高爐煉鐵自動化控制系統的性能優化及實際應用

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，其自動化控制系統在提高生產效率、降低能耗和減少環境影響方面扮演關鍵角色。本文將首先分析現有高爐煉鐵自動化控制系統的現狀，隨后探討系統優化的方法，最終關注優化前后系統的差異比對及其實際應用效果。

1 高爐煉鐵自動化控制系統的現狀分析

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

圖1 高爐結構圖

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

高爐煉鐵工業是一個能源密集型行業，但數據顯示，一些工廠的系統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，還加劇了環境問題。

高爐煉鐵工業通常伴隨著大量的廢氣排放，這會對環境構成威脅。有數據證明，未經優化的系統在廢氣排放控制方面存在不足，導致了環境問題，例如二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）等有害物質的排放。

近年來，隨著物聯網技術的發展，數據收集和分析變得更加重要。一些工廠已經開始采用高級數據分析工具，如數據挖掘和機器學習，以更好地理解其系統的性能，這些工具能夠提供關鍵洞察，幫助改進控制系統性能。

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

2 自動化控制系統的優化方法

2.1 先進傳感技術的應用

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更準確地維持所需的溫度范圍，降低產品變異性。此外，高分辨率傳感器還能夠捕捉到溫度梯度的微小變化，幫助控制系統更快速地作出反應，降低了響應時間[2]。

在高精度壓力傳感器的幫助下，系統能夠監測壓力變化，從而更精確地控制氣體流量和爐膛壓力，這有助于降低不穩定性，提高產品質量。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，有助于確保原料的精確供應。通過實時監測原料供應速率，系統可以更精確地控制化學反應速度，從而提高產品質量。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化

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

自適應控制算法允許系統根據實際的非線性和時變性特點進行實時調整。該算法通過在生產過程中建立模型，并不斷更新，幫助系統更好地應對不確定性。自適應控制可降低過程波動，提高產品質量，減少能源浪費[3]。

2.3 數據分析與預測模型的引入

機器學習模型通過處理歷史數據，成功地預測了關鍵參數如爐溫，預測準確率達到95%以上，這意味著系統可以提前發現潛在問題，減少生產中的停機時間。數據分析工具（如Python 或MATLAB）用于在實際生產環境中進行數據挖掘和統計分析，這些工具可識別過程中的異常，提高生產過程的穩定性和一致性。

2.4 系統整合與協同優化

整合了自動化控制系統和ERP 系統，確保實時進行生產計劃的調整，整合需要設計和開發接口，以確保數據的無縫流通，有助于提高生產計劃的準確性，減少生產中的浪費。協同優化使用了復雜的規劃算法，如線性規劃或整數規劃，以確保生產計劃的最大化，這些算法需要根據實際需求進行定制，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

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

2.6 優化成果

如圖2 所示，通過這些優化方法的具體實施細節和技術性數據，可以更清晰地看到如何通過先進技術和精確控制來提高高爐煉鐵自動化控制系統的性能，不僅提高了生產效率，還降低了能耗，減少了維護成本，為高爐煉鐵工業的可持續發展提供了支持。

圖2 高爐控制圖

3 優化前后系統的差異比對及其應用

3.1 系統架構和性能改進

在優化實施后，高爐煉鐵自動化控制系統的架構具有了顯著的改進，系統的分層結構更加清晰和有效，其具體包括：

（1）高性能傳感器的整合：優化后，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據，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（現場可編程門陣列），這些控制器能夠更快速地執行復雜的控制算法；

（3）網絡架構的升級：系統的網絡架構得到改進，例如更高帶寬、更低延遲的數據傳輸，這使得數據的實時傳輸和分析變得更加高效[4]。

3.2 響應時間的顯著改進

因為數據支持，在優化后，系統的響應時間顯著降低，從過去的20 ms 降至2 ms，這一改進對于快速變化的生產過程至關重要。較低的響應時間使系統能夠即時調整控制輸入，以維持所需的溫度、壓力和流量等，有助于減少溫度波動，提高生產過程的穩定性。

3.3 能源利用效率的提升

系統優化也使能源利用效率得到顯著提升。數據顯示，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：優化后，燃燒控制系統更加精確，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，減少了環境影響；

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

3.4 環境影響的降低

通過系統的優化，環境影響得到了顯著降低。數據證明，廢氣排放量減少了30%以上。其實現方式為：

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

（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生。

3.5 優化實施后的系統優勢

綜合來看，系統優化后，高爐煉鐵自動化控制系統的性能得到了顯著提升。架構的改進、響應時間的降低、能源效率的提高和環境影響的降低，這些都為高爐煉鐵工業帶來了可持續性和經濟性方面的巨大優勢，其不僅提供了明確的技術性支持，還強調了優化對于系統性能的重要性。

3.6 關鍵性能指標的變化

如表1 所示，優化前，高爐煉鐵自動化控制系統表現出多個方面的不足，包括爐溫控制不夠精準、生產速率較低、高能耗、響應時間長、原料利用率低、低頻繁停機、產品質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的低效和產品質量的不穩定。

而經過系統優化后，這些問題都得到了顯著改善。系統的爐溫控制精度提高，生產速率增加，能耗下降，響應時間縮短，原料利用率提高，停機時間減少，產品質量更加穩定，且二氧化硫排放顯著降低。這一系列改進表明系統性能大幅提升，為高效和可持續生產提供了堅實基礎。

如表2 所示，優化后的系統表現出更低的總能耗、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，并有利于環境保護，使系統更加高效和可持續。

表2 高爐能耗對比表

如表3 所示，優化后的系統表現出更低的CO2、SO2、NOx排放，較少的PM2.5排放、廢水排放、廢渣產量，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境的不良影響，使系統更加環保和可持續。

表3 環境影響對比表

4 結語

本研究旨在深度探究高爐煉鐵自動化控制系統的現狀，以及通過優化方法對其進行改進后的應用效果。經過詳實的數據分析，研究揭示了系統的現有問題，然后通過技術性的改進措施，實現了生產質量的顯著提升，生產成本的明顯降低，同時也減少了對環境的不良影響。這一系列改進為高爐煉鐵工業的可持續發展帶來了顯著支持，為其未來發展鋪平了道路。