一种高炉喷煤量精准自动控制方法

本发明涉及一种高炉喷煤量精准自动控制方法，属于高炉炼铁技术领域。

背景技术：

钢铁是国家发展的支柱产业，2019年，中国粗钢产量达到99634.2万吨，生铁产量80936.5万吨，可以看出中国钢铁的生产以长流程为主，所以现阶段高炉炼铁在中国具有不可替代的作用。高炉炼铁需要大量的焦碳，炼焦过程对产生大量的有害物质对造成污染，而且我国煤炭资源虽然丰富，但炼焦煤资源有限，大约只占到了总煤炭资源的27％，优质的炼焦煤也只占到炼焦资源的19％，而且资源分布不均匀开采难度大。高炉喷煤技术的应用可以有效的缓解炼焦资源的紧张，提高高炉喷煤量可以起到降低焦比降低冶炼成本的作用。目前，西欧、日本等国家的一些高炉年均煤比达到160～200kg/thm，月均最高煤比达到210～250kg/thm，而我国大中型钢铁企业高炉喷煤比大约只有140kg，其喷煤水平与国际先进水平尚有较大差距。需要指出来的是，中国个别的钢铁企业虽然突破了高喷煤比但无法维持稳定，比如宝钢煤比最高时达到263kg/thm，低的时候仅为168kg/thm，这说明高煤比还受诸方面因素的影响，其中如何实现对喷煤量的精确控制，从而减少煤粉脉动的瞬时波动，是提高煤比并维持稳定的重要因素。

文献1(杨飚.冶金自动化.2009：794-795)中对高炉喷煤控制过程中的自动化仪表控制系统工作原理进行了说明，通过对各部位的物理参数(温度、压力、流量、物位、称重、气体分析)进行采样并输入计算机，由计算机编程控制进而实现对整个系统的控制。此外，文献1中还详细介绍了所需计算机系统的硬件组成，对喷煤控制系统应用推广起到了积极的作用。

文献2(刘静.自动化与仪表.2014，(05)：31-34+60)中针对高炉喷吹煤粉控制系统中存在问题，比如动态性、非线性、时变、大滞后性等，引入模糊-pid控制思想从而对传统的煤粉喷吹控制系统进行了改造和升级。相比于传统的pid系统，模糊-pid系统可以更好的解决煤粉喷吹控制过程中的动态性、非线性、时变、时滞性等相关一系列问题，提高了喷煤控制系统的稳定性和抗干扰性，提升了系统的工作效率。

公开号为cn103898257a的中国专利公开了“一种高炉煤粉喷吹量的控制方法”，所述方法实际上为电子秤计量法，即首先计算得到一定时间段内煤粉喷吹的平均速度(短时间内可看作瞬时速度)，之后将计算值与实际要求的煤粉喷吹速度作比较，以此为基准控制实际载流气体流量大小进而控制煤粉喷吹量，该方法存在较大的时间滞后性。另外，公开号为201610224256.x的中国专利公开了“一种高炉运行过程中喷煤量决策的方法”，利用现场传感器采集的数据，如冷风流量、热风流量、炉腹煤气量等共计14个参数。该技术是基于支持向量回归的方法(svr)对历史数据进行建模，再使用交叉验证的方法获取模型的最优参数值，建立这些参数的统计模型从而对高炉冶炼过程中的瞬时喷煤量进行决策。

高炉喷吹煤粉的过程具有动态性和非线性的特点，各个参数的变化也表现出模糊性、随机性，传统的喷煤调节系统只是简单的将参数线性处理后建立模型对喷煤量进行决策(如文献1和专利cn103898257a)。专利201610224256.x中所述svr模型本质是一种“宽容的”线性回归模型，相比于严格的线性回归模型，svr模型放宽了计算损失的原则，所以使用svr模型决策喷煤量仍旧属于传统的喷煤调节控制。文献2中所述控制系统是将传统pid控制系统与模糊数学结合，使其具有处理处理不确定性、非线性问题的能力，但它缺乏有效的自学习和自适应能力。由于高炉喷煤调节的复杂性，需要一种能够处理非线性问题和具有自学习能力的新型控制系统。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种高炉喷煤量精准自动控制方法，基于模糊逻辑与神经网络相结合的数学模型，以具有良好开放性的施耐德mp7工控软件作为平台，达到对高炉喷煤量进行智能调控的目的，可以更好的处理煤粉喷吹过程中非线性问题，并且够提供更加有效的智能行为、学习能力、自适应特点、并行机制和高度灵活性，有效地解决了背景技术中存在的上述问题。

本发明的技术方案是：一种高炉喷煤量精准自动控制方法，包含以下步骤：

步骤1，将模糊数学与神经网络结合，研究总结出喷煤过程中各个参数对喷煤量影响的数学模型；

步骤2，将研究总结的数学模型输入施耐德mp7工控软件，在线对喷煤软件进行调试，找出软件的缺陷性和不兼容性并加以修改；同时，须找出数学模型中的可变量参数，以便修改参数使软件适应不同的工况状态；

步骤3，喷煤软件读取各参数数学模型；

步骤4，喷煤软件读取高炉喷煤现场数据；

步骤5，软件界面显示喷煤量计算结果。

所述步骤1中所涉及的参数共为八个，分别为氮气压力(pn)、喷吹罐内煤粉质量(m)、喷吹罐罐内压力(pna)、喷煤枪压力(pnb)、补气流量(q)、煤粉粘度(μr)、前5min瞬时煤量(pa)以及瞬时喷煤量(pv)。

本发明的有益效果是：基于模糊逻辑与神经网络相结合的数学模型，以具有良好开放性的施耐德mp7工控软件作为平台，达到对高炉喷煤量进行智能调控的目的，可以更好的处理煤粉喷吹过程中非线性问题，并且够提供更加有效的智能行为、学习能力、自适应特点、并行机制和高度灵活性。

附图说明

图1为本发明的自动精确控制原理图；

图2为模糊控制原理图；

图3为模糊控制器原理图；

图4为消除称跳动的软件原理图；

图5为本发明高炉智能配煤控制界面；

图6为本发明喷吹罐充压智能控制界面；

图7为本发明倒罐过程修正原理图；

图8为本发明改造后喷吹参数统计图；

图9为本发明软件界面显示图。

具体实施方式

一种高炉喷煤量精准自动控制方法，包含以下步骤：

步骤1，将模糊数学与神经网络结合，研究总结出喷煤过程中各个参数对喷煤量影响的数学模型；

步骤2，将研究总结的数学模型输入施耐德mp7工控软件，在线对喷煤软件进行调试，找出软件的缺陷性和不兼容性并加以修改；同时，须找出数学模型中的可变量参数，以便修改参数使软件适应不同的工况状态；

步骤3，喷煤软件读取各参数数学模型；

步骤4，喷煤软件读取高炉喷煤现场数据；

步骤5，软件界面显示喷煤量计算结果。

所述步骤1中所涉及的参数共为八个，分别为氮气压力(pn)、喷吹罐内煤粉质量(m)、喷吹罐罐内压力(pna)、喷煤枪压力(pnb)、补气流量(q)、煤粉粘度(μr)、前5min瞬时煤量(pa)以及瞬时喷煤量(pv)。

为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述。

1.将模糊数学与神经网络结合，建立模糊控制器。

模糊控制是以模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种智能控制方法，它是从行为上模仿人的模糊推理和决策过程的一种智能控制方法。该方法首先将操作人员或专家经验编成模糊规则，然后将来自传感器的实时信号模糊化，将模糊化后的信号作为模糊规则的输入，完成模糊推理，将推理后得到的输出量加到执行器上。模糊推理专家系统是一种基于专家知识，蕴含着人类智能、推理和决策的智能控制方式，迄今已经在各个领域中得到广泛应用。如图2。

模糊控制器：也称为模糊逻辑控制器,由于所采用的模糊控制规则是由模糊理论中模糊条件语句来描述的，因此模糊控制器是一种语言型控制器，故也称为模糊语言控制器。如图3。

(1)模糊化接口(fuzzyinterface)

模糊控制器的输入必须通过模糊化才能用于控制输出的求解，因此它实际上是模糊控制器的输入接口。它的主要作用是将真实的确定量输入转换为一个模糊矢量。

(2)知识库

知识库由数据库和规则库两部分构成。数据库所存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值(即经过论域等级离散化以后对应值的集合)。模糊控制器的规则司基于专家知识或手动操作人员长期积累的经验，它是按人的直觉推理的一种语言表示形式。模糊规则通常有一系列的关系词连接而成，如if-then、else、also、end、or等，关系词必须经过“翻译”才能将模糊规则数值化。最常用的关系词为if-then、also，对于多变量模糊控制系统，还有and等。

(3)推理与解模糊接口(inferenceanddefuzzy-interface)

推理是模糊控制器中，根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊关系方程，并获得模糊控制量的功能部分。推理结果的获得，表示模糊控制的规则推理功能已经完成，求得清晰的控制量输出。

2.建立专家知识规则库

记录下各个结点参数，分别为氮气压力(pn)、喷吹罐内煤粉质量(m)、喷吹罐罐内压力(pna)、喷煤枪压力(pnb)、补气流量(q)、煤粉粘度(μr)、前5min瞬时煤量(pa)以及瞬时喷煤量(pv)；依据系统的模糊或者定性的处理对各个参数的初始值进行确定；使用学习算法处理上述每个参数对喷煤量pv的关系；代入对应初始值获得收敛性的函数关系模型，具体如下：

(1)pn对pv的数学模型：

(2)pna对pv的数学模型：

(3)m对pv的数学模型：

(4)μr对pv的数学模型：

(5)罐充压对pv的数学模型：

(6)pnb对pv的数学模型：

式中，k1～k10为常变量。

3.实时采集数据

读取现场测量参数数据。如图4，若称量过程中秤出现跳动，则使用秤跳动消除软件进行处理，将采集到的电子秤重量信号进行校核，自动去除机械设备因素造成的峰谷值，转化为模拟信号或数字信号，并使其瞬时值稳定，通过信号控制罐内压力和补流量，同时换算显示罐内压力和流量。另外，需要对倒罐过程进行修正。

4.mp7工控软件实现模型控制

如图5，为高炉智能喷煤改造后的高炉智能配煤控制界面，系统运行时只需要在喷吹速率设定输入框中输入当前高炉要求煤量，系统会自动完成喷吹操作，无需人工干预，实现喷吹系统一键智能均匀喷吹。

如图6，高炉喷吹煤粉精准自动控制系统通过开发喷吹罐充压智能模型，控制充压及流化速度，尽可能的为喷吹稳定创造条件。在喷煤过程中，随着喷吹罐内的煤粉逐步减少，必须对喷吹罐及时进行补气，维持喷吹罐压力的稳定性，但为满足高炉喷煤量的改变需求，又必须对喷吹罐压进行及时调整，为此需要开发喷吹罐智能喷吹罐压动态控制、恒压控制模型等。如图7，喷煤速率控制模型通过煤粉调节阀及喷吹罐压动态智能模型及所有相关智能模型互联配合工作实现自动喷吹。

新增加设备和模型充分考虑了工艺安全，在设备故障情况下能保证喷煤进行，不会造成总管堵塞及风口烧枪状况，喷吹速率稳定，如图8。

5.软件界面显示喷煤量计算结果

所需的喷煤量在设定后由电脑自动跟踪调节并瞬时显示，当实际喷煤量小于1t/h时，瞬时误差平均值控制在设定喷煤量的2％以内；当实际喷煤量大于3t/h时瞬时误差平均值应控制在设定喷煤量的1％以内，并且能够迅速自动补偿实现喷煤量精确控制。

与传统煤粉喷吹量控制技术相比，本技术发明具有以下优点：

(1)基于模糊逻辑与神经网络相结合的数学模型，可以更好的处理煤粉喷吹过程中非线性问题，并且够提供更加有效的智能行为、学习能力、自适应特点、并行机制和高度灵活性。

(2)操作人员根据高炉要求输入喷煤量，系统自动完成，操作简单人机交互界面友好。

(3)根据输入的喷煤量，系统会自动调整参数，控制高耐磨调节阀开度，把煤粉均匀的输送到高炉，喷吹速率均匀稳定，做到国内唯一，达到国际领先水平。

(4)当高炉要求输入的喷煤量变化时，系统自动调节输送气体流量，保证浓相输送。

(5)喷煤过程完整连续，速率均匀，不存在换罐断煤，达到国内领先。

(6)均匀喷煤提高了煤粉燃烧率，提高置换比，减少了输送气及流化气的消耗。

(7)通过对喷吹罐连通，使各喷吹罐在相同压力条件下喷吹，既节约流化气体，又保证速率稳定。

(8)避免了喷吹主管压力的波动，消除了因喷煤不均匀造成对高炉热风压力波动的影响。

(9)精度高误差小：长期稳定喷煤速率误差小，小时喷煤量累计值与设定值的长期稳定运行误差小于500kg。

以上所述仅是对本发明的喷煤量精准控制实施方式进行的描述，并不用以限制本发明，凡在本发明的理念和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进，均应包含在本发明的保护范围。