梅鋼煉鋼原料上料智能模型研究

李 寧

（寶鋼股份上海梅山鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210039）

1 梅鋼二煉原料輸送系統(tǒng)

梅鋼二煉原料上料系統(tǒng)包括副原料上料系統(tǒng)和鐵合金上料系統(tǒng)。副原料上料系統(tǒng)為2座轉(zhuǎn)爐供應(yīng)冶煉造渣用散狀料，該系統(tǒng)是指從副原料地下料倉向轉(zhuǎn)爐高位料倉供料的設(shè)施。

1.1 副原料上料系統(tǒng)

副原料上料系統(tǒng)的散狀料主要有活性石灰、輕燒白云石、輕燒鎂球、鐵礦石、污泥球、改質(zhì)劑、硅石、錳礦石、增碳劑、壓渣劑、鋼包頂渣等11個(gè)品種，年供應(yīng)副原料約為58.39萬噸。除活性石灰外，所有煉鋼用副原料均考慮汽車運(yùn)入地下料倉，再通過G114、G115管狀帶式膠帶輸送機(jī)和G116膠帶輸送機(jī)等設(shè)備送入副原料高位料倉。

除活性石灰石運(yùn)輸采用直撥系統(tǒng)外，所有煉鋼用副原料均考慮汽車運(yùn)入副原料地下料倉，共設(shè)有13個(gè)地下料倉，其中輕燒鎂球占2個(gè)料倉，污泥球占3個(gè)料倉，除增碳劑外，其余每種物料占1個(gè)料倉，剩余1個(gè)地下料倉作為備用。此外每個(gè)地下料倉上方設(shè)置一個(gè)除塵閥，當(dāng)該料倉振動(dòng)給料機(jī)工作時(shí)，打開對(duì)應(yīng)除塵閥[1]。

1.2 鈦合金上料系統(tǒng)

鐵合金上料系統(tǒng)輸送的物料主要有鐵合金、增碳劑、冷卻劑、石灰、合成渣、螢石、埋弧渣等物料，年供應(yīng)鐵合金約為9.3萬噸，年供應(yīng)LF爐所用副原料約為3.6萬噸。煉鋼車間內(nèi)的轉(zhuǎn)爐、LF爐及RH真空處理裝置所用鐵合金、副原料均通過汽車運(yùn)入鐵合金地下料倉，再經(jīng) 電機(jī)振動(dòng)給料機(jī)、膠帶機(jī)等設(shè)備送入鐵合金高位料倉。

鐵合金上料系統(tǒng)主要由鐵合金地下料倉、轉(zhuǎn)運(yùn)站、膠帶機(jī)通廊以及鐵合金高位料倉上部設(shè)施等建構(gòu)筑物組成。主要設(shè)備有：電機(jī)振動(dòng)給料機(jī)，膠帶機(jī)，卸礦車。

2 系統(tǒng)現(xiàn)狀

二煉鋼原料輸送上料系統(tǒng)自動(dòng)化程度比較好，上料設(shè)備信號(hào)基本已進(jìn)PLC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；高位料倉的料位經(jīng)過年前升級(jí)改造，已全部更換成vega雷達(dá)物位計(jì)，并接入PLC，可以滿足在畫面實(shí)現(xiàn)量程、報(bào)警值等靈活配置和實(shí)時(shí)料位顯示功能，料位計(jì)的接入使得實(shí)際倉位實(shí)時(shí)又直觀，二煉鋼副料系統(tǒng)主要包括28臺(tái)料位計(jì)、小車控制以及皮帶系統(tǒng)。

隨著降本增效的壓力所迫以及智能制造的技術(shù)變革，尤其在二煉鋼輔料系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高的區(qū)域更具備智能制造的改造條件。然而在改造的過程中面臨著四大技術(shù)難點(diǎn)：如何實(shí)現(xiàn)料流跟蹤、料位轉(zhuǎn)換、上料需求自學(xué)習(xí)以及異常處理。

針對(duì)上述問題，本文提出了一種基于plc控制系統(tǒng)的煉鋼原料上料智能模型。首先料位傳感信號(hào)反應(yīng)的是實(shí)際倉位，而合理的倉位控制正是生產(chǎn)的需求，正印證了工業(yè)4.0中關(guān)于“價(jià)值鏈”的變革，即由最終用戶的定制需求自動(dòng)去安排設(shè)備控制和生產(chǎn)制造，因此可以將料位與上料系統(tǒng)控制相結(jié)合，通過料位噸位轉(zhuǎn)換和料位自學(xué)習(xí)判斷，建立上料模型系統(tǒng)，結(jié)合設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制以及給料機(jī)根據(jù)給料量自動(dòng)自學(xué)習(xí)啟?？刂?，實(shí)現(xiàn)全智能上料；其次智能上料系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，必須整體規(guī)劃和分步實(shí)施，在分項(xiàng)設(shè)備自動(dòng)化程度、信號(hào)精度以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)上，通過料位故障判斷、上料需求自學(xué)習(xí)、自動(dòng)化聯(lián)動(dòng)，建立上料模型，才能最終脫離人員干預(yù)，放心交給智能系統(tǒng)去實(shí)現(xiàn)。

3 料流跟蹤模型

為了實(shí)時(shí)監(jiān)控物料首末端所在的位置，編制了料流跟蹤模塊，其基本原理，是根據(jù)上游設(shè)備開啟及停止時(shí)間，皮帶機(jī)的走行速度和長度，對(duì)物料的首末端的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，并對(duì)相關(guān)設(shè)備的起停進(jìn)行聯(lián)鎖。為了確保安全已經(jīng)對(duì)料流的走行速度留有余量，因此設(shè)置了料流清除按鈕，當(dāng)操作員在監(jiān)視器中觀察皮帶機(jī)上的物料，確認(rèn)物料已經(jīng)輸送完成，可以對(duì)皮帶上的剩余料流進(jìn)行清除[2]。

4 料位轉(zhuǎn)換模型

本文針對(duì)料位轉(zhuǎn)換問題提出了一種料位轉(zhuǎn)化模型。原理如下。

根據(jù)現(xiàn)場料倉規(guī)格以及物料品類，進(jìn)行計(jì)算噸位轉(zhuǎn)換。根據(jù)料倉規(guī)格尺寸計(jì)算容積：結(jié)合料位數(shù)據(jù)判斷物料所處位置的料倉形態(tài)，計(jì)算容積。通過密度和轉(zhuǎn)換因子，最終計(jì)算出料倉內(nèi)的物料噸位。該實(shí)時(shí)噸位、報(bào)警噸位用來指導(dǎo)上料需求，最終決定上料計(jì)劃的自學(xué)習(xí)和下達(dá)。

噸位轉(zhuǎn)換的精確可靠及穩(wěn)定性，是實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)條件，也是智能上料的核心數(shù)據(jù)。

轉(zhuǎn)換計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)換計(jì)算模型

料位計(jì)安裝位置圖1紅色圓點(diǎn)出；紅色線為料位計(jì)實(shí)際標(biāo)尺距離（料位計(jì)到此距離7.3m），即空倉位位置，實(shí)際可能有料；考慮落料點(diǎn)及料堆的安息交，滿倉面料位計(jì)探尺點(diǎn)在紅圈位置，如圖1（料位計(jì)到此位置距離1m）；圖中的料位量程設(shè)定為0m～6.3m，即到達(dá)6.3m為滿倉位。

H：0m～3.7m～6.3m：a2*b2隨h而動(dòng)態(tài)變化

5 上料模型

為了解決上料精度問題，本文題出了一種基于小設(shè)定量料的落差量動(dòng)態(tài)修正上料模型和一種自主上料的自學(xué)習(xí)模型。

5.1 落差量動(dòng)態(tài)修正上料模型

由于皮帶秤距離振動(dòng)給料機(jī)的位置各不相同，因此如果想實(shí)現(xiàn)累積的給料量與設(shè)定給料量完全一致，必須對(duì)每個(gè)料倉設(shè)置落差量，另一方面物料受天氣濕度等原因，物料的密度會(huì)發(fā)生變化，因此必須對(duì)每個(gè)料倉的落差量進(jìn)行修正。當(dāng)設(shè)定重量與累計(jì)重量之差小于某設(shè)定閾值時(shí)，并且當(dāng)前計(jì)算誤差與前次計(jì)算誤差之差小于某設(shè)定閾值時(shí)，以確保此次上料為正常上料，進(jìn)行落差量補(bǔ)正。其公式為：

WEIGHT_ERR:=WEIGHT_ERR+(WEIGHT_VALUEWEIGHT_SP)/2

WEIGHT_ERR：當(dāng)次計(jì)算所得落差量

WEIGHT_VALUE：當(dāng)次累計(jì)量

WEIGHT_SP：設(shè)定上料量

當(dāng)設(shè)定上料量小于該料倉的落差量時(shí)，則自動(dòng)停止振動(dòng)給料器的聯(lián)鎖方式，采用設(shè)定上料量除以該料倉的瞬時(shí)流量計(jì)算出振動(dòng)給料器的振動(dòng)時(shí)間，通過定時(shí)器自動(dòng)停止振動(dòng)給料器，以實(shí)現(xiàn)小設(shè)定量的精確上料。

5.2 上料自學(xué)習(xí)模型

根據(jù)倉位的實(shí)際信息（高低料位、噸位）、上料需求量差異、上料頻率，形成上料需求的優(yōu)先級(jí)別，系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)先順序選擇目標(biāo)倉位以及目標(biāo)值，進(jìn)行上料動(dòng)作。

高高料位、噸位：6m 噸。

高料位、噸位：5m 噸。

低料位、噸位：2m 噸。

低低料位、噸位：1m 噸。

影響優(yōu)先權(quán)限的因素有：高低料位噸位、倉位存量M、爐次消耗預(yù)估M1等。智能模型優(yōu)先值決定上料順序，其動(dòng)態(tài)變化，計(jì)算方法：M/M1，結(jié)合低料位報(bào)警，生成上料表（上料量、優(yōu)先級(jí)）。

將一次上料過程定義為準(zhǔn)備好上料、選定上料、啟動(dòng)上料（皮帶啟動(dòng)中、小車對(duì)位中、對(duì)位成功）、上料中、上料結(jié)束，根據(jù)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，從而切換相關(guān)設(shè)備的動(dòng)作，直到上料結(jié)束，將上料權(quán)限交還系統(tǒng)，再由系統(tǒng)決定下一個(gè)料倉，循環(huán)整個(gè)智能自學(xué)習(xí)上料過程。

準(zhǔn)備好上料：相關(guān)設(shè)備準(zhǔn)備好無故障、本料倉存在上料需求

選定上料：優(yōu)先級(jí)別最高，獲取上料權(quán)限

啟動(dòng)上料：啟動(dòng)上料過程，小車開始無故障走行

上料中：小車對(duì)位，給料機(jī)啟振

上料結(jié)束：到達(dá)設(shè)定重量，給料機(jī)停振，料流滿足給其他倉上料。

6 料位故障判定模型

料位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和穩(wěn)定性，決定整個(gè)建模成功和智能上料的效果，因此料位的數(shù)據(jù)分析、故障判定尤為重要，料位故障判定失誤，將影響設(shè)備控制，影響現(xiàn)場鋪料、少料現(xiàn)象，甚至直接影響轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)、上料節(jié)奏和人員安全。

一個(gè)正常、安全的系統(tǒng)，關(guān)鍵是對(duì)安全（設(shè)備安全、生產(chǎn)安全、人員安全）因素的完整設(shè)計(jì)，對(duì)異常情況的完整考慮和處理。料位故障判定有如下情形：

①PLC硬件判定通道故障；②料位信號(hào)過濾掉突變信號(hào)；③料位信號(hào)異常1：料步到達(dá)后，料位不升高，反而降低；④料位信號(hào)異常2：料步到達(dá)2分鐘后，每10S內(nèi)的料位（噸位）增量變化值小于10kg（參數(shù)可調(diào)）；⑤緊急模式停止。

異常處理步驟如下：

①設(shè)備聯(lián)動(dòng)停機(jī)；②上料狀態(tài)信息（準(zhǔn)備好上料、選定上料、啟動(dòng)上料、上料中、上料結(jié)束）復(fù)位處理，不影響下一次正常投用；③模式互切后的數(shù)據(jù)移位處理及狀態(tài)信息復(fù)位處理；④報(bào)警信息歸檔；⑤自動(dòng)模式及模型模式下的需求表單中的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)異常處理。

7 結(jié)束語

全智能上料系統(tǒng)，改變現(xiàn)場人員配置、優(yōu)化結(jié)構(gòu)調(diào)整，原來傳統(tǒng)的操作工操作設(shè)備模式轉(zhuǎn)變?yōu)闄z驗(yàn)系統(tǒng)模式，將設(shè)備控制全交給系統(tǒng)的智能化去實(shí)現(xiàn)，包括上料需求表、上料聯(lián)動(dòng)控制、給料自學(xué)習(xí)啟停、預(yù)警輸出及異常動(dòng)作；而此時(shí)的人員工作對(duì)象則是對(duì)需求量的確認(rèn)、預(yù)警切換控制以及系統(tǒng)異?！昂筇幚怼?，不需要對(duì)設(shè)備的單聯(lián)體控制及選擇對(duì)位進(jìn)行干預(yù)，大大減少操作強(qiáng)度，將原來傳統(tǒng)的設(shè)備控制向現(xiàn)代化數(shù)字控制脫變。