邯寶煉鋼LF爐電極調節(jié)模型研究

摘 要：隨著冶金工業(yè)的發(fā)展，LF精煉技術越來越成為冶煉高品質鋼材的關鍵技術，而LF精煉技術的核心即是電極調節(jié)模型的應用，本文詳細介紹了智能電極調節(jié)器在邯寶煉鋼LF爐的應用。

關鍵詞：ROGOWSKI 線圈 熱備PLC 神經(jīng)元算法 智能PID 算法

隨著冶金工業(yè)的發(fā)展，冶煉高品質的鋼材越來越成為冶金行業(yè)的目標和追求，而在LF精煉過程中電極調節(jié)是整個過程的關鍵，因此世界各地的冶金企業(yè)和研究單位爭相開始研究電極的智能調節(jié)模型，使得一直發(fā)展緩慢的交流電弧爐在電弧穩(wěn)定性、效率和對電網(wǎng)短路沖擊減少方面有了長足的進展。

邯寶煉鋼LF爐電極調節(jié)的系統(tǒng)硬件設備由如下三部分組成：

·ROGOWSKI 線圈；

·二次匹配箱；

·電極調節(jié)柜。

系統(tǒng)功能基本描述：PLC系統(tǒng)能首先是為智能調節(jié)器提供初步的電極調節(jié)系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)（神經(jīng)元算法的學習樣本）； 其外，當智能調節(jié)器發(fā)生故障時，PLC系統(tǒng)自動切換至在線狀態(tài)，控制電極升降（PID 算法），保證生產(chǎn)正常進行。

1.PLC系統(tǒng)控制模式

1.1控制算法及操作模式

PLC系統(tǒng)中電極升降控制采用PID 算法，提供兩種操作模式：手動、自動。

1）手動模式，以下情況可以手動操作電極：

·正常生產(chǎn)時通過主操臺手動操作電極

·維修和事故狀態(tài)下必須進行手動操作

2）自動模式，以下情況電極自動調節(jié)：

·正常生產(chǎn)冶煉開始，選擇自動；電極自動從最高位下降，按照設定的功率/電流進行自動調節(jié)

2.智能調節(jié)器

2.1 控制算法及操作模式

智能調節(jié)器提供神經(jīng)元、智能PID 及PID 三種算法。默認情況下，計算機自動選用最合適的控制算法，用戶也可以強制選用某種控制算法。

2.2 特性簡介

智能調節(jié)器是一種基于人工神經(jīng)元網(wǎng)絡技術（ANN）、并集合傳統(tǒng)PID 控制及專家規(guī)則的電極調節(jié)系統(tǒng)。適用于精煉爐等電極調節(jié)領域。智能調節(jié)器結合了神經(jīng)元網(wǎng)絡技術與PID 控制的優(yōu)點，克服了兩者的不足，因而與單純PID電極調節(jié)器相比，智能調節(jié)器具有電弧控制穩(wěn)定、降低電耗、減少電極消耗、增加控制過程的平穩(wěn)性等特點。

對于交流LF而言，傳統(tǒng)的PID電極調節(jié)技術以如下的前提條件為基礎：

1） 三相之間是相互解耦的，也即認為三相之間無關聯(lián)，每一相的輸入/輸出與其它項無關；

2） 除輸入電流（幅值）影響調節(jié)輸出外，其它因素（如吹氬攪拌）均不考慮；

3） 調節(jié)輸出建立在PID 算法的基礎上。

以上這些前提在生產(chǎn)中實際上是不成立的，因而傳統(tǒng)的PID 電極調節(jié)技術的實際效果并不令人滿意。與此相比，神經(jīng)元網(wǎng)絡調節(jié)不需要這些前提條件，具有如下的優(yōu)點：

1） 整體考慮三相間的作用，調節(jié)具有“三相意識”；

2） 除輸入電流（幅值）外，其它因素也被考慮；

3） 控制算法具有非線性、容錯性、自學習性等特點。

2.1.3 功能描述

智能調節(jié)器主要完成以下功能：

1）電量瞬時值檢測

智能調節(jié)器通過高速數(shù)據(jù)采集卡檢測鋼包爐變壓器原邊、副邊的電流電壓瞬時值，每周波（20ms）采樣100～110 次，反映鋼包爐冶煉的非正弦、崎變波形。

2）電氣參數(shù)計算

利用高速采集的電量瞬時值，計算出電壓電流的有效值、相角、有功功率、無功功率、弧壓、弧長、弧功率、電耗、功率因數(shù)、電弧阻抗等重要電氣參數(shù)。

3）爐子仿真人工神經(jīng)元網(wǎng)絡

爐子仿真人工神經(jīng)元網(wǎng)絡建立被控對象的模型，用于預報200ms 后爐子相關狀態(tài)如弧流、弧壓的變化，在調節(jié)器將控制信號輸出之前，預測弧流、弧壓的變化情況。

4）調節(jié)器人工神經(jīng)元網(wǎng)絡

調節(jié)器人工神經(jīng)元網(wǎng)絡則根據(jù)爐子仿真人工神經(jīng)元網(wǎng)絡預報結果和優(yōu)化設定值之間的誤差調整人工神經(jīng)元網(wǎng)絡權值，計算電極升降控制的輸出值。

該網(wǎng)絡用來模擬PLC 調節(jié)器的響應特性。在系統(tǒng)投入運行前，為該網(wǎng)絡給出調節(jié)器輸出和爐況的歷史數(shù)據(jù)，以及時間片N的設定點值，用這些量作為網(wǎng)絡輸入來訓練該網(wǎng)絡，使其與現(xiàn)有電極調節(jié)系統(tǒng)的響應情況相一致。這是一種安全措施，保證神經(jīng)元網(wǎng)絡一開始就能輸出合理的控制信號。在線運行時，其權值可通過在線學習機制進行實時優(yōu)化。

5）弧長控制

合理控制電弧弧長，對提高鋼包爐熱效率至關重要，本智能調節(jié)器根據(jù)弧壓、弧長、弧功率等電氣參數(shù)計算，與服務器預測渣厚相匹配，在保證升溫速度的前提下，合理控制弧長。

6）阻抗/電弧電壓/電弧電流三種控制方式

依據(jù)生產(chǎn)階段的不同需求，可采用阻抗/電弧電壓/電弧電流三種不同的種控制方式。

7）自學習功能

智能調節(jié)器具有在線學習的功能，這樣能夠不斷提高電極調節(jié)的控制精度。

8）智能PID調節(jié)器

智能PID算法結合了ANN仿真器的預測控制和PID簡單可靠的特點，首先，在時間片N 內，程序接收到新的數(shù)據(jù)后，先進行ANN 仿真器的在線學習。然后，啟動PID算法，得到控制信號U（N+1）， U（N+1）并不馬上送出，而是經(jīng)過一個微調環(huán)節(jié)。微調環(huán)節(jié)把U送入ANN 仿真器，使之得到一個預測電流^I（N+1），^I（N+1） 與電流設定點SP（N）形成誤差^E（N+1），^E（N+1）返回用于調整U（N+1），如此循環(huán)，直到^E（N+1）滿足給定精度或微調次數(shù)已至上限。

9）綜合控制輸出

為了保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，我們加入部分參數(shù)可變的PID 算法與ANN 控制器并行運行，一旦ANN 控制器出現(xiàn)不可用的情況，就調用PID 算法進行保駕。

總 結

由于電極調節(jié)模型的應用，邯寶煉鋼在LF的精煉過程中較以前縮短了冶煉時間，提高了冶煉的命中率，降低了冶煉過程中電極的消耗，減少了鋼水的嚴重增碳。使生產(chǎn)效率提高，電極的消耗有了很大的改觀。同時由于短路電流小，當廢鋼塌陷時，電極、電極臂和電纜上的電流小，因此，電極損壞的危險性小，機械磨損也少； 電極電流波動小，因而對電網(wǎng)的干擾也小。

參考文獻：

[1] LF精煉爐電極智能控制的研究及實現(xiàn) 作者：張東 《西安科技大學》 2008年

[2] LF鋼包精煉爐電極控制的研究與應用 作者：趙文利 《東北大學》 2011年

作者簡介：馬其云，河鋼邯鋼邯寶公司煉鋼廠，電氣工程師，專業(yè)從事電氣工作20年。