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★南京科遠(yuǎn)智慧科技集團(tuán)股份有限公司，江蘇省熱工過程智能控制重點實驗室趙楠，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(chǔ)產(chǎn)業(yè)，然而，燒結(jié)作為鋼鐵冶煉的重要環(huán)節(jié)，所用的大部分控制系統(tǒng)依賴進(jìn)口；隨著全球性芯片供應(yīng)短缺，進(jìn)口控制系統(tǒng)產(chǎn)品造價昂貴，各型號產(chǎn)品也處于缺貨、斷貨狀態(tài)，國內(nèi)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(tǒng)至關(guān)重要。本文詳細(xì)介紹了國產(chǎn)化NT6000 DCS和燒結(jié)智能控制系統(tǒng)的開發(fā)，以及在遷安市九江線材有限責(zé)任公司燒結(jié)機的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：鋼鐵燒結(jié)；自主可控；智能控制系統(tǒng)；DCS

工業(yè)控制系統(tǒng)，被譽為現(xiàn)代工業(yè)的“核心大腦”，工控安全是國家安全的重要基礎(chǔ)，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(tǒng)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(nèi)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(yán)重威脅著我國國計民生的“生命線”。因此，開發(fā)自主可控國產(chǎn)化控制系統(tǒng)是不可或缺的。

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

1 燒結(jié)工藝簡介

燒結(jié)生產(chǎn)工藝是為高爐冶煉提供“精料”，經(jīng)燒結(jié)而成的燒結(jié)礦具有足夠強度和粒度可作為煉鐵的熟料，利用燒結(jié)熟料煉鐵對于提高高爐利用系數(shù)、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(jié)工藝過程包括燒結(jié)原料準(zhǔn)備、配料、混合料制粒、布料、燒結(jié)、燒結(jié)產(chǎn)品破碎、冷卻、整粒以及燒結(jié)過程除塵等環(huán)節(jié)，圖1為燒結(jié)工藝流程圖。燒結(jié)過程是將準(zhǔn)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(jié)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，得到滿足燒結(jié)的混合料；混合料由布料器鋪到燒結(jié)臺車上進(jìn)行點火燒結(jié)；燒結(jié)過程中依靠抽風(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(jié)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(jié)礦送往高爐，篩下物為返礦，返礦配入混合料重新燒結(jié)；燒結(jié)過程產(chǎn)生的廢氣經(jīng)除塵后，排入大氣。

圖1 燒結(jié)工藝流程圖

2 自動化系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)軟硬件介紹

本項目采用南京科遠(yuǎn)分散控制系統(tǒng)（DCS），系統(tǒng)以高速工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)和功能強大的DPU為基礎(chǔ)，軟、硬件均采用了國際標(biāo)準(zhǔn)或主流工業(yè)產(chǎn)品，構(gòu)成開放的工業(yè)控制系統(tǒng)。

圖2 NT6000分散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

NT6000分散控制系統(tǒng)（DCS）由人機接口（MMI）、監(jiān)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(jié)構(gòu)，1對DPU可最大支持：24路IO分支，192只I/O模件，約3072個I/O測點。擴展使用可以配置8個網(wǎng)絡(luò)域，一個網(wǎng)絡(luò)域支持64對DPU，理論可支持總IO點數(shù)近100萬點。

NT6000系統(tǒng)軟件包含工程服務(wù)器（eNetServer）、系統(tǒng)軟件統(tǒng)一管理平臺（eNetMain）、畫面編輯（GraphMake）、畫面監(jiān)控（GraphView）、日志服務(wù)器（LogServer）、歷史數(shù)據(jù)庫（SyncBase）、報表記錄管理程序（ReportServer）、報警服務(wù)（AlarmServer）等方面。系統(tǒng)采用無服務(wù)器架構(gòu)，各操作站以本地文件為基礎(chǔ)，獨立進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，節(jié)點之間無彼此依賴關(guān)系，任一節(jié)點異常都不會影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

本項目采用環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（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(dāng)環(huán)網(wǎng)上的某一路鏈路斷開，不會影響網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)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(jié)本體、環(huán)冷、主抽、篩分、混配及水泵房、機尾除塵。燒結(jié)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OPC接口與L2服務(wù)器通訊。

圖3 環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3 智能控制系統(tǒng)

本項目針對燒結(jié)原料與燃料成分、生產(chǎn)過程、被控對象特性開發(fā)出燒結(jié)智能控制系統(tǒng)，通過建立配料物料關(guān)系模型、燒結(jié)終點預(yù)測模型、燃燒一致性模型、返礦平衡模型等，基于燒結(jié)過程多目標(biāo)優(yōu)化控制算法，來實現(xiàn)燒結(jié)過程的產(chǎn)量質(zhì)量優(yōu)化控制，系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 燒結(jié)智能控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.1 配料系統(tǒng)集成優(yōu)化控制模型

（1）燒結(jié)礦成分預(yù)測模型

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

（2）配比優(yōu)化與控制模型

燒結(jié)礦的成分主要受燒結(jié)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(jié)礦的成分主要由一配和二配的配比來決定。因此，本系統(tǒng)基于一配和二配的物料關(guān)系模型以及燒結(jié)礦成分預(yù)測模型，以原料成本為優(yōu)化目標(biāo)，以燒結(jié)礦化學(xué)成分為約束，綜合運用線性規(guī)劃、專家規(guī)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，實現(xiàn)燒結(jié)礦鐵品位和堿度指標(biāo)的優(yōu)化控制。

（3）無擾換堆模型

當(dāng)原燃料的源頭從一個料垛換成另外一個料垛時，系統(tǒng)立即啟動“換料堆”動作，根據(jù)所有投用的混勻礦倉內(nèi)剩余的物料量，自動對1#-4#各混勻鐵料礦槽下料設(shè)定值進(jìn)行修訂，向配料L1級系統(tǒng)下達(dá)控制指令，使各礦槽中上一料垛的物料基本同步配完。同時計算出下一料垛物料在料倉內(nèi)到達(dá)下料口的時間，及時調(diào)整相對應(yīng)的原料成分，減少換堆過程中燒結(jié)礦堿度的大幅波動。該模型對不同原料進(jìn)入配料礦槽的起始時間、礦槽料位、下料量、下料時間等數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)采集、實時計算，并自動調(diào)節(jié)各礦槽下料量，實現(xiàn)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(jié)終點位置控制模型

燒結(jié)終點位置指混合料從燒結(jié)開始到燒結(jié)完成所處的位置，實際是由混合料的垂直燒結(jié)速度和臺車的水平前進(jìn)速度共同決定的，如圖6所示。

圖6 混合料與臺車位置示意圖

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

（1）燒結(jié)終點預(yù)測

針對燒結(jié)過程的滯后特性，采用多元模糊回歸預(yù)測技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測技術(shù)，分別對燒結(jié)終點進(jìn)行預(yù)測，經(jīng)過仿真對比，選取預(yù)測精度較高的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行燒結(jié)終點預(yù)測。目前最常見的監(jiān)測燒結(jié)終點的方法是分析抽風(fēng)機中的廢氣溫度、負(fù)壓等物理參數(shù)。

（2）燒結(jié)終點智能控制模型

建立燒結(jié)終點長期預(yù)報模型用于為操作者人工操作穩(wěn)定燒結(jié)終點提供定量依據(jù)。以燒結(jié)正常廢氣溫度拐點以及臺車速度作為輸入，建立燒結(jié)終點短期預(yù)報數(shù)學(xué)模型，預(yù)報燒結(jié)過程終點。基于此燒結(jié)終點預(yù)報模型，設(shè)計燒結(jié)終點（BTP）前饋模糊控制器，將模糊控制策略應(yīng)用于燒結(jié)終點控制系統(tǒng)開發(fā)，對燒結(jié)終點提前進(jìn)行控制，能確保燒結(jié)終點的穩(wěn)定性。燒結(jié)終點預(yù)測模型如圖7所示。

圖7 燒結(jié)終點預(yù)測模型

通過對燒結(jié)終點（BTP）、溫度上升點（BRP）的準(zhǔn)確判斷和控制，根據(jù)數(shù)學(xué)模型實時計算燒結(jié)終點的位置，并在線調(diào)整機速、風(fēng)量或是微調(diào)料厚，將燒結(jié)終點控制在目標(biāo)值的合理范圍內(nèi)，防止出現(xiàn)終點提前或滯后現(xiàn)象，保證合適的燒結(jié)時間，使燒結(jié)礦具有較好的強度，減少生產(chǎn)過程人為調(diào)控的滯后性和不準(zhǔn)確性。

根據(jù)臺車風(fēng)箱中的熱電偶，每隔30s取一次檢測臺車下的廢氣溫度，建立風(fēng)箱的溫度場，采用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，計算出當(dāng)前突然上升點（BRP）和燒結(jié)終點（BTP）位置預(yù)報，實現(xiàn)BRP和BTP準(zhǔn)確判斷，合理而準(zhǔn)確地控制燒結(jié)終點的位置和溫度，穩(wěn)定燒結(jié)生產(chǎn)過程。

3.3 燃燒一致性模型

為了實現(xiàn)整個燒結(jié)過程能夠平穩(wěn)運行，避免燒結(jié)溫度運行曲線與目標(biāo)曲線的偏差過大，從燒結(jié)機風(fēng)箱廢氣溫度中，選取6個關(guān)鍵風(fēng)箱廢氣溫度作為被控目標(biāo)。燒結(jié)過程溫度控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)關(guān)鍵風(fēng)箱抽風(fēng)口閥門開度，控制6個關(guān)鍵風(fēng)箱廢氣溫度達(dá)到目標(biāo)值，使其燒結(jié)過程風(fēng)箱溫度運行曲線與典型目標(biāo)曲線一致，從而實現(xiàn)燒結(jié)過程平穩(wěn)運行，并最終有效控制了燒結(jié)終點，節(jié)約了能耗，提高了燒結(jié)礦的產(chǎn)量和質(zhì)量。

燒結(jié)過程控制系統(tǒng)有6個溫度輸入和3個輸出，為多輸入-多輸出（MIMO）控制系統(tǒng)，直接設(shè)計如此多變量的模糊控制系統(tǒng)是非常困難的。如果把系統(tǒng)分解為3個子系統(tǒng)，即將多輸入-多輸出的模糊控制器分解成3個多輸入單輸出（MISO）的模糊控制器，那么設(shè)計變得簡單，系統(tǒng)容易實現(xiàn)。燒結(jié)過程溫度由燒結(jié)過程參數(shù)優(yōu)化模型指導(dǎo)優(yōu)化。燒結(jié)過程溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。

圖8 燒結(jié)過程溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.4 返礦平衡模型

根據(jù)生產(chǎn)節(jié)奏、返礦槽料位以及返礦生成量等發(fā)展趨勢，適時調(diào)整返礦配比，確保返礦槽料位穩(wěn)定在一定的上下限范圍。

返礦模型主要是對燒結(jié)過程的內(nèi)循環(huán)返礦進(jìn)行控制，使其在生產(chǎn)過程中達(dá)到動態(tài)平衡。當(dāng)生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部返礦平衡系數(shù)≠1，且冷返礦量超出配料返礦槽設(shè)定的料位范圍時，重新進(jìn)行排料量設(shè)定值計算，修正冷返礦配料量，調(diào)節(jié)配料皮帶給料機的給料速度，以達(dá)到控制料位、保持返礦平衡的目的。同時相應(yīng)的對配炭量、混合料水分、熔劑配加比例等要根據(jù)專家經(jīng)驗進(jìn)行自動調(diào)整。

圖9 九江線材原料廠3#燒結(jié)機DCS主頁面

4 應(yīng)用效果

本次燒結(jié)智能控制系統(tǒng)已在九江線材有限責(zé)任公司成功投運，整套系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定，設(shè)備利用率大幅提高。本項目鋼鐵燒結(jié)智能控制系統(tǒng)的成功投運意義深遠(yuǎn)，完全實現(xiàn)了鐵前燒結(jié)生產(chǎn)工藝控制與產(chǎn)品指標(biāo)可控，為推進(jìn)鋼鐵行業(yè)國產(chǎn)化發(fā)展注入新的動力，為今后自主可控控制系統(tǒng)的建設(shè)奠定了堅實的基礎(chǔ)，具有非常好的的推廣意義。

科遠(yuǎn)智慧正奮力抓住國產(chǎn)化替代機遇，打造智能控制系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“三大平臺”，著力構(gòu)建自主可控關(guān)鍵核心技術(shù)，持續(xù)為鋼鐵行業(yè)導(dǎo)入最先進(jìn)的創(chuàng)新技術(shù)和產(chǎn)品，執(zhí)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《自動化博覽》2022年10月刊