陳樹文

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司， 山西 太原 030003）

山西太鋼不銹鋼股份有限公司（全文簡稱太鋼）高爐專家系統(tǒng)引進自西門子奧鋼聯(lián)，系統(tǒng)中主要模型及專家診斷系統(tǒng)為太鋼與奧鋼聯(lián)共同開發(fā)，專家系統(tǒng)共包括14 個工藝模型和專家診斷系統(tǒng)，通過采集和統(tǒng)計眾多工藝變量數(shù)據(jù)，在經(jīng)過模型計算、模糊邏輯控制、專家知識庫對比判斷爐況是否變化及其變化原因，并給出解決這些故障的矯正建議，最終完成診斷、建議和解釋三大任務(wù)，專家系統(tǒng)的預(yù)報和建議，可有效地統(tǒng)一各班間的控制思想，保證高爐操作的延續(xù)性，使高爐平穩(wěn)順行。

1 太鋼高爐專家系統(tǒng)概況

太鋼高爐專家系統(tǒng)包括工藝信息系統(tǒng)、工藝模型、專家系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 太鋼專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

工藝信息系統(tǒng)主要包括高爐L2 級基本系統(tǒng)、與

L1 級或其他系統(tǒng)的通訊、人機界面。

高爐14 個模型分別是：熱量與質(zhì)量平衡模型、能量與質(zhì)量平衡模型、平衡核對模型、爐料控制模型、爐料分布模型、爐身仿真模型、鼓風(fēng)模擬模型、間接還原模型、火焰溫度模型、出鐵管理模型、熱指數(shù)計算模型、熱風(fēng)爐優(yōu)化/控制模型、爐缸侵蝕模型、風(fēng)口循環(huán)區(qū)計算模型。其中爐料控制模型、布料模型、熱風(fēng)爐優(yōu)化/控制模型，專家系統(tǒng)診斷，可以將設(shè)定值傳給L1 級，有開環(huán)、閉環(huán)兩種運行模式。

專家系統(tǒng)診斷系統(tǒng)通過觀察眾多的工藝變量，并基于這些觀察檢測主要的工藝故障，確定原因，最終給出解決這些故障的矯正建議。專家系統(tǒng)并不提供關(guān)于設(shè)備的診斷。工藝診斷系統(tǒng)提供以下診斷及操作建議，在閉路環(huán)境下，若對診斷不進行否決則會自動進行調(diào)整。

2 太鋼高爐專家系統(tǒng)應(yīng)用情況

太鋼高爐專家系統(tǒng)中部分模型計算功能一級和二級系統(tǒng)中已經(jīng)具備，如鼓風(fēng)模擬模型、火焰溫度模型、出鐵管理模型和熱風(fēng)爐控制模型，目前使用頻率最高的模型有：爐料控制模型、爐身仿真模型、爐缸侵蝕模型，專家系統(tǒng)診斷建議、半閉環(huán)專家系統(tǒng)等一些主要模型，爐渣成分控制、爐料跟蹤、爐熱控制、熱風(fēng)爐優(yōu)化/控制模型、爐缸監(jiān)護等。日常操作中發(fā)揮了很好的作用。

2.1 爐料控制模型的應(yīng)用

爐料控制模型是基于化學(xué)質(zhì)量平衡計算基礎(chǔ)用于改善裝料矩陣設(shè)定值。質(zhì)量平衡計算結(jié)果給出明確的裝料矩陣中所使用爐料的噸鐵消耗，基于這些具體噸鐵消耗比，計算裝料矩陣中的質(zhì)量。另外，爐料控制模型也被專家系統(tǒng)調(diào)用。

爐料控制模型在使用時可以有兩種模式來進行運算，一種是半開環(huán)模型，根據(jù)檢化驗傳送過來的數(shù)據(jù)進行分析，數(shù)據(jù)波動情況超過設(shè)定值時（目前設(shè)定了幾種情況：燒結(jié)含硅量超過波動值、燒結(jié)堿度超過波動值、球團南非焦炭有新分析時），它將自動啟動爐料控制模型，為裝料系統(tǒng)計算新的爐料設(shè)定值，由專家系統(tǒng)的建議部分提出變料建議，操作人員根據(jù)實際情況來進行變料。變料后的結(jié)果傳送至一級系統(tǒng)，人工確認后執(zhí)行新的爐料結(jié)構(gòu)指令。

另一種是閉環(huán)模式，即根據(jù)檢化驗傳送過來的數(shù)據(jù)進行分析，數(shù)據(jù)波動情況超過設(shè)定值時，操作人員不參與控制，計算結(jié)果將自動傳送到裝料矩陣設(shè)定值，并且新的裝料矩陣被自動下載到一級，自動確認新的爐料結(jié)構(gòu)指令，其操作界面見圖2。

2.2 爐身仿真模型

圖2 爐料控制模型界面

爐身仿真模型提供了爐內(nèi)爐料組成的實際概貌，爐身仿真模型在爐料裝入高爐后直接對每批料進行質(zhì)量平衡計算，計算關(guān)鍵數(shù)據(jù)如焦比，堿度和理論出渣量，見圖3。

圖3 爐身仿真模型界面

表1 爐身仿真模型需要數(shù)據(jù)

爐身仿真模型反應(yīng)了爐料在爐身的分布。爐身分成幾個相等的體積區(qū)域。每個區(qū)域相當(dāng)于在相等的時間間隔內(nèi)裝入高爐的爐料。對每個單獨區(qū)域，計算焦炭消耗和渣堿度。根據(jù)爐料的比例決定爐料的體積，模型還能對高爐崩料現(xiàn)象進行檢測。模型主要使用數(shù)據(jù)見表1。

模型使用數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)來自屬于活動矩陣的爐料控制模型計算。如果沒有爐料控制模型計算，就使用缺省值；對全部爐身爐料的總體計算通過總體參數(shù)來反應(yīng)。

2.3 爐料分布模型

原料分布（爐料和焦炭）對于高爐有很大的影響。PW 無鐘爐頂設(shè)施使控制原料在爐內(nèi)分布以達到所需要的爐料輪廓成為可能。爐料分布模型根據(jù)裝料的條件和爐料參數(shù)，模仿原料在高爐上部的分布并將其結(jié)果生動的展示出來，見下頁圖4。

模型可以在開路閉路兩種方式下運行，采用哪一種控制方式由操作人員決定。爐頂布料方式分為：多環(huán)布料、定點布料和扇形布料。比較模型的不同計算，可顯示從一種分布到另一種分布的變化。在線模式可配置中央和爐墻處不同的原料下降率?？梢灶A(yù)設(shè)爐料下降輪廓，使用N（可配置參數(shù)）個為從中央到爐墻不同的爐料下降速度。模型的計算考慮了不同爐料粒度和堆密度。

圖4 布料模型料面計算結(jié)果示意圖

通過休風(fēng)定檢時對實際料面的觀察，該模型計算結(jié)果與實際布料趨勢相同，具有很大的指導(dǎo)作用。

2.4 爐缸侵蝕模型

太鋼專家系統(tǒng)中爐缸侵蝕模型使用有限元的計算方法，基于爐缸熱電偶測量和爐缸等溫線材料性質(zhì)以及實際的侵蝕輪廓進行計算。另外還計算爐缸渣皮。

計算從爐缸原始幾何尺寸和材料數(shù)據(jù)開始，一直進行到實際爐缸侵蝕為止。初始計算后，計算激活，從最后的計算結(jié)果開始計算，模型是在線的，自動從數(shù)據(jù)庫采集測量值，循環(huán)進行，每周自動計算1次。在爐缸溫度變化較大時，可手動啟動計算，計算結(jié)果見圖5。

圖5 爐缸侵蝕模型計算結(jié)果

通過使用爐缸侵蝕模型，高爐操作者及時掌控了爐缸耐材侵蝕情況，在高爐安全生產(chǎn)方面起到了很大的作用。

2.5 專家診斷系統(tǒng)

專家診斷系統(tǒng)基于前面所述的模型計算結(jié)果，在系統(tǒng)后臺對高爐的運行狀況進行評價分析，每5 min會提交一個分析報告，當(dāng)分析結(jié)果超出系統(tǒng)管理人員設(shè)定的控制值時，便會從以下幾個方面提出建議：更改焦比、改變噴煤率、裝入凈焦、修正堿度、修正爐頂布料情況。在使用過程中，對高爐熱量方面和堿度的建議是最多的。

專家系統(tǒng)有兩種控制模式：開環(huán)模式和閉環(huán)模式。開環(huán)模式下，專家系統(tǒng)僅對高爐進行分析評價并提出建議，但是并不參與控制；閉環(huán)模式下，專家系統(tǒng)會對高爐進行分析評價并提出建議，在一定的時間內(nèi)（目前設(shè)定5 min）操作人員不干預(yù)的情況下，專家系統(tǒng)將會參與控制。

專家系統(tǒng)目前參與控制的程序有：堿度的調(diào)整（實際堿度與目標(biāo)堿度有偏差且超出一定范圍）、燃料比的調(diào)整（通過調(diào)整煤比來實現(xiàn)）、調(diào)整爐頂布料（通過十字測溫數(shù)據(jù)與目標(biāo)值進行比較）。

表2 專家診斷系統(tǒng)診斷及矯正規(guī)則

目前高爐專家系統(tǒng)使用的是半開環(huán)狀態(tài)，即參考專家系統(tǒng)的建議來調(diào)整。堿度的調(diào)整操作人員接收到新的檢化驗數(shù)據(jù)時，使用配料計算模型來進行計算，當(dāng)各種礦石之間的配比變化超過一定的控制值時，才進行變料；燃料比的調(diào)整由于使用專家系統(tǒng)的二級配料計算模型來進行變料，在保持焦比及焦丁比的穩(wěn)定前提下，通過調(diào)整煤比來實現(xiàn)。調(diào)整煤比是根據(jù)下料情況換算出的理論出鐵量設(shè)定具體的煤比計算出煤量傳送給一級來進行實際煤量的控制。理論出鐵量的計算考慮到了近300 min 內(nèi)的下料情況，具體的煤比設(shè)定根據(jù)實際控制的鐵水溫度、鐵水含硅量等數(shù)據(jù)進行人工設(shè)定；爐頂布料的調(diào)整因十字測溫的熱電偶容易出現(xiàn)故障，平時多作為參考，具體規(guī)則見表2。

3 結(jié)語

高爐專家系統(tǒng)在太鋼高爐投入使用后，高爐運行平穩(wěn)，爐況無較大波動，基本杜絕了爐缸大涼、崩料等現(xiàn)象的發(fā)生，成為高爐冶煉實現(xiàn)“高效、穩(wěn)定、節(jié)能、低耗、長壽”的重要措施。但一些客觀條件或多或少的影響了其運行，包括煤氣分析儀的穩(wěn)定、專家系統(tǒng)的源代碼外方專家沒有提供影響專家系統(tǒng)的改進和優(yōu)化等。雖然近年來大數(shù)據(jù)、智能制造比較熱門，不少鋼鐵企業(yè)跨越專家系統(tǒng)直接步入大數(shù)據(jù)時代，但是從生產(chǎn)實踐來看，專家系統(tǒng)在高爐操作中還是能起到很大作用，值得繼續(xù)完善與推廣。