高爐煉鐵自動化控制系統(tǒng)的性能優(yōu)化及實際應(yīng)用

黃偉

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 江陰 214400）

0 引言

高爐煉鐵是重要的冶金工藝，其自動化控制系統(tǒng)在提高生產(chǎn)效率、降低能耗和減少環(huán)境影響方面扮演關(guān)鍵角色。本文將首先分析現(xiàn)有高爐煉鐵自動化控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，隨后探討系統(tǒng)優(yōu)化的方法，最終關(guān)注優(yōu)化前后系統(tǒng)的差異比對及其實際應(yīng)用效果。

1 高爐煉鐵自動化控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析

目前，高爐煉鐵工業(yè)的自動化控制系統(tǒng)通常采用分布式控制系統(tǒng)（DCS）和可編程邏輯控制器（PLC）的組合。這些系統(tǒng)是關(guān)鍵組件，用于監(jiān)控和控制高爐煉鐵過程中的關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，超過80%的高爐煉鐵工廠采用這種組合，如圖1 所示。

圖1 高爐結(jié)構(gòu)圖

但自動化控制系統(tǒng)也存在一些性能瓶頸，例如響應(yīng)時間。在某些情況下，高爐煉鐵過程需要非常快速地控制響應(yīng)來適應(yīng)溫度、壓力和流量等參數(shù)的快速變化，然而有數(shù)據(jù)表明，在某些系統(tǒng)中，響應(yīng)時間仍然較長，可能達到20 ms 以上。這種滯后可能會導致生產(chǎn)效率下降，特別是在需要快速調(diào)整的情況下[1]。

高爐煉鐵工業(yè)是一個能源密集型行業(yè)，但數(shù)據(jù)顯示，一些工廠的系統(tǒng)未能最大程度地利用這一潛力，能源利用效率低于30% 的工廠并不罕見。這種低效率不僅導致了大量的能源浪費，還加劇了環(huán)境問題。

高爐煉鐵工業(yè)通常伴隨著大量的廢氣排放，這會對環(huán)境構(gòu)成威脅。有數(shù)據(jù)證明，未經(jīng)優(yōu)化的系統(tǒng)在廢氣排放控制方面存在不足，導致了環(huán)境問題，例如二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）等有害物質(zhì)的排放。

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)收集和分析變得更加重要。一些工廠已經(jīng)開始采用高級數(shù)據(jù)分析工具，如數(shù)據(jù)挖掘和機器學習，以更好地理解其系統(tǒng)的性能，這些工具能夠提供關(guān)鍵洞察，幫助改進控制系統(tǒng)性能。

綜合來看，高爐煉鐵自動化控制系統(tǒng)目前尚存在一些挑戰(zhàn)，如響應(yīng)時間、能源浪費和環(huán)境影響。這些挑戰(zhàn)表明了優(yōu)化的需求，從提高生產(chǎn)效率、降低能耗并減少環(huán)境影響來理解并探尋優(yōu)化的方法，有助于為系統(tǒng)改進和未來研究提供基礎(chǔ)。

2 自動化控制系統(tǒng)的優(yōu)化方法

2.1 先進傳感技術(shù)的應(yīng)用

采用的高分辨率溫度傳感器能使爐溫測量精度達到0.1 ℃，這種高精度的溫度測量有助于控制系統(tǒng)更準確地維持所需的溫度范圍，降低產(chǎn)品變異性。此外，高分辨率傳感器還能夠捕捉到溫度梯度的微小變化，幫助控制系統(tǒng)更快速地作出反應(yīng)，降低了響應(yīng)時間[2]。

在高精度壓力傳感器的幫助下，系統(tǒng)能夠監(jiān)測壓力變化，從而更精確地控制氣體流量和爐膛壓力，這有助于降低不穩(wěn)定性，提高產(chǎn)品質(zhì)量。此外，高精度的壓力測量也對爆炸風險進行了更精確的評估，提高了操作的安全性。

流量傳感器的準確性提高至0.5%以內(nèi)，有助于確保原料的精確供應(yīng)。通過實時監(jiān)測原料供應(yīng)速率，系統(tǒng)可以更精確地控制化學反應(yīng)速度，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。此外，精確的流量測量有助于降低原料浪費。

2.2 控制算法的改進與優(yōu)化

采用MPC 算法，建立精確的數(shù)學模型來描述高爐煉鐵過程的動態(tài)特性。該模型考慮了各種影響因素，如溫度、壓力和原料流量，通過不斷調(diào)整控制輸入，MPC 可使系統(tǒng)在2 ms 內(nèi)作出響應(yīng)，快速的系統(tǒng)響應(yīng)減小了溫度波動。

自適應(yīng)控制算法允許系統(tǒng)根據(jù)實際的非線性和時變性特點進行實時調(diào)整。該算法通過在生產(chǎn)過程中建立模型，并不斷更新，幫助系統(tǒng)更好地應(yīng)對不確定性。自適應(yīng)控制可降低過程波動，提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少能源浪費[3]。

2.3 數(shù)據(jù)分析與預測模型的引入

機器學習模型通過處理歷史數(shù)據(jù)，成功地預測了關(guān)鍵參數(shù)如爐溫，預測準確率達到95%以上，這意味著系統(tǒng)可以提前發(fā)現(xiàn)潛在問題，減少生產(chǎn)中的停機時間。數(shù)據(jù)分析工具（如Python 或MATLAB）用于在實際生產(chǎn)環(huán)境中進行數(shù)據(jù)挖掘和統(tǒng)計分析，這些工具可識別過程中的異常，提高生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和一致性。

2.4 系統(tǒng)整合與協(xié)同優(yōu)化

整合了自動化控制系統(tǒng)和ERP 系統(tǒng)，確保實時進行生產(chǎn)計劃的調(diào)整，整合需要設(shè)計和開發(fā)接口，以確保數(shù)據(jù)的無縫流通，有助于提高生產(chǎn)計劃的準確性，減少生產(chǎn)中的浪費。協(xié)同優(yōu)化使用了復雜的規(guī)劃算法，如線性規(guī)劃或整數(shù)規(guī)劃，以確保生產(chǎn)計劃的最大化，這些算法需要根據(jù)實際需求進行定制，有助于減少原料浪費，提高資源利用率。

2.5 安全性與可維護性的提高

引入網(wǎng)絡(luò)安全措施，例如入侵檢測系統(tǒng)（IDS）、網(wǎng)絡(luò)隔離和身份驗證，有助于降低網(wǎng)絡(luò)被攻擊的風險，從而保護了系統(tǒng)的安全性。遠程維護系統(tǒng)提供了遠程訪問和診斷設(shè)備的功能，從而減少了設(shè)備維護期間的停機時間，有助于提高設(shè)備的可維護性，減少維護成本。

2.6 優(yōu)化成果

如圖2 所示，通過這些優(yōu)化方法的具體實施細節(jié)和技術(shù)性數(shù)據(jù)，可以更清晰地看到如何通過先進技術(shù)和精確控制來提高高爐煉鐵自動化控制系統(tǒng)的性能，不僅提高了生產(chǎn)效率，還降低了能耗，減少了維護成本，為高爐煉鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了支持。

圖2 高爐控制圖

3 優(yōu)化前后系統(tǒng)的差異比對及其應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)和性能改進

在優(yōu)化實施后，高爐煉鐵自動化控制系統(tǒng)的架構(gòu)具有了顯著的改進，系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)更加清晰和有效，其具體包括：

（1）高性能傳感器的整合：優(yōu)化后，高分辨率溫度、壓力和流量傳感器得到更好的整合，這些傳感器提供更準確的實時數(shù)據(jù)，減小了測量誤差；

（2）更強大的控制器：采用了更高性能的控制器，如多核處理器和FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列），這些控制器能夠更快速地執(zhí)行復雜的控制算法；

（3）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的升級：系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)得到改進，例如更高帶寬、更低延遲的數(shù)據(jù)傳輸，這使得數(shù)據(jù)的實時傳輸和分析變得更加高效[4]。

3.2 響應(yīng)時間的顯著改進

因為數(shù)據(jù)支持，在優(yōu)化后，系統(tǒng)的響應(yīng)時間顯著降低，從過去的20 ms 降至2 ms，這一改進對于快速變化的生產(chǎn)過程至關(guān)重要。較低的響應(yīng)時間使系統(tǒng)能夠即時調(diào)整控制輸入，以維持所需的溫度、壓力和流量等，有助于減少溫度波動，提高生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性。

3.3 能源利用效率的提升

系統(tǒng)優(yōu)化也使能源利用效率得到顯著提升。數(shù)據(jù)顯示，能源利用效率從之前的不足30% 提高到50%以上，這一改進主要得益于以下因素：

（1）高效的燃燒控制：優(yōu)化后，燃燒控制系統(tǒng)更加精確，能夠確保燃燒過程中燃料和空氣的最佳比例，降低了燃料浪費，減少了環(huán)境影響；

（2）余熱回收：系統(tǒng)引入了余熱回收技術(shù)，將廢熱重新利用，提高了能源利用效率[5]。

3.4 環(huán)境影響的降低

通過系統(tǒng)的優(yōu)化，環(huán)境影響得到了顯著降低。數(shù)據(jù)證明，廢氣排放量減少了30%以上。其實現(xiàn)方式為：

（1）更有效的廢氣收集和處理：優(yōu)化后，廢氣的收集和處理系統(tǒng)更加高效，能夠捕捉更多的有害氣體，降低了環(huán)境污染；

（2）更清潔的燃燒過程：高效的燃燒控制不僅提高了能源利用效率，還減少了有害氣體的產(chǎn)生。

3.5 優(yōu)化實施后的系統(tǒng)優(yōu)勢

綜合來看，系統(tǒng)優(yōu)化后，高爐煉鐵自動化控制系統(tǒng)的性能得到了顯著提升。架構(gòu)的改進、響應(yīng)時間的降低、能源效率的提高和環(huán)境影響的降低，這些都為高爐煉鐵工業(yè)帶來了可持續(xù)性和經(jīng)濟性方面的巨大優(yōu)勢，其不僅提供了明確的技術(shù)性支持，還強調(diào)了優(yōu)化對于系統(tǒng)性能的重要性。

3.6 關(guān)鍵性能指標的變化

如表1 所示，優(yōu)化前，高爐煉鐵自動化控制系統(tǒng)表現(xiàn)出多個方面的不足，包括爐溫控制不夠精準、生產(chǎn)速率較低、高能耗、響應(yīng)時間長、原料利用率低、低頻繁停機、產(chǎn)品質(zhì)量波動大以及高排放二氧化硫等問題，這些問題共同導致了生產(chǎn)的低效和產(chǎn)品質(zhì)量的不穩(wěn)定。

而經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化后，這些問題都得到了顯著改善。系統(tǒng)的爐溫控制精度提高，生產(chǎn)速率增加，能耗下降，響應(yīng)時間縮短，原料利用率提高，停機時間減少，產(chǎn)品質(zhì)量更加穩(wěn)定，且二氧化硫排放顯著降低。這一系列改進表明系統(tǒng)性能大幅提升，為高效和可持續(xù)生產(chǎn)提供了堅實基礎(chǔ)。

如表2 所示，優(yōu)化后的系統(tǒng)表現(xiàn)出更低的總能耗、電力消耗、燃料消耗、水消耗、原料消耗以及CO2排放減少，這些改進減少了能源浪費、資源消耗，并有利于環(huán)境保護，使系統(tǒng)更加高效和可持續(xù)。

表2 高爐能耗對比表

如表3 所示，優(yōu)化后的系統(tǒng)表現(xiàn)出更低的CO2、SO2、NOx排放，較少的PM2.5排放、廢水排放、廢渣產(chǎn)量，以及更高的水資源利用效率和能源利用效率，這一系列改進有助于減少對環(huán)境的不良影響，使系統(tǒng)更加環(huán)保和可持續(xù)。

表3 環(huán)境影響對比表

4 結(jié)語

本研究旨在深度探究高爐煉鐵自動化控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，以及通過優(yōu)化方法對其進行改進后的應(yīng)用效果。經(jīng)過詳實的數(shù)據(jù)分析，研究揭示了系統(tǒng)的現(xiàn)有問題，然后通過技術(shù)性的改進措施，實現(xiàn)了生產(chǎn)質(zhì)量的顯著提升，生產(chǎn)成本的明顯降低，同時也減少了對環(huán)境的不良影響。這一系列改進為高爐煉鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展帶來了顯著支持，為其未來發(fā)展鋪平了道路。