宝钢集成式精炼过程控制模型成套技术与应用(doc 11)

中管网制造业频道HTTP/MADE21ASKCOM中管网制造业频道HTTP/MADE21ASKCOM宝钢集成式精炼过程控制模型成套技术与应用杜斌1郑贻裕2（1宝钢股份技术中心2宝钢股份炼钢厂）摘要本文介绍了集成式精炼过程控制模型的研发，并着重介绍了其在RH、LF、CAS等精炼炉上的应用。该模型具有独立于任何中间软件及过程机应用系统的特点，具有广泛应用价值。关键词集成式模型，二次精炼，过程控制，自动建模INTEGRATEDSECONDREFININGCONTROLMODELTECHNOLOGYANDAPPLICATIONTECHNOLOGYCENTEROFBAOSTEELCORPBAOSTEELSTEELMAKINGPLANTBAOSTEELEQUIPMENTDEPARTMENTABSTRACTANINTEGRATEDREFININGPROCESSCONTROLMODELSYSTEMISPRESENTEDTHEAPPLICATIONSOFTHEMODELSYSTEMINRHANDLFAREINTRODUCEDTHESYSTEMISINDEPENDENTOFANYMIDDLESOFTWAREANDCONTROLSYSTEMANDCANBEUSEDINANYSECONDREFININGFURNACEKEYWORDINTEGRATEDMODEL，SECONDREFINING，PROCESSCONTROL，AUTOMODELING1概述目前，二次精炼工艺被广泛用于钢铁生产，以RH、LF与CAS为代表的二次精炼设备在国内的使用逐渐增多。随着用户对钢材的质量、品种与性能的要求越来越高，对精炼处理工艺的过程控制也提出了更高的要求。借助于过程控制模型的精确计算与对一些过程信息的预报，基本上可以满足这一要求。过程控制计算机是实现炼钢自动化的重要控制设备，而实现过程控制的核心是过程模型。它涉及冶金工艺、自控、计算机等多门学科，国内过去长期依赖引进，宝钢在九十年代中期开始研制炼钢模型，用三年时间完成了转炉全部模型的开发与应用。2000年开始研制精炼炉模型。有了转炉模型开发经验，对精炼模型的开发要求更高，既要缩短从开发到应用的时间，又要从原来的只研发模型本体，变为开发所有与模型相关的画面、通用数据库接口、进程控制、维护手段等，还要从特定精炼炉模型的研究提升到开发适合绝大部分精炼炉的模型。一句话，研发过程除了可以解决宝钢内部工业需求外，研发成果还应具备商品特征和市场竞争力。我们把这样的模型称为集成式模型，其特征是系列化、成套性和独立性，通俗地说，就是一张光盘集成了全部模型功能，可以安装到各类常见的控制系统。本文从模型原理与组成、集成式模型软件技术、自动建模技术及实际应用的情况等方面作简要的论述。2模型基本组成与原理应用较多的二次精炼炉主要有RH、LF、CAS，因此主要开发了针对以上三个精炼炉的过程控制模型。并根据各个精炼炉处理工艺的共性、个性以及对过程控制的要求，开发了一系列模型。有的模型，如智能合金最小成本模型与成分预报模型不但适用于以上三个精炼炉，也适用于其它精炼炉；有的模型为某个精炼炉所独有，如静态脱碳模型与动态脱碳模型只能用于RH，LF脱硫模型只能用于LF炉；有的模型，如温度模型，虽然各个精炼炉都有，但是由于各个精炼处理工艺加热原理以及其它方面的不同，虽然建模的方法与所采用的技术基本相同，但是模型的基本原理与构成不同。限于篇幅，我们以RH模型为轴心进行介绍。21模型简介RH模型由静态脱碳、动态脱碳、合金最小成本、成分预报、温度预报与实时推定、脱氧铝计算等近10个模型组成。LF炉模型主要有合金最小成本、成分预报、脱硫模型、温度预报与实时推定、吹氩搅拌等模型组成。LATS（CAS）模型主要有合金最小成本、成分预报、温度预报与实时推定模型组成。处理过程中，将各个模型有效组合与综合判断，达到过程控制目的。图1以RH处理为例，说明实际应用时各模型大致的启动时间、顺序与相互联系。其它的精炼模型的上述关系与RH基本相同。中管网制造业频道HTTP/MADE21ASKCOM中管网制造业频道HTTP/MADE21ASKCOM12中管网制造业频道HTTP/MADE21ASKCOM处理开始理出发，在一定的假设基础上建立的模型。RH真空测温取样取样测温吹氧取样测温合金添加人工启动脱碳是钢液中的碳和游离氧反应的过程，在真空度和温度一定的情况下，如果脱碳反应达到平衡，碳和游离氧的乘积为一常数；同时假定参与脱碳反应人工启动静态脱C模型废气信息温度模型动态脱C模型操作建议合金模型预处理合金模型的氧的固定百分比（RCO）来自于钢液，而其他部分来自于钢渣中金属氧化物的被还原，则钢液中碳和游离氧的下降遵从特定的比例关系,由以上两个规律综合可以求得平衡碳和平衡氧浓度。在达到目标图1RH模型启动顺序示意图图1是模型顺序简单示意图，实际应用要复杂得多。如合金模型的计算信息在一定时间段里要提真空度前，近似认为碳和游离氧浓度按指数规律逼近平衡碳和平衡氧浓度，方程为T供给温度模型使用。又如，动态脱碳在一次抽真空处理中要启动几十次之多。为了适应不同的用户需CTLCEVCSLCEVET式（1）中（1）求，模型可以分为主要和次要二类。主要模型有脱碳、温度、合金等。在模型研制过程中，我们还形成了5、6个工艺诀窍供用户选择。特别是一些建立在冶金机理基础上的工艺、技术对于新建精炼炉的企业具有重要参考价值。22脱碳模型概述脱碳模型是RH精炼所独有的模型。RH脱碳模型是根据各类分析测试信息预报钢水的碳含量，这对于冶炼超低碳钢是十分重要的。我们以静态脱碳和动态脱碳二个模型的组合方式投入生产应用，以适应不同检测设备配置的RH的需要。比如，对于没有废气分析装置的RH，主要通过静态脱碳模型给出钢水碳含量的预报。而对于安装废气实时分析装置的RH，则以动态脱碳模型为主预报碳含量。用户可以根据自己的检测设备及钢种来选用RH脱碳模型。静态脱碳与动态脱碳模型在时间上的关系如图2所示CTLT时刻钢包内钢液的碳浓度（）；CEV真空槽平衡碳浓度（）；CSL钢包初始碳浓度（）；T脱碳时间常数MIN。因此，本模型能预测RH处理过程中碳和游离氧含量变化，对需要脱碳的钢种，在RH处理初期还能预报为达到目标碳浓度所必须的处理时间和吹氧量等综合信息，对脱碳钢种的生产过程有一定的指导意义。实际生产线上投入的静态脱碳模型要比上述描述复杂得多，有兴趣的读者可以参考文献1。有必要指出，静态脱碳模型仅仅依靠处理前的一个分析值来预报整个处理过程的钢水碳的变化规律，其精度不高。212动态脱碳模型简述动态脱碳模型是基于分析碳及抽真空产生的废气信息，结合自适应控制技术实时预报钢水碳含量的模型。该模型可以大大提高如质谱仪、红外分析仪等废气设备的利用率和实际效果。模型原理如下初始C静态脱C模型计算值动态模型推定计算T2002T1100实测C动态模型计算间隔预报终点时间或C变化规律目标C时间CRESULT是当前推定碳成分CORIGIN初始碳分析值WST是钢水重量图2脱碳过程示意图221静态脱碳模型简述RH静态脱碳预报模型是从冶金学碳氧3中管网制造业频道HTTP/MADE21ASKCOM平衡原GAS废气流量C0是废气中CO百分含量4中管网制造业频道HTTP/MADE21ASKCOM误差范围处理中有一次测温的命中率57068338967C02是废气中CO2百分含量为了提高动态脱碳模型的使用效果，在上述原理的基础上，我们做了大量如自适应、软件优化、图形提示等工作。动态脱碳模型的另一技术特点是模型和废气分析设备紧密地联系在一起，给操作带来较大的便利。下面的动态模型主画面（图3）可以部分反映这方面的工作结果。图3动态脱碳模型在线画面23温度预报及实时推定模型简述钢液温度是精炼处理终了的一个重要指标，要求钢液的温度控制在很小的范围（5），这样才既能保证钢液的质量，又保证下工序的顺利进行。RH、LF、CAS都有温度模型，但是由于各自的处理工艺、加热方式等方面的不同，模型的基本原理及构成有所区别。下面介绍的温度模型的建模技术也适用于其它精炼炉温度模型的建立。温度模型是一个建立在人工智能技术与冶金学机理基础上的模型。它的作用是用来预测及实时推定钢水温度，供操作工确定进一步的操作方法及操作量，以及确定处理时间，这对于降低成本、稳定产品质量具有重大意义。它另外一个明显的作用是减少测温次数、节省探头（仅此一项就可为生产厂带来可观的经济效益）和减轻操作工劳动强度。温度模型由若干子模型构成，有人工智能模型、冶金机理模型、信息管理模型等。这种结构的最大特点是模型精度比上述其它单一结构的模型明显高。温度模型的另一重要技术是利用我们独立开发的自动建模软AIMT（AUTOMATICINTELLIGENTMODELINGTOOLS）来建立其人工智能模型。因此，该模型具备了可以由冶金工程师直接将测温数据输到模型调整画面来调整模型参数，而不需要任何编程。这是冶金模型技术的重要进步。关于AIMT后面将作简要介绍。表1是RH温度模型在宝钢二炼钢RH炉上实际应用的结果，对电工钢和IF钢进行了现场测试，模型预报误差8范围的命中率达到967，模型预报误差5范围的命中率为70。以下是30炉数据的测试结果，其中电工钢21炉、IF钢9炉。需要说明的是，实际处理中通过多于一次的测温确保温度100命中，RH温度模型的详细内容请参考文献2。表1温度模型现场测试命中率图4是RH温度模型在梅山钢铁公司RH精炼炉过程控制计算机上应用的主画面。实际应用结果的精度令人满意。图4RH温度模型梅钢在线画面LF温度模型主要有如下功能根据钢液温度已有的实际测量值与采取的工艺操作，实时推定钢液的当前温度和预报未来时刻钢液的温度，并根据所预报的在标准处理时刻钢液的温度与目标温度的差值计算需要的通电量。该模型即将在宝钢一炼钢和上钢一厂的LF炉上投入应用。图5为LF炉温度模型的在线应用画面。24智能合金最小成本模型合金最小成本模型的目的是根据钢种元素需求、元素收得率、钢水成分分析值等信息，计算出一组成本最低的合金组合，供精炼时使用。目前国际上提供的炼钢合金模型基本上是建立在线性规划算法的基础上，该方法的好处是除了给5中管网制造业频道HTTP/MADE21ASKCOM出满足生产6中管网制造业频道HTTP/MADE21ASKCOMA图5LF温度模型在线应用画面要求的合金投入配比外，使总投入合金的价格最便宜。下式是合金模型LP部分的数学描述NMINTCXCJXJJ1STA11X1A12X2A13X3A1NXN,B1,BU1,BL1A21X1A22X2A23X3A2NXN,B2,BU2,BL225成分预报模型成分预报模型是上述合金模型的反模型，即根据实际合金投入量、钢水分析值、收得率预测钢水中元素的成分供操作时参考。与合金最小成本模型配合，能使合金模型的实用性大大增强。此外，也给操作人员提供了按照他们自己的投入量来估计钢水元素含量结果的手段，具有重要的实用价值。26脱硫模型脱硫模型为LF炉所独有的模型。脱硫模型首先根据处理前渣量与渣中各组分含量，计算应加的铝质脱氧剂，从而将处理前渣中的TFE与MNO降到一定程度；第二，根据所处理钢种目标硫含量的要求、处理前钢水中硫含量、渣中硫含量添加一定量的合成渣与石灰，从而使钢液中硫含量降到目标上限以下。既达到脱硫处理的工艺目的，又节省脱硫剂的投入。3集成式模型的软件技术特点M1X1AM2X2AM3X3AMNXN,BM,BUM,BLM2000年以前，宝钢炼钢过程控制模型的研发工XC1,XSETC1,XLMTC1作主要针对企业内部的需要进行，加上技术起步时间不长，因此工作主要围绕模型的算法及其编程实XCS,XSETCS,XLMTCS其中XJ合金J的投入量；CJ合金J的单价；AIJ为合金J中元素I的含有率；BI元素I的需要量；BUI元素I的需要量上限，BLI元素I的需要量下限；XSET合金设定投入量，XLMTT合金使用限制量。新算法中考虑了加入合金的重量对目标出钢量的影响。但该方法也容易出现无解，且出现频率较高。为了克服线性规划合金最小成本模型的这个不足，我们为此专门研制了以线性规划和人工智能技术相结合的组合模型。该模型既给出符合最小成本要求的合金投入配方，又确保任何情况都不会出现无解的情况。宝钢炼钢合金最小成本模型研制经历了5年时间，推出了好几代产品，应用到了所有的5大转炉及精炼炉。上述的组合模型是最新版本，比目前国内引进的同类模型要先进和实用。此外，我们的合金模型在分析值、收得率选取方面也颇具特色，灵活实用。对该模型有兴趣的读者可以参考文献3。7中管网制造业频道HTTP/MADE21ASKCOM现来进行。模型从算法研究到应用大概经历了算法研究、实验室仿真、现场离线考核等过程，最后进行在线过程机软件的开发。模型工程师只关心模型本体的精度、计算速度等问题。与模型在线应用开发相关的画面、维护工具、进程启动、数据接口等技术工作则交给有关机房或专业软件公司的计算机工程师去完成。由于这些工作的开发人员是随工程不同而不同，因此大多是针对特定对象进行开发的，不可重复使用。这种开发方式是宝钢模型从以引进为主到自主开发的过程中必然要经历的过程。随着宝钢模型技术研发能力的增强以及多学科在宝钢研究院内部的良好合作，我们在精炼模型的开发项目里，开发了所谓集成式的成套精炼模型。这种模型最大的特点是具有成套性，即模型是完整、系列化的精炼模型，可以满足各类精炼炉或不同用户的需求。广泛的适应性，通俗地说，这样的模型不再过分依赖过程计算机应用系统的软硬件构成。集成式精炼模型可以嵌入任何常见的计算机系统，甚至安装到基础自动化系统的服务器上。按冶金系统习惯的说法是可以嵌入L15级或L1的计算机系统中。这样大大降低了模型的硬件成本。8中管网制造业频道HTTP/MADE21ASKCOM低成本，具有较强的市场竞争力。因为一次性将模型相关的所有画面、维护、接口等系统均开发完成，重复利用率比较高，过程机开发成本大幅度下降，所以，可以让利给用户，用户的成本也必然下降。具有以上特点的模型才是真正意义下的商品模型。从技术上说，这种集成式的成套模型，除了模型技术本身以外，我们还必需完成通用数据库接口、不基于特定中间软件平台的画面、模型独立的进程调度等技术的开发。图6从模型与软件系统的关系描述了模型研发的软件技术过程。箭头表示技术进步的方向。由图可知，模型本体需要从操作系统、中间软件到应用软件系统的支持，而集成式模型只需建立在常见的操作系统和通用数据库的基础上。这样，大大减轻了模型维护难度和使用成本。本体4人工智能自动建模软件AIMT（AUTOMATICINTELLIGENTMODELINGTOOLS）简介我国作为人工智能的研究大国，取得了大量理论成果，应用领域从文献上看也十分广泛。但存在不少问题，首先，我国发表了大量算法方面的文章，却缺乏实用、方便的商品软件工具，人们往往利用象MATLAB之类的软件里的人工智能模块来工作。这样的数据分析和建模十分麻烦，除了要熟悉MATLAB外，还要求使用者对人工智能有深入到具体算法的能力，另外这类软件计算速度十分慢（同等问题经比较研究证实AIMT比MATLAB提高效率达200500倍），又不能实现在线应用，这些都大大限制了人工智能技术的推广应用。其次，人们往往热衷于算法的改进，而不重视研究精度、速度、可靠性、鲁棒性都很好的商品算法。这导致当企业需要这类源代码级的人工智能技术或成熟的商业软件的时候无从获得。也使我国工业界人工智能技术的推广缺乏适合的工具，对于深入的工业应用各单位都不得不低模型成套应用系统模型中间软件集成式模型水平重复的开发。因此，能否开发出容易掌握、使用要求低、适合各界应用的人工智能软件成为我们关注的重点。此外，实际的数据分析与建模问题还必须考虑操作系统、数据库图6模型技术进步与系统的关系图7是集成式模型的结构示意图，带背景色部分是核心。实时数据输入与输出模块是直接与DCS或总线系统连接的功能，这部分功能尚在开发中。本研究成果是国内冶金行业第一个具有自主知识产权的集成式过程控制模型。可与外商在中国市场上推出的集成式冶金过程控制模型相抗衡。系统数据库数据的噪音等现状。多年工业建模的实际经验告诉我们，数据、专家经验及理化公式都是可以利用的信息。AIMT正是基于这样的背景来开发的。人工智能自动建模软件AIMT是我们独立开发的通用工具软件。该软件填补了我国人工智能商品软件的空白。利用该软件建立的转炉动态模型已经在宝钢一炼钢3座转炉上试运行。温度实时预报模型的主体是用该软件来建模的，已投入多处工业应用。我们用该软件建立的连铸漏钢预报模型仿真精度非常高。该软件还被上海交大用到国内外期货及其它商业或经济学研究，取得了成果。另外，还有些公司准备用该软件开发智能仪表。该软件的主要模型操作接口模型参数数据处理实时过程数据输入（控制对象）模型数据接口模型计算输出处理模型输出处理（控制对象）模型监控管理模型算法模型运行LOG文件特点有软件包含组合神经网络（BP，RBF等数个模型组合建模，模糊逻辑自动寻优（共4个算法）等多种数据建模方法。软件可综合利用数据、人工经验、简单的公式表达三方面信息建模。经第三方对软件的测试和比较研究，结论是9中管网制造业频道HTTP/MADE21ASKCOMAIMT建模精度略优于SAS、MATLAB等著名软图7集成式模型功能框架示意图件的相应模块，效率比MATLAB高数百倍。10中管网制造业频道HTTP/MADE21ASKCOMAIMT可以自动生成在线模型代码，该技术属国内首创。软件可以广泛应用于工业、医学、农业、社会学等各领域。使用十分简便，不要求使用者掌握人工智能技术本身，是一个傻瓜型软件，点击数十次鼠标就可完成建模工作。长期使用AIMT很容易形成对特定问题的建模经验。该软件主要由数据导入、经验导入、机理公式导入形成的导入层；神经元网络组合建模与4种模糊逻辑组合建模等形成的建模层；C、FORTRAN、VB、文本文件（供智能仪表开发商用）等代码生成、模型记录、建模过程记录、模型预报、模型性能指标分析等形成的结果输出层构成。此外，还有图形显示等为了使用方便的直观功能模块。AIMT技术的详细内容请参考文献4。5精炼模型的工业应用表2描述了精炼模型目前已经应用及已经确定将要工业应用的项目的情况。表2精炼模型研发与应用信息一览表时间研究动态应用状况模型特征99年10月00年10月预研期00年10月03年10月开发期02年3月温度模型在宝钢3号RH上投运成功本体式模型02年12月主要模型（脱碳、温度、合金）在梅钢新建RH上投