魏敬忠
(江蘇金恒信息科技股份有限公司)
摘 要：近些年來，伴隨著我國經濟發展速度的不斷提高以及科學技術水平的顯著進步，我國各個領域上都有了不同程度的進步。其中，作為我國煉鐵廠高爐的主要配套設備之一，目前最先進的高爐熱風爐風溫可達1300攝氏度。本文中，筆者從高爐熱風爐自動優化爐的角度出發，結合高爐熱風爐自動優化燒爐專家系統這一設計方案進行分析。在介紹了基本的研究背景之后，筆者將針對高爐熱風爐自動優化爐專家系統的相關問題以及熱風爐的改造方案進行分析，力求讓本次研究發揮出預期的效果。
關鍵詞：高爐；熱風爐；自動換爐；專家系統；自動優化
本次高爐熱風爐自動優化燒爐專家系統方案，結合了生產現場當中的基本數據資料、現場調研實情以及用戶的具體要求進行設計。在本次改造方案當中，從原有工藝與設備的角度出發，對其進行了細致化的梳理，并針對原有系統的運行現狀等問題進行了詳細分析與整理。本次設計描述了包括現有構架、改造范圍、方法、設備配置以及具體施工內容等多方面，通過本次論述，希望能夠在滿足用戶基本需求、為用戶的決策提供參考的基礎之上，為煉鐵廠后續項目的高效、高質量執行提供依據。
一、研究背景
現階段，在我國煉鐵廠當中，高爐熱風爐燒爐工作絕大部分采用的方式都是人工煤氣調節或者半自動煤氣調節、空氣閥門開度進行配比燃燒等。因此為了進一步降低生產過程中的能源消耗，進行高爐熱風爐自動優化燒爐專家系統的改造勢在必行，同時也能夠促使全生產過程自動化的實現，大大的降低煤氣消耗量，提高風溫，以及對全廠煤氣管網的壓力起到穩定作用，從根本上改善高爐經濟技術指標。由此可見，本文中，針對高爐熱風爐自動優化燒爐專家系統的相關問題，提出具體的改造方案，是新時期科學技術水平發展對高爐煉鐵行業提出的全新要求。
二、高爐熱風爐自動優化爐專家系統相關問題
(一)換爐指令
通過換爐指令，既能夠確保高爐從熱風爐獲取生產需要的溫度，也能夠獲取到生產需要風量的熱風，也就是說，一旦熱風爐供給的熱風量無法確保高爐生產需要的實際風量溫度，就必須要及時更換能夠完成任務的熱風爐。在實際生產過程中，我們能夠借助于下面幾種換爐指令來確定熱風爐是否需要更換，即旁通混風閥開度、格子磚溫度下降范圍、送風時長以及熱風爐拱頂溫度下降幅度。其中，在旁通混風閥開度處于全閉合狀態下，此時熱風爐輸送熱風不再需要與冷風混合，而是能夠直接滿足高爐生產需要溫度，一旦繼續送風就會導致溫度變化較大，無法滿足生產需要，這時需要換爐。而格子磚與熱風爐拱頂的溫度一旦下降強烈，也說明需要換爐。在實際生產過程中，這兩種換爐指令的應用還需要結合生產實際情況，所以不但不能夠對加熱模型優化的基本需求進行滿足，同時也不能夠確定所需時間，因此不論對于熱風爐來說還是對于高爐來說都十分不利，會直接導致換爐頻繁，進而加大損失。根據分析總結來說，為降低頻繁換爐帶來的經濟損失，可以采取定時換爐的方式。
(二)換爐順序及關鍵問題
現階段，換爐系統大多采用手動或者半自動的工作方式，只有定時換爐這種方式為全自動的工作方式，不同閥門的工作順序會伴隨著操作方式的不同而變化。在換爐過程中，為了避免熱風爐在剛剛投入使用之后瞬間溫度超高，可以借助于強制前饋的方法來將混風閥提前進行開大處理，從而實現擾動補償作用。在換爐過程中，還需要將定風量控制轉變為定風壓控制。與此同時，為了確保換爐工作的安全性，避免高壓風涌進煤氣管道造成爆炸事件，需要確保送風爐與燃燒相關的閥門嚴格關閉，同時各個燃燒爐與送風相關的閥門堅決不能打開。但是目前的自動換爐工作絕大部分控制方式都是PLC，所以這種問題更加嚴重，這主要是由于軟件規定在燃燒過程中，與送風相關的閥門必須關閉，但是用來控制送風的不同閥門PLC輸出管道一旦被擊穿，就會導致磁力啟動器瞬間開啟，從而造成危險事故的發生。因此，除了軟件規定的連鎖之外，必須要有硬件規定的連鎖，具體就是將與送風相關的閥門全部串聯，將同一繼電器當中的控制閉合節點當做燃燒各個閥門的供電節點，從而確保送風與換爐安全。
(三)無波動換爐
在換爐過程中，不可避免會發生壓力波動與溫度波動。一般來說，溫度波動的幅度不會很大，因此主要的問題為壓力波動，這也是困擾相關工作人員的首要問題。最常見的換爐方式為：將燒好爐子與燃燒相關的各個閥門全部關閉，之后將冷風均壓閥門打開，待均壓完成之后再將冷風與熱風閥門打開，將燒好的爐子變為送風爐，最終再將原本進行送風工作的熱風爐變為燃燒。在換爐工作開始之前，需要通過充風的方式將風量劃分為兩路，也就是說要將原本進行送風工作的熱風爐送到充壓的風或者高爐的風，同時為了保障風量不變，必須要使用定風壓這種控制手段。通常情況下，實現無波動換爐可以采用俄羅斯方塊、日本新日鐵方式以及廢風壓前饋或之后補償這三種方式。根據相關調查與經驗來看，俄羅斯方塊這種方式程序比較復雜，使用難度較大；日本新鐵方式則比較簡單，能夠針對現有系統進行改造。同時，應用這種方式的過程中，需要額外注意電動式以及液壓式這兩種驅動方式，在電動式之下，因為電動機大多為恒速，因此機械運轉情況無異常，就說明不需要進行系統改造，而在液壓驅動下，一般只有增加限位開關這一種方式。
(四)恒量風換爐
在進行熱風流量測量與控制過程中，因為主要的測量方式為熱風爐后進高爐之前，所以在換爐工作中基本不會受到充風的影響，換爐過程中也就不需要轉變為風壓控制。如果補償到位，就可以將換爐過程中的壓力與流量的波動降至最低。另外，由于熱風爐在送風過程中難免會出現漏風的現象，冷風流量在測量過程中一定會出現不同程度的誤差，因此應當針對熱風流量進行測量與控制，同時這也是煉鐵工作人員最喜愛的方式之一，既能夠讓整個系統得到簡化，同時也能夠使系統達到理想中的運行狀態。需要注意的是，不論采用流量控制，還是采用恒風量自動換爐這種方式，都需要將熱風流量在線測量這個首要問題進行解決。在世界范圍內，各國都一直在努力的研究相關裝置，其中文丘利管就是一個質量極佳的耐火材料，但同時也有著尺寸過大、對直線段要求嚴格以及安裝困難等劣勢。反之，彎頭流量計這種方式則更為可靠，尤其是在熱風管道的自然彎曲部位，能夠直接用作彎曲流量計的壓力提取點，而不需要對管道與設備進行更改。通過這種方式的應用，能夠有效提高換爐的效率。
(五)協調與集中控制
在絕大部分煉鐵企業當中，高爐的數量都不止一座，而每一座高爐又可以包含三個或者四個熱風爐，因此多個熱風爐在同一時間進行換爐，導致煤氣管網當中壓力波動過大的情況時有發生，從而直接影響到用戶的煤氣使用安全以及煤氣利用率的提高。由此可見，在換爐過程中，協調控制的作用非同尋常。另外，當前我國的高爐一般都具有獨立的控制室，而每一個控制室內可以安置兩名值班人員，因此在多個高爐的條件下，值班工作人員也更多，控制室的占地面積也更大。與此同時，大部分煉鐵廠的熱風爐都需要有專業的技術人員進行管理，所以集中控制與協同控制同樣不可缺少。在協調控制與集中控制應用過程中，需要考慮以下幾點問題：第一，管理體制類型；第二，如何選擇集中地點；第三，集中形式屬于相對還是完全；第四，集中過后的換爐順序以及集中之后的手動干預等主要協調問題。
三、熱風爐改造方案分析
(一)控制系統架構
其一，系統安裝連接。在不對原有設備進行改變的基礎上，將生產現場所有的熱風爐借助于通信的方式連接到熱風爐專家系統當中。其二，在原本的操作計算機上，為實現控制權限的切換，設置一個自動燒爐專家系統以及原有的PLC控制系統。其三，熱風爐專家系統當中的人機界面和主要的控制策略、自學習數據庫等軟件系統，分別安裝在操作計算機內和專用智能多功能控制器。其四，專家系統輸入輸出信號與原PLC系統的關系。專家系統所需要的過程參數和非過程變量信號，同原PLC控制系統在線并行；而經專家系統的專用智能多功能控制器進行信號處理及運算后的控制信號，通過通信方式經原PLC系統送給煤、空氣控制閥。其五，熱風爐專家系統連接流程。其六，系統安裝后日常操作與系統切換。系統正常運行后，日常燒爐過程的控制由熱風爐自動優化燒爐專家系統完成；當專家系統故障或異常時，可通過控制權切換按鈕切換回原 PLC 系統；工況和其他設備異常而影響燒爐效果時，人工可或需及時切換回原PLC系統進行操作。其七，熱風爐自動優化燒爐專家系統使用精確的燃燒過程數學模型，使得不論熱風爐在強化燃燒期或蓄熱燃燒期都能保證90%以上時間都處于最佳配比燃燒狀態。(見圖1)。
(二)專家系統工作特點及技術分析
第一，采用拱頂溫度，廢氣溫度、煤氣流量、煤氣壓力、空氣流量等非易損量及煤氣閥位反饋信號和空氣閥位信號作為系統的輸入變量，具有更高的燃燒精度、更好的長期穩定性和可靠性。第二，熱風爐自動優化燒爐專家系統軟件是在通用監控組態軟件的基礎上，專門開發的專用軟件界面，其特點是界面友好直觀，操作簡單方便、安全可靠。是基于Windows的監控和數據采集應用的開發工具和運行平臺，它可以對網絡上的或單機的智能多功能控制器等進行離線組態，其豐富的算法功能塊及可任意控制的數據流，能按照系統的要求，隨意地構造控制方案，滿足用戶對最復雜控制方案的控制算法的要求。第三，自動優化燒爐專家系統的控制策略及相關軟件程序，保存在智能多功能控制器內，通過Modbus與人機操作計算機連接。智能多功能控制器集成了各種數字、模擬和開關量的信號處理系統，可很方便地組成熱風爐自動優化燒爐專家控制系統。第四，系統安裝后，由乙方根據甲方提供的工藝技術條件和操作要求，以及現場具體工藝和設備情況，進行系統的程序編制及調試，并由智能多功能控制器實現對數據的采集處理，在控制運行過程中通過系統的自學習功能，不斷深化記憶各熱風爐的特性，建立針對各熱風爐的專家知識庫，通過判斷不同的參數變化和燒爐情況，利用專家系統技術，不斷計算出最佳空燃比，實現燒爐全過程最佳燃燒和自動控制。
四、結束語
綜上所述，本次設計內容從根本上說就是為了強化煉鐵廠的生產效率與質量。
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