转炉智能炼钢供氧精准控制系统的开发及应用

摘 要：山钢股份莱芜分公司炼钢厂将PID理论计算与先进检测、控制手段相结合,配合智能炼钢开发了转炉氧气流量全程精准自动控制系统，提高了系统碳和温度的双命中率，降低了能源消耗，缩短了冶炼时间。

关键词：转炉；智能炼钢；PID理论计算；氧气压力；氧气流量

1 前言

随着炼钢生产工艺智能化技术的不断发展，山钢股份莱芜分公司炼钢厂老区对50 t转炉进行了智能化、自动化改造，实现了“一键式”炼钢。“一键式”炼钢是目前最先进的冶炼模式,通过计算机自动控制冶炼过程,收到稳定操作、稳定生产节奏、稳定钢水成分、降低原料和能源消耗等效果。能否实现“一键式”炼钢是衡量一个钢厂的工艺智能化水平、设备水平、管理水平的重要标志。通过学习当前国内外先进的控制技术,结合现场转炉实际情况，解决了一系列的工艺和自动化控制难题，成功实现了“一键式”智能化炼钢。本文重点介绍氧气流量智能化精准控制系统的研发过程。

2智能化炼钢对氧气流量控制的要求

改造前生产工艺及设备情况：生产工艺为氧压手动调节，相关设备主要包括氧压检测装置、氧气调节阀、快速切断阀等，开吹时通过转炉控制系统打开快速切断阀开始吹氧，根据氧压检测设备反馈的工作氧压，根据经验调节氧气调节阀的开度，实现氧压的调整,确定供氧时间的长短及供氧量；氧气来自外网管道，由于受厂区条件限制，在进入内网前无法实现氧压稳定，目前总管氧气压力波动范围在1.6 ~ 2.1 MPa；基础自动化设备采用西门子S7-400PLC， HMI为 WinCC7.0。

控制系统对氧气流量的要求：1）实现自动开氧,且开吹压力稳定，氧气流量在2s内稳定到模型设定流量；2）冶炼过程中，氧气流量控制稳定，避免出现扰动，控制“死区”< 量程0.08%；3）控制系统灵敏度要高，对氧流模型的响应时间要< 1s；4）控制系统要具备高可靠性，出现异常时要及时提枪、报警。

3 改造设计技术方案

3.1改造思路

在现有的供氧条件下，为满足智能吹炼工艺对氧气流量的要求，设计采用两级调节系统。第一级采用压力调节系统,稳定总管氧气压力的波动，将氧气压力稳定调节至1.5 MPa，解决氧压扰动对调节稳定性的影响；第二级采用流量调节系统，根据智能炼钢模型提供的瞬时氧气流量设定值，系统通过调整流量调节阀开度，实现实际流量的及时、准确跟踪，并将控制精度提升到工艺要求的范围内。

由于压力调节阀和流量调节阀是串联在同根管道上，为避免相互影响，可采取如下措施解决。

1） 压力调节阀预设初始开度。经过现场调试确定预设的初始开度,在系统上电或初始阶段，使用预设开度，设定值由初始值及自学习过程确定。

2）压力调节系统超调（当PV-SV > GAP时，GAP为偏差上限设定值）。压力调节阀强制在预设的规定开度，其目的是为了减少压力波动对流量调节的扰动。

3.2氧气压力调节系统

氧气压力调节的目的是将总管氧压的波动消除，同时实现第一步降压,使压力稳定在1.5 MPa。

氧气压力调节装置包叔置在氧气输送管道上的氧气压力调节阀、压力调节阀后压力检测变送器、现场数据采集单元以及与之相连的PLC中央处理器。PLC利用采集到的检测数据自动计算控制氧气压力调节阀开度,将当前供氧压力调节至预设范围。

PLC中采用PID控制算法计算压力调节阀开度，PID控制算法（比例-积分-微分控制）是目前在工业控制应用中常见的闭环反馈运算回路，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID控制有着原理简单、使用方便、适应性强的特点，在压力调节这种得不到精确数学模型的情况，系统控制器结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

因为PI系统中的I的存在会使整个控制系统的响应速度受到影响，为了解决这个问题，在控制中增加了 D微分项，主要用来解决系统的响应速度问题，其完整的公式如下：

式中：u（t）为控制器的输出值；error（t）为控制器输入与设定值之间的误差；Kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。

PID控制器参数整定是本控制系统设计核心内容。本系统采用临界比例法来确定PID控制器比例系数、积分时间和微分时间大小，参数整定步骤如下：1）首先预选择一个足够短采样周期让系统工作；2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时比例放大系数和临界振荡周期；3）—定控制度下公式计算到PID控制器参数，并在实际运行中进行最后调整与完善。

3.3氧气流量调节系统

氧气流量调节是本控制系统的核心，是实现流量精准控制的关键，目标是在经过稳压调节阀将压力稳定在1.5 MPa,将瞬时流量快速稳定到模型设定流量，要求具备快速响应、无扰动、稳态精度高、可靠性高等特点。

氧气流量调节装置包括设置在氧气稳压调节阀后的流量调节阀、流量调节阀后孔板式差压流量检测装置（配备稳压补偿）、现场数据采集单元以及与之相连的PLC中央处理器。PLC利用采集到的检测数据采用模糊自适应PID控制算法，自动计算控制氧气流量调节阀开度,以实现氧气流量精准控制。流量调节装置如图1所示。

PLC中采用模糊自适应PID控制算法，是在PID算法的基础上，以误差e和误差变化率ec作为输入，利用模糊规则进行模糊推理，査询模糊矩阵表进行参数调整，满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求。

1）当e较大时，为使系统具有较好的跟踪性能，应取较大的Kp与较小的Kd，同时为避免系统响应出现较大的超调，应对积分作用加以限制，通常取Ki=0。

2）当e处于中等大小时，为使系统响应具有较小的超调，Kp应取得小些。在这种情况下，Kd的取值对系统响应的影响较大，Ki的取值要适当。

3）当e较小时，为使系统具有较好的稳定性能，Kp与Ki均应取得大些，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，Kd值的选择根据∣ec∣值较大时，Kd取较小值，通常Kd为中等大小。PID调节流程见图2。

4 控制系统实际应用

4.1控制系统组成

本系统采用的控制器是西门子SIMATIC的S7-400PLC配合人机界面WinCC全集成基础自动化控制系统，功能强大，坚固耐用，环境适应性非常强。应用编程软件为STEP7，在编程、启动和服务方面有众多特点：如使用灵活，易于修改和维护；对功能块和通信处理器的参敷设定方便，快捷等。PID的操作控制界面是按照工艺设计要求设计的。氧气总管压力调节的PID控制分为手动和自动方式。在画面上点击自动/手动按钮时，可以选择控制方式，由状态灯显示为何种控制方式。手动控制方式下，直接输出阀门开度；自动控制方式下，通过改变设定值,再根据设定值与当前过程值之间的偏差来进行典型的PID调节（调节过程在STEP7程序中由PID功能块执行）。

在稳压过程中，氧气总管的压力检测由压力变送器 P 测出送入PLC的PID模块 FB41），当总管压力因各种扰动产生变化时，控制器接收到压力变送器测出的信号与设定值进行比较得出偏差，然后进行PID运算,并发出控制信号对压力调节阀进行控制。

4.2 PID控制算法的参数整定

PID控制算法参数整定是控制系统的设计核心内容，需要工艺要求确定PID控制比例系数、积分时间和微分时间大小。在PID的调试过程中，首先依据系统数学模型，理论计算确定控制参数取值范围，然后采用临界比例法进行测试调整，从而完善、确定了参数取值。过程中主要采取了以下步骤：1）关闭I和D，也就是设为0，加大P，使其产生振荡；2）减小P，找到临界振荡点；3）加大I，使其达到目标值；4）重新上电看超调、振荡和稳定时间是否吻合要求；5）针对超调和振荡的情况适当的调整微分D时间；6）所有调试均考虑了工艺极端情况，这样保证了调试完的结果可以在全工作范围内均有效。

5 结语

山钢股份莱芜分公司炼钢厂老区50 t转炉全自动智能炼钢系统投运以来,经过逐步完善,系统运行稳定，有效提高了终点碳和温度的命中率。氧气流量调节实现了稳定、快速、精准控制，满足了智能工艺模型对氧气流量控制的需求，有效缩短了冶炼周期，提高了产品品质，降低了能源消耗。