高炉过程控制讲义

第一章绪论1.1 高炉过程控制的基本概念高炉过程控制就是高炉操作者根据从仪表上获取的检测数据，对高炉运行状况进行判断与预测。

高炉控制的目标是要及时发现并调整不稳定的炉况，生产出合格生铁，同时要注意降低燃料消耗和高炉长寿的问题。

1.2 高炉过程控制的发展概况高炉冶炼过程控制模型可以归纳为三种类型：1)高炉冶炼过程数学模型2)高炉冶炼过程优化模型3)高炉冶炼过程专家系统1.3 高炉过程控制的发展趋势实现高炉炼铁过程的闭环自动化。

结论：高炉冶炼过程控制模型以现代炼铁理论、自动控制理论和计算机技术为基础，由低级向高级发展，正在日臻完善，而且逐步形成了自己的一套比较系统的理论，并在生产中得到日益广泛的应用。

第二章高炉过程控制系统的构成2.1 高炉生产的特点1）过程复杂。

高炉冶炼过程为非均相、非线性、非稳态连续的物理和化学变化过程。

高炉内各种物理化学现象及其影响因素之间相互作用、相互影响，表现出很强的分布特性和耗散系统特征。

另外，高炉冶炼过程与外部环境之间的关系复杂。

冶炼过程涉及的物料流量大，相关处理设备繁多，前后工序的连贯性强，外部环境发生的变化都将对冶炼过程产生重要影响。

2）检测信息不完全。

高炉冶炼过程是在密闭状态下进行，内部情况大多无法直接观测，炉内高温、多相、含尘和机械冲刷等特点给过程变量的检测带来极大困难，一些用于建模和控制所需要的重要参数和变量目前还难以测得，一些测得的信息也含有较大噪声。

具体表现在检测项目少，且多局限于过程的边界（炉顶、渣铁、风口、炉身静压力等），很多重要检测数据的采样频度低。

3）反应迟钝。

即对控制动作的响应十分缓慢，时间常数很大，各个操作参数对过程的作用具有很大的滞后期，如：各操作变量对控制目标之一的[Si]的动态变化响应的延迟时间约为3-7小时。

4）可控范围狭窄。

一方面，铁水质量必须满足用户的要求，这使得高炉的各种控制参数可调范围相对较小；另一方面，炉况必须早调、小调，才不致于发生过大的波动，否则炉况将急剧恶化而导致失控。

高炉的这些特点，使得高炉的过程控制，特别是实时在线控制，长期以来一直是高炉操作的难点。

高炉的这些特点，还决定着必须同时在三个水平的时间尺度上对高炉实施有效的控制，即：长期控制、中期控制和短期控制，才能达到预期的目的。

(1)长期控制。

长期控制又称作“生产方针”或“生产计划”。

长期控制的任务是帮助经理和管理人员在原料、燃料种类或市场对生铁品种和数量的需求发生变化时，或者当工序中出现了薄弱环节时(如上料和装料系统的设备故障、一座热风炉损坏等)，快速而准确地分析生产条件的变化对利用系数、燃料比、生铁质量、生产成本和炉况等所可能产生的影响，决定相应的高炉操作制度。

(2)中期控制。

高炉的状况随着炉龄的延长而缓慢地变化。

原料、燃料性质长期微小的变化也会对炉况发生影响。

中期控制的任务是定期核查炉热水平，控制软熔带，以及对崩料、悬料、管道等异常炉况进行预报和控制。

(3)短期控制。

由于原料、燃料的性质和入炉重量总是不可避免地要发生变化而偏离设定值，大气温度和湿度等环境因素也在经常发生变化，所以高炉炉况总是处于不断的变化之中。

短期控制的任务是尽早地把握高炉过程的动态变化，采取必要的调节手段，保证炉况稳定顺行和生铁的质量。

高炉控制的基本思想示于下图中。

2.2 控制系统的功能及分级结构(1) 数据记录。

(2) 数字直接控制(简称DDC)。

(3) 顺序控制。

(4) 在线操作指导。

(5) 离线操作指导。

(6) 炼铁生产管理。

2.3计算机系统的软、硬件组成计算机控制系统的硬件设备主要有:(1)中央处理器(简称CPU)。

(2)存贮器。

(3)操作台、键盘和监视器。

(4)打印机和复印机。

(5)电源设备。

(6)数据输入—输出装置。

(7)通风和布线。

(8)检测仪表。

(9)试验设备。

(10)控制执行设备。

计算机系统的软件组成包括系统软件和应用软件。

过程控制级的控制功能分为在线功能和离线功能两种。

在线功能主要有：. 装料操作数据处理、高炉本体数据处理、铁渣操作数据处理、模型计算、工艺设备管理、数据记录、数据显示和数据通讯。

离线功能共有两种：离线模型计算和一代炉龄数据库。

2.4高炉过程控制计算机的体系结构过程控制计算机随着计算机技术的发展，体系结构相应发生变化，主要分为集中控制型、分散控制型、Client-Server型。

1）集中控制型。

早期限于计算机硬件能力有限，设备昂贵，大多采用1台主机承担过程控制级的全部基本功能，包括从数据采集、计算、模型运算、操作值设定，到画面生成和打印控制等。

这种结构的系统存在一个主要缺点，即整个庞大系统的安危系于主机身上。

为了防止因主机故障造成整个系统瘫痪，就需增加一个主机作为备用，而有些厂家恐怕就负担不起这个费用。

2）分散控制型。

整个系统由基本独立的子系统组成，因此相互关联很少，各工作站地位平等，其中一台故障，不会造成整个系统瘫痪，提高了系统安全性。

缺点是以后如要开发管理级计算机，由于要从各个独立的数据库中提取数据，略嫌麻烦。

3）Client-Server型。

Client-Server结构，造价便宜，易于扩展。

在此基础上开发管理机也较为容易。

另外现在硬件技术提高了，硬件故障率极低，采用1台服务器即可满足要求。

2.5过程信息的种类和采集高炉车间的设备共分为上料系统、装料系统、送风系统、喷吹系统、渣铁处理系统、煤气清洗系统和高炉本体等七大部分。

与设备有关的许多数据是高炉过程数据的重要组成部分，并可称之为“炉外信息”；而有关高炉内部气、固、液三相的物理化学变化的信息，可以称之为“炉内信息”。

第三章高炉过程控制与专家系统高炉冶炼过程专家系统是根据专家系统与神经网络的原理，由优秀高炉工作者（操作专家）提供专门知识和经验，经知识工程师构筑知识库、推理机，二者结合进行推理和判断，模拟冶炼专家判断炉况并进行操作指导，达到控制高炉冶炼过程的目的。

3.1专家系统的基本思想专家系统是一类计算机软件系统，它能在特定的领域内，通过应用领域专家的经验和知识来模拟人类专家解决该领域中困难问题的能力。

与高炉工长相比，高炉专家系统具有以下几点主要优势：1）可同时对大量的高炉过程信息进行快速分析和综合判断；2）可应用本公司炼铁专家在长期生产过程中所积累的水平最高的操作经验，对炉况及其走向的判断更正确、更客观，可避免三班作业的不一致，实现标准化操作；3）可将人类专家的经验与“传统数学模型”及其他人工智能技术综合应用，从而使对炉况的判断及调剂动作的决策建立在更为科学的基础上。

3.2专家系统的基本结构如图，一个专家系统是由若干个具有特殊功能的程序模块组成，常见的专家系统主要功能模块包括：（1）知识库：用于存取和管理所获取的专家知识和经验，供推理机使用。

（2）推理机：用于对知识库内的知识进行搜索推理，求解专门问题。

（3）解释子系统：使程序能够回答用户提出的各种咨询，包括系统在运行时的推理路线；推理结果的解释；知识库的内容。

（4）综合数据库：用于存放系统运行过程中所需要和产生的有关信息，包括问题的描述、中间结果、解题过程的记录等信息。

（5）知识获取子系统：它起着对知识库进行编辑、修改、更新等作用；检验知识库的一致性和完整性。

（6）用户界面：负责将用户所要输入的信息转换成系统内部的表达形式，同时将系统内部信息转变成用户易于理解的外部输出形式。

3.3 开发高炉专家系统的步骤一个高炉专家系统的开发，通常需要经过以下几个步骤：（1）确定系统的目标。

（2）获取知识。

（3）建立知识库。

（4）构建系统原型。

（5）离线调试和检验。

3.4 知识的表示知识表示的目的在于，将那些不同类型的知识，选择合适的表达方式，以便计算机能够有效地构造和利用这些知识。

知识表示的方法有：产生式规则、框架、确定性因子、资格函数、人工神经网络、数理统计等。

3.5 高炉专家系统的构成专家系统从过程计算机读取所需要的、通常已经过处理的高炉操作数据。

根据经过再次处理的这些数据和从人—机界面输入的信息，专家系统调用知识库中的知识，运用推理机的推理逻辑进行推理判断，确定当前炉况或求解待解决的问题，最后再运用知识库中的知识对调剂炉况的动作种类、动作量和时机作出决策。

第四章高炉炉况判断及炉况异常的处理4.1 高炉炉况判断常见的炉况判断方法有直接判断法和利用仪器仪表进行判断。

高炉炉况的直接判断包括看出铁、看渣、看风口、看料速和探尺运动状态等，这是判断炉况的主要手段之一，尤其是对监测仪表不足的小型高炉更为重要。

虽然直接判断法缺乏全面性，并且在时间上有一定的滞后性，但由于其具有直观和可靠的特点，因此是一项十分重要的观察方法，也是高炉工长必须掌握的技能。

出铁主要看铁中含硅与含硫情况。

“炼好铁必须先炼好渣”，只有炉渣温度和成分适当，高炉生产才会正常。

渣是直接判断炉况的重要手段。

一看渣碱度，二看渣温，三看渣的流动性及出渣过程中的变化。

高炉下料速度受风量大小、批重及其他因素的影响。

看料速主要是比较下料快慢及均匀性，看每小时下料批数和两批料的间隔时间。

探尺运动状态直接表示炉料的运动状态，真实反映下料情况。

炉况正常时，探尺均匀下降，没有停滞和陷落现象；炉温向凉时，每小时料批数增加；而向热时，料批数减少；难行时，探尺呆滞。

探尺突然下降300 mm以上时，称崩料；如果探尺不动时间较长称为悬料；如探尺间经常性地相差大于300 mm时，称为偏料(可结合炉缸炉温来判断)，偏料属于不正常炉况。

如两探尺距离相差很大，若装完一批料后，距离缩小很多时，一般由管道引起。

随着科学技术的发展，高炉监测范围越来越广，精度越来越高，已成为判断炉况的主要手段。

监测高炉生产的主要仪器仪表，按测量对象可分为以下几类：压力计类，温度计类，流量计类，此外还有炉喉煤气分析、荒煤气分析等。

利用CO2曲线判断高炉炉况CO2曲线可用来预测炉温发展趋势。

当CO2曲线上CO2值普遍下降时，或边沿显著下降，表明炉内直接还原度增加，或边沿气流发展，预示炉温向凉。

同时，混合煤气中CO2值也下降。

煤气曲线由正常变为边沿气流发展，预示在负荷不变的条件下炉温趋势向凉，煤气利用程度降低。

当边沿普遍上升，中心也上升时，则表示在负荷不变的条件下，煤气利用程度改善，间接还原增加，预示炉温向热。

同时，混合煤气中CO2值也将升高，把两者结合起来判断，可以为操作者指出调节的方向。

4.2 高炉炉况失常及处理原燃料的物理及化学性能的变化、高炉操作条件的改变、操作的失误等，都会使高炉原有的煤气分布、高炉炉缸的工作状态、炉料的下降状况等发生改变，使高炉顺行遭到破坏，导致炉况波动或失常。

由于高炉的冶炼周期长、热惯性大，高炉由顺行变为失常的过程也是逐渐发生的，失常前往往有一些征兆可以通过高炉操作参数的变化判断出来。