張 博

(寶雞文理學(xué)院，陜西 寶雞 721016)

1 概 述

煉鐵和煉鋼作為現(xiàn)代世界最基本的工業(yè)之一，煉鐵高爐(Blast Furnace，BF)是支撐該工業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)單元。如圖1所示，煉鐵過程中典型的高爐主要由高爐本體，礦石和焦炭供給系統(tǒng)，熱風(fēng)系統(tǒng)，煤粉噴射系統(tǒng)，爐頂氣體處理系統(tǒng)和出鋼系統(tǒng)組成。爐體的內(nèi)部分為五個工作區(qū)域，即從爐頂?shù)綘t底的喉部、爐身(軸)、腹部、爐腹和爐膛構(gòu)成，其中腹部、爐腹簡稱為腹。當(dāng)高爐煉鐵系統(tǒng)運行時，由焦炭和礦石組成的固體原料從頂部一層一層地填充；與此同時，經(jīng)預(yù)熱和壓縮的熱空氣與粉煤一起通過風(fēng)口在下部噴射，這種注射劑進入爐膛之上，這是高爐最終熔融金屬產(chǎn)品聚集的關(guān)鍵區(qū)域。通過來自熱爐大約1 200℃的熱空氣與下降的焦炭和輔助噴射的燃料反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳，二氧化碳通過煤或焦炭還原成一氧化碳(CO)，同時在燃燒區(qū)中形成氫氣(H2)。在整個轉(zhuǎn)換過程中釋放出很多熱能，可以將爐膛加熱到高達2 000℃；從而將產(chǎn)生的液態(tài)鐵水和爐渣通過打開一個粘土襯里的出渣口排除，用于隨后的煉鋼工藝；通常，通過BF由原料轉(zhuǎn)換為鐵水需要6～8 h的周期[1-5]。

錳鐵高爐操作的主要目的是實現(xiàn)煉鐵過程的平穩(wěn)運行，并以較低的生產(chǎn)成本生產(chǎn)高質(zhì)量的鐵水。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要對整個高爐煉鐵過程進行實時監(jiān)控。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低能耗，高爐控制系統(tǒng)通常意味著控制最終的鐵水質(zhì)量(Molten Iron Quality，MIQ)，其一般具有四個指標(biāo)，即鐵水溫度(Molten Iron Temperature，MIT)，硅含量(Si)，磷含量(P)和硫含量(S)[6]。

圖1 高爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)輸出鐵水含量的精確性，以便于后期工藝執(zhí)行的準(zhǔn)確，因此在先進的煉鐵控制系統(tǒng)中通過PLC技術(shù)實現(xiàn)進料的精準(zhǔn)管理，本文主要設(shè)計了一種基于最小二乘支持向量機的非線性子空間識別方法建立了預(yù)測MIQ(MoltenIron Quality)指標(biāo)的Hammerstein模型，并且通過模型優(yōu)化計算實現(xiàn)PLC的自動進料管控，提升錳鐵高爐煉鐵過程的效率。

2 控制系統(tǒng)介紹

2.1 模型介紹

為了提高錳鐵產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)能，BF系統(tǒng)的控制通常意味著控制最終的MIQ指標(biāo)，特別是對于反映整個高爐熱狀態(tài)、燃料消耗、生產(chǎn)成本和穩(wěn)定運行的Si和MIT的指標(biāo)。因此，通過設(shè)計在線MIQ模型解決對MIT，Si，P和S的實時預(yù)測。這不僅有助于實現(xiàn)整個高爐的反饋控制和運行優(yōu)化，而且還可以為操作人員提供一些有用的信息，以評估內(nèi)部冶煉狀態(tài)和運行狀況[7-9]。針對現(xiàn)有MIQ建模和控制方法的缺點，本文提出了一種新的面向控制的非線性狀態(tài)空間建模和MIQ指標(biāo)的預(yù)測控制策略，如圖2所示。

圖2 MIQ指數(shù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動建模和預(yù)測控制策略

首先，將常用的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的CCA和CA結(jié)合起來，定位幾個可控變量，這些變量對眾多因素中的MIQ指標(biāo)有顯著影響，作為建模的輸入變量；

其次，利用基于最小二乘支持向量機的非線性子空間識別方法，建立了一個預(yù)測多元MIQ指標(biāo)的非線性狀態(tài)空間模型。這種面向控制的非線性模型可以準(zhǔn)確描述煉鐵過程的動態(tài)和非線性特征。此外，該模型不僅可以用于在線估計或預(yù)測MIQ指數(shù)，還可以進一步應(yīng)用于MIQ指數(shù)的控制和優(yōu)化；

考慮到所得狀態(tài)空間模型的非線性部分是用非線性核函數(shù)表示的，引入一個多項式擬合或插值來擬合已識別的非線性，從而提高計算效率。

最后，以開發(fā)的模型作為預(yù)測器，設(shè)計了一個數(shù)據(jù)驅(qū)動的非線性預(yù)測控制器來控制MIQ指數(shù)。此外，還提出了流行的遺傳算法(GA)來解決復(fù)雜的非線性優(yōu)化問題，這主要是由于GA具有優(yōu)秀的非線性優(yōu)化和全局搜索能力。

2.2 PLC控制系統(tǒng)介紹

控制系統(tǒng)采用PLC硬件配置結(jié)構(gòu)如下所示：

西門子S7-200 PLC CPU226，數(shù)字量I/O模塊EM223，模擬量模塊EM231、EM235，從站擴展模塊EM277 PROFIBUS-DP，西門子PC547B工控機，西門子總線連接器和接口卡CP5611，西門子K-TP178Micro觸摸屏和ABB ACS510變頻器?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示[10]。

圖3 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)工藝的時間過程首先分類時間間隔和時間變化的情況：啟動機器時，煙氣容量不穩(wěn)定，煙氣溫度也不穩(wěn)定，出口溫度會波動，此時PLC將分析和處理溫度收集，進料的速度主要跟鐵水流出的流量(出口溫度)有關(guān)，具體執(zhí)行過程如下：

1)當(dāng)出口氣體溫度達到上限和下限溫度之間時，變頻器在規(guī)定的上下頻率之間工作，運行頻率由PID回路調(diào)節(jié)；

2)如果溫度達到上限以上，則系統(tǒng)調(diào)節(jié)變頻器的運行頻率范圍，并將其加1。變頻器以新的頻率加3 Hz工作，系統(tǒng)開始計時。如果溫度持續(xù)上升，請重復(fù)上述步驟，當(dāng)溫度停止增加時，停止調(diào)節(jié)頻率；

3)當(dāng)出口氣體溫度在溫度上限和下限之間下降時，變頻器在新的上下頻率之間工作，運行頻率由PID回路調(diào)節(jié)；

4)如果溫度低于下限，則系統(tǒng)調(diào)節(jié)變頻器的運行頻率范圍，減1。變頻器以新的頻率減3 Hz運行。如果溫度繼續(xù)下降，重復(fù)之前的步驟，當(dāng)溫度停止下降時，停止調(diào)節(jié)頻率，并且調(diào)節(jié)時間結(jié)束。

2.3 控制系統(tǒng)仿真驗證

為了證明所提出的控制設(shè)計模型的實用性，使用基于GA的非線性模型預(yù)測控制方法?？刂谱兞渴沁x定的可控建模輸入變量，即冷空氣流量(u1)，壓降(u2)，富氧流量(u3)和噴煤量(u4)。表1顯示了受控變量和控制變量的統(tǒng)計量和約束條件。由于MIQ指數(shù)的預(yù)測可以提供較好的準(zhǔn)確性，因此預(yù)測范圍Np設(shè)置為1，控制范圍Nc設(shè)置為1、輸出權(quán)重Ry和輸入權(quán)重Ru分別被確定為I4×4和0.01I4×4。在模擬過程中，MIQ指標(biāo)的初始設(shè)定值分別為[Si] = 0.45%，[P] = 0.115%，[S] = 0.025%和MIT = 1 500℃；在實驗過程中，這些設(shè)定值分別在不同時間變?yōu)閇Si] = 0.5%，[P] = 0.125%，[S] = 0.015%和MIT = 1 510℃。

表1 輸入和輸出變量的統(tǒng)計和約束

在實施本文介紹的自動進料系統(tǒng)之前，整個冶煉過程僅根據(jù)人類經(jīng)驗手動操作，電流的控制效果(設(shè)定值為13 500 A)如圖4所示。

圖4 電流控制效果

從圖4可以看出，電流不能很好地跟蹤設(shè)定值，電流變化范圍也很大；在22∶06～22∶18期間，電流的最大跟蹤誤差高達6 717 A。電流波動幅度大，造成爐內(nèi)溫度分布不合格，產(chǎn)品質(zhì)量下降；大電流波動的持續(xù)時間在23∶08～23∶26期間導(dǎo)致異常情況。 電流波動較大且頻繁發(fā)生，異常進料條件的發(fā)生表明手動調(diào)節(jié)設(shè)定值不能保證滿意的冶煉過程。為了更好地驗證該模型，首先將基于PLC控制方法的電流控制器應(yīng)用于冶煉過程，控制效果如圖5所示。

圖5 PLC控制策略的電流控制效果

從圖5可以看出，對于所提出的PLC控制策略，與手動控制相比，控制效果得到了改善，并且電流跟蹤誤差超過可接受范圍的時間段顯著減少。

3 結(jié) 論

本文提出了一種基于PLC的高爐自動上料控制方法，并且設(shè)計了最小二乘支持向量機的非線性子空間識別方法建立了預(yù)測MIQ，提出了PLC的控制系統(tǒng)的配置組成以及系統(tǒng)工作的流程，通過實驗對傳統(tǒng)的手工進料與PLC控制系統(tǒng)的進料的控制效果進行驗證，實驗結(jié)果表明本文所提出的進料控制手段對控制效果得到了提升。