串罐無(wú)料鐘爐頂?shù)牧瞎薹Q重差壓模糊補(bǔ)償系統(tǒng)

周衛(wèi)東

（中冶南方工程技術(shù)有限公司 自動(dòng)化設(shè)計(jì)二所，武漢 430223）

高爐爐頂重量法布料已經(jīng)成為高爐布料技術(shù)的應(yīng)用趨勢(shì)，而且重量法布料的前提條件就是料罐稱的準(zhǔn)確稱量。高爐在正常生產(chǎn)時(shí)爐頂壓力會(huì)處于1.5～2.5 kg的高壓狀態(tài)，料罐在爐頂壓力的作用下受到一個(gè)向上的浮力，并且爐頂壓力波動(dòng)也會(huì)引起浮力波動(dòng)，因此必須采用差壓補(bǔ)償系統(tǒng)來(lái)補(bǔ)償爐頂壓力對(duì)料罐稱重值的影響。

目前常用的稱量差壓補(bǔ)償技術(shù)方案為線性補(bǔ)償方法，這種方法不能對(duì)線性補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，不能持續(xù)保證料罐稱重值的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在文獻(xiàn)[1]中，描述了一種以周期記憶的補(bǔ)償方法來(lái)校正稱量差壓補(bǔ)償系數(shù)的方法，盡管該方法能夠有效解決高爐外圍因素造成的線性補(bǔ)償系數(shù)漂移的技術(shù)問(wèn)題，但生產(chǎn)實(shí)踐表明，該方法對(duì)于“壞點(diǎn)”測(cè)量數(shù)據(jù)的敏感度過(guò)大，當(dāng)由于惡劣工況造成爐頂壓力或者料罐稱量值嚴(yán)重不準(zhǔn)時(shí)往往會(huì)造成自修正線性補(bǔ)償系數(shù)的波動(dòng)，并且沒(méi)有“壞點(diǎn)”數(shù)據(jù)的去除機(jī)制，使得這些數(shù)據(jù)可能一直影響后面的自修正結(jié)果，存在自修正結(jié)果進(jìn)一步惡化的隱患。平穩(wěn)順行是高爐生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，應(yīng)該盡量避免因?yàn)榫€性補(bǔ)償系數(shù)的劇烈波動(dòng)而引起的工況波動(dòng)，因而對(duì)高爐爐頂稱重的差壓補(bǔ)償方法進(jìn)行進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)，提高差壓補(bǔ)償方法的魯棒性能，改善高爐布料的控制水平，已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2-4]。

1 串罐無(wú)料鐘爐頂?shù)牧瞎薹Q重差壓模糊補(bǔ)償系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

本文提供的一種串罐無(wú)料鐘爐頂?shù)牧瞎薹Q重差壓模糊補(bǔ)償系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)[5-6]：

1）充分利用料罐一次均壓和二次均壓過(guò)程中實(shí)時(shí)采集的壓力和料罐稱重?cái)?shù)據(jù)對(duì)料罐稱重壓差補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行在線模糊建模，獲得爐頂壓力與料罐壓力之差跟料罐稱重壓差補(bǔ)償系數(shù)之間的非線性物理關(guān)系，能夠有效解決高爐外圍因素造成的壓差補(bǔ)償系數(shù)發(fā)生漂移的技術(shù)問(wèn)題。

2）將基于在線過(guò)程數(shù)據(jù)的串罐無(wú)料鐘爐頂?shù)牧瞎薹Q重差壓補(bǔ)償系數(shù)的計(jì)算模型應(yīng)用于料罐卸料過(guò)程中料重差壓補(bǔ)償值在線計(jì)算環(huán)節(jié)，確保了重量法布料過(guò)程的準(zhǔn)確控制，使得高爐無(wú)料鐘布料系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、均勻、精確地控制布料流量，顯著提高高爐煉鐵的冶煉水平，完全適應(yīng)高爐生產(chǎn)過(guò)程的時(shí)變特性。

2 串罐無(wú)料鐘爐頂?shù)牧瞎薹Q重差壓模糊補(bǔ)償系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)

2.1 串罐無(wú)料鐘爐頂?shù)牧瞎薹Q重差壓模糊補(bǔ)償系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本文的目的是提供一種串罐無(wú)料鐘爐頂?shù)牧瞎薹Q重差壓模糊補(bǔ)償系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。包括槽下稱量值采集模塊、均壓過(guò)程數(shù)據(jù)采集模塊、料罐稱重差壓模糊補(bǔ)償建模模塊、卸料過(guò)程數(shù)據(jù)采集模塊、實(shí)時(shí)差壓補(bǔ)償系數(shù)計(jì)算模塊、卸料過(guò)程料重模糊補(bǔ)償模塊，它們以電信號(hào)相連。

圖1 系統(tǒng)計(jì)算流程圖Fig.1 Flow chart for calculating

槽下稱量值采集模塊用于每次料罐裝料完畢之后，讀取高爐槽下稱量測(cè)量系統(tǒng)的料重槽下稱量值W槽下。

均壓過(guò)程數(shù)據(jù)采集模塊用于在料罐一次均壓和二次均壓過(guò)程中分批次讀取n組料重稱量值Wi、爐頂壓力 Pi和料罐壓力值 Ti，其中 i=1，2，…，n；n為在料罐一次均壓和二次均壓過(guò)程中分批次讀取數(shù)據(jù)的組數(shù)。

料罐稱重差壓模糊補(bǔ)償建模模塊與所述槽下稱量值采集模塊和均壓過(guò)程數(shù)據(jù)采集模塊相連接，用于接收所述信號(hào)：料重槽下稱量值W槽下、n組料重稱量值Wi、n組爐頂壓力Pi和n組料罐壓力值Ti，其中 i=1，2，…，n；建立壓差補(bǔ)償系數(shù)的 2n條模糊推理規(guī)則并定義其廣義輸入變量及模糊集合對(duì)應(yīng)的模糊隸屬函數(shù)，得到串罐無(wú)料鐘爐頂?shù)牧瞎薹Q重差壓補(bǔ)償系數(shù)的計(jì)算模型參數(shù)。

卸料過(guò)程數(shù)據(jù)采集模塊用于周期性讀取料罐卸料過(guò)程中爐頂壓力變送器、料罐壓力變送器和料重稱重變送器實(shí)時(shí)發(fā)送的信號(hào)值：爐頂實(shí)時(shí)壓力P爐頂、料罐實(shí)時(shí)壓力T料罐和物料實(shí)時(shí)稱量值W稱量。

實(shí)時(shí)差壓補(bǔ)償系數(shù)計(jì)算模塊與所述料罐稱重差壓模糊補(bǔ)償建模模塊和卸料過(guò)程數(shù)據(jù)采集模塊相連接，用于接收由所述料罐稱重差壓模糊補(bǔ)償建模模塊輸出的串罐無(wú)料鐘爐頂?shù)牧瞎薹Q重差壓補(bǔ)償系數(shù)的計(jì)算模型參數(shù)，同時(shí)用于接收由所述卸料過(guò)程數(shù)據(jù)采集模塊輸出的爐頂實(shí)時(shí)壓力P爐頂、料罐實(shí)時(shí)壓力T料罐，計(jì)算爐頂壓力與料罐壓力之差 ΔP=P爐頂-T料罐和實(shí)時(shí)差壓補(bǔ)償系數(shù) K（ΔP）。

卸料過(guò)程料重模糊補(bǔ)償模塊與所述實(shí)時(shí)差壓補(bǔ)償系數(shù)計(jì)算模塊和卸料過(guò)程數(shù)據(jù)采集模塊相連接，用于接收由所述實(shí)時(shí)差壓補(bǔ)償系數(shù)計(jì)算模塊輸出的實(shí)時(shí)差壓補(bǔ)償系數(shù)K（ΔP），同時(shí)接收卸料過(guò)程數(shù)據(jù)采集模塊輸出的信號(hào)值爐頂實(shí)時(shí)壓力P爐頂、料罐實(shí)時(shí)壓力T料罐和物料實(shí)時(shí)稱量值W稱量，根據(jù)卸料過(guò)程料重差壓補(bǔ)償計(jì)算公式計(jì)算出補(bǔ)償后的物料重量值W料重，并將W料重發(fā)送給爐頂料罐布料控制系統(tǒng)，以用于高爐的重量法布料，提高重量法布料的控制精度。

2.2 串罐無(wú)料鐘爐頂?shù)牧瞎薹Q重差壓模糊補(bǔ)償系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法

如圖2所示給出了串罐無(wú)料鐘爐頂?shù)牧瞎薹Q重差壓模糊補(bǔ)償?shù)牧鞒虉D。

圖2 系統(tǒng)控制流程圖Fig.2 Flow chart for control system

基于圖2，本文所述串罐無(wú)料鐘爐頂?shù)牧瞎薹Q重差壓模糊補(bǔ)償?shù)木唧w計(jì)算流程為

1）等待本次料罐裝料完畢之后讀取高爐槽下稱量測(cè)量系統(tǒng)的料重槽下稱量值W槽下。由于爐頂壓力和料罐內(nèi)部壓力之間存在壓力差，使得由料罐稱重傳感器實(shí)時(shí)給出的料重稱量值失真，對(duì)于串罐無(wú)料鐘爐頂可以借助高爐槽下稱量測(cè)量系統(tǒng)的料重槽下稱量值W槽下來(lái)表示本次料罐裝料完畢后料罐中的真實(shí)料重。

2）在料罐一次均壓和二次均壓過(guò)程中分批次讀取n組料重稱量值Wi、爐頂壓力Pi和料罐壓力值Ti，其中 i=1，2，…，n；n 為在料罐一次均壓和二次均壓過(guò)程中分批次讀取數(shù)據(jù)的組數(shù)。

3）依據(jù)分批次讀取的n組過(guò)程數(shù)據(jù)來(lái)建立壓差補(bǔ)償系數(shù)的第Ⅰ條模糊推理規(guī)則：

4）對(duì)于步驟3）中獲得的2n條模糊推理規(guī)則，定義廣義輸入變量xi：

然后取廣義輸入變量xi對(duì)應(yīng)的模糊集合正P和負(fù)N的模糊隸屬函數(shù)分別為

式中：ki為大于等于 0 的常數(shù)，且有 i=1，2，…，n。

5）利用步驟3）中獲得的2n條模糊推理規(guī)則和步驟4）中定義的廣義輸入變量及模糊集合對(duì)應(yīng)的模糊隸屬函數(shù) μP（xi）和 μN(yùn)（xi），得到如下串罐無(wú)料鐘爐頂?shù)牧瞎薹Q重差壓補(bǔ)償系數(shù)的計(jì)算模型：

式中，e為指數(shù)函數(shù)。

6）在料罐卸料過(guò)程中，PLC控制器周期性讀取爐頂壓力變送器、料罐壓力變送器和料重稱重變送器實(shí)時(shí)發(fā)送的信號(hào)值P爐頂、T料罐和W稱量，計(jì)算爐頂壓力與料罐壓力之差：ΔP=P爐頂-T料罐，依據(jù)步驟 5）中得到的串罐無(wú)料鐘爐頂?shù)牧瞎薹Q重差壓補(bǔ)償系數(shù)的計(jì)算模型求取爐頂壓力與料罐壓力之差ΔP時(shí)的料罐稱重差壓補(bǔ)償系數(shù)K（ΔP）。

7）動(dòng)態(tài)計(jì)算料罐卸料過(guò)程中料重差壓補(bǔ)償值。

料罐卸料過(guò)程中，PLC控制器每讀取一次爐頂壓力變送器、料罐壓力變送器和料重稱重變送器實(shí)時(shí)發(fā)送的信號(hào)值P爐頂、T料罐和W稱量， 由此計(jì)算出爐頂壓力與料罐壓力之差ΔP=P爐頂-T料罐后，利用以上步驟中得到的爐頂壓力與料罐壓力之差為ΔP時(shí)的料罐稱重差壓補(bǔ)償系數(shù)K（ΔP）動(dòng)態(tài)計(jì)算出卸料過(guò)程中料重差壓補(bǔ)償值，計(jì)算公式為

式中：W料重為料重差壓補(bǔ)償后的物料重量值；W凈重為串罐無(wú)料鐘料罐本身重量；K為當(dāng)前壓差補(bǔ)償系數(shù)；k為附屬在罐體上彈簧的彈性模量；Δx為附屬在罐體上彈簧的形變量，在布料過(guò)程中Δx值基本保持不變。

將差壓補(bǔ)償后的W料重發(fā)送給爐頂料罐布料控制系統(tǒng)，以用于高爐的重量法布料，提高重量法布料的控制精度。

8）料罐布料完畢，等待下一次料罐裝料。

經(jīng)過(guò)上述步驟，實(shí)現(xiàn)了對(duì)串罐無(wú)料鐘爐頂?shù)牧瞎薹Q重差壓模糊補(bǔ)償。

2.3 串罐無(wú)料鐘爐頂?shù)牧瞎薹Q重差壓模糊補(bǔ)償系統(tǒng)的硬件組成

如圖3所示是串罐無(wú)料鐘爐頂?shù)牧瞎薹Q重差壓模糊補(bǔ)償系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)圖，由PLC控制器、爐頂壓力變送器、料罐壓力變送器、料罐稱重傳感器、槽下稱重傳感器以及上位機(jī)組成。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Hardware chart for system structure

所述PLC控制器接收從現(xiàn)場(chǎng)的稱重傳感器和壓力變送器發(fā)送過(guò)來(lái)的過(guò)程數(shù)據(jù)，根據(jù)本發(fā)明系統(tǒng)各功能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和在線計(jì)算，提供準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)差壓補(bǔ)償系數(shù)，同時(shí)將實(shí)時(shí)的差壓補(bǔ)償系數(shù)存儲(chǔ)于PLC控制器的記憶數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)在上位機(jī)中顯示。

所述爐頂壓力變送器，其用來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量高爐爐頂壓力值；

所述料罐壓力變送器，其用來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量PW型串罐無(wú)料鐘爐頂下料罐內(nèi)部壓力值；

所述料罐稱重傳感器，其用來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量PW型串罐無(wú)料鐘爐頂下料罐重量值；

所述槽下稱重傳感器，其用來(lái)測(cè)取高爐槽下系統(tǒng)每一次向料罐裝料的物料重量值。

3 應(yīng)用研究

本系統(tǒng)有效性驗(yàn)證模型采用安鋼2800 m3高爐總承包工程，其年平均利用系數(shù)為2.5，年工作日為350 d，年生鐵產(chǎn)量為175×104t，上料方式為皮帶上料，高爐爐頂采用PW型串罐無(wú)料鐘爐頂，上、下料管有效容積為45 m3，料罐均壓采用半凈高爐煤氣一次均壓和氮?dú)舛尉鶋骸?/p>

在對(duì)安鋼2800 m3高爐串罐無(wú)料鐘爐頂?shù)牧瞎薹Q重差壓模糊補(bǔ)償過(guò)程中，其進(jìn)行一次和二次均壓過(guò)程中采集的30組過(guò)程數(shù)據(jù)分布如圖4所示，可以看出料罐實(shí)際重量與爐頂稱重系統(tǒng)稱量值之間的差值與差壓值之間的非線性物理關(guān)系可以很清楚的表示出來(lái)。

圖4 系統(tǒng)效果驗(yàn)證圖Fig.4 Effect verification for system

4 結(jié)語(yǔ)

在壓差值的不同區(qū)段，差壓補(bǔ)償系數(shù)是不同的，本控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)串罐無(wú)料鐘爐頂?shù)牧瞎薹Q重差壓的有效補(bǔ)償，解決高爐外圍因素造成的差壓補(bǔ)償系數(shù)發(fā)生漂移的技術(shù)問(wèn)題，減少了高爐爐頂壓力對(duì)料罐稱重的影響，實(shí)現(xiàn)料罐高壓力下的精確重量測(cè)量，確保了重量法布料過(guò)程的準(zhǔn)確控制，使高爐無(wú)料鐘布料系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、均勻、精確地控制布料流量，顯著提高高爐煉鐵的冶煉水平，并成功應(yīng)用于實(shí)際工程 （發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)枺?01310380081.8；申請(qǐng)日：20130827；發(fā)明專利授權(quán)通知書(shū)發(fā)文序號(hào)：2014081500701100）。因此，具有很好的推廣前景。

[1]張騁杰，吳晨，徐岸非，等.爐頂料罐稱重的差壓補(bǔ)償自修正方法[P]，2010.

[2]僧全松.SS（僧氏）型無(wú)料鐘技術(shù)的發(fā)展[C]//2008年全國(guó)煉鐵生產(chǎn)技術(shù)會(huì)議暨煉鐵年會(huì)，寧波，2008.

[3]僧全松.高爐無(wú)料鐘裝備國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)展[C]//第七屆（2009）中國(guó)鋼鐵年會(huì)，北京，2009.

[4]嚴(yán)允進(jìn).推動(dòng)高爐技術(shù)進(jìn)步的有效途徑[N].中國(guó)冶金報(bào)，2004-11-18（008）.

[5]劉璐.長(zhǎng)鋼8號(hào)高爐供料自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)淺析[N].世界金屬導(dǎo)報(bào)，2005-01-25（006）.

[6]張存保.首鋼自主創(chuàng)新特大型高爐關(guān)鍵技術(shù)[N].首都建設(shè)報(bào)，2008-06-02（002）.