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RH炉合金的高精度称量和智能分批配料控制系统介绍

沈忠杰

(中冶南方工程技术有限公司 自动化二部，湖北 武汉 430223)

摘 要：针对高牌号硅钢的冶炼要求，我们开发了RH炉合金的高精度称量和智能分批配料全自动控制系统。系统通过自学习，能准确控制称量误差，降低每炉的合金成本，缩短处理周期，提高生产效率和产品质量。系统自投产以来，运行稳定，控制功能良好，满足了高牌号硅钢生产的各项工艺要求。本文重点描述RH合金加料的工艺过程、控制系统结构、高精度称量算法和智能分批配料技术等，最后给出实际控制效果。

关 键 词：RH炉；合金；高精度称量；智能分批配料

RH精炼作为一种重要的炉外精炼手段，具有脱氢、脱碳、温度补偿、均匀成分和温度、去除夹杂物等较为强大的精炼功能，特别是RH精炼的高精度合金控制对生产高规格钢种起到重要的作用。针对高牌号硅钢的冶炼要求，我们开发了RH炉合金的高精度称量和智能分批配料全自动控制系统，该系统通过对以前称量过程进行累积自学习能准确控制称量误差，因此能降低每炉的合金成本，缩短处理周期，提高生产效率和产品质量。

该系统自2009年在某钢厂RH炉上投入以来，运行可靠安全，满足RH炉生产高牌号硅钢生产的各项工艺要求。

1 RH合金配料和加料工艺过程

如图1所示，RH合金配料和加料工艺系统分为3部分：(1)20个合金料仓和相应的电机振打器(简称电振)，主要完成合金配料过程；(2)3个称量斗，主要完成合金的称量控制过程；(3)真空加料斗，主要完成RH合金真空加料过程。

高牌号硅钢的生产对合金配料控制提出许多特殊和苛刻要求。首先，1#称量斗(1000kg)的称量控制精度要求小于1kg，2#和3#称量斗(4000kg和12000kg)的称量控制精度要求小于 5kg；其次，为了使钢水和合金能按工艺要求的时序依次发生反应，使不同合金和钢水相互之间不会同时出现强烈反应和不需要的消耗，要求同一个称量斗能够实现不同料仓按工艺要求的顺序称量配料，并实现3个称量斗可按分批顺序下料至真空室的钢水中；另外，整个合金的配料和加料过程要求为一键操作，从二级系统接收配料所需的合金种类、称量和批次信息等数据，实现全自动称量和分批下料。针对以上要求，我们开发了RH炉合金的高精度称量和智能分批配料全自动控制系统。

2 系统结构

控制系统PLC选用Siemens S7-400产品，电振传动控制装置选用Siemens 6SE7系列变频器，PLC和变频器通过Profibus-DP网连接，因此在操作室内能够完成对变频器的远程调试和故障处理^[1]。合金的称量采用Siemens Siwarex FTA称量模块，3套称量斗相应的3个FTA模块安装在1个独立的ET200M机架上，通过Profibus-DP网与PLC系统连接；称量压头的电压mV信号直接接入FTA模块，通过中断模式与PLC的CPU进行联系。FTA模块与Siemens PLC有统一结构，采用数字通信方式，避免了称量信号在传输过程中产生不必要的误差，并可实现在操作室的监控站上对每台称量设备进行标定、去皮和故障处理，使称量设备和PLC系统完美融为一体。FTA模块完成物料的精确称量控制，合金PLC完成物料的分批配料控制，最终实现RH炉合金的高精度称量和智能分批配料全自动控制。系统结构见图2。

3 系统功能及实现

3．1 合金称量的高精度控制

合金称量的控制过程(见图3)分为3步：第1步为粗调过程，通过电振的快速振动使称量值迅速大致接近设定质量，以减少称量时间；第2步为精调过程，通过电振的慢速振动使称量值慢速更接近设定质量，以实现称量的初步精度控制；第3步为尾部回动(拖尾)过程，即电振停止后飞行中物料对称量产生影响的过程，通过控制电振的停止时间，最终实现称量的高精度控制。

图3中的阶段0为称量等待过程，阶段1为去皮重过程，阶段2为称量过程(粗调和精调过程)，阶段3为称量拖尾过程，阶段4为称量结束。图中，空量程指称量斗累积的物料质量，称量开始时程序会自动去除这部分质量。

从合金称量的控制过程来看，粗调过程比较简单，精调过程和拖尾过程是决定自动称量精度的关键，以下介绍这3个过程的控制算法。

(1)粗调控制算法当前粗调质量设定m_n以上一次称量控制结果为基础并经修正而得。粗调对称量精度要求不高，电振快速振动加料时，FTA模块将称量值及时反馈给PLC，一旦实际称量值等于m_n，粗调过程就结束了，接着转到下一步精调控制。当前称量工序的粗调质量设定值m_n=m_sn－m_fn－m_gn式中，m_sn为当前称量工序需称量的总质量设定(称量最终目标值)；m_fn为当前称量工序的精调设定质量；m_gn为当前称量工序的拖尾设定质量；n为当前称量工序序号。其中，m_fn和m_gn的初始值(第1次称量时)通过人工设定，之后的称量中，是在上一次称量的基础上通过自学习修正而得。

(2)精调控制算法粗调过程结束后，当称量实际值达到精调称量设定值m_n+m_fn时，精调过程结束。当前精调质量设定m_fn以上一次的实际精调控制结果m_f(n－1)为基础修正而得。m_fn用于确定当前粗调的关闭时间点，同时保证精调的持续时间^[2]。

m_fn=m_f(n－1)+kd_finet_diff

其中，t_diff=t_set－t_act

上述式中，k为控制系数，取0．3～0．7，通过慢振的实际效果选取；d_fine为精调信号关闭时间点的合金单位时间通过量，这个值在实际称量过程中测量并计算得来；t_diff为精调控制时间偏差；t_set为当前精调设定时间；t_act为上一次精调实际时间。

t_set是影响称量精度的关键因素之一，只要保证实际精调持续时间大于粗调到精调切换过程称量数据的波动时间，就可以有效过滤掉切换过程称量数据的波动对称量控制精度的影响，并最终保持精调过程的均匀下料，为称量的拖尾自学习计算提供稳定的条件。

(3)拖尾控制算法为了确定电振的停止时刻，使称量从精调控制切换到拖尾控制，需要计算当前工序的拖尾质量设定值m_gn。m_gn以上一次拖尾质量设定值m_g(n－1)为基础修正而得。

m_gn=m_g(n－1)+(m_s(n－1)－m_a(n－1))c_n－1

式中，m_s(n－1)为上一次称量总设定；m_a(n－1)为上一次称量总净重；c_n－1为修正系数，范围0～1，根据称量误差来取值，如果称量误差偏大，修正系数取值就较小，反之亦然，这就解决了称量误差的反复振荡，可以提高称量的精度。

这样，通过上一次实际的称量控制结果，来修正当前的精调质量设定值m_fn和拖尾质量设定值m_gn，同时修正控制系数c_n－1，经过多次自学习调整，最终实现合金称量的高精度控制。

在应用合金称量高精度控制算法时，精调控制系数k和拖尾控制系数c_n－1初始值都取0.5，通过十几次称量，精调质量、拖尾质量和各控制系数通过自学习得到优化。在实际生产过程中，这些参数会得到更进一步的自学习优化，从而达到称量高精度控制水平。由于参数的自学习修订算法非常复杂，牵扯到技术诀窍，因此此处不再展开。

合金称量的高精度控制算法是在Siemens的Siwarex FTA称量模块内实现的。3个称量斗各配置1个FTA模块。FTA模块具有单独的处理单元，称量精度非常高，具有理论校准功能，更换模块时，无需重新标定，能够在线提供称量传感器的运行状态和故障信息，可编程进行连续或步进式精确流量控制，并可自动记录和存储称量结果。

利用FTA独特的称量控制功能以及提供的软件接口，每套称量装置的标定数据和专用合金称量的高精度控制算法都编写和保存在FTA模块内，实现了PLC和称量系统的并行运行。

3．2 智能分批配料控制

合金配料工艺除了对称量精度有很高的要求外，对配料顺序和分批下料控制也有严格的要求。

首先，每个合金称量斗都对应几个不同的料仓，称量斗对应的料仓配料顺序根据工艺要求控制，这样可以解决合金添加过程中不同合金和钢水进行化学反应的顺序控制问题。其次，为了节约称量时间，需要通过3个称量斗和2个真空料斗的配合控制实现异步称量，也就是说只要相应的真空料斗空闲，称量斗就可以将本批称量的物料下到真空料斗内，接着再进行下一批物料的称量。另外，合金下料顺序也是根据工艺要求来分批控制的，这样可以解决在工艺处理过程中不同的阶段添加不同合金问题，以及各种不同合金同时添加发生剧烈反应和喷溅问题。为此，系统开发了智能分批配料控制功能。

RH合金称量回路共有20个，每个回路都由不同的料仓、合金料、电振、气动翻板和称量斗等构成，每个回路的静态物理特性和动态物理特性都有很大差别，对称量精度的影响非常明显。为此，在PLC上为每个回路建立了控制数据库p_m。

p_m(t_actm，m_fm，m_gm，c_m，v_fm，v_sm，…)

式中，m为回路的编号，取值1～20；t_actm为回路m的精调实际持续时间，用于控制称量精调质量；m_fm为回路m的精调质量设定值；m_gm为回路m的实际拖尾质量，用于控制称量拖尾质量；c_m为回路m的拖尾控制系数；v_fm为回路m粗调阶段的变频器快振速度；v_sm为回路m精调阶段的变频器慢振速度。p_m内的参数根据实际粗调、精调和拖尾的称量控制效果进行自学习，为下次称量提供更优的控制数据；快振速度和慢振速度根据工艺要求的下料速度在RH铁合金加料操作站人工设定。

智能分批配料控制中，含有料仓号、配料质量设定值及分批点的配料数据由二级或一级自动化系统设置并显示在HMI画面的预设定区，如图4所示，预设定区是为防止误操作而设置的。可以看到分批点、配料仓号和配料质量设定值由操作员确认无误后，数据才能进入设定区进行配料和分批控制。配料程序启动后，首先将称量设定数据和需要进行称量的回路的控制数据表pm传送到相应的FTA称量模块中；FTA接收到数据后，对称量系统的硬件、软件及参数进行故障检测，满足条件后才按照第3节所述的高精度称量算法进行称量粗调、精调等控制；称量完成后，FTA称量模块运用第3节叙述的称量高精度控制方法对此次称量进行称量精度评估、修正称量控制参数和进行控制系数的自学习运算，称量结束后将修正的称量参数和控制系数传回到数据库内相应回路的参数表中，以提高下次的称量精度；之后，再进行下一个回路的称量控制。在配料表中可以监视到整个实际称量过程。

智能分批配料控制中，每个批次中都有几种物料和规定的称量顺序。由于不同称量斗具有相对的独立性，因此每个称量斗无需等到其他称量斗优先物料称量完成后再称量，只要没有前面批次优先物料占用该称量料斗即可称量下一物料。

在同一批次的物料使用同一称量料斗称量时，只要在允许质量范围内，不需等称量斗排空后再称量后续物料，若超过允许质量范围，则需等称量斗排空后再称量后续物料。同一个称量斗的配料顺序按工艺要求的料仓序号来制定，最终直到这个批次的所有物料称量完毕后，加入到真空料斗上钟里，等轮到该批次下料时再加入真空室钢水中。

在每批物料加入真空室钢水的过程中，程序严格按配料表中批料顺序来执行。这样，在分批配料控制执行过程中，批次不同的物料进行异步称量和按批次下料，整个的合金操作时间大大减少，操作方法得到最优化。

整个合金智能分批配料控制全由PLC系统自动控制，无需人工干预，工艺工程师可在画面上监控整个称量和配料过程，并将每炉各种合金的最终用量发送给二级，为优化控制提供统计数据。

4 应用效果

本合金高精度称量和智能分批配料控制系统在某钢厂RH炉上运行3年多以来，整体运行状况良好。各种合金的配料先后顺序和配料批次任意定义，一键自动完成称量和分批控制，配料和加料的时间大大缩短，高牌号有硅钢的成材率达到了95%以上，充分满足了生产对合金称量精度和分批配料速度的要求；操作方便，称量系统参数维护简便，画面功能完善可靠，故障率低。系统对生产高牌号硅钢和保证RH炉的正常生产发挥了极其重要的作用。

参 考 文 献：

[1]   周荣富，刘俊华．LF炉精确配料控制系统的设计[J]．四川大学学报，2004，41(10)：416-419．ZHOU Rong-fu，LIU Jun-hua．Designing of accurate batch-ing control system for LF furnace[J]．Journal of SichuanUniversity，2004，41(10)：416-419．

[2]   张中明，葛金华，诸葛芬．铬铁合金精炼炉计算机配料系统[J]．冶金自动化，2000，24(2)：38-40．ZHANG Zhong-ming，GE Jin-hua，ZHUGE Fen．Raw material computer control system for refining furnace of FeCr[J]．Metallurgical Industry Automation，2000，24(2)：38-40．