RH精煉控制模型系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

口寶山鋼鐵股份有限公司 林 云 謝樹元 杜 斌 黃可為

摘要：主要介紹伯精煉或套過程控覯模型系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)o Rh成套過程控覯模銎主要包括：靜態(tài)稅碳模型、動態(tài)稅碳模型、溫麥模型、合金最小或本模型、或分預報模型，該模型已先后在寶山鋼鐵毆份有限公司寶鋼分公司多個Rh爐、梅山鋼鐵脧份有限公司薪建Rh爐、寶山鋼鐵段份有限公司不銹鋼分公司RH爐上取得了成功的應兩。

關鍵詞：RH精煉：；二次精滾；過程控鏹；控制模型

0引 言

RH精煉爐，是介于煉鋼與連鑄之間的一個鋼水精煉設備，其作用是提高鋼水質(zhì)量，滿足大批量生產(chǎn)無間隙原子鋼(通常稱IF鋼)等高難度、高附加值產(chǎn)品的需要。它具有脫碳、脫氧、脫氣、脫硫、合金化成分調(diào)整、溫度調(diào)整等功能。隨著用戶對鋼材的質(zhì)量、品種與性能的要求不斷提高，以RH，LF與CAS為代表的二次精煉設備在國內(nèi)的使用逐漸增多，對精煉的過程控制也提出了相應的要求，借助于過程控制模型的精確計算與過程信息預報，可實現(xiàn)過程控制的進一步優(yōu)化。

RH模型是實現(xiàn)精煉過程自動控制的重要基礎，它涉及冶金工藝、自動控制、計算機、數(shù)學等多門學科，過程控制模型通常嵌在過程控制計算機系統(tǒng)中，主要包括模型本體以及與模型相關的畫面、通用數(shù)據(jù)庫接口、模型調(diào)度、模型維護工具等功能模塊。隨著國內(nèi)RH精煉爐的大量建造，如何使模型的軟件架構能夠適應各種過程機應用系統(tǒng)結構就顯得十分重要。寶山鋼鐵股份有限公司研究院自動化研究所從2000年開始RH模型的研發(fā)，2002年初，溫度模型首次在寶山鋼鐵股份有限公司寶鋼分公司3號RH上得到成功應用，2002年底靜態(tài)脫碳模型、動態(tài)脫碳模型、合金模型、成分預報模型首次在寶鋼集團上海梅山鋼鐵股份有限公司新建RH精煉爐成功在線應用，至2007年底寶鋼股份研究院自動化所自主研發(fā)的RH模型已在寶鋼分公司多個RH精煉爐、寶山鋼鐵股份有限公司不銹鋼分公司新建RH精煉爐中在線應用，并已與國內(nèi)多個鋼廠簽訂合同進行在線應用。

1 RH模型功能及原理

RH模型是建立在RH真空精煉冶金機理的基礎上，結合現(xiàn)代自動控制技術，采用先進的算法開發(fā)的成套過程控制模型。RH模型由靜態(tài)脫碳、動態(tài)脫碳、溫度推定、合金最小成本及成分預報5個模型組成。

1．1靜態(tài)脫碳模型

靜態(tài)脫碳模型的主要功能是預測處理過程中隨真空度的逐步下降，鋼液中碳含量和游離氧含量的變化規(guī)律。靜態(tài)脫碳模型分為預報模塊和推定模塊。預報模塊根據(jù)每一爐處理開始獲得的初始碳、游離氧含量、鋼液溫度和真空排氣模式等信息，在處理初期即給操作人員提供為達到一定目標碳含量所必須的處理時間和吹氧操作等綜合指導信息；推定模塊是存得到鋼水基本信息和操作量信息（如吹氧量、鋁材投入量等)以后，推算處理結束時的碳含量和游離氧含量。兩個模塊的綜合使用能夠逐漸優(yōu)化RH的操作工藝。

靜態(tài)脫碳模型是從冶金學碳氧平衡原理出發(fā)，在一定的假沒基礎上建立的模型。RH真空脫碳是鋼液中的碳和游離氧反應的過程，在真空度和溫度一定的情況下，如果脫碳反應達到平衡，碳含量和游離氧含量的乘積為一常數(shù)；同時假定參與脫碳反應的氧的固定百分比假)來自于鋼液，而其他部分來自于鋼渣中金屬氧化物的被還原，則鋼液中碳和游離氧含量的下降遵從特定的比例關系，由以上兩個規(guī)律綜合可以求得平衡碳和平衡氧含量。在RH真空脫碳過程中，近似認為碳和游離氧含量按指數(shù)規(guī)律逼近平衡碳和平衡氧含量，方程式為：

的質(zhì)量濃度，％；P(C)ev為真空槽平衡碳的質(zhì)量濃度，％；P(C)sl為鋼包初始碳的質(zhì)量濃度，％T為脫碳時間常數(shù)，min。

1．2動態(tài)脫碳模型

動態(tài)脫碳模型主要功能是根據(jù)廢氣中CO、CO₂等氣體的在線分析值、初始碳分析值和廢氣流量，實時預報鋼水中碳含量。依靠先進的檢測裝置及檢測手段及時獲取真空脫碳過程中的廢氣信息及處理前初始碳含量，處理過程中的碳含量、游離氧含量、鋼水重量、鋼水溫度等數(shù)據(jù)，迅速準確地預報鋼水中當前碳含量、脫碳速度及脫碳總量。

動態(tài)脫碳模型是基于分析碳及抽真空產(chǎn)生的廢氣信息，結合自適應控制技術實時預報鋼水碳含量的模型。該模型可以大大提高如質(zhì)譜儀、紅外分析儀等設備的利用率和實際效果。

模型原理如下：

模型在畫面上實時顯示真空脫碳過程的許多相關信息，并在畫面上動態(tài)演示整個過程。為操作人員更好地實時控制RH真空脫碳過程提供較為詳細的參考，并可以優(yōu)化RH脫碳工藝。

1．3溫度模型

溫度模型的主要功能有：1)根據(jù)處理開始時的首次測溫信息預報鋼水溫度的變化趨勢；2)根據(jù)RH處理中的測溫信息、實際合金投入量、吹氧量以及操作工設定的信息，實時推定鋼水溫度變化；3）操作人員根據(jù)溫度預報值，可以有效地對處理過程進行控制，提高處理終了溫度的命中率；4)在已鎮(zhèn)靜鋼水獲取第1個測溫信息后，計算需要增加的冷材量或吹氧量。

溫度模型是建立在人工智能技術與冶金學機理基礎上的混合模型，由3個子模型構成，包括人工智能模型、冶金機理模型、信息管理模型。其中，冶金機理模型和信息管理模型均為比較簡單的初等代數(shù)數(shù)學模型，我們把RH精煉過程中復雜的非線性因素都歸結到人工智能模型中，用AIMT軟件來處理和建立針對RH精煉復雜過程的模型。AIMT軟件是由寶鋼股份研究院自動化所開發(fā)的通用智能自動建模軟件，具有人工神經(jīng)網(wǎng)絡建模及模糊邏輯建模工具。我們對AIMT工具建立的人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型和模糊邏輯模型用實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行反復的測試比較，最終采用ATMT建立的人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型作為RH溫度人工智能模型，取得了令人滿意的結果。

1．4合金最小成本模型及成分預報模型

合金最小成本模型根據(jù)生產(chǎn)計劃及鋼種要求計算成本最低的合金投入組合及投入量，需要添加的元素量由目標出鋼成分、鋼水初始成分、各元素收得率以及鋼水量等決定。主要功能有：1)操作工可以對各參數(shù)進行人工沒定修正，如各元素目標成分、初始成分、收得率及合金投入限制量等；2)可以屏蔽指定的若干元素的成分約束，忽略其成分要求，使之適應特定情況下的求解；3)允許操作工設定一種或幾種合金量，模型可對其余的合金繼續(xù)作最小成本計算。

合金最小成本模型的目的是根據(jù)鋼種元素需求、元素收得率、鋼水成分分析值等信息，計算出一組成本最低的合金組合和合金投入量。目前國際上提供的煉鋼合金模型基本上是建立在線性規(guī)劃算法的基礎上，該方法的好處是除了給出滿足生產(chǎn)要求的合金投入配比外，還能使合金投入的總成本C_T(X)最小。下面是合金模型LP部分的數(shù)學描述：

金j的投入量；Aij為合金j中元素i（i=1，2，…，m)的含有率；Bi為元素i的需要量；B_ui為元素j的需要量上限；B_li為元素i的需要量下限；X_set為合金設定投入量，X_lmt為合金使用限制量；m為合金中的各種元素；n為所用的各種合金；C₁，C₂，…，Cs∈［1，n]，用于某些合金有設定投入量和使用限制量時的特殊約束表達式中。

成分預報模型從原理上講是合金最小成本模型的反模型。該模型具有成分預報功能，它根據(jù)假設的各合金設定投入量按標準收得率、設定收得率來預報添加合金后各元素成分、鋼水增重等，使操作工試算十分方便。同時該模型根據(jù)最新的鋼水成分、最新鋼水成分取樣后所添加的合金量計算鋼水的當前成分。

2系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

模型從研究到應用，主要經(jīng)歷了算法研究、實驗室仿真、現(xiàn)場離線考核等過程，最后進行在線過程機軟件的開發(fā)。模型的研發(fā)不能僅僅關注于模型本體的研發(fā)，模型的開發(fā)、測試及在線應用必須有一套有效的軟件系統(tǒng)這樣才能提高模型的開發(fā)效率和應用效果。因此模型系統(tǒng)架構需考慮模型算法、模型操作畫面、數(shù)據(jù)接口、模型調(diào)度、模型維護工具等技術。

2．1 系統(tǒng)結構

模型系統(tǒng)主要由模型接口程序、模型計算程序、模型畫面操作程序、模型調(diào)度程序及數(shù)據(jù)庫組成。模型操作畫面程序安裝在操作終端上，其他均安裝在服務器中。模型畫面操作程序采用VisualBasic 6．0控件 Oracle F0nn的方式實現(xiàn)，模型調(diào)度程序采用Visual C 實現(xiàn)，也可以采用應用系統(tǒng)的進程調(diào)度系統(tǒng)，模型計算程序采用Fortran語言開發(fā)，模型接口程序采用Oracle ProC和Visual Basic：6．0語言開發(fā)，數(shù)據(jù)庫為Oracle數(shù)據(jù)庫。服務器可以是Windows系統(tǒng)，也可以是Unix操作系統(tǒng)，操作終端為Windows系統(tǒng)。

2．2系統(tǒng)功能

RH模型系統(tǒng)的主要功能有：

1)數(shù)據(jù)接口。建立模型與工藝標準、生產(chǎn)實績應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，通過數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)與各種應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)連接。

2)模型算法。是模型系統(tǒng)的核心，包括靜態(tài)脫碳模型、動態(tài)脫碳模型、溫度模型、合金最小成本與成分預報模型的算法程序庫。

3）模型進程調(diào)度。采用事件觸發(fā)模型啟動。

4）模型操作畫面。系統(tǒng)提供友好、易于操作的模型操作畫面，畫面中主要包括：必要的生產(chǎn)過程信息、操作設定信息、模型計算結果信息。

5）模型常數(shù)維護。為工藝工程師提供模型常數(shù)維護工具。

6）模型運行跟蹤。記錄模型運行過程的關鍵信息，便于模型的運行跟蹤及維護。

2．2．1數(shù)據(jù)接口

模型的所有輸入數(shù)據(jù)都是實際生產(chǎn)的工藝標準數(shù)據(jù)和生產(chǎn)過程實績數(shù)據(jù)，不同的過程機應用系統(tǒng)由于系統(tǒng)結構及開發(fā)工具的不同會有很大的區(qū)別，因此模型系統(tǒng)為了適應各種應用系統(tǒng)的結構，需要通過數(shù)據(jù)接口進行數(shù)據(jù)轉換。根據(jù)我們多年的研發(fā)經(jīng)驗，在一個新建的精煉爐設備剛投產(chǎn)時，生產(chǎn)過程實績數(shù)據(jù)會存在各種問題，很多過程數(shù)據(jù)應用系統(tǒng)只進行數(shù)據(jù)收集，并無進一步的應用，因此沒有對數(shù)據(jù)進行細致的校核，給模型的在線調(diào)試帶來許多問題。因此要建立數(shù)據(jù)接口及測試工具，盡可能減少模型本體程序的修改，僅僅是在需要優(yōu)化或工藝條件變化時進行修改。

2．2．2模型計算程序結構

在系統(tǒng)設計時，充分考慮核心模塊的擴充性以及整個系統(tǒng)的易于維護性，將核心計算模塊設計成相對獨立的模塊，與相關系統(tǒng)的接口簡明、清晰。計算模塊不負責數(shù)據(jù)收集，它以標準模型輸入輸出文件作為數(shù)據(jù)接口，與具體的生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)隔離，相對獨立。系統(tǒng)開發(fā)中，始終把握將數(shù)據(jù)與算法分離和各功能塊、算法過程獨立的原則。

模型計算程序結構分為三層，模型輸入層即數(shù)據(jù)接口層，主要是與應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口；模型本體層為模型的核心，其中又將模型數(shù)據(jù)預處理與模型算法分離，使得模型核心算法可以獨立進行優(yōu)化，而且也是較好的知識產(chǎn)權保護手段；模型輸出層就是模型的操作維護接口。

2．2．3模型進程調(diào)度

在RH精煉處理過程中，各模型通過生產(chǎn)過程中的事件觸發(fā)啟動，達到過程控制目的。RH處理過程中主要有鋼包到達、處理開始、測溫、取樣、吹氧、合金添加、處理結束等事件。

2．2．4畫而設計

模型的畫面設計必須與相關的過程控制計算機應用系統(tǒng)的風格保持一致，因此模型畫面在不同的應用系統(tǒng)中會有一定的修改，一般會有兩大類完全不同的畫面設計。一類是基于大中型機器的字符型終端，比如寶鋼的DECAlpha 2100S服務器，操作系統(tǒng)為DECOpenVMS 6．1，畫面需采用專用的中間件開發(fā)，畫面的通用性不強；另一類是基于windows的圖形操作終端，畫面采用OCX控件開發(fā)，畫面的通用性很好，可以嵌入各種應用系統(tǒng)框架中。

2．2．5模型常數(shù)維護

模型投運后，模型開發(fā)人員由于各種原因無法時刻關注實際生產(chǎn)工藝條件的變化，而工藝人員又缺乏計算機、算法、控制方面的專業(yè)知識，很難對模型進行調(diào)整及維護這就造成模型的使用效果逐漸變差，無法滿足實際生產(chǎn)的需要。因此，模型工程師必須開發(fā)各種工具便于工藝工程師對模型進行維護。

RH模型系統(tǒng)中需要維護的模型常數(shù)包括三種類型：

1)生產(chǎn)中所用材料的系數(shù)，隨每次采購的不同會有所變化，主要有合金元素含量、合金價格、合金溫降系數(shù)等，這類常數(shù)工藝工程師比較熟悉，通過常數(shù)維護畫面很容易進行維護；

2)機理模型等代數(shù)數(shù)學模型中用到的模型常數(shù)，主要是模型工程師建立模型時所用系數(shù)，如碳氧平衡校正常數(shù)、鋼水比熱容、鋼水中氧與碳反應比例、按鋼種組的模型校正系數(shù)等，此類常數(shù)需要模型工程師對現(xiàn)場工藝人員進行相關指導，也是通過常數(shù)維護畫面進行維護；

3)人工智能模型常數(shù)維護，如溫度模型中的神經(jīng)網(wǎng)絡模型系數(shù)維護。冶金工程師可以在模型維護畫面上進行工藝參數(shù)設定，通過我們自主開發(fā)的具有源代碼級技術的自動智能建模工具重新建立模型并由冶金工程師確認后自動投入在線運行。有了模型在線維護工具，模型調(diào)整就不需要很多的軟件及控制知識，使冶金工程師可以在畫面上按照一定的生產(chǎn)及冶金知識調(diào)整控制模型，這樣就使得模型維護方便、快捷。

2．2．6模型運行跟蹤

一般在生產(chǎn)投產(chǎn)初期由于設備不穩(wěn)定以及操作不熟練等原因，生產(chǎn)實績會不穩(wěn)定，而且過程控制模型的實時性較強，模型工程師也無法實時看到模型的運行過程，因此為了提高模型的調(diào)試效率必須將模型運行過程信息寫入日志文件中，模型工程師可以離線分析模型的運行情況，而不會影響實際生產(chǎn)。在生產(chǎn)穩(wěn)定順行后，可減少寫入日志文件中的信息，只保留必要運行過程信息。

3結論

RH模型的在線應用有效地提高了RH精煉處理的過程控制水平，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。其中溫度模型在實際應用中取得了較高的精度。根據(jù)在線應用數(shù)據(jù)統(tǒng)計，對連續(xù)的205爐數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，除去30爐異常數(shù)據(jù)，在處理過程中有一次溫度調(diào)整的條件下，預報溫度與實測溫度偏差在±5℃的命中率為82％，偏差在±8℃的命中率為96％。

寶鋼自主研發(fā)的RH精煉爐過程控制模型系統(tǒng)，在系設計時充分考慮了核心模塊的獨立性和可擴充性，以及整個系統(tǒng)的可維護性，使得模型研發(fā)人員可以集中精力進行模型本體算法的研究和開發(fā)，提高模型研發(fā)效率，降低模型研發(fā)成本。同時建立基于數(shù)據(jù)庫的與在線系統(tǒng)基本一致的實驗室模型仿真測試平臺，極大降低模型在線工業(yè)應用的調(diào)試及維護成本。