★南京科遠智慧科技集團股份有限公司，江蘇省熱工過(guò)程智能控制重點(diǎn)實(shí)驗室趙楠，周柏峰，黃春輝，張雷

摘要：鋼鐵行業(yè)是制造強國的重要支撐，也是我國工業(yè)的核心基礎產(chǎn)業(yè)，然而，燒結作為鋼鐵冶煉的重要環(huán)節，所用的大部分控制系統依賴(lài)進(jìn)口；隨著(zhù)全球性芯片供應短缺，進(jìn)口控制系統產(chǎn)品造價(jià)昂貴，各型號產(chǎn)品也處于缺貨、斷貨狀態(tài)，國內工業(yè)控制命脈受到極大威脅。因此，研發(fā)自主可控國產(chǎn)化控制系統至關(guān)重要。本文詳細介紹了國產(chǎn)化NT6000 DCS和燒結智能控制系統的開(kāi)發(fā)，以及在遷安市九江線(xiàn)材有限責任公司燒結機的應用情況。

關(guān)鍵詞：鋼鐵燒結；自主可控；智能控制系統；DCS

工業(yè)控制系統，被譽(yù)為現代工業(yè)的“核心大腦”，工控安全是國家安全的重要基礎，是保障國民經(jīng)濟的關(guān)鍵。目前，鋼鐵行業(yè)大部分控制系統仍需進(jìn)口，但工業(yè)控制領(lǐng)域軟硬件技術(shù)、關(guān)鍵核心芯片主要被歐美等國家壟斷，此外，委內瑞拉電網(wǎng)癱瘓、伊朗核安全事故、華為芯片斷供等安全事件如警鐘在耳，嚴重威脅著(zhù)我國國計民生的“生命線(xiàn)”。因此，開(kāi)發(fā)自主可控國產(chǎn)化控制系統是不可或缺的。

為規避“卡脖子”風(fēng)險，增強自主可控，遷安九江線(xiàn)材原料廠(chǎng)3#燒結機首次將施耐德PLC系統替換為國產(chǎn)DCS系統NT6000，為國產(chǎn)控制系統在鋼鐵燒結中的應用和推廣提供了很好的實(shí)踐和示范作用。

1 燒結工藝簡(jiǎn)介

燒結生產(chǎn)工藝是為高爐冶煉提供“精料”，經(jīng)燒結而成的燒結礦具有足夠強度和粒度可作為煉鐵的熟料，利用燒結熟料煉鐵對于提高高爐利用系數、降低焦比、提高高爐透氣性以及保證高爐運行均有一定意義。

燒結工藝過(guò)程包括燒結原料準備、配料、混合料制粒、布料、燒結、燒結產(chǎn)品破碎、冷卻、整粒以及燒結過(guò)程除塵等環(huán)節，圖1為燒結工藝流程圖。燒結過(guò)程是將準備好的礦粉、燃料和熔劑，按一定比例進(jìn)行配料，然后再配入燒結機尾篩分后的返礦，送入混合機進(jìn)行加水潤濕、混勻和制粒，得到滿(mǎn)足燒結的混合料；混合料由布料器鋪到燒結臺車(chē)上進(jìn)行點(diǎn)火燒結；燒結過(guò)程中依靠抽風(fēng)機從上向下抽進(jìn)空氣，燃燒混合料中的燃料，自上而下，不斷進(jìn)行；燒成的燒結礦，進(jìn)行破碎篩分，篩上物后進(jìn)行冷卻和整粒，作為成品燒結礦送往高爐，篩下物為返礦，返礦配入混合料重新燒結；燒結過(guò)程產(chǎn)生的廢氣經(jīng)除塵后，排入大氣。

圖1 燒結工藝流程圖

2 自動(dòng)化系統

2.1 系統軟硬件介紹

本項目采用南京科遠分散控制系統（DCS），系統以高速工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò )和功能強大的DPU為基礎，軟、硬件均采用了國際標準或主流工業(yè)產(chǎn)品，構成開(kāi)放的工業(yè)控制系統。

圖2 NT6000分散控制系統結構圖

NT6000分散控制系統（DCS）由人機接口（MMI）、監控軟件（KView）、控制網(wǎng)絡(luò )（eNet）、智能處理單元（DPU）、I/O網(wǎng)絡(luò )（eBus）和IO模件等部分組成（如圖2所示）。eNet網(wǎng)絡(luò )可支持單/雙網(wǎng)，支持多種網(wǎng)絡(luò )結構，1對DPU可最大支持：24路IO分支，192只I/O模件，約3072個(gè)I/O測點(diǎn)。擴展使用可以配置8個(gè)網(wǎng)絡(luò )域，一個(gè)網(wǎng)絡(luò )域支持64對DPU，理論可支持總IO點(diǎn)數近100萬(wàn)點(diǎn)。

NT6000系統軟件包含工程服務(wù)器（eNetServer）、系統軟件統一管理平臺（eNetMain）、畫(huà)面編輯（GraphMake）、畫(huà)面監控（GraphView）、日志服務(wù)器（LogServer）、歷史數據庫（SyncBase）、報表記錄管理程序（ReportServer）、報警服務(wù)（AlarmServer）等方面。系統采用無(wú)服務(wù)器架構，各操作站以本地文件為基礎，獨立進(jìn)行數據采集和監控，節點(diǎn)之間無(wú)彼此依賴(lài)關(guān)系，任一節點(diǎn)異常都不會(huì )影響系統穩定運行。

2.2 系統設計

本項目采用環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )結構（如圖3所示），1臺2光24電環(huán)網(wǎng)單模主網(wǎng)管交換機，6臺環(huán)網(wǎng)單模從網(wǎng)管交換機，光纖從主環(huán)網(wǎng)交換機出發(fā)，最后至主環(huán)網(wǎng)交換機。當環(huán)網(wǎng)上的某一路鏈路斷開(kāi)，不會(huì )影響網(wǎng)絡(luò )上數據的轉發(fā)。主交換機位于網(wǎng)絡(luò )柜中，另外6臺交換機分別位于：燒結本體、環(huán)冷、主抽、篩分、混配及水泵房、機尾除塵。燒結本體使用1對控制器，配置4臺機柜；環(huán)冷使用1對控制器，配置2臺機柜；主抽使用1對控制器，配置2臺機柜；篩分使用1對控制器，配置1臺機柜；混配及水泵房使用1對控制器，配置3臺機柜。機尾除塵使用1對控制器，配置1臺機柜。9臺操作員站和1臺工程師站都連接在主交換機上，并采用此交換機通過(guò)OPC接口與L2服務(wù)器通訊。

圖3 環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )結構圖

3 智能控制系統

本項目針對燒結原料與燃料成分、生產(chǎn)過(guò)程、被控對象特性開(kāi)發(fā)出燒結智能控制系統，通過(guò)建立配料物料關(guān)系模型、燒結終點(diǎn)預測模型、燃燒一致性模型、返礦平衡模型等，基于燒結過(guò)程多目標優(yōu)化控制算法，來(lái)實(shí)現燒結過(guò)程的產(chǎn)量質(zhì)量?jì)?yōu)化控制，系統架構如圖4所示。

圖4 燒結智能控制系統架構圖

3.1 配料系統集成優(yōu)化控制模型

（1）燒結礦成分預測模型

混合料中的鐵品位和堿度是燒結礦中相應成分的來(lái)源，鐵的含量占燒結礦的絕大部分，而堿度對燒結礦的物理指標，如還原性、硬度和強度有比較明顯的影響，該兩個(gè)成分含量的變化無(wú)疑有很重要的意義。因此，據以上分析選擇預測值為鐵品位和堿度?？紤]到燒結礦化學(xué)成分和含量除外的穩定主要受原料參數的影響，與狀態(tài)參數關(guān)系不大，則利用二配物料關(guān)系模型的輸出作為燒結礦化學(xué)成分神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )預測模型的輸入。

（2）配比優(yōu)化與控制模型

燒結礦的成分主要受燒結混合料成分的影響，此外，在操作條件一定且各待配制物料成分已知的情況下，燒結礦的成分主要由一配和二配的配比來(lái)決定。因此，本系統基于一配和二配的物料關(guān)系模型以及燒結礦成分預測模型，以原料成本為優(yōu)化目標，以燒結礦化學(xué)成分為約束，綜合運用線(xiàn)性規劃、專(zhuān)家規則等技術(shù)，建立一配、二配配比計算模型和化學(xué)成分優(yōu)化控制模型，從而求取最佳配比，實(shí)現燒結礦鐵品位和堿度指標的優(yōu)化控制。

（3）無(wú)擾換堆模型

當原燃料的源頭從一個(gè)料垛換成另外一個(gè)料垛時(shí)，系統立即啟動(dòng)“換料堆”動(dòng)作，根據所有投用的混勻礦倉內剩余的物料量，自動(dòng)對1#-4#各混勻鐵料礦槽下料設定值進(jìn)行修訂，向配料L1級系統下達控制指令，使各礦槽中上一料垛的物料基本同步配完。同時(shí)計算出下一料垛物料在料倉內到達下料口的時(shí)間，及時(shí)調整相對應的原料成分，減少換堆過(guò)程中燒結礦堿度的大幅波動(dòng)。該模型對不同原料進(jìn)入配料礦槽的起始時(shí)間、礦槽料位、下料量、下料時(shí)間等數據進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集、實(shí)時(shí)計算，并自動(dòng)調節各礦槽下料量，實(shí)現各礦槽中同一料垛的同步切換。智能配料計算模型圖如圖5所示。

圖5 智能配料計算模型圖

3.2 燒結終點(diǎn)位置控制模型

燒結終點(diǎn)位置指混合料從燒結開(kāi)始到燒結完成所處的位置，實(shí)際是由混合料的垂直燒結速度和臺車(chē)的水平前進(jìn)速度共同決定的，如圖6所示。

圖6 混合料與臺車(chē)位置示意圖

若已知混合料的垂直燒結速度U，則由料層厚度H，可求出燒結時(shí)間：T=H/U。燒結時(shí)間T與臺車(chē)水平速度V相乘，既可得出終點(diǎn)位置：L=V×T。

（1）燒結終點(diǎn)預測

針對燒結過(guò)程的滯后特性，采用多元模糊回歸預測技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )預測技術(shù)，分別對燒結終點(diǎn)進(jìn)行預測，經(jīng)過(guò)仿真對比，選取預測精度較高的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行燒結終點(diǎn)預測。目前最常見(jiàn)的監測燒結終點(diǎn)的方法是分析抽風(fēng)機中的廢氣溫度、負壓等物理參數。

（2）燒結終點(diǎn)智能控制模型

建立燒結終點(diǎn)長(cháng)期預報模型用于為操作者人工操作穩定燒結終點(diǎn)提供定量依據。以燒結正常廢氣溫度拐點(diǎn)以及臺車(chē)速度作為輸入，建立燒結終點(diǎn)短期預報數學(xué)模型，預報燒結過(guò)程終點(diǎn)?；诖藷Y終點(diǎn)預報模型，設計燒結終點(diǎn)（BTP）前饋模糊控制器，將模糊控制策略應用于燒結終點(diǎn)控制系統開(kāi)發(fā)，對燒結終點(diǎn)提前進(jìn)行控制，能確保燒結終點(diǎn)的穩定性。燒結終點(diǎn)預測模型如圖7所示。

圖7 燒結終點(diǎn)預測模型

通過(guò)對燒結終點(diǎn)（BTP）、溫度上升點(diǎn)（BRP）的準確判斷和控制，根據數學(xué)模型實(shí)時(shí)計算燒結終點(diǎn)的位置，并在線(xiàn)調整機速、風(fēng)量或是微調料厚，將燒結終點(diǎn)控制在目標值的合理范圍內，防止出現終點(diǎn)提前或滯后現象，保證合適的燒結時(shí)間，使燒結礦具有較好的強度，減少生產(chǎn)過(guò)程人為調控的滯后性和不準確性。

根據臺車(chē)風(fēng)箱中的熱電偶，每隔30s取一次檢測臺車(chē)下的廢氣溫度，建立風(fēng)箱的溫度場(chǎng)，采用最小二乘法進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，計算出當前突然上升點(diǎn)（BRP）和燒結終點(diǎn)（BTP）位置預報，實(shí)現BRP和BTP準確判斷，合理而準確地控制燒結終點(diǎn)的位置和溫度，穩定燒結生產(chǎn)過(guò)程。

3.3 燃燒一致性模型

為了實(shí)現整個(gè)燒結過(guò)程能夠平穩運行，避免燒結溫度運行曲線(xiàn)與目標曲線(xiàn)的偏差過(guò)大，從燒結機風(fēng)箱廢氣溫度中，選取6個(gè)關(guān)鍵風(fēng)箱廢氣溫度作為被控目標。燒結過(guò)程溫度控制系統通過(guò)調節關(guān)鍵風(fēng)箱抽風(fēng)口閥門(mén)開(kāi)度，控制6個(gè)關(guān)鍵風(fēng)箱廢氣溫度達到目標值，使其燒結過(guò)程風(fēng)箱溫度運行曲線(xiàn)與典型目標曲線(xiàn)一致，從而實(shí)現燒結過(guò)程平穩運行，并最終有效控制了燒結終點(diǎn)，節約了能耗，提高了燒結礦的產(chǎn)量和質(zhì)量。

燒結過(guò)程控制系統有6個(gè)溫度輸入和3個(gè)輸出，為多輸入-多輸出（MIMO）控制系統，直接設計如此多變量的模糊控制系統是非常困難的。如果把系統分解為3個(gè)子系統，即將多輸入-多輸出的模糊控制器分解成3個(gè)多輸入單輸出（MISO）的模糊控制器，那么設計變得簡(jiǎn)單，系統容易實(shí)現。燒結過(guò)程溫度由燒結過(guò)程參數優(yōu)化模型指導優(yōu)化。燒結過(guò)程溫度控制系統結構框圖如圖8所示。

圖8 燒結過(guò)程溫度控制系統結構框圖

3.4 返礦平衡模型

根據生產(chǎn)節奏、返礦槽料位以及返礦生成量等發(fā)展趨勢，適時(shí)調整返礦配比，確保返礦槽料位穩定在一定的上下限范圍。

返礦模型主要是對燒結過(guò)程的內循環(huán)返礦進(jìn)行控制，使其在生產(chǎn)過(guò)程中達到動(dòng)態(tài)平衡。當生產(chǎn)系統內部返礦平衡系數≠1，且冷返礦量超出配料返礦槽設定的料位范圍時(shí)，重新進(jìn)行排料量設定值計算，修正冷返礦配料量，調節配料皮帶給料機的給料速度，以達到控制料位、保持返礦平衡的目的。同時(shí)相應的對配炭量、混合料水分、熔劑配加比例等要根據專(zhuān)家經(jīng)驗進(jìn)行自動(dòng)調整。

圖9 九江線(xiàn)材原料廠(chǎng)3#燒結機DCS主頁(yè)面

4 應用效果

本次燒結智能控制系統已在九江線(xiàn)材有限責任公司成功投運，整套系統運行安全穩定，設備利用率大幅提高。本項目鋼鐵燒結智能控制系統的成功投運意義深遠，完全實(shí)現了鐵前燒結生產(chǎn)工藝控制與產(chǎn)品指標可控，為推進(jìn)鋼鐵行業(yè)國產(chǎn)化發(fā)展注入新的動(dòng)力，為今后自主可控控制系統的建設奠定了堅實(shí)的基礎，具有非常好的的推廣意義。

科遠智慧正奮力抓住國產(chǎn)化替代機遇，打造智能控制系統、信息管理系統和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“三大平臺”，著(zhù)力構建自主可控關(guān)鍵核心技術(shù)，持續為鋼鐵行業(yè)導入最先進(jìn)的創(chuàng )新技術(shù)和產(chǎn)品，執自主可控之劍為更多鋼鐵企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展賦能。

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年10月刊