秦立峰

（河鋼承德釩鈦新材料有限公司釩鈦事業(yè)部，河北 承德 067000）

轉(zhuǎn)爐冶煉主要靠轉(zhuǎn)爐內(nèi)液態(tài)生鐵的物理熱和生鐵內(nèi)各組分與送入爐內(nèi)的氧氣發(fā)生化學反應(yīng)而產(chǎn)生的熱量，使金屬達到產(chǎn)出成品要求的成分和溫度，隨著冶金工業(yè)的發(fā)展，對轉(zhuǎn)爐冶煉的溫度控制以及出入料控制的精準度提出了更高的要求，需要構(gòu)建優(yōu)化的轉(zhuǎn)爐冶煉智能控制技術(shù)，在整個轉(zhuǎn)爐冶煉過程，提高金屬冶煉機械設(shè)備的自適應(yīng)控制能力。對轉(zhuǎn)爐冶煉智能控制是建立在轉(zhuǎn)爐冶煉智能控制律地設(shè)計基礎(chǔ)上，結(jié)合能量開銷輸出穩(wěn)定性控制，采用模糊反饋調(diào)節(jié)的方法，增大轉(zhuǎn)爐冶煉智能控制的參數(shù)調(diào)節(jié)能力。傳統(tǒng)方法上對轉(zhuǎn)爐冶煉節(jié)能控制多采用PID控制方法以及時滯參數(shù)調(diào)節(jié)方法，結(jié)合模糊控制律，進行轉(zhuǎn)爐冶煉智能控制，但傳統(tǒng)方法受到控制器的體積和質(zhì)量等不確定狀態(tài)的影響，導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐冶煉智能控制的穩(wěn)定性不好[1]。針對上述問題，本文提出基于西門子PLC轉(zhuǎn)爐冶煉智能控制技術(shù)。以計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的PLC技術(shù)有效對轉(zhuǎn)爐冶煉溫度控制系統(tǒng)進行補充，使得轉(zhuǎn)爐的溫度的調(diào)控更加的精準和便捷，從而更好地滿足冶金生產(chǎn)的實際需求。

1 基于西門子PLC轉(zhuǎn)爐冶煉智能控制工作原理

西門子PLC是為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計制造的計算機。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強的驅(qū)動能力。但西門子PLC并不針對某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實際應(yīng)用時，其硬件根據(jù)實際需要進行選用配置，其軟件根據(jù)控制要求進行設(shè)計編制。西門子PLC主要由中央處理單元(CPU)、過程 I/O 模塊(包括遠程 I/O)、通訊處理模塊、擴展單元接口模塊、特殊功能模塊等組成。 當西門子PLC 投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、轉(zhuǎn)爐冶煉程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段：

（1）輸入采樣。即檢查各輸入的開關(guān)狀態(tài)，將這些狀態(tài)數(shù)據(jù)進行存儲，留作下一階段使用。

（2）執(zhí)行程序。西門子PLC 按轉(zhuǎn)爐冶煉程序中的指令逐條執(zhí)行，將執(zhí)行結(jié)果暫時存儲起來。

（3）刷新輸出。按第1階段的輸入狀態(tài)在第2階段執(zhí)行程序中確定的結(jié)果，在本階段中對輸出予以刷新。

2 PLC及控制模塊的選取

在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中，PLC 的選型主要依據(jù)系統(tǒng)工藝的要求、控制對象的特性以及冶煉的需求等方面做出選擇。選取合適型號、符合編程人員編程習慣的 PLC 及其模塊，不僅順利完成控制任務(wù)，還節(jié)約一定的成本。

綜合考慮西門子PLC模塊特性、信號輸入輸出點數(shù)以及現(xiàn)場工況等因素后，系統(tǒng)電源選用PS 30710A電源模塊；CPU模塊選用CPU 315F-2 DP故障安全型模塊；模擬量輸入信號共計6個，均為兩線制4～20m A信號，故模擬量輸入模塊選用FAI6×15Bit故障安全型模塊；邏輯量輸入信號共計12個，考慮到預(yù)留備用點的情況，故數(shù)字量輸入模塊選用FDI24×DC24V故障安全型模塊；邏輯量輸出信號共計8個，故數(shù)字量輸出模塊選用FDO8×DC24V/2A故障安全型模塊；通訊模塊選用CP341-RS422/485模塊。

3 模糊Smith調(diào)節(jié)方法構(gòu)建轉(zhuǎn)爐智能控制模型

采用模糊Smith調(diào)節(jié)方法構(gòu)建轉(zhuǎn)爐冶煉智能控制的控制模型[2]，以調(diào)節(jié)熔池內(nèi)的各項參數(shù)，如熔池溫度、碳含量等，構(gòu)建西門子PLC轉(zhuǎn)爐冶煉智能控制下燃料消耗輸出控制函數(shù)為：

其中，GC(s)為轉(zhuǎn)爐冶煉合金元素的收得率，G0(s)為燒結(jié)爐襯傳熱溫度，e-τs為二次裂解過程參數(shù)，采用熱解耦合過程控制的方法，得到轉(zhuǎn)爐冶煉溫度控制的分布模型，采用傾斜正交布置的方法，得到轉(zhuǎn)爐冶煉控制線性模型描述為：

設(shè)計動量守恒方程，得到折流板傾斜輸出增益K=ΔK·Km，其中 0KΔ ＞ ， 設(shè)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格參數(shù)分布步長為η，經(jīng)過n步訓練和學習后，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)爐冶煉的自適應(yīng)控制律。

以出入料、爐火溫度以及吞吐量等參數(shù)作為調(diào)節(jié)參數(shù)，建立轉(zhuǎn)爐冶煉智能控制的參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)模型，得到控制模型參數(shù)滿足e(k)≥15時，輸出雙扭轉(zhuǎn)流換熱參數(shù)為：

此時轉(zhuǎn)爐的殼程的流動阻力控制模型為；

利用斜向流和螺旋流，實現(xiàn)流換熱器穩(wěn)定調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)爐冶煉熔池溫度，采用溫度和壓力參數(shù)的聯(lián)合調(diào)節(jié)，分析傳熱系數(shù)和壓降性能，計算轉(zhuǎn)爐的流體微團總能，得到轉(zhuǎn)爐冶煉智能控制的線性調(diào)節(jié)模型為：

其中，maxE為換熱管數(shù)量，a為折流板寬度，在流體和翅片之間換熱過程中，進行轉(zhuǎn)爐溫度補償調(diào)節(jié)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐冶煉智能控制[3，4]。轉(zhuǎn)爐冶煉控制器的總體設(shè)計構(gòu)架如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)爐冶煉控制器的總體設(shè)計

根據(jù)圖1的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，在人機交互控制模塊中，采用Flash與DSP的接口設(shè)計方法，進行轉(zhuǎn)爐輸出穩(wěn)定控制和信息處理。構(gòu)建交叉編譯程序，其用于原始數(shù)據(jù)流的讀寫：

4 實驗測試分析

驗證轉(zhuǎn)爐冶煉控制技術(shù)在實際應(yīng)用中的可靠性和有效性，進行實驗測試，定轉(zhuǎn)爐控制器的輸出工作電流為280A，吞吐量為2890T，采樣周期數(shù)為12s，轉(zhuǎn)爐的工況分布見表1。

表1 轉(zhuǎn)爐工況分布

根據(jù)表1的轉(zhuǎn)爐工況分布特性和參數(shù)特征，對轉(zhuǎn)爐進行溫度控制，得到實驗結(jié)果和編程計算結(jié)果見表2。

表2 控制參數(shù)對比分析

分析表2結(jié)果得知，基于西門子PLC的轉(zhuǎn)爐冶煉智能控制技術(shù)，收斂系數(shù)的平均值為0.022，節(jié)點溫度的平均值為1456，溫度梯度的平均值為821，因此本文設(shè)計的控制技術(shù)的收斂性能較好，溫度耗散較低。

5 結(jié)語

本文提出基于西門子PLC轉(zhuǎn)爐冶煉智能控制技術(shù)。采用模糊Smit調(diào)節(jié)方法構(gòu)建轉(zhuǎn)爐冶煉智能控制的控制模型，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)爐出入料、爐火溫度以及吞吐量等參數(shù)，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐冶煉智能控制技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計，實驗得出，本文的轉(zhuǎn)爐冶煉智能控制技術(shù)具有更高的自動化控制能力，提高了收斂性，降低了溫度損耗。