 年诞生以来，转炉炼钢已经走过了5 0 年的 历程。其优点是：反应快，冶炼时间短，生产效率高，操作简单，不消耗燃料， 因而成本较低。其缺点是：原材料限制严，且由于反应快。不易控制吹炼终点， 在冶炼中金属的吹损和溅损较大，杂质带入多等问题。 由于转炉炼钢反应速度快、时间短，很难采用取样分析的结果来监控炼钢过 程，也无法直接观察炉内的反应过程，传统炼钢以经验炼钢为主：根据对火焰、 声音等间接信息的观察判断等逐步形成操作入员的经验，从而调节反应过程和对 终点的控制。 随着自动化技术和计算机技术的发展，转炉炼钢也不断吸取这些先进技术的 优点，用以指导生产实践。计算机技术自1 9 6 0 年被引进转炉炼钢领域至今得到 了大力的发展，大约经历了以下几个发展阶段。“： 1 9 6 0 1 9 6 5 年，主要用于数据采集、吹炼过程记录和指导。 1 9 6 5 1 9 7 0 年，主要进行过程监控和设定计算，而闭环回路的控制大多 采用硬逻辑系统。 1 9 7 0 1 9 7 5 年，该时期过程计算机一般采用两级计算机系统，即s c c 和 d d c ，其中d d c 控制都采用集中型。 1 9 7 5 、1 9 8 0 年，随着小型计算机、微型计算机、数据库技术和网络技术 的发展，d d c 控制向分散型系统发展，原来属于在线生产管理的功能大 都分敬到过程计算机中完成。 1 9 8 0 年以后计算机在转炉炼钢中的应用进入个全新时期，主要特点是 在功能上从过程最佳化控制进一步向生产工序的操作管理方向延伸，控 制模型迸步向深化、细化发展同时计算机网络技术在转炉炼钢领域 的应用也更为广泛。 2 - 1 转炉吹炼过程控制的现状 随着电子技术的高速发展，专家系统、神经元网络、现场总线技术、全数字 直流传动装置和变频装置等技术在转炉自动控制系统中的广泛应用，使转炉炼钢 4 上海大学硕士学位论文 自动化水平不断提高。 近年来，转炉炼钢过程自动化的研究主要集中在以下方面：冶炼过程的信息 检测，转炉炼钢过程的建模与控制、智能技术及先进系统的应用等方面。下面将 简要介绍近一段时期以来国内外在这方面的主要研究贡献。 2 1 1 检测技术 信息是任何工业生产过程中进行计算机控制的基础和保证。转炉炼钢实现全 自动吹炼控制，提高控制的精度和命中率，必须注重对各种工艺过程信息在线检 测技术的研究和开发。 转炉炼钢过程控制信息的内容主要包括：1 ) 对终点状态、炉渣状况的实时在 线检测；2 ) 吹炼过程枪位变化和各种辅原料的加入情况。 转炉炼钢具有高温、快速、反应剧烈的特点，直接测量圆难较大，往往利用 转炉内声、光、电及化学分析等信息来间接测量的方法，世界各国为此研究出大 量新型的检测手段。 对终点的检测方法主要有： 美钢联g r a n i t ec i t y 钢厂1 9 9 1 年发明并采用了投弹热电偶终点检测技 术，可根据测定烟气温度可间接推断熔池含碳量、3 ”。 美国伯利恒钢铁公司雀点钢厂发明了一种通过炉口火焰光强测定终点 碳含量的简易方法。 日本新同铁公司开发出一种新型光学传感器探头，通过连续检测炉内光 辐射的频率、强度，可测定熔池火点温度，推算熔池温度和钢水中m n 含量洲。 炉渣的在线检测方法主要有： 声纳法：根据炉渣厚度对氧枪噪音传播的影响，i - 白】接判断炉渣液面高度。 氧枪振动加速计法：由r 本川崎公司发观，根据炉渣厚度对氧枪振动加 速度的影响，通过测量氧枪振动加速度间接测量液面高度、= “。 微波溺液面法：r 本神户公司加吉川厂歼发，用微波的方法直接测量出 铁水的液面高度：。 上海大学硕士学位论文 2 1 2 转炉全自动吹炼技术 转炉过程控制的发展经历了3 个阶段：静态控制、动态控制和转炉全自动控 制1 。 静态控制：指转炉吹炼前，根据初始条件和终点要求对转炉吹炼过程进行 模型计算制订吹炼方案、供氧时间和各种辅原料加入量，以期基本命中目标值 的控制方法。 动态控制：为提高控制精度，在静态控制基础上开发了动态控制技术，现今 主要包括：副枪终点检测动态控制技术和炉气检测动态控制技术i 在这方面，上 海大学钢铁冶金重点实验室也进行了有益的探索工作”。 全自动控制：尽管动态控制校正了静态控制的计算误差，能提高终点 c 、t 的控制精度和命中率，但仍存在许多不足：( 1 ) 不能对造渣过程进行有效监测和 控制，不能降低转炉喷溅率：( 2 ) 不能对终点 s 、 p 进行准确控制，由于 s 、 p 不符合成分要求而增加后吹次数：( 3 ) 不能实现计算机对整个吹炼过程的闭环 在线控制。 为解决上述问题，世界各国从8 0 年代着手开发转炉全自动吹炼控制技术并 取得突出经济效益，尤其以日本为最，比较典型的应用如下表2 一l 所示： 表2 一l 转炉全自动吹炼技术应用典型 在转炉智能技术的应用方面，国内进行了有益探索，主要有：冶金部自动化 研究院的徐广新等在计算机静念控制基础上丌发了用于转炉炼钢后期补吹的专 家系统”1 ：北京钢铁研究总院丁容等把神经网络技术应用到转炉炼钢过程控制， 建立两个网络，分别逼近转炉冶炼的终点碳浓度和终点温度。1 1 。 6 上海人学硕士学位论文 2 1 3 转炉炼钢自动化技术的发展趋势 在发达国家中，转炉过程控制目前已达到很高水平，各工序也基本实现自 动化，“静态控制+ 副枪检测+ 动态控制”的控制模式被广泛采用，同时随着检测 技术和控制技术的发展，转炉模型的水平仍在不断提高，并主要显现如下趋势和 特点： 人工智能技术的应用是进一步提高转炉终点控制命中率的一个有效方 法，它可解决部分传统方法难以处理的问题，扩大模型处理问题的范围， 提高控制精度。 转炉控制模型将更多的精力转移到冶炼过程控制，并将目标致力于喷吹 过程的完全自动化与最佳化控制实现转炉全自动吹炼控制。 综上所述，在转炉炼钢中采用计算机控制，建立转炉炼钢吹炼过程的数学模 型，并依据数学模型来监测和自动控制转炉吹炼过程，这对于我国提高转炉冶炼 质量和水平，以及提高生产效率都有重要的现实意义。 2 2 转炉计算机控制系统的结构及其功能 现代化的转炉炼钢控制系统在世界钢铁工业领域普遍应用，它们采用先进的 计算机应用技术，以仪控、自控、电控组成一个完整的控制系统( 三电一体化) ， 取代常规的仪表盘、操作台、模拟屏的传统操作控制方式，全部监控手段均在计 算机人机接口上完成，使计算机管理、过程控制和基础自动化形成一个完整的有 机整体，为全面的生产管理和自动控制创造条件。 2 2 1 转炉计算机过程控制系统的结构 目前，现代转炉炼钢均采用两级或三缀控制系统。 第一级为基础级，由可编程逻辑控制器( p l c ) 、电气控制和仪表控制系统组 成，其主要功能是对各种工艺过程进行顺序控制、连续控制、检测控制、人机对 话、数据通讯。 第二绂为过程绒，它与第一级实现同步由计算机控制，主要功能是对炼钢和 连铸生产工艺过程实行最佳化动态控制、炉次跟踪、铸流与扳坯跟踪和操作指导、 捡化验数据管理、数据通信与报表打印等，一般包括： 造渣控制系统。 1 7 上海犬学硕士学位论文 吹炼控制系统。 终点控制系统。 煤气回收控制系统。 底吹控制系统。 它的系统结构见图2 一l 所示9 “。 化簋_ l 簟 图2 - i 炼钢过程计算机控制系统框图 第三级为管理级，主要功能是生产管理和生产调度、品种质量管理、生产过 程与设备状态的监视、数据通信与报表打印等。 近年来我国的各大钢厂均在引进国外冶炼设备的同时并自主开发了相应的 控制系统。例如，酋锅第三炼钢厂的转炉炼银计算机控制系统m i c o n - - p c 是由首 钢计算机公司开发的，该系统分为两级：一级为直接控制计算机，直接与现场信 号连接，运行控制程序，另一级为上位计算机，负责数据收集、显示、报警、打 印、操作等。两级计算机联在同一网上，通过通讯进行数据交换。 2 2 2 转炉计算机控制系统的主要功能 计算机控制转炉炼钢是以过