CN101604146A - 高炉供料自动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高炉供料自动控制系统，通过其外部I/O端口缓存数据区向高炉供料设备发出控制指令并接受高炉供料设备的状态反馈，其特征在于，还通过其外部数据交换储存区连接高炉供料自动控制仿真系统，并向高炉供料自动控制仿真系统发出控制指令，所述高炉供料自动控制仿真系统模拟出该控制指令下的包括高炉供料设备运行状态、物料运动位置状态的状态反馈信号，向高炉供料自动控制系统反馈；本发明可既能够通过仿真，完全脱离实际的工艺设备，完整地模拟高炉实际的供料工艺系统生产状态；也能够对实际工艺生产过程进行控制，并能够方便地在运行仿真和进行实际工艺生产过程控制之间进行切换。

Description

高炉供料自动控制系统

技术领域

本发明涉及工业高炉冶炼自动化控制领域及仿真领域。

背景技术

大型高炉配、上料系统设备众多，状态复杂，是高炉生产的关键环节，高炉供料、布料控制作为高炉自动化的核心，其能否稳定高效地运行，直接影响到整个高炉的铁水品质、生产效率和经济效益。

目前，在工控领域，均通过可编程逻辑控制器(PLC)实现对该系统的基础自动化控制，由操作人员通过操作站进行操作，而PLC控制系统的调试都是通过现场设备进行空载试车和热负荷试车来调校和完善自动控制系统。但高炉生产的特殊性决定了在点火前不能将物料送入高炉，即该自动系统在点火前无法热负荷试车，也无法对操作人员进行实际生产操作的培训，但是一旦高炉点火开炉，就必须确保整个系统按照配方稳定高效地运行，而且开炉时的配方最为复杂而变化频繁，此时也是操作人员对自动控制系统最为生疏的时候。这种固有的矛盾往往影响了高炉的顺利投产和迅速达产，造成开炉点火期间的混乱，严重影响开炉初期的正常生产，造成焦炭、矿石等资源的浪费的问题，

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高炉供料自动控制系统，它具备高炉供料仿真控制功能，既能够完全脱离实际的工艺设备，完整地模拟高炉实际的供料工艺系统生产状态

为解决上述技术问题，本发明提供一种高炉供料自动控制系统，其技术方案为：通过其外部I/O端口缓存数据区向高炉供料设备发出控制指令并接受高炉供料设备的状态反馈，其特征在于，还通过其外部数据交换储存区连接高炉供料自动控制仿真系统，并向高炉供料自动控制仿真系统发出控制指令，所述高炉供料自动控制仿真系统模拟出该控制指令下的包括高炉供料设备运行状态、物料运动位置状态的状态反馈信号，向高炉供料自动控制系统反馈；所述外部I/O端口缓存数据区与外部数据交换储存区的访问由高炉供料自动控制系统进行数据访问切换控制，实现实际生产过程控制和仿真生产过程控制之间的切换。

进一步优选的，所述高炉供料自动控制仿真系统运行包括以下步骤：

步骤一、建立所有高炉供料设备的反馈状态模型，具体包括：

步骤1-1、对所有高炉供料设备，逐一枚举出其包括运行状态、停止状态、各种故障状态在内的全部可能状态，记作条件A1；

步骤1-2、对所有高炉供料设备，逐一枚举出包括运行、停止在内的高炉供料自动控制系统可能对其发出的全部指令，记作条件A2；

步骤1-3、将条件A1和条件A2的各种可能性进行组合，并逐一推算在实际生产过程控制中高炉供料设备在同等状态下对高炉供料自动控制系统做出的反馈状态，记作反馈模型A1A2。

步骤二、建立高炉供料设备上的物料状态模型，包括：

其一、在称量斗配料时段，物料在各称量斗中的重量W(t_B1)i＝W_tB2+Gi×t₁；其中，i表示各称量斗的编号，Gi表示各给料机的给料速率，W_tB2表示放料过程结束后称量斗内物料的重量，t₁表示配料时间；

其二、在称量斗向皮带上放料的时段，物料在各称量斗中的重量W(t_B2)i＝W_tB1-Pi×t₂；其中i表示各称量斗的编号；Pi：表示各称量斗的放料速度；W_tB1：表示配料过程结束后称量斗内物料的重量；t₂表示放料时间；

其三、物料在皮带上的运行时段，物料头部在皮带上运行位置与时间的关系函数及物料尾部在皮带上运行的位置与时间的关系函数：

Sj(t_headj)＝Vj×t_headj；

Sj(t_endj)＝Vj×t_endj；

上述Sj(t_headj)表示物料的头部在皮带j上的运行距离；

t_headj表示物料的头部在皮带j上的运行时间；

Sj(t_endj)表示物料的尾部在皮带j上的运行距离；

t_endj表示物料的尾部在皮带j上的运行时间；

Vj表示皮带j的运行速度。

步骤三、高炉供料自动控制仿真系统接收到高炉供料自动控制系统的控制指令，

步骤四、根据控制指令参数，查找出反馈模型A1A2相应的反馈状态，向高炉供料自动控制系统反馈；

步骤五、根据控制指令参数及其高炉供料设备反馈状态、时间参数，按上述步骤二的模型，仿真计算物料状态，向高炉供料自动控制系统反馈。

进一步的，本发明还包括以下步骤：

高炉供料自动控制系统收到所述高炉供料自动控制仿真系统的状态反馈后，向所述高炉供料自动控制仿真系统再次发出控制指令，

所述高炉供料自动控制仿真系统重复执行所述步骤四、步骤五。

本发明与现有技术相比，具有以下主要的优点：

其一、目前还没有针对高炉供料过程的仿真，各大高炉的供料自动控制系统均在实际生产过程中进行调校、改进、完善和分析。受生产工况的影响，自动控制系统没有机会进行充分的分析和完善，造成自动控制系统稳定性、精准度不够，性能不完善。反过来，控制系统的不完善大大影响了生产效率的提高，品质的提升和资源的节约。本仿真方法提供了一种脱离实际高炉生产的仿真方式，可方便地测试自动控制系统，不断完善、提升控制系统和控制水平。

其二、不仅能够实现对具体设备运行状态的仿真，还可实现对整个工艺过程，料流状态的仿真。可对特定的工艺过程和状态进行深入地分析，改进、提高工艺水平和生产水平。

其三、可以通过仿真方式对操作人员进行培训。与目前各大钢铁企业将操作人员送往其他高炉进行培训的方式相比，费用大为减少，因各个高炉的工艺和控制系统不可能完全相同，采用所使用的控制系统的仿真方式进行培训，针对性更强，可以人为和随机地模拟各种故障状态，培训操作人员的高效处理能力而不受实际生产状态的影响，培训效果更好。

其四、本发明可既能够通过仿真，完全脱离实际的工艺设备，完整地模拟高炉实际的供料工艺系统生产状态；也能够对实际工艺生产过程进行控制，并能够方便地在运行仿真和进行实际工艺生产过程控制之间进行切换。

附图说明

图1是本发明系统结构图。

图2是本发明的高炉供料自动控制仿真系统构建图。

图3是本发明高炉供料系统仿真方法步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，高炉供料自动控制系统设置外部数据交换存储区，和外部I/O端口缓存数据区。外部I/O端口缓存数据区用于存放高炉供料生产过程控制系统和实际物理设备间的交换信号，包括高炉供料生产过程控制系统向实际物理设备发送指令、实际物理设备向高炉供料生产过程控制系统反馈的状态信号；外部数据交换存储区用于存放高炉供料生产过程控制系统和仿真系统间的交换信号，包括生产过程控制系统向仿真系统发送指令、仿真系统向生产过程控制系统反馈的状态信号、模型计算出的各称量斗的物料重量、模型计算出的料头/料尾的位置等各种模拟实际状态的有关参数。

高炉供料自动控制系统包括数据访问控制功能，数据访问控制功能，可以控制对数据存储区的访问，可访问外部I/O端口缓存数据区，或者访问外部数据交换储存区。当生产过程控制系统访问外部I/O端口缓存数据区时，即通过外部I/O端口缓存数据区向实际工艺设备发送指令，并接受实际工艺设备反馈的状态信号，可实现对实际工艺生产过程的控制；当生产过程控制系统访问外部数据交换储存区时，即生产过程控制系统通过外部数据交换储存区向仿真系统发送指令，并接受仿真系统模拟实际工艺设备反馈的状态信号，可完全脱离实际的工艺设备，完整地模拟高炉供料系统生产状态。实际的高炉供料控制和进行仿真时，生产过程控制功能相同的。只需通过数据访问控制功能，访问不同的存储区，即可方便地实现生产过程控制和仿真之间的切换。访问控制调度通过可编程逻辑控制器切换数据访问通道来实现，不需要增加额外的硬件。

如图2所示，高炉供料自动控制仿真系统的构建包括：

(一)建立对高炉供料设备反馈状态模型构建：

对所有高炉供料设备，逐一枚举出其包括运行状态、停止状态、各种故障状态在内的全部可能状态，记作条件A1；

对所有高炉供料设备，逐一枚举出包括运行、停止在内的高炉供料自动控制系统可能对其发出的全部指令，记作条件A2；

将条件A1和条件A2的各种可能性进行组合，并逐一推算在实际生产过程控制中高炉供料设备在同等状态下对高炉供料自动控制系统做出的反馈状态，记作反馈模型A1A2。

(二)建立高炉供料设备上的物料状态模型，包括：

其一、在称量斗配料时段，物料在各称量斗中的重量W(t_B1)i＝W_tB2+Gi×t₁；其中，i表示各称量斗的编号，Gi表示各给料机的给料速率，W_tB2表示放料过程结束后称量斗内物料的重量，t₁表示配料时间；

其二、在称量斗向皮带上放料的时段，物料在各称量斗中的重量W(t_B2)i＝W_tB1-Pi×t₂；其中i表示各称量斗的编号；Pi：表示各称量斗的放料速度；W_tB1：表示配料过程结束后称量斗内物料的重量；t₂表示放料时间；

其三、物料在皮带上的运行时段，物料头部在皮带上运行位置与时间的关系函数及物料尾部在皮带上运行的位置与时间的关系函数：

Sj(t_headj)＝Vj×t_headj；

Sj(t_endj)＝Vj×t_endj；

上述Sj(t_headj)表示物料的头部在皮带j上的运行距离；

t_headj表示物料的头部在皮带j上的运行时间；

Sj(t_endj)表示物料的尾部在皮带j上的运行距离；

t_endj表示物料的尾部在皮带j上的运行时间；

Vj表示皮带j的运行速度。

如图3所示的高炉供料系统仿真方法步骤流程，包括：

步骤100、建立所有高炉供料设备的反馈状态模型，具体包括：

步骤101、对所有高炉供料设备，逐一枚举出其包括运行状态、停止状态、各种故障状态在内的全部可能状态，记作条件A1；

步骤102、对所有高炉供料设备，逐一枚举出包括运行、停止在内的高炉供料自动控制系统可能对其发出的全部指令，记作条件A2；

步骤103、将条件A1和条件A2的各种可能性进行组合，并逐一推算在实际生产过程控制中高炉供料设备在同等状态下对高炉供料自动控制系统做出的反馈状态，记作反馈模型A1A2。

步骤110、建立高炉供料设备上的物料状态模型，包括在称量斗配料时段，物料在各称量斗中的重量W(t_B1)i、在称量斗向皮带上放料的时段，物料在各称量斗中的重量W(t_B2)i、物料在皮带上的运行时段，物料头部在皮带上运行位置与时间的关系函数及物料尾部在皮带上运行的位置与时间的关系函数：Sj(t_headj)、Sj(t_endj)；

步骤120、高炉供料自动控制仿真系统接收到高炉供料自动控制系统的控制指令，

步骤130、根据控制指令参数，查找出反馈模型A1A2相应的反馈状态，向高炉供料自动控制系统反馈；

步骤140、根据控制指令参数及其高炉供料设备反馈状态、时间参数，按上述步骤110的模型，仿真计算物料状态，向高炉供料自动控制系统反馈；然后返回步骤120。

本发明高炉供料自动控制系统的整体工作过程如下：

操作人员通过高炉控制系统终端上的操作界面预先在画面上设置供料参数，并通过画面上的选择按钮选择是采用仿真模式还是采用生产模式。

如果操作人员选择仿真模式，高炉供料生产过程控制系统不会对实际供料设备发出任何指令也不接受实际的供料设备反馈的任何信号。供料过程可分为四个部分：称量、放料、上料、装料。

称量：生产过程控制系统会根据供料参数向相应的给料机模块发出指令启动模拟给料机向称量斗内加料；仿真系统根据计算模型模拟称量斗内重量不断增加的过程；当达到计算值后过程控制系统发出指令使仿真给料机停止运行；给料机模型仿真给料机的惯性余震，给料机在延时一小段时间后才完全停止给料，相应的称量斗内重量在给料机完全停止后才停止增加；

放料：当仿真的炉顶模型发出要料信号后，仿真系统发出指令使相应的皮带机模型开始运行，相应的称量斗闸门模型模拟闸门打开；仿真系统根据计算模型模拟称量斗内重量不断减少的过程，和实际过程一样，当称量斗内剩有少量物料时，计算模型模拟称量斗内重量不再减少，即有少量余料留在称量斗内。

上料：当物料开始从称量斗放到皮带上时，仿真系统根据计算模型模拟相应的物料头部和尾部从该称量斗所在位置开始在皮带上运行至炉顶的过程，中间会经过多条转运皮带，仿真系统计算物料在各条皮带上的运动距离，并将数据传给生产过程控制系统，最终在供料控制系统终端上显示出物料头、尾所在位置；

装料：当物料头部到达炉顶时，仿真系统根据计算模型模拟物料离开皮带进入炉顶料罐的过程，炉顶料罐模型模拟炉顶料罐内物料的重量不断增加，直到该料批全部进入炉顶料罐，同时仿真系统计算出该料批的料尾离开皮带的尾端，并将相关数据传给高炉供料自动控制系统，在高炉供料控制系统终端上显示出物料进入炉顶的过程；

所有过程都可通过供料控制系统终端进行监控，当一批物料完成称量、放料、上料、装料的过程后，下一料批继续重复称量、放料、上料、装料的过程。

如果操作人员选择生产模式，高炉供料生产过程控制系统不会对仿真系统发出任何指令也不接受仿真系统反馈的任何信号，高炉供料生产过程控制系统只对实际的供料设备发出指令并接受实际的供料设备反馈的信号。该过程属于现有技术的内容，故不再赘述。

最后所应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种高炉供料自动控制系统，通过其外部I/O端口缓存数据区向高炉供料设备发出控制指令并接受高炉供料设备的状态反馈，其特征在于，还通过其外部数据交换储存区连接高炉供料自动控制仿真系统，并向高炉供料自动控制仿真系统发出控制指令，所述高炉供料自动控制仿真系统模拟出该控制指令下的包括高炉供料设备运行状态、物料运动位置状态的状态反馈信号，向高炉供料自动控制系统反馈；所述外部I/O端口缓存数据区与外部数据交换储存区的访问由高炉供料自动控制系统进行数据访问切换控制，实现实际生产过程控制和仿真生产过程控制之间的切换。

2.根据权利要求1所述的高炉供料自动控制系统，其特征在于，所述高炉供料自动控制仿真系统运行包括以下步骤：

步骤一、建立所有高炉供料设备的反馈状态模型，具体包括：

步骤1-1、对所有高炉供料设备，逐一枚举出其包括运行状态、停止状态、各种故障状态在内的全部可能状态，记作条件A1；

步骤1-2、对所有高炉供料设备，逐一枚举出包括运行、停止在内的高炉供料自动控制系统可能对其发出的全部指令，记作条件A2；

步骤1-3、将条件A1和条件A2的各种可能性进行组合，并逐一推算在实际生产过程控制中高炉供料设备在同等状态下对高炉供料自动控制系统做出的反馈状态，记作反馈模型A1A2。

步骤二、建立高炉供料设备上的物料状态模型，包括：

其一、在称量斗配料时段，物料在各称量斗中的重量W(tB1)i＝WtB2+Gi×t1；其中，i表示各称量斗的编号，Gi表示各给料机的给料速率，WtB2表示放料过程结束后称量斗内物料的重量，t1表示配料时间；

其二、在称量斗向皮带上放料的时段，物料在各称量斗中的重量W(tB2)i＝WtB1-Pi×t2；其中i表示各称量斗的编号；Pi：表示各称量斗的放料速度；WtB1表示配料过程结束后称量斗内物料的重量；t2表示放料时间；

其三、物料在皮带上的运行时段，物料头部在皮带上运行位置与时间的关系函数及物料尾部在皮带上运行的位置与时间的关系函数：

Sj(theadj)＝Vj×theadj；

Sj(tendj)＝Vj×tendj；

上述Sj(theadj)表示物料的头部在皮带j上的运行距离；

theadj表示物料的头部在皮带j上的运行时间；

Sj(tendj)表示物料的尾部在皮带j上的运行距离；

tendj表示物料的尾部在皮带j上的运行时间；

Vj表示皮带j的运行速度。

步骤三、高炉供料自动控制仿真系统接收到高炉供料自动控制系统的控制指令，

步骤四、根据控制指令参数，查找出反馈模型A1A2相应的反馈状态，向高炉供料自动控制系统反馈；

步骤五、根据控制指令参数及其高炉供料设备反馈状态、时间参数，按上述步骤二的模型，仿真计算物料状态，向高炉供料自动控制系统反馈。

3.根据权利要求2所述的高炉供料自动控制系统，其特征在于，还包括以下步骤：

高炉供料自动控制系统收到所述高炉供料自动控制仿真系统的状态反馈后，向所述高炉供料自动控制仿真系统再次发出控制指令，

所述高炉供料自动控制仿真系统重复执行所述步骤四、步骤五。

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