智能造球在馬鋼球團廠的實踐應用

梁 兵

（安徽馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽馬鞍山 243000）

0 引言

球團是人造塊狀原料的一種方法，是一個將粉狀物料變成物理性能和化學組成能夠滿足下一步加工要求的過程。球團礦是一種球形的人造鐵礦石，直徑在8～16 mm，是一種用來高爐煉鐵的最理想原料。球團系統(tǒng)中造球工藝段是非常重要的環(huán)節(jié)，隨著高爐爐料結(jié)構(gòu)中球團礦比例日益增加，在綠色冶煉的背景下，提高圓盤造球機（以下簡稱“造球盤”）的生球質(zhì)量合格率勢在必行。許多球團廠現(xiàn)有造球盤雖然大多設置了加水裝置、給料皮帶變頻調(diào)速裝置，但仍然處于單參數(shù)設定、人工調(diào)節(jié)的較低水平，同時因為缺乏有效的生球?qū)崟r檢測手段，造球生產(chǎn)過程仍然依賴人工監(jiān)控造球過程，包括生球粒級分布、配水布置、給料量、造球盤轉(zhuǎn)速、造球盤傾角等，由操作工憑經(jīng)驗和視覺進行區(qū)分和調(diào)整。鑒于給料量/配水量波動、膨潤土含量不均勻、混合料水分不穩(wěn)定、礦粉粒徑不均勻等實際問題，操作工需不斷改變配水量、造球盤傾角及轉(zhuǎn)速進行生產(chǎn)調(diào)整，但調(diào)整過程中由于人的參與和物料的變化產(chǎn)生了極大的不確定性，實際生產(chǎn)過程中存在勞動強度大，生球的“質(zhì)”和“量”受主觀因素影響，崗位培訓困難，客觀上產(chǎn)能無法得到穩(wěn)定控制等問題。

馬鋼帶式焙燒機球團項目采用的數(shù)字式智能造球系統(tǒng)是基于視覺識別技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)了生球粒徑實時監(jiān)測。系統(tǒng)通過生球粒級變化匹配生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過自學習算法實時匹配各個功能區(qū)成球效果，PLC根據(jù)模型下發(fā)參數(shù)，通過PID控制配水閥門開度和造球盤變頻器輸出實現(xiàn)智能造球。

1 智能造球系統(tǒng)的主要構(gòu)成

智能造球系統(tǒng)主要由粒級分析模塊、控水模塊和工控機組成，粒級分析模塊通過視覺識別技術(shù)實時采集造球盤下方輥篩上的生球信息，通過分析運算得出生球粒級分布，并將粒級分布發(fā)送給控水模塊，控水模塊分析粒級數(shù)據(jù)的同時匹配生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)粒級波動來控制造球盤各個功能區(qū)配水量。如當前工況調(diào)節(jié)配水無良性反饋，系統(tǒng)將根據(jù)當前工況調(diào)整造球盤的轉(zhuǎn)速和傾角來維持穩(wěn)定生產(chǎn)。

通過TCP/IP協(xié)議建立通信網(wǎng)絡——將上位機引入生產(chǎn)控制環(huán)網(wǎng)，如圖1所示。

圖1 智能造球系統(tǒng)圖

TCP/IP協(xié)議主要技術(shù)特點如下：

（1）應用層。應用層是應用程序間的溝通平臺。

（2）傳輸層。傳輸層主要功能是數(shù)據(jù)格式化、數(shù)據(jù)確認和丟失重傳等。傳輸層提供了節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳送以及應用程序之間的通信服務。

（3）互聯(lián)網(wǎng)絡層?；ヂ?lián)網(wǎng)絡層負責提供基本的數(shù)據(jù)封包傳送功能，讓每一塊數(shù)據(jù)包都能夠到達目的主機。

（4）網(wǎng)絡接口層。網(wǎng)絡接口層主要負責接收IP數(shù)據(jù)包并進行傳輸，從網(wǎng)絡上接收物理幀，抽取IP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)交給下一層，對實際的網(wǎng)絡媒體進行管理，定義如何使用實際網(wǎng)絡來傳送數(shù)據(jù)。

1.1 粒級分析模塊

粒級分析模塊主要由工業(yè)高速相機、鏡頭、通信網(wǎng)絡及工控機構(gòu)成。通過粒級分析模塊實現(xiàn)造球過程數(shù)字化轉(zhuǎn)化，實時拍攝造球盤下方輥篩上的生球圖像，利用光纜將采集到的圖像傳輸給工控機，工控機運行生球粒徑圖像識別算法，實時分析和處理圖像畫面，從而獲得單幅圖像的生球粒徑及對應粒徑下的生球數(shù)量，如圖2所示，得到當前造球盤所生產(chǎn)生球的實時粒級數(shù)據(jù)，通過對粒級數(shù)據(jù)進行篩選，選取目標粒徑區(qū)間數(shù)據(jù)進行存儲并傳輸給控水模塊。

圖2 生球識別圖

粒級分析的核心是圖像處理算法，總的來說由4個步驟組成：圖像預處理、標記點提取、圖像分割和像素標定、結(jié)果輸出。首先，通過圖像閾值分割得到生球和背景之間的閾值分割圖像；其次，通過邊緣算子得到生球的邊緣圖像，由于生球和背景對比度較差，因此該邊緣圖像并不一定是生球的準確邊緣，通過兩次形態(tài)學重建，結(jié)合閾值分割得到的圖像，可得到生球顆粒標記圖像；再次，由生球顆粒標記圖像和邊緣提取圖像，得到真實的生球邊緣點，在此基礎(chǔ)上使用圓匹配法計算得出生球的像素粒徑；最后，根據(jù)工業(yè)相機標定物的尺寸與圖像中標定物所占像素點數(shù)量建立的換算關(guān)系式，得出生球的實際粒徑并輸出結(jié)果[1]。

1.2 控水模塊

控水模塊主要由上位機、通信網(wǎng)絡、PLC、流量計、調(diào)節(jié)閥等組成。上位機對粒級分析模塊獲取的數(shù)據(jù)進行分析計算后發(fā)出指令，通過OPC通信傳送給PLC，PLC對比給定參數(shù)與當前參數(shù)，通過控制調(diào)節(jié)閥動作得到給定的參數(shù)。主要技術(shù)特點如下：

1.2.1 自學習功能在生產(chǎn)系統(tǒng)中的應用

系統(tǒng)通過自學習策略實時監(jiān)測生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過特定的變量篩選和計算獲得相應的系數(shù)，系數(shù)參與整個配水系統(tǒng)的控制，并根據(jù)物料變化及工況波動情況進行實時調(diào)整，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

1.2.2 通信狀態(tài)監(jiān)測

系統(tǒng)監(jiān)測上位機實時通信狀態(tài)，如通信異常，則發(fā)出報警。

1.2.3 智能控制

系統(tǒng)通過對設定的粒級進行監(jiān)控，觸發(fā)相應的策略，控水模塊通過OPC通信將相應需要調(diào)整的參數(shù)發(fā)送給PLC，由PLC控制相應的閥門進行調(diào)整，得到給定的參數(shù)。

2 造球模型控制內(nèi)容及思路

2.1 控制內(nèi)容

從造球影響因素中提取便于數(shù)字化精確控制且短周期內(nèi)可以提高造球效率的因素作為控制手段，如給水量、定量給料機的給料量（運行頻率）和造球盤轉(zhuǎn)速（運行頻率）、傾角。

2.2 控制思路

（1）提高造球效率：通過判斷粒級數(shù)據(jù)是否合格來對造球盤的生產(chǎn)過程進行閉環(huán)控制（給料量無變化為前提）。

（2）穩(wěn)定參與造球的物料總量：當模型檢測到參與造球系統(tǒng)的定量給料機給料量出現(xiàn)異常時，將自動補償給料量，將缺少的物料量參數(shù)下發(fā)至正常運行的定量給料機，從而瞬時補償參與造球的物料總量。

（3）優(yōu)化控制策略：引入?yún)⒆兞浚ㄅ渌禂?shù)）來解決多因素參與控制導致模型控制復雜的問題，并減少不確定性工況帶來的影響。

（4）穩(wěn)定成品生球產(chǎn)能：模型計算系統(tǒng)整體的造球效率及實際進入焙燒機的生球總量，通過實際生球入機量與目標生球入機量對比得到生球產(chǎn)能偏差，從而得到系統(tǒng)需要補償?shù)奈锪狭?。同時，將需要補償?shù)奈锪狭烤值礁鱾€參與系統(tǒng)的造球盤給料量上，從而實現(xiàn)穩(wěn)定整個造球系統(tǒng)產(chǎn)能的目的。

（5）控制造球盤工作頻率：當通過控水無法得到優(yōu)化的粒級數(shù)據(jù)時，模型通過調(diào)整造球盤運行頻率和傾角來改變母球生長速率及母球在造球盤的剝離位置，從而得到優(yōu)化的粒級數(shù)據(jù)。

3 主控界面功能區(qū)展示及參數(shù)設定釋義

主控界面展示圖如圖3所示。

圖3 主控界面展示圖

3.1 參數(shù)顯示

參數(shù)顯示主要為操作者顯示正在運行的造球盤基本參數(shù)及即時粒級百分比。區(qū)域內(nèi)顯示的實際值為系統(tǒng)采集的儀表反饋變量，設定值為模型下發(fā)的變量。

3.2 投用開關(guān)

投用開關(guān)是每臺造球盤控水模塊參與控制的觸發(fā)按鈕，當系統(tǒng)檢測當前具備條件時，方能啟動控水模塊（系統(tǒng)檢測返料區(qū)配水系數(shù)是否為零）。

3.3 盤幅選擇

盤幅選擇區(qū)域可以通過鼠標點擊相應盤幅分頁按鈕來切換各個造球盤的控制界面。

3.4 人工設定

當不采用智能造球模式時，可以轉(zhuǎn)為人工設定當前造球盤的各種參數(shù)，如：

（1）滴水區(qū)設定水量：生產(chǎn)異常時人工介入框體，操作者可直接根據(jù)工況在界面中發(fā)指令控水。

（2）霧化區(qū)設定水量：生產(chǎn)異常時人工介入框體，操作者可直接根據(jù)工況在界面中發(fā)指令控水。

（3）給定頻率：設定造球盤的運行頻率。

（4）給定料量：設定定量給料機的給料量。

當上述參數(shù)輸入后，點擊“確認”按鈕，模型根據(jù)輸入?yún)?shù)下發(fā)指令給PLC進行各項控制。

3.5 粒級—時間曲線

通過粒級—時間曲線，操作者可以清晰地了解過去1 h內(nèi)粒級分布情況。

3.6 相機調(diào)試

通過此按鈕可以實現(xiàn)打開和關(guān)閉相機操作，在設備調(diào)試階段和更換設備時，不需要重新啟動程序就可以調(diào)試相機。

3.7 參數(shù)設定

在該界面下可設定以下參數(shù)：

（1）8 mm球給定值：此參數(shù)定義為小于8 mm的生球粒級占比不得大于框體內(nèi)設定的參數(shù)（百分數(shù)），推薦值為10，此參數(shù)設定區(qū)間為5～15。

（2）16 mm球給定值：此參數(shù)定義為大于16 mm的生球粒級占比不得大于框體內(nèi)設定的參數(shù)（百分數(shù)），推薦值為10，此參數(shù)設定區(qū)間為5～15。

（3）合格球百分比：此參數(shù)是造球工藝人員對當前物料狀態(tài)綜合評估得出的造球盤產(chǎn)出合格生球的占比，可根據(jù)實際工況調(diào)整參數(shù)，推薦值為85。設定原則：原礦成球性能良好可上調(diào)，成球性能差則下調(diào)。

（4）此外，還可設定造球盤傾角、成品生球含水率、生球跌落次數(shù)等參數(shù)。

4 結(jié)語

本文介紹了數(shù)字化智能造球系統(tǒng)，旨在通過圖像識別技術(shù)將造球盤生產(chǎn)過程數(shù)字化，建立數(shù)字化造球模型，通過引入過程參變量來反映實際造球工況；分析了多種成球因素的影響規(guī)律，系統(tǒng)通過設置基于機器視覺的粒級分析裝置，獲取生球粒級數(shù)據(jù)，實時調(diào)整給料量、造球盤轉(zhuǎn)速和傾角、給水調(diào)節(jié)閥等，結(jié)合相關(guān)控制模型實現(xiàn)造球盤生產(chǎn)時的智能化控制，對于國內(nèi)各類球團工藝的造球盤高效成球具有較大的實用意義，不僅可以減少造球崗位操作工人數(shù)量，還可以有效提高生球產(chǎn)量與質(zhì)量，為提升球團生產(chǎn)率、降本增效作出貢獻。后期可以根據(jù)球團工藝生產(chǎn)的要求，利用數(shù)字智能技術(shù)進一步開發(fā)智能配料功能，減少黏結(jié)劑，預測并控制來料水分[2]，尤其是通過配水系數(shù)來協(xié)同控制干燥機燃燒器的熱值及配混過程中的打水量等，從而進一步優(yōu)化造球工況。