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东北大学硕士学位论文摘要 基于核密度主元分析的高炉炉型检测系统研究与实现 摘要 本文论述了炉型检测系统的设计和实现。针对炉前操作人员对炉型管理 的新需求，把基于模型的方法、基于数据驱动的方法和基于知识的方法结合 起来。提出了采用基于十字浏温边缘温度、炉墙温度、理论燃烧温度和冷却 壁温度计算炉墙粘结厚度的理论和方法。首先使用回归分析数学方法建立炉 墙温度模型，再利用传热学的公式，根据炉墙温度的变化，计算高炉内部粘 结的厚度；进而基于传统的主元分析法，结合核密度估计，提出了采用多变 量核密度估计主元分析法来监控炉内情况，从而判断所建立的回归模型是否 应该进行重建，使模型具有了自适应的功能，并与传统主元分析法作了比较 试验，结果表明，多变量核密度估计主元分析法较先前方法有很好改进。本 文提供了数据提取、回归模型优化、回归模型监控评价的算法，使整个炉型 检测系统得到了改进和完善。 本系统按照面向对象的思想，运用了策略设计模式，采用了多线程的结 构，使系统的可扩展性和可维护性得到了明显的增强。 关键词：炉型；回归分析；主元分析；核函数；策略设计模式 查苎查鲎堡主兰堡垒蠢垒旦! ! 坠! ! t h er e s e a r c ha n da c h i e v e m e n to fe x a m i n ea n dm e a s u r e o fb a s e do nk e r n e ld e n s i t yp r i n c i p a lc o m p o n e n t a n a l y s i s b l a s tf u r n a c ei n n e rp r o f i l e a bs t r a c t t h et o p i co ft h ep a p e r si st h er e s e a r c ha n da c h i e v e m e n to fe x a m i n ea n d m e a s u r eo fb a s e do nk e r n e l d e n s i t yp r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i sb 1 a s t f u r n a c ei n n e rp r o f i l e i t i s c o m p l e t e l y d i s c u s s e dt h a tn e w s y s t e mt h e o r y ，a r c h i t e c t u r e ， i m p l e m e n t a t i o n w i t hc o m p a r i n gt h eo l ds y s t e m i tc o m b i n e sw i t ht h ew a yo f b a s e d - m o d e l ，b a s e d - d a t ad r i v z na n db a s e d k n o w l e d g e an e wi d e ai sp r o p o s e d b yu s i n g c r o s sw i s e t e m p e r a t u r e ，w a l tt e m p e r a t u r e ，t h e o r yb u r n i n g t e m p e r a t u r ea n dc o o l e dt e m p e r a t u r et oc o m p u t et h et h et h i c ko fb l a s tf u r n a c e w a l l f i r s t l y ，m a k i n gm o d e lb yr e g r e s s i n ga n a l y s i sm e t h o d ，u s i n gb a s e do i lt h e e x p r e s s i o n so fh e a tt r a n s f e r ，a c c o r d i n gt ot h et h a n g eo fw a l lt e m p e r a t u r e ，w e g e tt h et h i c ko fb l a s tf u r n a c ew a l l t h e nc o m b i n gw i t ht r a d i t i o n a lp c aa n d k e r n e l p r o b a b i l i t ye s t i m a t i o n ，w ep r o p o s em u l t i - v a r i a b l ek e r n e lp r o b a b i l i t y e s t i m a t i o np c at ow a t c ht h es i t u a t i o no fi n n e rp r o f i l e ，a n dj u d g i n gw h e t h e rt h e m o d e ls h o u l db er e b u i l t ，w h i c hm a k e st h em o d e lc a ra d a p ti t s e l f c o m p a r i n g w i t ht h et r a d i t i o n a lp c a ，t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tm u l t i v a r i a b l e k e r n e l p r o b a b i l i t ye s t i m a t i o np c ai s b e t t e r t h ep a p e r so f f e r i n d e p e n d e n t d a t a f i l t e r e d ，r e g r e s s i n gm o d e l o p t i m i z e d a n d r e g r e s s i n gm o d e l a p p r a i s e d a r i t h m e t i c ，w h i c hm a k ea r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ee x a m i n ea n dm e a s u r eo fb l a s t f u r n a c ei n n e rp r o f i l ei m p r o v ea n dc o n s u m m a t e t h ew h o l es y s t e mi sm o d e l e db y s t r a t e g yd e s i g nm e t h o db a s e d 0 1 1 o b j e c t o r i e n t e di d e a i tu s e st h es t r u c t u r eo fm u l t i t h r e a d i t e s p e c i a l l y i m p r o v e st h ee x p a n s i b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t yo ft h es y s t e m k e yw o r d s ：i n n e rp r o f i l e ；r e g r e s s i n ga n a l y s i s ；p c a ；k e r n e l ；s t r a t e g yp a t t e r n i 王i 一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：互捉 日期：2 翰牟i 月厕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同 意。) 学位论文作者签名：互挺 签字日期：瑚6 鼻1 霸占目 导师签名：；孑托l 乏 i 签字日期：训、h 厂 东北大学硕士学位论文第一章前言 第一章前言 1 1 现代工业监测领域综述 在现代工业过程的监测领域中，研究方法可以分为三大类：基于数学模 型的方法、基于数据驱动的方法和基于知识的方法。 基于模型的方法发展时间较长，相对比较成熟，但主要成果局限于线性 系统，由于流程工业的复杂性、严重非线性以及强耦台性等特点，基于模型 的方法在工业的检测中还不能得到广泛的应用。属于这类的典型方法包括参 数估计法、观测器方法、对偶关系方法等1 1 j 。 基于数据驱动的方法以采集的过程数据为基础，通过各种数据处理与分 析方法( 如主元分析法、聚类分析、频谱分析、小波分析等) 挖掘出数摄中 隐含的信息，从而指导操作工进行生产。这种方法通用性好，但由于没有利 用过程模型信息和知识，其检测和诊断性能有限。 基于知识的方法主要是利用人工智能的方法( 包括模糊逻辑、因果分析、 专家系统等) ，构造某些系统功能以模仿和实现人类在检测控制中的某些思 维和行动。它适合于有大虽生产经验和工艺知识可以利用的场合，但通用性 筹。 图1 1 基于数据驱动的方法分类图 f i g1 1t h ed a t ad r i v et a x o n o m y 东北大学硕士学位论文第一章前言 通过对这些方法的比较分析，目前有种趋势是把基于模型的方法、基 于数据驱动的方法和基于知识的方法结合起来，相互补充。 v e n k a t a s u b r a m a n i a n ( 2 0 0 3 ) 将基于人工智能的方法也包含在基于数据驱动的 方法中，并将基于数据驱动的方法从定性和定量两个角度进行了分类【2 l 。如 图1 1 所示。 1 2 高炉专家系统简介 长期以来，高炉工作者一直希望高炉操作与控制达到完全自动化，但商 炉是一个包括复杂物理化学变化和传输过程的高温反应器，发生在高炉内部 特别是下部的各种物理化学现象，至今还没有被完全和充分认识。国家自然 科学基金委员会编写的自动化科学与技术自然科学学科发展战略调研 报告( 3 l 艺术指出：“钢铁、能源、石油化工等连续生产过程往往涉及许多复 杂的对象，其中包括最常见的高炉、反应器等。他们的运行机制都尚未弄清， 往往带有非线性、分部参数等特征，并有着强烈的随机特性，因此需要探索 新的建模和控制的原理和技术，其中包括自适应控制、鲁棒控制、预测控制、 容错控制和模糊控制等新控制手段的应用，而且要研究定型建模，以及基于 ( 专家) 知识控制等技术的应用。”由于高炉还原过程是在封闭条件下进行 的，无法完全直接控制过程参数，对于这种不均匀、非线性、大噪音的封闭 系统，通过各种传感器采集大量数据，建立高炉数据库，并在数据库的基础 上，利用数据挖掘技术，建立数学模型，由优秀的操作专家的知识和经验构 成知识源，建立专家系统数据库，并采用模糊推理，能够进行高炉动态控制。 与高炉工长相比，高炉专家系统具有以下优势： 1 ) 专家系统借助计算机技术，可以同时对大量的高炉过程信息进行快 速分析和综合判断，避免人为的疏忽，从而及时她判断冶炼过程中的各种异 常炉况。 ( 2 ) 不同工长对炉口的判断可能不同。专家系统采用炼铁专家在长期生 产过程中所积累的高水平操作经验，对炉况及其走向的判断更准确、更客观， 可避免三班作业的不一致，实现标准化操作。 f 3 ) 工长只能依靠经验或通过仪表来进行炉况判断，专家系统将人类专 家的经验与“传统数学模型”及其他人工技术相结合，从而使对炉况的判断及 调剂动作的决策建立在更为科学的基础上。 ( 4 ) 专家系统可以实时地提供给厂长、工程师等使用者更多、更完备的 信息，有利于提高炼铁厂的管理水平和科学决策水平。 高炉专家系统的应用给社会生产带来了非常可观的经济效益。以炼铁行 2 东北大学硕士学位论文第一章前言 业为例：日本i l 崎公司千叶厂6 号炉曾刨下连续生产1 6 年零5 个月的大裂高炉 炉龄世界纪录，其取得上述成绩的一个关键就是通过g o s t o p 系统保持炉况 长期稳定。为此，在日本，各大钢铁公司都竞相开发了各自的高炉专家系统， 如川崎的a d v a n c e dg o s t o p 、新日铁的a l i s 、日本钢管的b a i s y s 以及 住友金属的h y b r i d 等等。同样，美国、芬兰、澳大利亚也相应开发了各自 的专家系统。这些系统在实际运行中都取得了比较好的效果。 9 0 年代以来，我国的一些钢铁企业和研究单位也致力于高炉专家系统的 研究，取得了较好的效果，由于基金等方面的原因，国内开发的专家系统应 用情况不是很令人满意。尤其在高炉运行控制方面目前还没有出现一套比较 完整的实用专家系统，基本上靠引进国外技术来指导生产。如：宝钢2 号高炉 引进的川1 崎g o s t o p ，鞍钢1 1 号高炉引进的德国数据采集与监测系统。尽篱 这些系统在生产中发挥了巨大的作用，但是由于国外系统售价很高，一般的 钢铁企业很难承受，不符合我国钢铁企业目前的经济状况。1 9 9 5 年唐山钢铁 公司某高炉因冷却设备长期漏水造成炉缸大凉而停产，损失达一亿元。弓i 发 这起事故的根本原因之一就是检测高炉运行状况的手段十分落后”】。 1 3 论文结构 炉型检测系统是布料系统的一个支持模块，合理的操作炉型对高炉的优 质、高产、低耗、长寿有着决定性的意义。本论文基于模型的方法、基于数 据驱动的方法和基于知识的方法结合起来，先采用模型方法模拟出实时炉型 结厚的情况，然后采用数据驱动的办法来检测模型更新的时机。从而使整个 系统的实时性和性能都得到了较大提高。 本文重点阐述炉型检测系统的设计方案和实施办法。共分八章，第章 为前言部分，介绍该系统的一些相关的背景知识：第二章系统综述，讲解枪 测系统的结构和系统的特点；第三章重点介绍实时系统中的数据提取的理论 基础和实现算法；第四章论述多元非线性回归模型系统的理论基础和实现方 法，重点是多元回归模型的建立及优化的方法；第五章讲述实时系统中的评 价检测系统，通过对传统的主元分析法进行了改进，提出了一种多变量核密 度估计主元分析法，监控前面建立的回归模型是否真正反映炉况以及重建时 机：第六章介绍评价检铡系统实现过程中所使用的一些技术和方法，重点介 绍了c + + 中多态和模板的使用；最后一章结论，主要讨论在新系统的设计过 程中取得的成果和今后的工作。 3 。 东北大学硕士学位论文 第二章高妒炉型硷剥系统综述 第二章高炉炉型检测系统综述 2 1 原系统概述 2 。1 1 原系统开发背景 目前我国已成为世界第一产铁大国，截止到2 0 0 1 年生铁产量达1 4 2 8 5 7 乃“电。随着国外钢铁公司在高炉专家系统方面的应用日趋成熟，国内一些夫 的钢铁公司，比如“鞍钢”、“宝钢”、“首钢”，也把高炉的计算机控制提到日 程之上，为了适应钢铁企业进一步发展的需要，原国家冶金部提出了“炼铁 系统结构优化”的目标要求。1 9 9 2 年东北大学人工智能专家系统实验室承担 了国家“八五”重点科技攻芙项目“鞍钢高炉冶炼过程专家系统工业试验”， 1 9 9 5 年8 月，移植到鞍钢1 0 号高炉试运行，年底通过国家验收，1 9 9 7 年通 过冶金部技术鉴定，称“本系统处于国内领先水平，部分指标已达到国际先 进水平”，1 9 9 8 年获冶金部科技进步等奖。1 9 9 8 承担国家7 乙蕊科技攻关项 目“鞍钢高炉炉况诊断和操作决策人工系统”妁研究和开发，其目的是采用计 算机人工技术，结合以前科研经验和成果，把高炉专家的经验转化为计算机 可咀识别的知识库模式，从而诊断和预测高炉冶炼中的各种状态并做出相应 的操作指导。整个系统结合了国内外很多高炉专家系统的优秀方案，采用了 人上智能中许多先进的技术，对仪表要求较少，适台国内大部分高炉仪表维 护不善、仪表数据不全的实际情况，并且具有完整的理论基础，于2 0 0 1 年 通过国家验收。 2 1 2 系统开发环境 本系统开发是以鞍山钢铁公司l l 号璃；炉为实验基础。鞍钢1 l 号高炉容 积2 5 8 0 立方米，采用无料钟布料方式，膏4 个出铁口，约9 0 分钟出铁一次。 该炉于1 9 9 5 年2 月建成，引进了较先进的检测仪表和炉控设备，仪表控制 系统是英国欧路公司生产的集散系统t c s 6 0 0 0 。自动化水平很高。这为研 制和应用高炉专家系统创造了很有利的条件。高炉检测仪表的分布如图2 1 制和应用高炉专家系统创造了根有利的条件。高炉检测仪表的分布如图2l 所示。 一5 东北大学硕士学位论文第二章高炉炉型检测系统综述 第二章高炉炉型检测系统综述 2 1 原系统概述 2 。1 1 原系统开发背景 目前我国已成为世界第一产铁大国，截止到2 0 0 1 年生铁产量达1 4 2 8 5 7 万吨。随着国外钢铁公司在高炉专家系统方面的应用日趋成熟，国内一些大 的钢铁公司，比如“鞍钢”、“宝钢”、“酋钢”，也把高炉的计算机控制提到同 程之上，为了适应钢铁企业进一步发展的需要，原国家冶金部提出了“炼铁 系统结构优化”的目标要求。i 9 9 2 年东北大学人工智能专家系统实验室承担 了国家“八五”重点科技攻关项目“鞍钢离炉冶炼过程专家系统工业试验”， 1 9 9 5 年8 月，移植到鞍钢1 0 号高炉试运行，年底通过国家验收，1 9 9 7 年通 过冶金部技术鉴定，称“本系统处于国内领先水平，部分指标已达到国际先 进水平”，1 9 9 8 年获冶金部辩技进步一等奖。1 9 9 8 承担国家九五科技攻关项 目“鞍钢高炉炉况诊断和操作决策人工系统”的研究和开发，其目的是采用计 算机人工技术，结合以前科研经验和成果，把高炉专家的经验转化为计算机 可以识别的知识库模式，从而诊断和预测离炉冶炼中韵各种状态并做如相应 的操作指导。整个系统结含了国内外很多高炉专家系统的优秀方案，采用了 人工智能中许多先进的技术，对仪表要求较少，遥合国内大部分高炉仪表维 护不善、仪表数据不全的实际情况，并且其有完整的理论基础，于2 0 0 1 年 通过国家验收。 2 1 2 系统开发环境 本系统开发是以鞍山钢铁公司1 1 号高炉为实验基础。鞍钢1 l 号高炉容 积2 5 8 0 立方米，采用无料钟布料方式，有4 个出铁口，约9 0 分钟出铁一次。 该炉于1 9 9 5 年2 月建成，引进了较先进的检测仪表和炉控设备，仪表控制 系统是英国欧路公司生产的集散系统t c s 6 0 0 0 ，自动化水平很高。这为研 制和应用高炉专家系统创造了很有利的条件。高炉检测仪表的分布如图2 1 所示。 5 东北大学硕士学位论丈第二章高炉炉型检洚】系统综述 图2 11 1 母高炉检测仪表分布 f i g 2 1t h el o o k o v e rm e t e ro f11 # b l u s tf u r n a c e 高炉仪表控制系统采用英国欧路公司生产的集散系统，高炉主体的传感 器数据由该公司的t c s 6 0 0 0 采集后，通过l i n k 网传送到过程控制计算机 中。过程控制计算机为v a x 4 0 0 0 小型机。v a x 4 0 0 0 通过d e cn e t 网将采 集的数据送到5 台v a x 4 0 0 0 v c l 无盘工作站和一台高性能的p c 服务器。5 台无盘工作站主要用于监测高炉工艺参数的变化。p c 服务器用来建立实时 数据的数据库，并通过以太网向高炉专家系统、热风炉控制系统等p c 机提 供所需要的数据。商炉仪表控制系统实际采集的数据分别反映不同位置的温 度、压力、透气性、风量、压差、料批数、料尺位置、上料信号、加煤信号、 加焦信号、加风减风信号等指标1 5 。 2 1 3 系统结构及主要功能 实时高炉专家系统采用人工智能原理与技术，根据高炉仪表提供的各种 高炉状态参数，实时判断生产过程中高炉的各种状态和指标，为操作和决策 人员提供专家级的支持。系统按照功能模块划分，共有五部分：炉况评价、 异常炉况判断、高炉热状态、操作建议和布料制度指导。 6 - 东北大学硕士学位论文第二章高炉炉型检测系统综述 系统的各部分组成及数据流向如图2 2 所示。 图2 2 软件结构图 f i g 2 2t h ec o n s t r u c t i o no ft h es y s t e m 各模块功能如下： f 1 ) 炉况评价系统：判断当前炉况是否异常。采用g o s t o p 方法，将炉 况分为好、注意、坏三个等级，每两分钟对炉况评价一次。 ( 2 1 炉况类型判断予系统：其目的是根据高炉仪表的数据情况，利用带 有时态逻辑的模型推理来判断管道、崩料、悬料、炉况向凉、炉况向热、难 行、低料线等七类异常炉况。 ( 3 ) 含s i 爨、含s 量预报模型：预报离炉的热状态，由于高炉铁水的含 硅量与高炉的炉温状况具有较为明显的对应关系，所以准确的预测高炉铁水 的含硅量值就能很好的反映当前的铁水温度情况。另外，高炉冶炼中影响钢 材质量的一个主要问题是铁水中的含硫曩。热塑性加工时，钢的含硫量的多 少决定了其是否会产生热脆缺陷。目前在鞍钢1 1 号高炉上的炉温判断主要 包括铁水含硅量预报、铁水含硫量预报和炉温趋势预报三个部分。在温度预 报模块中采用了t d ( t e m p o r a ld i f f e r e n t e s ) 时差算法，三层前馈的神经元 7 东北大学硕士学位论文第二章高妒妒型检测系统综述 网络对高炉炉温变化的预测有很好的效果，命中率接近8 5 。 f 4 ) 操作指导子系统：是在当前炉况判断的基础上，运用炉前专家的现 场操作知识，经过步进式的推理判断，提出下一步的操作建议，作为炉前操 作人员当前控制高炉动作的参考，使之能更好的控制炉况的变化，保证高炉 稳定，高产。高炉在异常炉况情况下，经常同时发生几种不同的异常炉况类 型，比如管道、崩料、悬料、低料线、难行、向凉和向热等。因此系统按照 事故的严重程度给予几种异常炉况类型不同的优先权。异常炉况类型的优先 级越高，事故越严重，系统要优先处理，根据事故的预报和发生两种情况， 做出相应的操作指导建议。 图2 3 实时布料指导子系统结构图 f i g 2 3t h ev i e wo fo n l i n eo p e r a t i o nd i r e c t i o ns u b s y s t e m 5 ) 布料指导与煤气流分布子系统：主要针对当前的布料制度和一氧化 碳、二氧化碳的含量，进行模式匹配，并提出建议的布料制度。煤气流分布 显示是为了弥补在国内的一些钢铁公司中，缺乏先进的煤气流分布检测仪表 的不足而专门设计的。通过利用炉喉十字测温的实时数据参数，运用相应的 人工智能方法，给出煤气流分布的一种近似的模型，对炉前的操作起定的 指导作用。本系统分为两部分，一是实时布料操作指导子系统( 如图2 。3 所 示) ，一是离线布料搡作指导予系统( 如图2 4 所示) ，根据这两个子系统做 r 东北大学硕士学位论文第二章高炉炉型检测系统综述 出的操作建议，最后由高炉炉长做最后的操作决策。 图2 4 离线撮作布料指导予系统结构圈 f i g 2 4t h ev i e wo fo f f l i n eo p e r a t i o nd i r e c t i o ns u b s y s t e m 2 2 炉型检测系统概述 2 2 1 炉型检测系统开发目的 高炉冶炼过程是在高温和一定压力的条件下进行的，整个系统是封闭 的，目前国内外高炉都很难直接测量炉内的状况。高炉的煤气流的分布好坏， 直接影响了高炉的生产与炉龄。而布料制度的变化，会影晌高炉上部煤气流 的分布，决定高炉内部热量的传递及炉料下降的顺行程度，从而影响高炉冶 炼过程和铁水质量等高炉各项技术经济指标。因此，追求煤气流分布的最佳 化以及依据煤气流的分布状况有效地进行布料控制一直是大家非常关注的 课题。八十年代末日本川崎制铁开发了目标推断型布料操作指导系统，它根 据炉喉径向温度分布，炉身上部径向温度分布，炉身上部煤气流利用率分布 和炉身中下部炉墙热负荷来确定布料操作的趋向，德到很好的效果 6 】。武钢 一9 。 东北大学硕士学位论文第二章高炉炉型检测系统综述 和芬兰r a u t a r u u k k i 公司联合开发的高炉炉型管理系统通过统计、分析与炉型 管理有关的信息，定期利用规则对高炉炉型管理进行评价，给出动作建议， 对指导生产起到良好的效果， 本炉型测检测系统充分吸收国内外高炉专家系统的经验，提出了一套新 的商炉炉型检测的思想方法。通过数据分析和数据挖掘方法，建立高炉炉型 的数学模型，通过这一数学模型可以实时计算出当前的炉墙结厚情况并动态 显示当前炉壁工作面情况，判断商炉边缘煤气流分布是否异常。如果异常， 则建议进行边缘气流调节，改善边缘煤气流发展，为高炉布料提出间接性指 导建议。 2 2 2 炉型检测系统在原系统中的作用 炉型检测系统是布料系统的一个支持模块，主要功能是通过动态显示炉 墙厚度的变化，直观的观察炉壁是否有粘结或结瘤，一旦炉壁粘结，则操作 人员可以通过加重边缘煤气流等方法，调整炉型，保证高炉内侧炉墙工作面 光滑、稳定。合理的操作炉型对高炉的优质、高产、低耗、长寿有着决定性 的意义。其逻辑关系如图2 5 所示。 图2 5 炉型检测系统的作用 f i g 2 5t h ef u n c t i o no fd i s p l a y i n gi n n e rp r o f i l eo fb f 2 2 3 炉型检测系统的基本功能 炉墙厚度变化是指高炉炉墙内壁由于矿石粘结、脱落和侵蚀而引起的炉 墙径向宽度的变化 。高炉炉墙结厚与结瘤产生的机理是融化后的液相熏新 一l o 东北大学硕士学位论文第二章高炉炉型检测系统综述 凝固的结果，产生的原因比较复杂，比如长时间低炉温、低硫冶炼，造成软 熔带下移，终渣碱度偏高，燃料、原料质量不稳定，都会引起炉壁粘结。一 般高炉结厚现象经常发生，按其部位可分为上部结厚、中部结厚和下部结厚， 当炉墙结厚积累一段时间后会产生脱落，脱落的矿石和渣皮掉入炉缸铁水 中，会导致炉凉，影响出铁质量，炼铁产量也会大幅度下降。 炉壁侵蚀是指高炉炉壁由于炉内高温，频繁粘结和脱落而导致厚度减小 1 8 。它是影响高炉寿命的重要因素之一，如果炉壁侵蚀严重，会腐蚀冷却壁， 导致冷却水泄露，造成高炉大凉，严重的会导致高炉停产。 当高炉内发生异常现象时，虽然不能直接观察到这些现象，但是根据多 年的高炉专家和炉前操作人员的高炉生产经验，当发生这些现象时，都会有 相应的征兆，这些征兆通过设在高炉上的相关检测仪表的数值变化反映出 来。例如，高炉炉墙粘结会导致粘结处炉墙温度的下降，而且随着粘结厚度 的增加，炉墙温度也呈一个缓慢下降的趋势，这个过程经常持续几天甚至十 几天。一旦炉壁粘结脱落，炉墙温度会在很短的肘间内突然跃升，在曲线上 呈现梯度变化。 图2 61 1 号高炉炉身温度- 时间曲线圈 f i g 2 611 # b l a s tf u r n a c et e m p e r a t u r e - t i m eg r a p h 图2 6 所示的是鞍钢1 1 号高炉炉身西向六段温度随时间变化的曲线，e 1 期是从2 0 0 3 年3 月3 1 日至4 月5 日，从图中的曲线我们可以清楚的看到， 炉身温度在3 月3 1 日至4 月3 臼期间缓慢的下降，该点炉内壁已经产生粘 结并在逐步增厚，在4 月3 日晚温度曲线突然跳起，幅度有3 0 多度，说明 粘结正在脱落。我们可以看出粘结是个长期缓慢的过程，而脱落是个短暂快 东北大学硕士学位论文第二章高炉炉型检测系统综述 速的过程，这也符合高炉专家对炉壁粘结和脱落的判断经验。 上图说明，粘结厚度和炉身温度呈反比例关系，也就是说，我们通过粘 结厚度和炉身温度的样本数据集，利用数据挖掘的方法就可以找出这个关 系，从而预测将来某个时刻的炉身粘结厚度。僵是，由于高炉内部的生产条 件非常严酷( 如高温、炉尘等) ，目前还没有测量手段直接得到高炉内部炉 壁粘结的数据，高炉操作人员只能通过炉温曲线和其他仪表参数状态间接判 断炉壁是否粘结和脱落( 比如上图中炉壁温度下降和跃升) ，而没有一个定 量的判断标准。所以，要定量的判断高炉炉壁的粘结的厚度，只能通过炉墙 温度的变化，根据热传导公式，间接推算出来一j 。 炉型检测系统的就是从大量的测量值中提取出能够充分反映高炉内部 情况的特征值，利用这些特征值建立理论炉墙温度的多元非线性回归模型， 计算出当前的理论炉墙温度，再将理论炉墙温度与实际炉墙温度的差值使用 热传导公式转化为相应部位的炉墙结厚并用图形的方法实时的反映出来。随 着高炉使用年限的增加，高炉的内壁和隔热层都会发生变化，从而使相应的 测量值数据发生变化，使得模型不能真实的反映商炉内部的实际情况。为了 解决这个问题，就要求模型能够随时对本身作出评价，从而确定修改时机， 使它具有一种自我更新，自我调整的能力，以适应高炉内部实际情况的变化。 2 2 4 炉型检测系统的结构 炉型检测系统分为两部分： 第一部分；离线系统。主要包括：数据提取系统；多无非线性回归模型 系统。 数据提取系统：从大量的铡量值中提取出具有一定特征的特征值。 多元非线性回归模型系统：一个多元浆线性回归模型的建立及优化。 第二部分：实时系统。主要包括：炉墙结厚实时显示系统；炉型的评价 检测系统。 炉墙结厚实时显示系统：利用已经建立的多元非线性回归模型计算出理 论炉墙温度。再利用热传导公式将理论炉墙温度与实际炉墙温度的差值转化 为具体的结厚，并用图形的方法显示出来。 炉型的评价检测系统：根据实时数据采用基于核密度的主元分析法对当 前正在使用的炉型做出评价，以来判断当前的模型能否真实的反映炉墙内部 的变化。如果不能则调用离线系统进行调整。 以上各部分是相互独立的，彼此之间通过消息进行联系。 一1 2 东北大学硕士学位论文 第二章高炉炉型检测系统综述 2 2 5 炉型检测系统的各个部分间的协作关系 检测系统各个部分问的协作关系可以分为两种。第一种为系统初始化时 的协作关系。第二种为整个系统正常工作后的协作关系。 2 2 5 1 系统初始化时的协作关系 初始化的时候各部分的工作关系如图2 7 所示。 图2 7 对象协作图 f i g 2 7t h eo b j e c tc o l l a b o r a t i o n ( 1 ) 测量值数据库为数据提取系统提供过去一段时问内的测量值。一般 是3 到6 个月的历史数据。数据提取系统将用这些历史数据建立当前的特征 值集合。 ( 2 ) 数据提取系统将建立的特征值集合提供给离线系统。离线系统利用 特征值集合建立多元非线性的回归模型。 ( 3 ) 离线系统将建立的多元非线性回归模型提供给炉墙结厚实时计算及 显示系统。炉墙结厚实时计算及显示系统准备工作。 ( 4 ) 从测量值数据库中将新传入的测量值提供给炉墙结厚实时计算及显 示系统，使其能够计算出当前的炉墙结厚。炉型的评价检测系统随时对当前 炉型进行检测。数据提取系统根据传来的测量值更新特征值集合。 2 2 5 2 系统正常工作后的协作荚系 系统正常工作后各部分协作关系如图2 8 所示。 ( 1 ) 将传感器数据和来自化验室的数据进行相应的预处理后存入数据库 中。 ( 2 ) 将处理过的新传入的数据分别发送给炉墙结厚实时计算及显示系统 和数据提取系统。前者用这些数据来计算当前的炉墙结厚。后者用这些数据 1 3 东北大学硕士学位论文 第二章高炉炉型检测系统综述 来更新特征值集合。 ( 3 ) 炉型评价检测系统对当前的炉型情况进行评价，如果发现当前炉型 工作不正常。则向离线系统发出回归模型需要更新的消息。离线系统接到消 息后开始重新建立回归模型。 图2 8 对象协作圈 f i g 2 8t h eo b j e c tc o l l a b o r a t i o n ( 4 ) 离线系统开始重新建立多元非线性回归模型。在建立的过程中，离 线系统首先向数据提取系统发出需要当前的特征值的集合的消息。 ( 5 ) 数据提取系统在收到了离线系统的请求后，将其现在的特征僮集合 传送给离线系统。 ( 6 ) 离线系统在收到特征值集合后，重新建立多元非线性回归模型，并 把建立的回归模型传送给炉墙结厚的实时计算及显示系统，炉墙结厚的实时 计算及显示系统用新的回归模型代替旧的回归模型进行计算。 1 4 东北大学硕士学位论文第三章数据提取系统 第三章数据提取系统 3 1 数据提取介绍 3 1 1 什么是数据提取 数据提取：从大量的测量值中提取出具有一定特征的特征值。利用这些 提取出的特征值来建立回归模型。 3 】2 特征值种类的确定 高炉的测量值有很多种，并不是所有的测量值都是要提取的。只是考虑 其中与炉墙温度关系比较密切的，用来作为阏妇模型中的自变量。回归模型 中的自变量就是对炉墙温度的变换产生很大影响的或能及时的反映这种变 化的测量值种类例如；理论燃烧温度、十字测温边缘、冷却壁温度等1 7 1 。 但并不是说，只有前面提到的凡种就是最重要的对于不同的高炉系统，不 同的测量设备，我们所选取的观测值种类可能会不同。选择的标准：考虑各 种观测值与对应的炉墙温度的相似系数( 关联性程度) 。由于要建立的是 个多元的非线性回归模型所以对相似系数要求并不是很高。只要相似系数达 到一定程度( 本系统为o 5 ) 就可以把相应的测量值考虑提取的范围之内，用 到回归方程中。由于提取的范围一旦确定，就不会在发生什么变化，所以本 系统没有提供这一部分的功能。( 相似系数可以使用s a s 软件来完成 1 0 j ，也 可以利用专家经验，所以本系统种并没有提供这一功能) 。 3 1 。2 1 十字测温边缘温度 首先来看十字测温边缘温度。高炉十字测温装置在高炉喉附近，通过1 n - 字测温可以测最出高炉炉喉附近煤气流的温度，从而推断出高炉内部的煤气 流的分布和炉内煤气的利用状况。 该测温装鼍共有2 l 点，按照东南，西南，东北，西北四个方向平面垂 直交叉排列，建立本模型只使用四个方向上靠近炉鐾边缘的测温点数据，该 数据反映了炉壁内侧煤气流的分布情况( 如图3 ，l 所示) 。 1 5 东北大学硕士学位论文 第三章数据提取系统 至于东、南、西、北四个方向上的温度值使用左右相临的方向上温度的 平均值表示。即： t 北向垃缘聪气拖最鹰= ( t 西北 宇翻沮边毫温度+ t 东北p 字_ 薅主盘辱温度) ，2 图3 t 鞍钢11 号商炉炉喉十字测温截面图 f i g 3 1c r o s sw i s em e a s u r e m e n t0 1 1t e m p e r a t u r eo v e rf u r n a c et h r o a t 表3 1 是十字测温边缘温度与炉身温度的关系： 表3 1 炉身温度与十字测温边缘温度相关矩阵 t a b l e3 1r e l a t i v em a t r i x0 ft e m p e r a t u r e 十字测温边缘温度六段( t i _ 1 1 7 6 )八段( t i 1 1 9 2 ) 九段( t i 一1 2 1 2 ) 通过这个关系矩阵可以看出，炉墙温度与十字铡温的边缘温度的相似系 数比较大，与同侧的不同段上的相似系数也比较大，所以本系统主要选取十 字测温，同侧6 段，7 段，8 段，9 段的炉墙温度作为主要的提取对象 3 1 22 炉墙温度 炉墙温度是高炉重要的检测数据之，通过炉墙温度可以判断出高炉内 部温度变化和运行情况，是高炉生产中重要的监测数据。 1 6 东北大学硕士学位论文第三章数据提取系统 阉3 2 鞍钢1 1 号高炉测量炉身温度热电耦纵向分布图 f i g 3 2t h el e n g t h w a y sd i s t r i b u t i o ng r a p ho f b l a s tf u r n a c ow a l lt e m p e r a t u r e 每一段横截面方向熟电耦分八个方向放置，分别是：北( n o r t h ) ， 东北( n o r t h e a s t ) ，东( e a s t ) ，东南( s o u t h e a s t ) ，南( s o u t h ) ， 西南( s o u t h w e s t ) ，西( w e s t ) ，西北( n o r t h w e s t ) 。图3 7 所示 的是热电耦在某一段横截面的分布位置。 因为从炉身中下部开始高炉内部逐步进入软熔带，从软熔带往下是炉墙 结厚主要发生的地区，故只考虑了1 0 段往下的情况，即只考虑6 到9 段的 炉墙温度。 3 1 2 3 冷却壁温度 高炉冷却系统的有效利用和控制对炉墙至关重要，尤其是炉身下部，冷 却具有重大意义。对于高炉炉墙的结厚，冷却设备具有间接检测的功能，通 过冷却设备的水温差及其热负荷的变化，可了解冷却设备自身工作状态和高 炉周围的工作情况。在实际高炉生产中，不同部位的热流强度是不同的，热 流强度可作为一个高炉调节参数为高炉操作提供参考依据。热流强度的检 测，可以向操作者提供多方面韵信息。高炉在开炉以后，当达到预定的技术 指标后，其冷却璧的热工作状态便现在进出热流强度、水温差是处在个相 对平衡的范围内的波动。一旦冷却整热流强度、水温差发生变化，其原来的 平衡被破坏，表现在热流强度、水温差与原来的平稳态有显著差异。对于高 炉的某一个部位来说，它都有自己适宜的水温差和热流强度值。因此通过检 1 7 东北大学硕士学位论文第三章数据提取系统 测高炉的水温差和热流强度就可以知道高炉的工作情况。 溢棼逛挫攸1 温整巡捡使2 铁水瀑燧波 总镗漉黛豪 隔离也鼯 工业控制诈! ；：帆 避球il 手印 图3 3 鞍钢1 1 号高炉攫4 量冷却壁温度热电耦纵向分布图 f i g 3 3t h ed i s t r i b u t i o ng r a p ho fc o o l i n gw a l lt e m p e r a t u r e 高炉冷却壁从炉缸到炉子上部共有1 5 段，上下串联构成一个蹩体。炉 墙结厚时，炉身冷却壁及耐火材料温度下降，高炉熟负荷降低，随蔫炉墙结 厚的加剧，冷却壁5 、7 、8 、9 段温度全面下降，均低于5 0 。c 。根据专家经 验，一般冷却壁温度应控制在6 0 9 0 0 c 的范围内。 3 1 2 4 理论燃烧温度 除了上面提到的特征值以外，还加入了理论燃烧温度这个计算量。理论 燃烧温度虽然不是一个实际的测量值，但它是在多种实际测量值的基础之上 建立的一个理论值，理论燃烧温度可以反映出当前高炉的炉热程度【l ”。 3 1 3 理论燃烧温度的计算 高炉的热量几乎全部来自回旋区碳的燃烧热和鼓风带入的物理热。回旋 区热状态的主要标志是风口前理论燃烧温度t 。它不仅影响渣铁温度( 即炉 缸温度) ，还影响软熔带形状、煤气流分布和还原反应。 铁水 c 癌 2 4 0 0 2 3 0 0 2 2 0 0 2 1 0 0 高炉容积，m 3 图3 3 理论燃烧温度与铁水温度的- 芙系图3 4 高炉容积和理论燃烧温度的关系 f i g 3 。3t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e o r yf i g 3 4t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf b 适宜的理论燃烧温度应能满足高炉正常冶炼所需的炉缸温度和热量，印保证 1 8 - 东北大学硕士学位论文第三章数据提取系统 液态渣铁充分加热，炉缸热交换和还原反应正常进行，喷吹燃料在回旋区迅 速燃烧。因此，适宜的理论燃烧温度随高炉冶炼条件不同而有一定范围。高 炉炉墙温度模型使用风口区的理论燃烧温度作为回归方程的自变量，把高炉 下部的温度交化因素引入方程。 高炉内部在高温和一定压力下，发生的化学和物理变化非常复杂，计算 理论燃烧温度的原理就是遵循热量守恒原理，根据化学物理变化的方程式， 计算碳在参与铁的还原反应和燃烧时，所放出的热量。计算过程中需要很多 高炉的仪表数据的支持，嚣前国际上流行两种计算方法： ( 1 1 常规计算法 利用热量守恒原理推导而得，数据计算准确，但是计算复杂，所涉及的 检测仪表很多。 计算所需的主要数据为：焦比( k ) ，焦碳含碳量( c k ) ，油比( m ) ，煤 比( y ) ，碳在风口区燃烧率( c 。 ) ，鼓风湿分( f ，f ) ，鼓风温度( tb ) ， 输送煤粉所需载气量( b - ) ，输送煤粉载气温度( t 墙) ，油、煤在炉内利用 率等( b m ，b ，) 。 炉缸煤气量v ，： 2 2 42 2 4 c 僻百c 燃。百k * c k + m * c m * b m 删电章c ( p 2 2 4 2 百( k * c k * k q ) + m * c m * b m + y * c y * b y ) , m 3 t 0 9 3 3 叫c 燃- c o d b 输幸o 辕 h 2 = 、五石磊嘴b 输宰坩+ 1 1 2 m + 舛幸b y ) 十 2 2 4 1 i 一* ( m * h 2 0 m + y * h 2 0 y ) ，m 3 t o 9 3 3 联c 燃c o f ) b a 术y 枣o 输 n 2 = 0 7 9 吖1 一f ) 牛 0 2 l + o 2 9 f 名 n 脚+ 俐蝻y