孫銳 曹劍釗 鐘良才 呂伍 魏志強 于學(xué)淵

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐煉鋼；過程控制系統(tǒng)；數(shù)據(jù)管理；Redis

0 引言

轉(zhuǎn)爐煉鋼是鋼鐵生產(chǎn)過程中重要的工序，由于轉(zhuǎn)爐煉鋼過程蘊含著十分復(fù)雜的多元多相高溫反應(yīng)，且傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐煉鋼過程生產(chǎn)成本高、過程跟蹤難、自動化水平低，因此設(shè)計一個可視化良好、預(yù)測精度高的轉(zhuǎn)爐煉鋼過程控制系統(tǒng)十分重要。轉(zhuǎn)爐煉鋼過程控制是指利用冶煉過程信息對轉(zhuǎn)爐工藝進行全程優(yōu)化和控制，使冶煉過程的輔料和能源消耗最小化，冶煉進程合理化，最終在冶煉終點獲得合格的鋼水。轉(zhuǎn)爐煉鋼過程控制方法包括人工經(jīng)驗控制、靜態(tài)控制、動態(tài)控制和自動化吹煉控制。目前仍有許多企業(yè)轉(zhuǎn)爐煉鋼智能水平偏低，使用人工經(jīng)驗控制的方法進行煉鋼生產(chǎn)。但由于人員技術(shù)參差不齊，現(xiàn)場操作員的經(jīng)驗水平成為限制轉(zhuǎn)爐煉鋼自動化發(fā)展的重要瓶頸。

針 對上述問題，許多大型鋼廠采用靜態(tài)控制+動態(tài)控制的方式控制轉(zhuǎn)爐煉鋼系統(tǒng)，并且國內(nèi)外許多鋼廠開始引入副槍檢測系統(tǒng)和自動化煉鋼的過程控制系統(tǒng)（L2）模型，建設(shè)自動化煉鋼的軟硬件設(shè)備條件。安裝副槍系統(tǒng)進行動態(tài)控制，可以使操作人員遠離爐口惡劣的高溫環(huán)境，改善了操作人員的工作環(huán)境；并且不需要傾動轉(zhuǎn)爐做倒?fàn)t作業(yè)，縮短了出鋼周期時間，提高了轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率。常見的過程控制系統(tǒng)與基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)（L1）通過TCP/IP協(xié)議連接，并留有與生產(chǎn)管理系統(tǒng)（L3）的硬件通訊和軟件接口；將過程控制系統(tǒng)中模型計算模塊的值發(fā)送到可編程邏輯控制器（programmable logic controller， PLC）上，使用PLC快速實時獲取煉鋼現(xiàn)場各種數(shù)據(jù)信息，得到系統(tǒng)運行的真實狀況，并使用Oracle數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，減少了人工經(jīng)驗控制誤差大、不宜掌控、命中率低的不足，在一定的程度上降低了轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)成本，提高了轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)過程的高效性。隨著轉(zhuǎn)爐技術(shù)的發(fā)展，對轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)速率提出了新要求，直接連接的PLC無法保證通訊時數(shù)據(jù)的安全性，并且轉(zhuǎn)爐煉鋼現(xiàn)場數(shù)據(jù)量大、操作頻繁，頻繁的讀寫和查詢操作將成為影響系統(tǒng)性能的重要瓶頸。

本文從轉(zhuǎn)爐煉鋼現(xiàn)場存在的問題及現(xiàn)存系統(tǒng)的不足出發(fā)，以提高轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)過程的自動化水平和轉(zhuǎn)爐煉鋼企業(yè)核心競爭力為目的，提出了一套多任務(wù)并行架構(gòu)的轉(zhuǎn)爐煉鋼過程控制系統(tǒng)，通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析處理，實現(xiàn)對煉鋼過程的跟蹤識別，使該系統(tǒng)可以完成生產(chǎn)計劃數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)通信、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)篩選及管理、生產(chǎn)過程監(jiān)視及跟蹤、歷史數(shù)據(jù)查詢及導(dǎo)出等控制功能。該系統(tǒng)突破性地實現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐煉鋼無人為干預(yù)的自動化煉鋼過程，減少了人工干預(yù)產(chǎn)生的失誤，完善了數(shù)據(jù)獲取選擇的過程，提高了轉(zhuǎn)爐煉鋼的工作效率。

1 轉(zhuǎn)爐煉鋼過程控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計了一套轉(zhuǎn)爐煉鋼過程控制系統(tǒng)，旨在可視化轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)過程關(guān)鍵節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，減少煉鋼現(xiàn)場的不確定因素和現(xiàn)場操作人員的工作難度。系統(tǒng)包括6個模塊：過程跟蹤模塊、HMI模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊、模型計算模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)有效性判斷模塊，運行于過程控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中，為了保證數(shù)據(jù)的可靠性并且對原有基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)程序的不破壞性，通過WinCC OA（SIMATIC WinCC Open Architecture）對變量進行匯總和通訊。WinCC OA是西門子公司在2007年從奧地利ETM公司收購的一款監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)，其擴展性強、開放性高、處理信號規(guī)模大、人機互動響應(yīng)快速，通常用于工業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)過程的可視化和操作控制，適用于轉(zhuǎn)爐煉鋼過程控制的生產(chǎn)場景。PLC常用的傳輸協(xié)議只能實現(xiàn)通信有效，在數(shù)據(jù)傳輸過程中不能保證機密性，也沒有身份認(rèn)證，使整個系統(tǒng)容易受到各種類型的攻擊，無法保證數(shù)據(jù)傳輸安全。WinCC OA中貫徹的客戶端/服務(wù)器架構(gòu)認(rèn)證后允許從遠程終端對系統(tǒng)完全的訪問，從安全性能角度上說幾乎是沒有任何問題。因此，采用WinCC OA代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PLC與現(xiàn)場直連的方式傳輸數(shù)據(jù)，增強了系統(tǒng)的安全性。

轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)分為離線數(shù)據(jù)和在線數(shù)據(jù)。離線數(shù)據(jù)是在某一爐次中固定不變的數(shù)據(jù)，例如鐵水中元素的初始含量、鐵水重量、廢鋼重量等原料，存儲在Oracle數(shù)據(jù)庫。在線數(shù)據(jù)是系統(tǒng)中實時性要求高的數(shù)據(jù)，例如冶煉過程中為達到目標(biāo)鋼水成分和溫度加入的礦石、氧氣流量及其累積量、氧槍槍位等實時數(shù)據(jù)，由于這些數(shù)據(jù)需要頻繁的讀取，并需要對比觀察這些數(shù)據(jù)進而判斷轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)過程所處的階段。因此，由數(shù)據(jù)通訊模塊通過WinCC OA將這些數(shù)據(jù)讀取到Redis數(shù)據(jù)庫中，實時更新。該系統(tǒng)增加Redis數(shù)據(jù)庫管理在線數(shù)據(jù)，使Redis數(shù)據(jù)庫與Oracle數(shù)據(jù)庫在該系統(tǒng)中并存且獨立運行，彌補了單獨使用Oracle數(shù)據(jù)庫頻繁讀寫操作帶來的不足，提高了系統(tǒng)運行的整體效率。

1.1 過程跟蹤模塊

過程跟蹤模塊是過程控制系統(tǒng)功能調(diào)度的中樞。過程跟蹤模塊運行在服務(wù)器后臺，具有監(jiān)控和跟蹤的功能，該模塊能夠及時判斷生產(chǎn)數(shù)據(jù)的合理性和各個系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障，過程跟蹤模塊的流程圖如圖2所示。過程跟蹤模塊通過分析轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的生產(chǎn)階段產(chǎn)生對應(yīng)的事件信號直接進行任務(wù)調(diào)度，進而調(diào)用其他功能模塊；通過跟蹤記錄鋼水在轉(zhuǎn)爐中的數(shù)據(jù)信息，檢測鋼水的狀態(tài)變化情況及冶煉過程中原料添加和氧氣消耗情況，并將冶煉過程的數(shù)據(jù)信息實時存儲到Redis數(shù)據(jù)庫中。過程跟蹤模塊的事件信號包括：兌鐵、加廢鋼、加入各種造渣劑、開吹、停吹、出鋼開始、濺渣護爐開始等。

1.2 HMI模塊

HMI模塊包括在線顯示及控制子系統(tǒng)（簡稱HMI子系統(tǒng)）、離線查詢子系統(tǒng)、離線導(dǎo)出子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)4個部分，如圖3所示。HMI子系統(tǒng)連接現(xiàn)場操作臺大屏幕供操作人員實時查看過程數(shù)據(jù)、模型計算數(shù)據(jù)以及控制操作使用。大屏幕界面顯示鐵水的成分和重量、廢鋼的構(gòu)成和重量、模型計算結(jié)果、氧氣流量曲線等實時數(shù)據(jù)曲線和在線爐次的過程數(shù)據(jù)。離線查詢子系統(tǒng)的主要功能是離線查詢特定爐次的過程數(shù)據(jù)。離線導(dǎo)出系統(tǒng)用于快速離線查詢并導(dǎo)出特定爐次的歷史數(shù)據(jù)，將查詢的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel文件。

1.3 數(shù)據(jù)通訊模塊

數(shù)據(jù)通訊模塊實現(xiàn)過程控制系統(tǒng)與基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)和生產(chǎn)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊，加強了過程控制系統(tǒng)與基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)和生產(chǎn)管理系統(tǒng)的融合。過程控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊模塊向上接收生產(chǎn)管理系統(tǒng)下發(fā)的制造命令和出鋼計劃，同時向生產(chǎn)管理系統(tǒng)上傳生產(chǎn)實績信息；過程控制系統(tǒng)通過WinCC OA連接PLC向下接收基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)根據(jù)在線數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)分別存儲到數(shù)據(jù)庫中，同時向基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)下發(fā)模型計算模塊的結(jié)果。

1.4 模型計算模塊

模型計算模塊是過程控制系統(tǒng)的核心。模型計算模塊由轉(zhuǎn)爐靜態(tài)模型、轉(zhuǎn)爐動態(tài)模型、合金模型和濺渣護爐模型組成，如圖4所示。轉(zhuǎn)爐煉鋼過程控制系統(tǒng)采用的是“靜態(tài)模型+動態(tài)模型”順次銜接的控制方式，動、靜兩模型的啟動切換直接影響煉鋼系統(tǒng)的碳溫雙命中率。轉(zhuǎn)爐靜態(tài)模型是由轉(zhuǎn)爐吹煉過程熔池元素的氧化還原反應(yīng)，在物料平衡、熱平衡模型基礎(chǔ)上，對造渣、供氧、底吹策略進行最佳設(shè)計，該模型接受生產(chǎn)管理系統(tǒng)下達的生產(chǎn)計劃后，根據(jù)鋼種以及鐵水的重量和溫度，在轉(zhuǎn)爐兌鐵前，由二級計算機分析出整個過程的氧槍吹煉高度、熔劑加入量、吹氧量等靜態(tài)數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)爐靜態(tài)模型需要確定轉(zhuǎn)爐吹煉需要的耗氧量、造渣劑用量，結(jié)合鐵水成分、鐵水溫度、鐵水量、廢鋼量以及爐底條件等工況條件，制定一套最適宜的造渣、供氧、底吹策略，形成覆蓋各類工況條件的吹煉操作知識庫，指導(dǎo)在線爐次的吹煉操作，如圖5所示。

當(dāng)實際吹氧量達到總吹氧量80%時，利用副槍檢測鋼水。判斷測量結(jié)果是否達到轉(zhuǎn)爐終點碳溫預(yù)測模型的目標(biāo)值，如果實際鋼水溫度和碳含量達到出鋼要求，就可以向PLC發(fā)出提槍停吹指令；如果鋼水溫度和碳含量未達到出鋼要求，則啟動轉(zhuǎn)爐煉鋼動態(tài)模型，利用該模型計算出達到目標(biāo)溫度和目標(biāo)成分需添加的冷卻劑量和補吹氧量。

轉(zhuǎn)爐動態(tài)模型負(fù)責(zé)確定合適的副吹氧量并將碳氧化至目標(biāo)值，同時考慮這一階段的升溫過程以確定合適的冷卻劑加入量，使停吹碳、溫度同時命中目標(biāo)值，完成冶煉后期的動態(tài)吹煉控制，該模型在副槍檢測（TSC）之后，結(jié)合TSC檢測結(jié)果以及終點控制目標(biāo)，對吹煉后期的工藝參數(shù)（耗氧量和冷卻劑加入量）進行調(diào)整，進而進行吹煉終點控制，再通過二級計算機系統(tǒng)分析出動態(tài)模型調(diào)整數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)煉鋼的自動化控制，保證達到最終目標(biāo)。動態(tài)模型需要提供最終的氧耗、冷卻劑及槍位、底吹的操作指導(dǎo)，為此建立動態(tài)模型的工藝知識庫，結(jié)合鐵水成分、鐵水溫度、鐵水量、廢鋼量以及TSC數(shù)據(jù)進行工況條件的聚類劃分，提取出合適的造渣、供氧、底吹策略，指導(dǎo)在線爐次的副吹過程控制，如圖6所示。

1.5 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊包括寫數(shù)據(jù)庫和讀數(shù)據(jù)庫操作。寫數(shù)據(jù)操作包括將特定爐次的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息存儲到 Oracle 數(shù)據(jù)庫中；在兌鐵、出鋼等操作發(fā)生時將這些時刻及事件依次存入數(shù)據(jù)庫；接受到過程跟蹤模塊發(fā)出的“出鋼”信號后，將冶煉過程的工藝參數(shù)和模型參數(shù)寫入Oracle數(shù)據(jù)庫等。讀數(shù)據(jù)操作包括數(shù)據(jù)管理模塊接收到過程跟蹤模塊發(fā)出的“對即將出爐的鋼水確認(rèn)”的信號時，查詢Oracle數(shù)據(jù)庫得到該爐次的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，根據(jù)此信息調(diào)用模型計算模塊計算出鋼的目標(biāo)參數(shù)，并對吹氧量和冷卻劑進行調(diào)整，使冶煉鋼水達到出鋼的條件。

1.6數(shù)據(jù)有效性判斷模塊

數(shù)據(jù)是模型計算模塊的基礎(chǔ)，因此獲取選擇能夠反映實際煉鋼生產(chǎn)規(guī)律真實和全面的數(shù)據(jù)非常重要。該模塊能標(biāo)記處理實際采集過程中，因為檢測計量設(shè)備誤差、網(wǎng)絡(luò)傳輸錯誤、人為因素等影響而出現(xiàn)的誤差數(shù)據(jù)，避免因錯誤使用數(shù)據(jù)異常對模型計算模塊的決策效果造成影響，而導(dǎo)致不能對吹氧量等參數(shù)科學(xué)合理地調(diào)整，使轉(zhuǎn)爐煉鋼冶煉成本增加，轉(zhuǎn)爐冶煉效率大幅度降低。因此通過該模塊確保數(shù)據(jù)的全面性和準(zhǔn)確性十分重要。

數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中，首先用技術(shù)判別法分析煉鋼中鐵水成分含量、鐵水重量的機理、物理、化學(xué)性質(zhì)，對數(shù)據(jù)中異常值進行判別。在技術(shù)判別無法決定時，應(yīng)根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計判別方法處理異常數(shù)據(jù)。采用一般數(shù)據(jù)處理方法或假設(shè)檢驗方法很難有效地標(biāo)記處理轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)過程中的異常數(shù)據(jù)。在處理轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)過程產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)時，需要重點關(guān)注數(shù)據(jù)的整體性和數(shù)據(jù)中信息的本質(zhì)，即耐抗性。因為耐抗性分析方法著眼于數(shù)據(jù)信息的主體部分，對異常數(shù)據(jù)不予重視，所以耐抗性能良好的異常數(shù)據(jù)檢驗方法更能尋找到數(shù)據(jù)信息的本質(zhì)。總括值是基于排序和評秩運算從數(shù)據(jù)庫中系統(tǒng)地提取的統(tǒng)計值，具有較好的耐抗性，且總括值法對數(shù)據(jù)沒有太多的分布要求，是以四分位數(shù)和四分位距為基礎(chǔ)，多達25%的數(shù)據(jù)可以變得任意遠而不會對四分位數(shù)產(chǎn)生較大擾動，即以此為依據(jù)的判別標(biāo)準(zhǔn)有效，適合處理轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)過程的異常數(shù)據(jù)。在該系統(tǒng)的模型計算模塊啟動前，數(shù)據(jù)有效性判斷模塊將接受過程跟蹤模塊的調(diào)用信號，從數(shù)據(jù)庫中讀取模型計算模塊所需的冶煉參數(shù)，采用總括值法對異常數(shù)據(jù)標(biāo)記處理后，再將所有數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)庫中。圖7所示為總括值法通常采用箱型圖這種直觀的方式對數(shù)據(jù)進行分析處理。

數(shù)據(jù)升序排列后根據(jù)五數(shù)總括值箱型圖的方法劃分?jǐn)?shù)據(jù)。其中，QMAX為數(shù)據(jù)的最大值；QMIN為數(shù)據(jù)的最小值；QU為數(shù)據(jù)的上四分位數(shù)；QL為數(shù)據(jù)的下四分位數(shù)；QM為中位數(shù)；d為上、下四分位數(shù)的差值；QU+1.5d為上四分位數(shù)與1.5倍d的和；QL-1.5d為下四分位數(shù)與1.5倍d的差。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)有效性判斷模塊運行結(jié)果

數(shù)據(jù)有效性判斷模塊基于五數(shù)總括值法標(biāo)記異常數(shù)據(jù)的過程見表1。根據(jù)經(jīng)驗和實際運用效果，數(shù)據(jù)中小于QL-1.5d和大于QU+1.5d的數(shù)據(jù)為異常數(shù)據(jù)，給予以標(biāo)記后存入數(shù)據(jù)庫中。由表1可以看出，由現(xiàn)場直接測取的轉(zhuǎn)爐煉鋼數(shù)據(jù)會存在明顯偏大或偏小的不合理現(xiàn)象，例如：總耗氧量、前爐出鋼溫度、終點溫度等因素。通過五數(shù)總括值法分析處理數(shù)據(jù)后，這些數(shù)據(jù)被規(guī)范在合理的范圍內(nèi)，見表2。

2.2 過程控制系統(tǒng)運行情況分析

該系統(tǒng)自2020年9月投產(chǎn)以來一直穩(wěn)定運行工作，各個功能模塊均已投入使用，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐煉鋼過程可視化和自動化，系統(tǒng)主界面如圖8所示。

該體系各個功能實現(xiàn)關(guān)鍵指標(biāo)見表3。數(shù)據(jù)服務(wù)器，系統(tǒng)Windows Server 2012 R2，CPU：Intel Xeon Gold 5218 R 2.1 GHz 雙處理器，內(nèi)存32 G。HMI服務(wù)器，系統(tǒng)Windows 10 64bit， CPU：Intel（R） Core（TM） i5-8250 2.40 GHz， 內(nèi)存：32 G。通過Windows任務(wù)管理器對100爐次在過程控制階段和數(shù)據(jù)通訊階段的數(shù)據(jù)服務(wù)器CPU占用率和內(nèi)存占用情況統(tǒng)計，并求平均值記錄；并列出了HMI服務(wù)器分別在模型空閑階段和模型計算階段的CPU占用率、內(nèi)存占用情況和數(shù)據(jù)響應(yīng)速度。結(jié)果表明，本系統(tǒng)CPU占用率最大不超 過3.7%；內(nèi)存占用方面，數(shù)據(jù)服務(wù)器182 208 KB，HMI服務(wù)器最大58 467 KB；數(shù)據(jù)響應(yīng)方面，數(shù)據(jù)服務(wù)器0.5 s， HMI服務(wù)器模型計算時間1.8 s。

3 結(jié)語

本文開發(fā)設(shè)計出一套數(shù)據(jù)安全性強的多任務(wù)并行架構(gòu)的轉(zhuǎn)爐煉鋼過程控制系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于國內(nèi)轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)中，該系統(tǒng)通過多任務(wù)的新模式加強了過程控制系統(tǒng)與基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)的融合，同時多進程的模式提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。該系統(tǒng)完成了從單純地執(zhí)行命令到識別和管理數(shù)據(jù)的升級，為轉(zhuǎn)爐現(xiàn)場操作員提供了直觀的監(jiān)控環(huán)境，解決了對鋼水檢測不及時和原料選擇誤差大等問題，減少了人工操作失誤的發(fā)生，降低了鋼廠煉鋼成本。

本文摘自《冶金自動化》2024年第1期