朱立

（山鋼股份萊蕪分公司煉鋼廠，山東萊蕪271104

摘 要：山鋼股份萊蕪分公司煉鋼廠將PID理論計算與先進(jìn)檢測、控制手段相結(jié)合,配合智能煉鋼開發(fā)了轉(zhuǎn)爐氧氣流量全程精準(zhǔn)自動控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)碳和溫度的雙命中率，降低了能源消耗，縮短了冶煉時間。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐；智能煉鋼；PID理論計算；氧氣壓力；氧氣流量

1  前言

隨著煉鋼生產(chǎn)工藝智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，山鋼股份萊蕪分公司煉鋼廠老區(qū)對50 t轉(zhuǎn)爐進(jìn)行了智能化、自動化改造，實(shí)現(xiàn)了“一鍵式”煉鋼。“一鍵式”煉鋼是目前最先進(jìn)的冶煉模式,通過計算機(jī)自動控制冶煉過程,收到穩(wěn)定操作、穩(wěn)定生產(chǎn)節(jié)奏、穩(wěn)定鋼水成分、降低原料和能源消耗等效果。能否實(shí)現(xiàn)“一鍵式”煉鋼是衡量一個鋼廠的工藝智能化水平、設(shè)備水平、管理水平的重要標(biāo)志。通過學(xué)習(xí)當(dāng)前國內(nèi)外先進(jìn)的控制技術(shù),結(jié)合現(xiàn)場轉(zhuǎn)爐實(shí)際情況，解決了一系列的工藝和自動化控制難題，成功實(shí)現(xiàn)了“一鍵式”智能化煉鋼。本文重點(diǎn)介紹氧氣流量智能化精準(zhǔn)控制系統(tǒng)的研發(fā)過程。

2智能化煉鋼對氧氣流量控制的要求

改造前生產(chǎn)工藝及設(shè)備情況：生產(chǎn)工藝為氧壓手動調(diào)節(jié)，相關(guān)設(shè)備主要包括氧壓檢測裝置、氧氣調(diào)節(jié)閥、快速切斷閥等，開吹時通過轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)打開快速切斷閥開始吹氧，根據(jù)氧壓檢測設(shè)備反饋的工作氧壓，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)氧氣調(diào)節(jié)閥的開度，實(shí)現(xiàn)氧壓的調(diào)整,確定供氧時間的長短及供氧量；氧氣來自外網(wǎng)管道，由于受廠區(qū)條件限制，在進(jìn)入內(nèi)網(wǎng)前無法實(shí)現(xiàn)氧壓穩(wěn)定，目前總管氧氣壓力波動范圍在1.6 ~ 2.1 MPa；基礎(chǔ)自動化設(shè)備采用西門子S7-400PLC， HMI為 WinCC7.0。

控制系統(tǒng)對氧氣流量的要求：1）實(shí)現(xiàn)自動開氧,且開吹壓力穩(wěn)定，氧氣流量在2s內(nèi)穩(wěn)定到模型設(shè)定流量；2）冶煉過程中，氧氣流量控制穩(wěn)定，避免出現(xiàn)擾動，控制“死區(qū)”< 量程0.08%；3）控制系統(tǒng)靈敏度要高，對氧流模型的響應(yīng)時間要< 1s；4）控制系統(tǒng)要具備高可靠性，出現(xiàn)異常時要及時提槍、報警。

3  改造設(shè)計技術(shù)方案

3.1改造思路

在現(xiàn)有的供氧條件下，為滿足智能吹煉工藝對氧氣流量的要求，設(shè)計采用兩級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。第一級采用壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng),穩(wěn)定總管氧氣壓力的波動，將氧氣壓力穩(wěn)定調(diào)節(jié)至1.5 MPa，解決氧壓擾動對調(diào)節(jié)穩(wěn)定性的影響；第二級采用流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)智能煉鋼模型提供的瞬時氧氣流量設(shè)定值，系統(tǒng)通過調(diào)整流量調(diào)節(jié)閥開度，實(shí)現(xiàn)實(shí)際流量的及時、準(zhǔn)確跟蹤，并將控制精度提升到工藝要求的范圍內(nèi)。

由于壓力調(diào)節(jié)閥和流量調(diào)節(jié)閥是串聯(lián)在同根管道上，為避免相互影響，可采取如下措施解決。

1） 壓力調(diào)節(jié)閥預(yù)設(shè)初始開度。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試確定預(yù)設(shè)的初始開度,在系統(tǒng)上電或初始階段，使用預(yù)設(shè)開度，設(shè)定值由初始值及自學(xué)習(xí)過程確定。

2）壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)超調(diào)（當(dāng)PV-SV > GAP時，GAP為偏差上限設(shè)定值）。壓力調(diào)節(jié)閥強(qiáng)制在預(yù)設(shè)的規(guī)定開度，其目的是為了減少壓力波動對流量調(diào)節(jié)的擾動。

3.2氧氣壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)

氧氣壓力調(diào)節(jié)的目的是將總管氧壓的波動消除，同時實(shí)現(xiàn)第一步降壓,使壓力穩(wěn)定在1.5 MPa。

氧氣壓力調(diào)節(jié)裝置包叔置在氧氣輸送管道上的氧氣壓力調(diào)節(jié)閥、壓力調(diào)節(jié)閥后壓力檢測變送器、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集單元以及與之相連的PLC中央處理器。PLC利用采集到的檢測數(shù)據(jù)自動計算控制氧氣壓力調(diào)節(jié)閥開度,將當(dāng)前供氧壓力調(diào)節(jié)至預(yù)設(shè)范圍。

PLC中采用PID控制算法計算壓力調(diào)節(jié)閥開度，PID控制算法（比例-積分-微分控制）是目前在工業(yè)控制應(yīng)用中常見的閉環(huán)反饋運(yùn)算回路，由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。PID控制有著原理簡單、使用方便、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，在壓力調(diào)節(jié)這種得不到精確數(shù)學(xué)模型的情況，系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。

因?yàn)镻I系統(tǒng)中的I的存在會使整個控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度受到影響，為了解決這個問題，在控制中增加了 D微分項(xiàng)，主要用來解決系統(tǒng)的響應(yīng)速度問題，其完整的公式如下：

式中：u（t）為控制器的輸出值；error（t）為控制器輸入與設(shè)定值之間的誤差；K_p為比例系數(shù)；T_i為積分時間常數(shù)；T_d為微分時間常數(shù)。

PID控制器參數(shù)整定是本控制系統(tǒng)設(shè)計核心內(nèi)容。本系統(tǒng)采用臨界比例法來確定PID控制器比例系數(shù)、積分時間和微分時間大小，參數(shù)整定步驟如下：1）首先預(yù)選擇一個足夠短采樣周期讓系統(tǒng)工作；2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；3）—定控制度下公式計算到PID控制器參數(shù)，并在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。

3.3氧氣流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)

氧氣流量調(diào)節(jié)是本控制系統(tǒng)的核心，是實(shí)現(xiàn)流量精準(zhǔn)控制的關(guān)鍵，目標(biāo)是在經(jīng)過穩(wěn)壓調(diào)節(jié)閥將壓力穩(wěn)定在1.5 MPa,將瞬時流量快速穩(wěn)定到模型設(shè)定流量，要求具備快速響應(yīng)、無擾動、穩(wěn)態(tài)精度高、可靠性高等特點(diǎn)。

氧氣流量調(diào)節(jié)裝置包括設(shè)置在氧氣穩(wěn)壓調(diào)節(jié)閥后的流量調(diào)節(jié)閥、流量調(diào)節(jié)閥后孔板式差壓流量檢測裝置（配備穩(wěn)壓補(bǔ)償）、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集單元以及與之相連的PLC中央處理器。PLC利用采集到的檢測數(shù)據(jù)采用模糊自適應(yīng)PID控制算法，自動計算控制氧氣流量調(diào)節(jié)閥開度,以實(shí)現(xiàn)氧氣流量精準(zhǔn)控制。流量調(diào)節(jié)裝置如圖1所示。

PLC中采用模糊自適應(yīng)PID控制算法，是在PID算法的基礎(chǔ)上，以誤差e和誤差變化率e_c作為輸入，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，査詢模糊矩陣表進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，滿足不同時刻的e和e_c對PID參數(shù)自整定的要求。

1）當(dāng)e較大時，為使系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能，應(yīng)取較大的K_p與較小的K_d，同時為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對積分作用加以限制，通常取K_i=0。

2）當(dāng)e處于中等大小時，為使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào)，K_p應(yīng)取得小些。在這種情況下，K_d的取值對系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大，K_i的取值要適當(dāng)。

3）當(dāng)e較小時，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能，K_p與K_i均應(yīng)取得大些，同時為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，K_d值的選擇根據(jù)∣e_c∣值較大時，K_d取較小值，通常K_d為中等大小。PID調(diào)節(jié)流程見圖2。

4  控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

4.1控制系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)采用的控制器是西門子SIMATIC的S7-400PLC配合人機(jī)界面WinCC全集成基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)，功能強(qiáng)大，堅固耐用，環(huán)境適應(yīng)性非常強(qiáng)。應(yīng)用編程軟件為STEP7，在編程、啟動和服務(wù)方面有眾多特點(diǎn)：如使用靈活，易于修改和維護(hù)；對功能塊和通信處理器的參敷設(shè)定方便，快捷等。PID的操作控制界面是按照工藝設(shè)計要求設(shè)計的。氧氣總管壓力調(diào)節(jié)的PID控制分為手動和自動方式。在畫面上點(diǎn)擊自動/手動按鈕時，可以選擇控制方式，由狀態(tài)燈顯示為何種控制方式。手動控制方式下，直接輸出閥門開度；自動控制方式下，通過改變設(shè)定值,再根據(jù)設(shè)定值與當(dāng)前過程值之間的偏差來進(jìn)行典型的PID調(diào)節(jié)（調(diào)節(jié)過程在STEP7程序中由PID功能塊執(zhí)行）。

在穩(wěn)壓過程中，氧氣總管的壓力檢測由壓力變送器 P 測出送入PLC的PID模塊 FB41），當(dāng)總管壓力因各種擾動產(chǎn)生變化時，控制器接收到壓力變送器測出的信號與設(shè)定值進(jìn)行比較得出偏差，然后進(jìn)行PID運(yùn)算,并發(fā)出控制信號對壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。

4.2 PID控制算法的參數(shù)整定

PID控制算法參數(shù)整定是控制系統(tǒng)的設(shè)計核心內(nèi)容，需要工藝要求確定PID控制比例系數(shù)、積分時間和微分時間大小。在PID的調(diào)試過程中，首先依據(jù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，理論計算確定控制參數(shù)取值范圍，然后采用臨界比例法進(jìn)行測試調(diào)整，從而完善、確定了參數(shù)取值。過程中主要采取了以下步驟： 1）關(guān)閉I和D，也就是設(shè)為0，加大P，使其產(chǎn)生振蕩；2）減小P，找到臨界振蕩點(diǎn)；3）加大I，使其達(dá)到目標(biāo)值；4）重新上電看超調(diào)、振蕩和穩(wěn)定時間是否吻合要求；5）針對超調(diào)和振蕩的情況適當(dāng)?shù)恼{(diào)整微分D時間；6）所有調(diào)試均考慮了工藝極端情況，這樣保證了調(diào)試完的結(jié)果可以在全工作范圍內(nèi)均有效。

5  結(jié)語

山鋼股份萊蕪分公司煉鋼廠老區(qū)50 t轉(zhuǎn)爐全自動智能煉鋼系統(tǒng)投運(yùn)以來,經(jīng)過逐步完善,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，有效提高了終點(diǎn)碳和溫度的命中率。氧氣流量調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、快速、精準(zhǔn)控制，滿足了智能工藝模型對氧氣流量控制的需求，有效縮短了冶煉周期，提高了產(chǎn)品品質(zhì)，降低了能源消耗。