1 引言
近年来，计算机过程级控制在冶金行业得到了广泛的应用，目前在国内多家钢铁企业的不同规模的转炉上均实现了先进的动态炼钢。动态炼钢能够提高产品的产量和质量，冶炼多品种钢，降低副原料的消耗，进一步稳定生产，可以大幅度提高钢水的产量、质量，有效的优化生产过程，对于迅速提高转炉的经济效益起到立杆见影的效果。
本系统主要实现了动态冶炼技术和生产管理优化，包括炼钢过程的静态推定和动态校正、生产作业状态显示和数据采样、传送等;并对吹炼过程进行实时跟踪;能够对相关的数据进行采集，并进行存储、记录;实现了对主料和辅料的计算及管理;实现了对废钢、生铁的配比及称量的管理;能够对转炉的作业时间进行优化;实现了转炉与连铸机、化验室的联网等。采用动态炼钢控制系统之后，大幅度地提高了钢的产量和质量，有效的优化了全生产线生产过程，极大的提高了经济效益。
2 项目的主要内容
莱钢4#转炉，原设计为无副枪氧气顶吹式转炉，年设计生产能力为50万吨，于2002年11月建成并投入使用，经过扩容改造，目前具备了80万吨的生产能力，它与大方坯连铸机、H型钢轧线构成了产能匹配的短流程生产线，由于中小型转炉受炉口口径尺寸的限制，无法采用副枪，但可以采用炉气分析法的实现动态控制。该系统自实施之日起，运行稳定正常，能够完成动态炼钢对数据的需求。
基础级到过程级数据传输程序设计。50吨转炉数据传输的控制程序通过使用西门子公司专用的编程软件STEP7，并采用LAD、CSF、STL三种灵活的方式编制而成。整套控制程序采用模块化/结构化编程方法:控制程序分为若干控制部分，每一部分的控制程序及数据分别编制在不同的FC、FB以及DB程序块中，并由主程序OB1在每次扫描周期中依次调用来实现各自的控制功能;此外，在每一个程序块中，加以详细的注释以进行说明。这种编程方法使得程序的查阅、功能的扩充及修改变得更加容易，大大增强了程序的灵活性、可读性、实用性和维护性。炉气分析系统通过对转炉炉气(如CO、CO2、N2、O2、Ar等)进行分析，实现对冶炼进程的检测，为动态模型对静态模型的校正提供了近实时的工艺参数支持。数据传输控制系统中的监控系统，具有数据录入、显示、传送、历史趋势记录等功能，为动态炼钢提供了正确无误的数据，并能对原始数据进行记录等功能。
3 转炉的静态模型
转炉静态模型是转炉计算机控制的重要内容，主要有终点控制模型、供氧模型、造渣模型、底吹模型。
3.1 终点控制模型
终点控制模型以钢水终点温度和钢水终点碳作为目标值，通过控制冷却剂的加入量控制终点温度，通过控制氧耗量控制终点碳。我们根据该转炉的实际情况，结合统计建模和经验建模两种建模方法，构建终点控制模型。首先，收集1000炉吹炼数据，从中选取100炉终点命中较好的炉次，作为标准参考炉，求出终点控制基础参量，进而求出当前炉的静态增量方程解。
冷却剂增量方程表达式如下:
当前炉冷却剂增量:
△Wd=f1(△X1, △X2,…, △Xn)
当前炉冷却剂加入量:
Wd=(Wd/Wz)r×Wz+△Wd×Wz
式中:
(Wd/Wz)r—参考炉的单位冷却剂量
Wz—装入量，铁水和废钢量之和
△X1, △X2,…, △Xn—冶炼参数，当前炉与参考炉之差(铁水量，铁水成分，石灰量，白云石量，荧石量等)
氧耗量增量方程表达式如下:
当前炉氧耗量增量:
△VO=f2(△X1, △X2,…, △Xn)
当前炉氧耗量:
VO=(VO/Wzt)r×Wzt+△VO×Wzt
式中:
(VO/Wzt)r—参考炉的单位炉氧耗量
Wzt—铁水装入量
△X1, △X2,…,△Xn—冶炼参数，当前炉与参考炉之差(铁水量，铁水成分，石灰量，白云石量，荧石量等)
3.2 供氧模型
供氧模型包括氧流量和枪位制度的确定及氧枪高度的计算。氧流量的确定是总结现场工艺操作经验，对不同钢种按不同装入量和炉役期确定一定的模式，吹炼中按既定模式进行吹氧;枪位制度根据生产工艺要求，按不同钢种分组制定氧枪枪位变化的方式。
3.3 造渣模型
造渣模型包括两部分内容。
(1) 计算造渣料加入量:根据测定的铁水中的Si，P的含量和铁水装入量以及炉渣碱度要求，对以往操作数据的分析，求出石灰、白云石、荧石等造渣料的加入量;
(2) 确定辅原料加料制度:辅原料加料制度制定的依据来自于实际操作经验的总结，按不同钢种确定辅原料的加入批数、时间和各批次的加入量。
4 转炉的动态模型与关键技术
动态模型的作用是通过炉气分析仪测定的烟气成分参数进行模型计算，求出剩余吹氧量和剩余冷却剂加入量。动态模型包括脱碳速度模型、钢水升温模型、冷却剂加入量模型三个模型。动态模型在吹炼中前期不参与控制，只在氧耗量达到静态计算值的87%时，动态模型的计算结果才参与控制。
4.1 脱碳速度模型
通过对使用动态炼钢厂家的经验的总结，我们采用以指数曲线形式来拟合吹炼末期的脱碳速度，
公式为:dC/dO=α{1-exp(C-C’)/β}
式中:
dC/dO—脱碳速度;
C—钢水含碳量;
C’—最低限界碳;
α，β—系数。
对上式求积分可求出剩余吹氧量:
△VO2=∫(dO2/dC)Dc |(Ce-Cs)
式中Ce，Cs为目标终点碳量和当前测定碳含量。
4.2 钢水升温模型
对终点温度的控制，需要求出吹入△VO2的氧气，将造成钢水升高的温度数，从而求出需加入的冷却剂的量，以抵消这一温升。公式为:△T=a△VO2+b
式中: a,b为系数。
预测的终点温度为:Tp=Ts+△T
式中:Ts—当前测定温度。
如果预测的终点温度Tp在终点目标温度范围内，则不必加入冷却剂;如果Tp在终点目标温度范围上限以上，则必须加入冷却剂降温。
4.3 冷却剂加入量模型
公式为:W=K(Ts+△T-Te)
式中: Te—终点温度目标值;
K—系数。
5 辅助关键技术
5.1 炉气分析系统
炉气分析系统作为动态炼钢模型的参数输入部分，是动态炼钢的核心，炼钢厂50吨转炉动态炼钢炉气分析系统分为三个部分，即EMG模块、SPS模块和图表站。其中EMG模块运用于DOS下，主要实现数据的分析;SPS模块运行于UNIX下，主要用来采集控制阀(气体阀)的参数;图表站用来实现气体含量的显示。
转炉动态炼钢系统炉气分析采用俄罗斯EMG-20-1型飞行时间质谱仪，EMG-20-1是一种时间质朴仪，专为记录炼钢转炉或其它冶炼过程所排放气体的质谱图并同时分析其中多个成分含量而设计。它属于过程质谱，能对转炉排出的烟气进行实时、连续监控，从而达到优化工作参数，对冶炼工艺和设备进行监控、管理，完善工艺过程的目的。
EMG-20-1质谱仪安装在转炉的超净化房间，采用真空泵将炉气吸入质谱仪进行分析。质谱仪在气体到达后0.3S的时间内将炉气分析出来，其中包括CO、O2、CO2、H2、N2、Ar六种气体。
5.2 氧枪精确定位控制
将氧枪定位硬件上采用德国TURCK增量型编码器和西门子FM450高速计数模板配合，完成氧枪位置信号的采集。定位数据的处理采用点线结合的方法，对于极限位、待吹位、开氧/闭氧位、变速位等需精确定位的关键点，采用10次往返计数值加权平均的方法，以抵消提升加速和下降加速引起的卷扬钢绳弹性形变所造成的定 位误差。对于纵轴线上的枪位显示数据，则采用自动定量补偿和人工校准相结合的方法予以处理:即当氧枪提升和下降的过程中，在编码器读数的基础上，分别加或减一个补偿量，这个补偿量是对氧枪1000次往返读数与实测枪位误差的统计处理结果，用这一数据补偿，在氧枪的工作行程上，可以达到±2CM的定位精度，完全能够满足枪位指示的精度要求。另外，为提高系统的可靠性，通过MMI设置了枪位校准按钮，当控制误差较大时，可以把氧枪下降到校准点，按下校枪按钮进行软手动校枪，此时定位系统自动初始化，恢复设定精度。
枪位计算公式如下:
L升=(W+M-N升)×(3.1416×D)÷S
L降=(W+M+N降)×(3.1416×D)÷S
其中:
L升:提升过程实际枪位;
L降:下降过程实际枪位;
W:计数模板当前计数值;
N升:提升过程补偿量;
N降:下降过程补偿量;
M:校准点初始计数读数;
S:编码器每周脉冲数;
D:提升装置卷扬辊直径。
5.3 散装料称量自适应控制
在转炉生产中，散装料的准确称量对于终点温度和成分影响具有决定性的意义，在转炉下料自动控制系统中，基于机电设备的特性，采用了称量自适应技术。该技术的核心思想是:计算上次下料量与设定值的差值修正本次下料的补偿量，使多次重复下料量逐次逼近设定值，以达到较高的下料称量精度。该技术的采用，避免了通常使用的多次重复数据统计学处理，以获得最佳提前量的实验方法的烦琐工作。仅通过简单的计算公式即可实现复杂的数学模型运算，很好的解决了在工业生产过程中广泛存在的系统滞后性问题。该系统的优点是，一旦趋于稳定，将不再需要调整。如果物料粒度和粘性发生变化，系统可以进行适应性调节。在转炉投产后，进行的连续跟踪观察表明，系统运行稳定可靠，误差与称量仪器误差基本匹配。
5.4 高效多级的通讯网络
转炉的自控系统的通讯网络采用了多级分层结构，在此系统中上位监控系统采用高速工业以太网，PLC与远控设备采用高效的PROFIBUS-DP网通讯。因此系统具有数据流量大、数据传输多点多向分散的特点，且站点较多，经过反复的研究、实验，决定采用上位机以太网网络结构，这种通讯效率高、响应迅速、抗干扰能力强、控制精度高，从而彻底的解决通讯不畅、中断的顽固问题。
5.5 在线监控功能和多操作平台功能
动态炼钢监控系统采用WINCC软件开发，工作人员可通过监控画面对生产进行全面在线监控，及时、准确的掌握生产的状况和对重要的数据进行记录。历史趋势记录，特别是水气介质的流量、温度历史趋势可以给出定量的曲线描述，可使技术人员准确掌握生产工况，及时作出调整。
6 项目创新
6.1 保护分级功能
控制软件优化了转炉的保护功能，采用分级保护技术，把转炉的保护条件按轻重缓急进行分级、分类，各赋予不同的权限，并作出不同的处理。保护分级控制的采用，既作到了可靠的安全保护，又避免了不必要的停产，同时提供了错误屏蔽和在线维修功能，有效地降低了故障停机率。
6.2 管理功能
炼钢生产是物流和信息流密集的生产过程，保持物流和信息流的顺畅，是生产管理的重要环节，转炉自控系统在保证基础级控制功能完善的前提下，容入了部分过程级控制功能，这一功能主要侧重在生产数据采集和上传方面。实现转炉系统生产数据的采集和上传，为厂级和车间级生产管理和组织调度提供了依据，也为进一步挖潜增效和优化工艺提供了支持，有效地提升了生产管理的水平。
6.3 快速软换枪功能
快速软换枪功能，大大减少了换枪时间。操作人员只需通MMI即可很方便的完成换枪工作，并对换枪情况一目了然;当系统出现故障时，操作人员可通过MMI强制屏蔽故障信号，保证换枪过程的正常进行，使换枪操作快捷方便安全可靠。
7 结束语
根据该系统投运近一年来的实际效果看，该动态炼钢控制系统设计合理，控制先进，功能丰富，运行安全稳定可靠，很好地完成了转炉的过程级控制，确保了生产的顺行，取得了极好的经济效益。
9/13/2006
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