基于西門子PLC轉爐冶煉智能控制技術的研究

秦立峰

（河鋼承德釩鈦新材料有限公司釩鈦事業部，河北 承德 067000）

轉爐冶煉主要靠轉爐內液態生鐵的物理熱和生鐵內各組分與送入爐內的氧氣發生化學反應而產生的熱量，使金屬達到產出成品要求的成分和溫度，隨著冶金工業的發展，對轉爐冶煉的溫度控制以及出入料控制的精準度提出了更高的要求，需要構建優化的轉爐冶煉智能控制技術，在整個轉爐冶煉過程，提高金屬冶煉機械設備的自適應控制能力。對轉爐冶煉智能控制是建立在轉爐冶煉智能控制律地設計基礎上，結合能量開銷輸出穩定性控制，采用模糊反饋調節的方法，增大轉爐冶煉智能控制的參數調節能力。傳統方法上對轉爐冶煉節能控制多采用PID控制方法以及時滯參數調節方法，結合模糊控制律，進行轉爐冶煉智能控制，但傳統方法受到控制器的體積和質量等不確定狀態的影響，導致轉爐冶煉智能控制的穩定性不好[1]。針對上述問題，本文提出基于西門子PLC轉爐冶煉智能控制技術。以計算機網絡技術為基礎的PLC技術有效對轉爐冶煉溫度控制系統進行補充，使得轉爐的溫度的調控更加的精準和便捷，從而更好地滿足冶金生產的實際需求。

1 基于西門子PLC轉爐冶煉智能控制工作原理

西門子PLC是為工業環境應用而設計制造的計算機。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強的驅動能力。但西門子PLC并不針對某一具體工業應用，在實際應用時，其硬件根據實際需要進行選用配置，其軟件根據控制要求進行設計編制。西門子PLC主要由中央處理單元(CPU)、過程 I/O 模塊(包括遠程 I/O)、通訊處理模塊、擴展單元接口模塊、特殊功能模塊等組成。 當西門子PLC 投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、轉爐冶煉程序執行和輸出刷新三個階段：

（1）輸入采樣。即檢查各輸入的開關狀態，將這些狀態數據進行存儲，留作下一階段使用。

（2）執行程序。西門子PLC 按轉爐冶煉程序中的指令逐條執行，將執行結果暫時存儲起來。

（3）刷新輸出。按第1階段的輸入狀態在第2階段執行程序中確定的結果，在本階段中對輸出予以刷新。

2 PLC及控制模塊的選取

在轉爐冶煉過程中，PLC 的選型主要依據系統工藝的要求、控制對象的特性以及冶煉的需求等方面做出選擇。選取合適型號、符合編程人員編程習慣的 PLC 及其模塊，不僅順利完成控制任務，還節約一定的成本。

綜合考慮西門子PLC模塊特性、信號輸入輸出點數以及現場工況等因素后，系統電源選用PS 30710A電源模塊；CPU模塊選用CPU 315F-2 DP故障安全型模塊；模擬量輸入信號共計6個，均為兩線制4～20m A信號，故模擬量輸入模塊選用FAI6×15Bit故障安全型模塊；邏輯量輸入信號共計12個，考慮到預留備用點的情況，故數字量輸入模塊選用FDI24×DC24V故障安全型模塊；邏輯量輸出信號共計8個，故數字量輸出模塊選用FDO8×DC24V/2A故障安全型模塊；通訊模塊選用CP341-RS422/485模塊。

3 模糊Smith調節方法構建轉爐智能控制模型

采用模糊Smith調節方法構建轉爐冶煉智能控制的控制模型[2]，以調節熔池內的各項參數，如熔池溫度、碳含量等，構建西門子PLC轉爐冶煉智能控制下燃料消耗輸出控制函數為：

其中，GC(s)為轉爐冶煉合金元素的收得率，G0(s)為燒結爐襯傳熱溫度，e-τs為二次裂解過程參數，采用熱解耦合過程控制的方法，得到轉爐冶煉溫度控制的分布模型，采用傾斜正交布置的方法，得到轉爐冶煉控制線性模型描述為：

設計動量守恒方程，得到折流板傾斜輸出增益K=ΔK·Km，其中 0KΔ ＞ ， 設非結構化網格參數分布步長為η，經過n步訓練和學習后，實現對轉爐冶煉的自適應控制律。

以出入料、爐火溫度以及吞吐量等參數作為調節參數，建立轉爐冶煉智能控制的參數自適應調節模型，得到控制模型參數滿足e(k)≥15時，輸出雙扭轉流換熱參數為：

此時轉爐的殼程的流動阻力控制模型為；

利用斜向流和螺旋流，實現流換熱器穩定調節，調節轉爐冶煉熔池溫度，采用溫度和壓力參數的聯合調節，分析傳熱系數和壓降性能，計算轉爐的流體微團總能，得到轉爐冶煉智能控制的線性調節模型為：

其中，maxE為換熱管數量，a為折流板寬度，在流體和翅片之間換熱過程中，進行轉爐溫度補償調節，實現轉爐冶煉智能控制[3，4]。轉爐冶煉控制器的總體設計構架如圖1所示。

圖1 轉爐冶煉控制器的總體設計

根據圖1的總體結構設計，在人機交互控制模塊中，采用Flash與DSP的接口設計方法，進行轉爐輸出穩定控制和信息處理。構建交叉編譯程序，其用于原始數據流的讀寫：

4 實驗測試分析

驗證轉爐冶煉控制技術在實際應用中的可靠性和有效性，進行實驗測試，定轉爐控制器的輸出工作電流為280A，吞吐量為2890T，采樣周期數為12s，轉爐的工況分布見表1。

表1 轉爐工況分布

根據表1的轉爐工況分布特性和參數特征，對轉爐進行溫度控制，得到實驗結果和編程計算結果見表2。

表2 控制參數對比分析

分析表2結果得知，基于西門子PLC的轉爐冶煉智能控制技術，收斂系數的平均值為0.022，節點溫度的平均值為1456，溫度梯度的平均值為821，因此本文設計的控制技術的收斂性能較好，溫度耗散較低。

5 結語

本文提出基于西門子PLC轉爐冶煉智能控制技術。采用模糊Smit調節方法構建轉爐冶煉智能控制的控制模型，調節轉爐出入料、爐火溫度以及吞吐量等參數，以實現轉爐冶煉智能控制技術的優化設計，實驗得出，本文的轉爐冶煉智能控制技術具有更高的自動化控制能力，提高了收斂性，降低了溫度損耗。