卢立强 王伟宁
日照钢铁控股集团有限公司 山东日照 276806
摘要：随着我国经济的高速发展，我国各行各业也呈现出良好的发展趋势。长期以来，各氧气顶吹转炉的炼钢工艺为了追求高产量，比较习惯采用高氧压、大流量的冶炼吹氧方式。这种吹氧操作方式，在加速冶炼生产的同时，也给转炉生产带来了众多不利影响。
关键词：转炉；智能炼钢；供氧；精准控制系统
引言
随着炼钢生产工艺智能化技术的不断发展,炼钢厂老区对50t小转炉进行了智能化、自动化改造,实现了“一键式”炼钢。“一键式”炼钢是目前最先进的冶炼模式,它通过计算机自动控制冶炼过程,达到稳定操作、稳定生产节奏、稳定钢水成分、降低原料和能源消耗等效果。能否实现“一键式”炼钢,是衡量一个钢厂的工艺智能化水平、设备水平、管理水平的重要标志。在项目实施过程中,该厂认真学习当前国内外先进的控制技术,结合现场转炉实际情况,解决了一系列的工艺和自动化控制难题,成功实现了“一键式”智能化炼钢。本文重点介绍氧气流量智能化精准控制的研发过程。
1氧气流量控制的要求
改造前生产工艺及设备情况:生产工艺为手动调节氧压,相关设备主要包括氧压检测装置、氧气调节阀、快速切断阀等,开吹时通过转炉控制系统打开快速切断阀开始吹氧,根据氧压检测设备反馈的工作氧压,根据经验调节氧气调节阀的开度,实现氧压的调整,确定供氧时间的长短及供氧量。氧气来自外网管道,由于受厂区条件限制,在进入内网前无法实现氧压稳定,目前总管氧气压力波动范围在1.6MPa-2.1MPa。基础自动化设备采用西门子S7-400PLC,HMI为WinCC7.0。控制系统对氧气流量的要求:实现自动开氧,且开吹压力稳定,氧气流量在2s内稳定到模型设定流量;冶炼过程中,氧气流量控制稳定,避免出现扰动,控制“死区”量程<0.08%;控制系统灵敏度要高,对氧流模型的响应时间要<1s;控制系统要具备高可靠性,出现异常时要及时提枪、报警。
2改造设计技术方案
2.1改造思路
在现有的供氧条件下，为满足智能吹炼工艺对氧气流量的要求，设计采用两级调节系统。第一级采用压力调节系统，稳定总管氧气压力的波动，将氧气压力稳定调节至1.5MPa，解决氧压扰动对调节稳定性的影响；第二级采用流量调节系统，根据智能炼钢模型提供的瞬时氧气流量设定值，系统通过调整流量调节阀开度，实现实际流量的及时、准确跟踪，并将控制精度提升到工艺要求的范围内。由于压力调节阀和流量调节阀是串联在同根管道上，为避免相互影响，可采取如下措施解决。（1）压力调节阀预设初始开度。经过现场调试确定预设的初始开度，在系统上电或初始阶段，使用预设开度，设定值由初始值及自学习过程确定。（2）压力调节系统超调（当PV-SV＞GAP时，GAP为偏差上限设定值）。压力调节阀强制在预设的规定开度，其目的是为了减少压力波动对流量调节的扰动。
2.2氧气压力调节系统
氧气压力调节的目的是将总管氧压的波动消除，同时实现第一步降压，使压力稳定在1.5MPa。氧气压力调节装置包括设置在氧气输送管道上的氧气压力调节阀、压力调节阀后压力检测变送器、现场数据采集单元以及与之相连的PLC中央处理器。PLC利用采集到的检测数据自动计算控制氧气压力调节阀开度，将当前供氧压力调节至预设范围。PLC中采用PID控制算法计算压力调节阀开度，PID控制算法（比例-积分-微分控制）是目前在工业控制应用中常见的闭环反馈运算回路，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。
PID控制有着原理简单、使用方便、适应性强的特点，在压力调节这种得不到精确数学模型的情况，系统控制器结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
2.3氧气流量调节系统
氧气流量调节是本控制系统的核心，是实现流量精准控制的关键，目标是在经过稳压调节阀将压力稳定在1.5MPa，将瞬时流量快速稳定到模型设定流量，要求具备快速响应、无扰动、稳态精度高、可靠性高等特点。氧气流量调节装置包括设置在氧气稳压调节阀后的流量调节阀、流量调节阀后孔板式差压流量检测装置（配备稳压补偿）、现场数据采集单元以及与之相连的PLC中央处理器。PLC利用采集到的检测数据采用模糊自适应PID控制算法，自动计算控制氧气流量调节阀开度，以实现氧气流量精准控制。
3控制系统实际应用
3.1控制系统组成
本系统采用的控制器是西门子SIMATIC的S7-400PLC配合人机界面WinCC全集成基础自动化控制系统,功能强大,坚固耐用,环境适应性非常强。应用编程软件为STEP7,在编程、启动和服务方面有众多特点:如使用灵活,易于修改和维护;对功能块和通信处理器的参数设定方便快捷等。PID的操作控制界面是按照工艺设计要求设计的。氧气总管压力调节的PID控制分为手动和自动方式。在画面上点击自动/手动按钮时,可以选择控制方式,有状态灯显示表明为何种控制方式。手动控制方式下,直接输出阀门开度;自动控制方式下,则通过改变设定值,根据设定值与当前过程值之间的偏差,来进行典型的PID调节(调节过程在STEP7程序中由PID功能块执行)。在稳压过程中,氧气总管的压力检测由压力变送器(P)测出送入PLC的PID模块(FB41),当总管压力因各种扰动产生变化时,控制器接收到压力变送器测出的信号与设定值进行比较得出偏差,然后进行PID运算,并发出控制信号对压力调节阀进行控制。
3.2PID控制算法的参数整定
PID控制算法参数整定是控制系统设计核心内容,需要确定PID控制比例系数、积分时间和微分时间大小。在PID的调试过程中,首先依据系统数学模型,理论计算确定控制参数取值范围,然后采用临界比例法,进行测试调整,从而完善、确定参数取值,过程中主要采取了以下步骤:关闭I和D,也就是设为0。加大P,使其产生振荡;减小P,找到临界振荡点;加大I,使其达到目标值;重新上电看超调、振荡和稳定时间是否吻合要求;针对超调和振荡的情况适当地调整微分D时间;在所有调试均考虑了工艺极端情况,这样保证了调试完的结果可以在全工作范围内均有效。
结语
经测试,转炉冶炼的终点碳含量和终点温度的仿真结果很理想.转炉炼钢冶炼环境恶劣,钢水温度极高,很难准确地对其进行连续测量,而且影响终点的因素很多,因此,给转炉炼钢终点控制带来很大困难.基于神经网络的转炉炼钢终点控制通过预报模型的传递作用,使得对神经网络控制模型的训练不是使控制模型的输出与实际补吹氧气量和加入冷却剂之差为最小,而是使预报模型的输出与实际终点温度和碳含量之差最小,提高了控制模型的精度,克服了传统方法只根据边界条件确定补吹氧气量和加入冷却剂量的缺点。
参考文献
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