TWI779724B - 熔爐操作的控制方法、系統及儲存有用於執行該方法的一程式之電腦可讀媒體 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種熔爐之控制方案，可利用即時及歷史資料對性能建模，並判定不同資料與性能參數間之關係，用以及時修正熔爐未達最佳標準之性能。可記錄一時期中所有週期之操作參數以建立基線資料，而後利用基線資料計算程序性能。可執行迴歸分析以判定何種參數於何種方面影響性能，而後利用此等關係在單一週期中即時預測性能，並提供閉迴路或開迴路回饋以控制熔爐之操作，從而提升性能。

Description

熔爐操作的控制方法、系統及儲存有用於執行該方法的 一程式之電腦可讀媒體
本發明係關於用以熔化含金屬材料之熔爐之操作控制器及其製作與使用方法。
再煉金屬回收與再處理程序可能涉及熔化金屬廢料自各種來源及上游程序。待回收之廢料往往具有迥異之形狀、尺寸及組成，故而熔化程序必須能夠容納輸入廢料之種種差異。因此，用於金屬回收或再處理之熔爐所需能量可能需要視熔化作業需求而頻繁變動，從而使得熔爐之操作效率及產能難以維持穩定。若操作者必須同時處理多個熔爐，出於程序變化之不利結果可能更趨嚴重。
再煉金屬回收程序之範例可參考美國專利案第4,484,947號及美國專利申請公開案第2019/0360067號。美國專利案第4,484,947號係關於封閉爐床之熔鋁程序之控制，其係透過測量熔爐內之特定溫度，並調整燃燒器之燃燒 速度，以加速鋁材熔化。美國專利申請公開案第2019/0360067號揭露一種用以控制熔爐之熔化程序之系統。
本案發明人發現，金屬再煉重熔程序或回收程序(再煉鋁重熔/回收程序、再煉銅重熔/回收程序、再煉鋼重熔或回收程序，再煉鉛重熔或回收程序，再煉鐵重熔或回收程序等)可能存在有極大變動，包含渣滓材料、回收金屬(例如鋁)及重熔金屬(例如重熔用之鋁、銅、鐵、鉛或鋼等)。本案發明人發現，自爐料到熔爐條件，乃至於操作，均可能產生大量變化。此等變化性來源可能為程序帶來大量不確定性，導致性能結果大幅波動。
例如，爐料通常包含不同類型之廢料、渣滓及金屬材料，具有各種尺寸、形狀及組成。爐料中經常添加成份及用量各異之助熔劑(鹽類)。特定爐料類型，例如渣滓，可能因其產生方式之故，每批(或每週期)之組成及各種成分含量不盡相同。因此，即便是出於特定來源之單一類型渣滓材料，仍可能包含不同之金屬量(例如，30-50重量百分比之鋁)，使得輸入材料之變化更加難以掌握。
本案發明人發現，可利用熔爐條件設定多種可能對性能產生重大影響之熔爐參數，例如熔爐類型及狀態。熔爐類型可包含熔爐設計，例如旋轉、反射、側壁、雙腔等，連同熔爐配置，例如單通或雙通、燃燒器燃料類型、氧化器中含氧比例、煙道配置、燃燒器設計、燃燒器安裝細節(包含角度)、以及額定熔爐大小等。本案發明人發現，熔爐狀態可包含其溫度、潔淨度、耐火磚類型及條件、爐門條件(隔熱及密封)、特定週期中熔爐充滿程 度、建造材料(影響熱傳)、熔爐周遭條件(包含鄰近操作)，以及熔爐密封程度。熔爐操作(可於週期內變化)可包含若干參數，例如燃燒器燃燒速度、燃燒器操作變化(例如分階段操作)、燃料或氧化劑組成變化、煙道溫度、熔爐壓力、熔爐旋轉速度及方向、傾斜角度、熔爐旋轉馬達電流或液壓、爐門位置、操作人員、操作人員班次、熔渣及週期中任一時點之金屬氧化(例如鋁氧化)程度。
本案發明人亦發現，再煉金屬重熔(例如鋁重熔、銅重熔、鋼重熔等)可能仰賴操作人員對於熔爐內材料何時達到適當出爐溫度之決定及判斷。傳統上並無一致且準確之方法能夠判定金屬何時符合出爐條件。通常是由操作者觀察例如熔爐壁、流出物或爐料外觀等熔爐或操作特性而進行判斷，但此等特性可能缺乏明確標準且高度仰賴操作者經驗。本案發明人發現，程序變動及缺乏標準之操作者決定往往可能影響熔爐性能之穩定性。
質能平衡模型可用於計算熔爐內材料何時符合出爐條件(「熔化結束」計算)。美國專利申請公開案第2019/0360067號提供此種計算方法之範例。本案發明人發現，依據所用爐料，此種方法容易產生一定程度之誤差。例如，具有一範圍鋁含量之個別渣滓材料可能導致計算熔鋁所需能量時發生誤差，必須加以考量。例如，若特定渣滓之平均鋁含量為50%，但鋁含量範圍為40-60%，則實際鋁含量可為範圍內之任何數值。就10公噸之加料重量而言，理論上熔化含40、50及60%鋁之材料(假設剩餘材料為氧化鋁)所需之能量分別為約7,840兆焦耳(MJ)、8,260MJ及8,680MJ。因此，若質能平衡計算得出平均鋁含量為50%，計得之所需能量可為+/- 5%，亦即總可能範圍廣達約10%。本案發明人發現，此類錯誤之後果可能是在熔化週期結束時，若按照基於質量及 組成之初始估算之所需能量計算，爐料溫度會過低或過高(亦即加熱不足或過熱)。例如，若處理鋁材時加熱不足，則鋁可能無法吸收足夠能量以達到完全融化，導致回收鋁量大幅降低。另一方面，若物料過熱，則鋁可能吸收過多能量，而遠較所需程度為熱。由於鋁在高溫下將更快氧化，因而過熱亦可能影響鋁之回收。並且過熱之週期將耗用超過實際所需之時間及能量，從而降低產能並增加能量消耗及碳排放。
本案發明人開發出一種控制器及系統，其可利用一熔爐操作之控制方法解決上述問題。本發明之控制器、系統及方法之實施例可藉由提供基於歷史及即時資料之即時修正計算而考量爐料變化。實施例可配合金屬回收使用，例如處理渣滓材料、回收鋁、重熔用鋁、金屬之熔化、含金屬材料之熔化、金屬之回收、及含金屬材料之重熔。例如，在些許處理渣滓材料之些許實施例中，材料之處理可包含熔化渣滓材料之金屬成分，而後自金屬成分中分離出渣滓材料之氧化物部分(即便在渣滓材料之金屬已熔為液體或熔融狀態時，氧化物仍可能為固體型態)，藉此分離出渣滓材料之金屬組成中之氧化物部分。而後將金屬材料注入容器或其他形式以進行固化及/或運輸，以利將該金屬用於另一類型之程序(例如製造等等)，就用以處理含金屬材料之其他些許實施例而言，程序可包含重熔含金屬材料，藉此回收該材料中之金屬或實現該材料中金屬之其他些許末端用途。
在些許實施例中，可為控制器所利用之熔爐控制方案，係可採用即時及歷史資料建構性能模型，並判定不同資料與性能參數間之關係，從而即時(例如數秒內、數分鐘內、兩三分鐘內、5-10分鐘內、15分鐘內)修正熔爐未達最佳標準之性能。所述控制器之實施例可供用於開迴路控制方案或閉迴 路控制方案。所述控制器之實施例可經由一雲端式服務使用，所述雲端式服務是利用至少一網際網路連線(例如網際網路及/或至少一企業網路)或使控制器與熔爐組件位於同一網路中(例如經由一有線及/或無線通訊網路、區域網路等而設置於同一區域網路中)之區域式服務而實現。
根據本發明，可記錄一時期中所有週期之操作參數並儲存於控制器記憶體中，藉此建立基線資料集，而後控制器可利用此基線資料集計算程序之性能。所述控制器可執行迴歸分析，以判定何種參數影響性能之何種方面。確定之關係可用於在單一週期中即時預測性能，並提供閉迴路或開迴路回饋以控制熔爐操作，藉此提升熔爐性能並提高熔爐運作之獲益能力。例如，可自至少一參考模型之建立中找出至少一種顯著影響鋁氧化作用之參數，並藉由即時更改操作參數，以減少熔爐熔鋁時之鋁氧化，而對找出之該一或多個參數進行修改。控制器所使用之控制方案之實施例亦可運用於待以熔爐熔化之其他類型金屬，例如含鐵、鉛及/或銅之金屬，且可運用於不同類型之熔爐，包含例如反射、雙腔及側壁熔爐。
本發明用於控制熔爐之操作，以熔化包含有金屬之材料(例如含金屬材料)之方法的實施例，該方法可包含：在該熔爐之操作之複數個週期中，將關於該熔爐之爐料、熔爐條件及操作之資料儲存至一電腦裝置之一非暫態電腦可讀媒體內；基於該已儲存資料而建立或判定一或多個週期性能參數；基於該已儲存資料參數及該週期性能參數而建立一歷史資料儲存庫；判定該熔爐之操作之該一或多個週期之x變數，並將該等x變數饋入一迴歸模型，以判定該至少一x變數與至少一y變數間之關係，藉此定義至少一參考週期，其中，各 該y變數係分別對應於其中一各該週期性能參數；自該熔爐之複數個感應器接收即時資料；將來自該熔爐之該等感應器之該即時資料與該至少一參考週期比較，以判定是否需要對一或多項熔爐操作參數進行調整；以及若基於該熔爐之該等感應器之該即時資料與該至少一參考週期之比較，判定與該至少一參考週期之一差異符合或超過一顯著性閾值時，調整該熔爐之操作，使得該熔爐之操作經調整而趨向一預選熔爐性能。
在方法些許實施例中，該預選熔爐性能可由該至少一參考週期所定義。該至少一參考週期可為熔爐之一期望操作，此期望操作可基於參考熔爐之過往性能歷史資料而取得之模型。此等歷史資料可儲存於一歷史資料儲存庫中，其包含與熔爐熔化含金屬材料之過往操作週期相關的經驗資料。在些許實施例中，參考週期可視為熔爐之最佳性能操作設定。在其他實施例中，參考週期可為一預選熔爐性能，其係基於具有類似配置之熔爐之歷史操作資料(例如用以熔化相似類型材料之相同或類似熔爐型號等)。
本發明方法實施例亦可包含其他步驟。例如，所述方法可包含產生該至少一參考週期。該至少一參考週期之產生可包含對該等週期進行特性分析而劃分為一或多個材料群組，以產生該熔爐之期望性能之該至少一參考週期。
所述判定該一或多個參考週期之x變數可包含先自該等材料群組去除離群值資料，而後再將該等資料參數饋入迴歸模型。
在些許實施例中，至少一y變數可包含關於單位燃料消耗量之第一y變數、關於熔化率之第二y變數、及關於產量之第三y變數。在其他實施例 中，可能僅有單一y變數、僅有兩種y變數或超過三種y變數。在些許實施例中，該一或多個y變數可包含單位燃料消耗量、熔化率及產量或此等變數之組合中之至少一者。
各y變數之至少一參考週期可藉由確認熔爐之操作之一或多個最佳狀況週期而判定。最佳性能狀況週期可取自儲存於歷史資料儲存庫中之歷史資料及/或其他資料。在些許實施例中，最佳性能狀況週期可能取自熔爐之歷史資料，並經進一步修改以定義最佳性能狀況週期。所述修改可根據一或多個模型配合熔爐之過往操作週期之操作歷史資料及/或相似類型熔爐之過往操作之歷史資料而進行。
在些許實施例中，至少一參考週期是單一最佳參考週期。在其他實施例中，至少一參考週期包含基於待饋入熔爐之爐料所定義之多個最佳參考週期。各參考週期可為熔爐對特定類型爐料之操作之最佳狀況週期之一平均值。
迴歸模型可判定x變數與y變數間之關係，且亦可用於找出無意義之x變數，以便於建立至少一參考週期及/或進行其他分析時能夠去除無意義之x變數。
來自熔爐之該等感應器之即時資料可包含爐料資料、熔爐條件資料及操作資料。若資料是在熔爐當前操作時間之數秒內、數分鐘內、十分鐘內或15分鐘內，可視為即時資料。在些許實施例中，即時資料可以是熔爐當前操作時間之15分鐘或20分鐘內之資料。在其他實施例中，即時資料可以是熔爐 當前操作時間之1分鐘內或3分鐘內之資料。網路環境或系統環境之延遲可能影響所述即時資料與熔爐當前操作時間之接近程度。
本發明方法亦可包含將調整該熔爐之操作之資料傳遞至一操作者之一電腦裝置，使得該熔爐之操作經調整而趨向由該至少一參考週期所定義之該熔爐性能，藉以該熔爐之操作可經調整而趨向該熔爐之一期望性能。在其他實施例中，調整熔爐之操作之資料的傳遞係為自動提供，以立即實施而無需操作者核准變更之方式進行。在些許實施例中，所述調整熔爐之操作，使得熔爐之操作經調整，係包含將調整熔爐之操作之資料傳遞至一第一電腦裝置，第一電腦裝置與熔爐為操作性連接，藉以調整熔爐之操作。
本發明亦提供一種非暫態電腦可讀媒體之實施例，所述非暫態電腦可讀媒體其儲存有一程式，該程式可定義一由運行該程式之電腦裝置所執行之方法，該方法可包含：(i)在一熔爐之操作之複數個週期中，儲存關於該熔爐之爐料、熔爐條件及操作之資料；(ii)基於該已儲存資料而建立或判定一或多個週期性能參數；(iii)基於該已儲存資料參數及該週期性能參數而建立一歷史資料儲存庫；(iv)對該等週期進行特性分析以產生一或多個參考週期；(v)判定該一或多個參考週期之x變數，並將該等x變數饋入一迴歸模型，以判定該至少一x變數與至少一y變數間之關係，藉此定義該至少一參考週期，其中，各該y變數係分別對應於其中一各該週期性能參數；(vi)當該熔爐在操作中以熔化爐料時，自該熔爐之複數個感應器接收即時資料；(vii)將來自該熔爐之該等感應器之該即時資料與該至少一參考週期比較，以判定是否需要對一或多項熔爐操作參數進行調整；以及(viii)若基於該熔爐之該等感應器 之該即時資料與該至少一參考週期之比對，判定與該至少一參考週期具有一偏差時，調整該熔爐之操作，使得該熔爐之操作經調整而趨向一預選熔爐性能。
由程式或程式代碼所定義之方法實施例可包含上述或本說明書中其他部分所述之方法實施例。例如，在些許實施例中，迴歸模型可判定x變數與y變數之關係，且亦用於找出無意義之x變數，以便將無意義之x變數自分析中去除。於另一範例中，由程式所定義之方法亦可包含將調整該熔爐之操作之資料傳遞至一操作者之一電腦裝置，使得該熔爐之操作經調整而趨向由該至少一參考週期所定義之該熔爐性能。
於另一範例中，預選熔爐性能可由至少一參考週期所定義。如上所述，在些許實施例中，可能由至少一參考週期定義預選熔爐性能。該至少一參考週期可為熔爐之一期望操作，此期望操作可基於參考熔爐之過往性能歷史資料而取得之模型。此等歷史資料可儲存於一歷史資料儲存庫中，其包含與熔爐熔化含金屬材料之過往操作週期相關的經驗資料。在些許實施例中，參考週期可視為熔爐之最佳性能操作設定。在其他實施例中，參考週期可為一預選熔爐性能，其係基於具有類似配置之熔爐之歷史操作資料(例如用以熔化相似類型材料之相同或類似熔爐型號等)。
本發明亦提供一種用以控制熔爐熔化爐料之系統，該系統可實施一方法實施例及/或利用非暫態電腦可讀媒體之實施例。在些許實施例中，該系統可包含一電腦裝置，通訊連接於該熔爐之複數個感應器，以於該熔爐之操作期間取得測量資料。該電腦裝置在該熔爐之操作之複數個週期中，將關於該熔爐之爐料、熔爐條件及操作之資料儲存至一非暫態電腦可讀媒體內，該非 暫態電腦可讀媒體與該電腦裝置之一處理器為通訊連接。該電腦裝置亦可基於該已儲存資料而建立或判定一或多個週期性能參數、基於該已儲存資料參數及該週期性能參數而建立一歷史資料儲存庫、以及產生一或多個參考週期。該電腦裝置亦可判定該一或多個參考週期之x變數，並將該等x變數饋入一迴歸模型，以判定該至少一x變數與至少一y變數間之關係，藉此定義該至少一參考週期，其中，各該y變數係分別對應於其中一各該週期性能參數。該電腦裝置亦可在基於該熔爐之該等感應器之即時資料與該至少一參考週期之比對，判定與該至少一參考週期具有一偏差時，發起對該熔爐之操作之調整，使得該熔爐之操作經調整而趨向一預選熔爐性能。
在該系統之些許實施例中，該電腦裝置可視為一第一電腦裝置。該第一電腦裝置可通訊連接於一操作者之一電腦裝置(可視為第二電腦裝置)。第一電腦裝置可藉由發送一通訊至操作者之電腦裝置而發起對熔爐之操作之調整，使得熔爐之操作經調整而趨向由至少一參考週期所定義之熔爐性能。所述通訊使得操作者之輸入可用以造成一或多個操作參數調整值改變。在其他實施例中，此通訊可發送而使得改變自動發生，無需操作者輸入。
在些許實施例中，該電腦裝置可調整熔爐之至少一控制參數以發起對熔爐之操作之調整，使得熔爐之操作經調整而趨向預選熔爐性能。如上所述，預選熔爐性能可由至少一參考週期所定義。例如，在些許實施例中，預選熔爐性能可由至少一參考週期定義。至少一參考週期可為熔爐之一期望操作，此期望操作可基於參考熔爐之過往性能歷史資料而取得之模型。此等歷史資料可儲存於一歷史資料儲存庫中，其包含與熔爐熔化含金屬材料之過往操作 週期相關的經驗資料。在些許實施例中，參考週期可視為熔爐之最佳性能操作設定。在其他實施例中，參考週期可為一預選熔爐性能，其係基於具有類似配置之熔爐之歷史操作資料(例如用以熔化相似類型材料之相同或類似熔爐型號等)。
該系統之實施例亦可包含其他組件，例如，該系統可包含熔爐及/或熔爐之該等感應器。該系統亦可包含其他元件，例如一或多個熔爐程式邏輯控制器及/或一或多個用以將熔爐之該等感應器連接至電腦裝置以便將感應器資料傳輸至電腦裝置之網路節點(例如路由器、閘道器存取點、橋接器等)等。
本發明熔爐之控制器、利用此控制器之系統、及控制器之製作與使用方法之其他詳情、目的及優點，將藉由以下特定範例實施例之敘述加以陳明。
1:系統
2:熔爐
2a:爐門
2b:燃燒器
2c:腔室
2f:煙道
2v:容器
3:控制器
5:介面
7:處理器
9:記憶體
9a:應用程式
9b:資料儲存庫
10:電腦裝置
11:節點
S1:第一步驟
S2:第二步驟
S3:第三步驟
S4:第四步驟
S5:第五步驟
S6:第六步驟
S7:第七步驟
S8:第八步驟
本發明用以控制熔爐操作之系統、熔爐之控制器及其製作與使用方法之範例實施例係如各圖式所示。應知各圖中係以相似之參考符號標示相似之組件。例如，於特定圖式中，「Temp.」意指溫度。
圖1為用以控制熔爐操作之系統之第一範例實施例之示意圖。中間節點11，以及中間節點11、控制器3、電腦裝置10及熔爐2(例如熔爐感應器及熔爐之可編程邏輯控制器等)間之通訊連接於圖1以虛線表示。
圖2之方塊圖說明控制方法，其可被用以控制熔爐操作之系統之第一範例實施例之控制器實施例所應用。
圖3之圖表顯示一熔化校正之結束範例。
圖4之圖表顯示一可對金屬氧化(例如鋁氧化)之校正範例。
圖5之圖表顯示，隨材料產量增加，澆注溫度對產量損失之影響降低直到約60%產量為止，超過後即再度開始增加。換言之，60%產量材料對澆注之產量損失敏感度最低。圖5之y軸為指數函數之係數，其為澆注溫度除以680℃。(「指數函數之係數(coefficient of exp.)(澆注溫度/680℃)」)。
圖6之圖表顯示材料產量對熔化率係數對產量損失之影響。此圖顯示隨材料產量增加，平均而言，產量損失對熔化率之敏感度亦增加。
圖7之圖表顯示用以控制熔爐操作之系統之第一範例實施例中，若待熔化之爐料包含鋁，產量損失(y軸)受爐料中鋁含量(x軸)之影響情形。
圖8之圖表顯示用以控制熔爐操作之系統之第一範例實施例中，若待熔化之爐料包含鋁，產量損失(y軸)與出爐溫度(x軸)間之關係。此圖之範例顯示出爐溫度對金屬損失(在此指鋁損失)之重要性。例如，在圖8之範例中，若爐料之鋁含量為80%，900℃出爐之液態鋁相較於750℃將導致約3%之額外產量損失。
參照圖1至圖8，本發明之用以控制熔爐2之操作之系統1，其包含一控制器3，其係通訊連接於熔爐之複數個感應器，該等感應器收集關於熔爐之各種操作參數之資料。在些許實施例中，控制器3可為一電腦裝置，其通訊連接於副數個感應器及一或多個程式邏輯控制器(PLC)或其他類型之控制器，該等控制器又連接至熔爐以控制熔爐之操作。
控制器3可經由專屬有線及/或無線直接連接於PLC或其他控制器，或經由一或多個網路連接(例如網際網路連線、區域網路連接、無線區域網路連接等)內所含中間節點11而間接連接於PLC或其他控制器。例如，控制器3可為一經由網際網路連線連接之遠距雲端控制器3，其中具有至少一類型之中間節點11，以利實現控制器3與熔爐2之一或多個PLC間之通訊連接，以及控制器3對熔爐2之一或多個感應器之通訊連接。各中間節點11可為一橋接器、路由器、存取點、閘道器或其他類型之中間節點。可設有一或多個此種中間節點以利經由網路連接實現通訊連接。在些許實施例中，可利用一中間節點11收集來自熔爐之該等感應器之感應器資料，而後將此資料提供至控制器3。上述資料收集與傳輸可為週期性執行(例如每幾秒一次、每分鐘一次、至少每5至10分鐘一次等)。控制器3可利用上述感應器資料對一或多個PLC及/一或操作者之一電腦裝置10提供一或多個控制訊息，以利於控制器3判定需要進行調整時，調整熔爐之操作。
在其他實施例中，控制器3可為與熔爐感應器、PLC或其他控制器在同一企業網路中之電腦裝置，用以通訊連接該等控制器及感應器。於此類 安排中，仍可設有一或多個中間節點11，用以促進網路連接。所述中間節點11可包含路由器、存取點或其他類型之區域網路節點元件中之一或多者。
在些許實施例中，控制器3可通訊連接於操作者之電腦裝置10，操作者使用電腦10監督並/或監控熔爐操作。控制器3可與操作者之電腦裝置10通訊，以傳遞待由電腦裝置10及/或操作者所實施之熔爐操作調整資訊。例如，控制器3可發送一或多個訊息至操作者之電腦裝置10，以在開迴路控制方案實施中建議對一或多項操作設定值之變更，供操作者使用而啟動對一或多項設定值之變更。控制器3與操作者之電腦裝置10間之此一通訊連接可經由至少一應用編程介面(API)及/或其他通訊連接介面促成。些許實施例中，發送至操作者電腦裝置10之訊息，其可與在操作者電腦裝置10上所運行之自動化程序控制程式共同作用，以便操作者按照控制器3所發出訊息中之建議，輕鬆調整設定值。經由操作者電腦裝置10顯示之一或多個圖形使用者介面可顯示由控制器所發出之一或多個訊息，以便操作者經由輸入而確認控制器3所傳遞之一或多個熔爐操作之建議調整值。
熔爐可包含能夠啟閉之爐門2a。爐門2a可在全閉與全開位置間移動。爐門2a亦可移動至一部分開啟位置，以便倒出材料並/或將爐料饋入熔爐之腔室。例如，爐門2a可全開或至少部分開啟，使得爐料可放入熔爐之腔室中而在熔爐之腔室中熔化。爐門2a可閉合以封閉腔室2c進行金屬熔化。爐門2a可全開或至少部分開啟，以開放腔室，供熔融金屬倒出熔爐之腔室並進入至少一容器2v。
熔爐2亦可包含一煙道2f，因此當腔室內材料經至少一燃燒器2b加熱時，燃燒氣體可經由煙道2f流出熔爐腔室。熔爐之燃燒器2b可利用經由饋入燃燒器之空氣或其他類型之含氧氣流而燃燒燃料，從而加熱並熔化腔室內之金屬及其他材料(例如待熔化金屬)。煙道2f可與腔室流體連通，使得高溫燃燒氣體能夠排出腔室。一或多個煙道氣體處理機構可連接至煙道，用以接收煙道氣體，並在氣體自熔爐排出及/或做為燃燒氣體之成分而回收至熔爐之前，對該氣體進行處理等等。
熔爐2之該等感應器可包含溫度感應器、壓力感應器、成分偵測感應器、操作參數感應器(例如煙道氣體之流速、煙道氣體之組成、煙道氣體之溫度等)。控制器3可經由有線連接及/或無線通訊連接而與該等感應器通訊連接。在些許實施例中，控制器可直接經由線路及控制器之介面5連接於一或多個感應器。控制器3亦可同時或改為經由至少一網路通訊連接於部分或全部感應器。在些許實施例中，可由中間節點11儲存感應器資料，而後定期將資料傳送至控制器3，或立即傳輸資料以將控制器3連接至該等感應器。在些許實施例中，該等感應器與控制器間設有一或多個中間節點11，以利將感應器資料傳遞至控制器3，並儲存於控制器3之記憶體或可供控制器3存取之記憶體(例如與控制器3相連之伺服器記憶體)。控制器3與該等感應器可經由至少一網路(例如區域網路、網際網路、企業網路等)而通訊相連。
控制器3可為一電腦裝置，例如控制器裝置、工作站、伺服器、提供熔爐控制服務之伺服器陣列、桌上型電腦、筆記型電腦或其他類型之電腦裝置。控制器3可與熔爐2設置於一處，或可遠離熔爐而經由遠距通訊連接熔爐 之該等感應器及其他資料輸入機構(例如可經由網際網路連接之雲端式服務、可經由廣域網路連接之網路式服務等)。
控制器3之硬體部分可具有至少一介面5及與至少一處理器(CPU)7連接之非暫態記憶體9。處理器7可為一中央處理單元、至少一核心處理器或其他類型之硬體處理器元件。記憶體9可為快閃記憶體、硬碟、固態硬碟或其他類型記憶體。各介面5可用於提供通訊連接(例如包含一無線網路轉接器、乙太網路轉接器、近場通訊轉接器、藍牙轉接器及/或至少一網路介面卡(NIC)等等)。
記憶體9上儲存有至少一應用程式(App)9a及至少一資料儲存庫9b(於圖中稱為至少一資料儲存「DS」)。資料儲存庫9b可包含長時間收集自一或多個感應器之資料、程式功能、資料檔案、資料庫、含感應器資料之資料庫及/或其他資訊。應用程式9a可包含定義一方法之指令，所述方法可在處理器7運行應用程式時由控制器3執行。應用程式可包含在運行應用程式9a時要求處理器7利用一或多個資料庫9b中所含資訊之代碼。在些許實施例中，控制器3可為一提供雲端式熔爐控制服務之伺服器，其與一程序控制系統中之一或多個電腦裝置10通訊，該程序控制系統可監控及/或監督熔爐之控制操作。在其他實施例中，控制器3可併入或實施為本地安裝自動化控制系統中之電腦裝置。
控制器3可包含或連接一顯示裝置或一附有顯示裝置之電腦裝置10(例如附有顯示器之筆記型電腦、附有顯示器之工作站、附有觸控螢幕之平板電腦等)。由控制器3所產生之資料可傳遞至具有顯示器之電腦裝置10，以 產生圖形內容，顯示使用者介面，向使用者(例如操作人員)顯示資料，供使用者用以監控熔爐操作並/或監視熔爐操作。在些許實施例中，電腦裝置10所屬之工作站可執行自動化程序控制程式，用以監視並/或監控熔爐2之操作，且電腦裝置10所顯示之圖形化使用者介面可包含接收自控制器3之資料，並使用特定類型之圖形元件或顯示元件顯示至少部分上述資料，將關於熔爐操作之資料傳遞予使用者，以便使用者據以監控並/或調整熔爐之操作(例如確認期望之出爐時間、調整熔爐之溫度設定點等等)。控制器3亦可將資料傳遞至其他通訊裝置(例如桌上型電腦、筆記型電腦、智慧型手機)，以提供關於熔爐操作之資料。在些許實施例中，控制器3可經由至少一應用編程介面(API)或其他類型之介面，與操作者或其他人員之電腦裝置10通訊，以傳遞上述資料。
控制器3可自該等感應器接收資料，並將該資料儲存在至少一資料儲存庫9b達一預選時期，以儲存熔爐2之操作之預選數量週期之基線資料集。部分資料亦可能來自非感應器裝置，例如由使用者利用輸入裝置手動輸入之資料或來自與饋入熔爐材料秤重設備相連之電腦裝置。在些許實施例中，此基線資料集可經由複製儲存於已監控先前熔爐操作週期之自動化程序控制系統中之熔爐操作資料，並儲存於至少一資料儲存庫9b中，因此若控制器3已有為預先存在熔爐2而裝設使用，則儲存之基線資料集可供控制器存取，無需任何延遲。在其他實施例中，基線資料集可包含收集自可配合控制器3所使用之類似熔爐之模型外熔爐測量資料。待此基線資料集存入可供控制器存取之記憶體(例如控制器之記憶體或工作站記憶體、資料庫伺服器，或其他通訊連接於控制器3而使得控制器可存取該資料之裝置)後，控制器可設為啟用狀態以監控及/或控制熔爐操作。
儲存於記憶體中供控制器3存取之資料，可包含來自該等感應器之資料及屬於多種類別之其他大量參數來源。上述類別可包含，例如爐料、熔爐條件及操作，如可自圖2得知者。操作資料可為在熔爐之連續操作週期中或熔爐2批次或半批次處理過程中任何時間點所取得之操作資料。感應器資料以及此種類別之其他資料可包含以下全部或以下項目之選列子集：
I.爐料：
a.類型(例如廢料、渣滓、金屬物質、助熔劑)；b.重量/質量；c.產地；d.大小及形狀(例如體積、表面積、長度、寬度、直徑等)；以及e.組成(例如特定類型金屬之重量%、爐料之不同成分之重量%等)。
II.熔爐條件
a.類型(例如旋轉、反射、側壁、雙腔等)；b.配置(例如單通、雙通等)；c.建造材料(例如耐火磚類型、厚度等)；d.爐門(例如類型、大小、形狀、位置、數量)；e.煙道(例如類型、大小、形狀、位置、數量)；f.燃燒器(例如類型、大小、位置、方向、燃料類型、氧化器中含氧量、數量等)；以及 g.狀態(例如溫度、潔淨度、耐火磚條件、爐門條件、熔爐充滿程度、周遭條件、密封效果等)。
III.操作
a.燃燒器燃燒速度(高、中、低、關)；b.化學計量比；c.煙道溫度(例如測得溫度、誤差校正後溫度等)及控制(例如調節風門或過濾裝置/袋式集塵器設定等)；d.熔爐旋轉速度及方向(順時針、逆時針、以每秒圈數或每分鐘圈數或以例如m/s等其他單位計之旋轉速度)；e.傾斜角度；f.熔爐筒旋轉阻力(例如馬達電流、液壓)；g.熔爐壓力；h.爐門位置；i.操作者及班次；j.熔渣(重量、條件、溫度)；以及k.所供應燃料或氧化劑之變化。
資料儲存亦可包含上述以外之其他資料。以上提供為各種資料之非限制性範例，其可儲存於記憶體中供控制器3存取，而使控制器能夠加以利用並進行熔爐2之操作管理及/或監控。
如圖2所示，根據此基線資料集，控制器可處理該資料以在週期進行中及週期完成後定義性能參數。所述週期性能參數之範例可包含以下全部或以下項目之選列子集：
週期性能參數
1.單位燃料消耗量(「SFC」)，其定義為週期所用燃料除以總加料重量。
2.化學計量比，其可定義為燃料對氧之比率相較於燃料對空氣之氧、實質上純氧或其任何組合中之完美燃燒比。
3.金屬回收，其可定義為回收之金屬(例如鋁、銅、鋼、鐵、鉛等等)之質量，除以投入熔爐中含金屬廢料之質量。金屬回收亦可定義為熔爐操作之產量(例如自饋入熔爐之爐料之質量所回收之金屬量)。
4.鹽使用(質量或供料百分比)。
5.熔渣使用(質量或供料百分比)。
6.熔化率，其可定義為總加料重量除以自開始燃燒到開始出爐之時間。
7.能量損失(例如煙道損失、對流損失、輻射損失、圖1所示之熱損失等)。
8.有用能量(例如為爐料所吸收以使爐料熔化之能量)。
9.金屬氧化(估算)，例如待由熔爐熔化之特定金屬之鋁氧化、銅氧化等。
所述週期性能參數亦可包含上列以外之其他參數。以上所列僅為控制器所決定並儲存於記憶體中供控制器3存取之不同週期性能參數之非限制性範例，使控制器能夠在其操作期間利用該等參數進行熔爐2操作之管理及/或監控。
參照圖2，可將基線資料及週期性能參數儲存於可供控制器3存取之記憶體中。此外，熔爐2可操作若干週期，供控制器將相關操作資料及該資料之週期性能參數儲存於記憶體，以利控制器3後續存取使用。控制器可儲存上述資料及性能參數以建立一歷史資料儲存庫9b。
控制器3亦可利用歷史資料儲存庫，使得熔爐操作之每一週期之資料類別及週期性能參數資料經特徵分析後存入材料特性資料儲存庫9b，其中係將爐料依類似尺寸、形狀、組成及/或來源分組歸類。控制器可形成並調整來自歷史資料儲存庫之材料特性資料儲存庫9b，藉此去除歷史資料儲存庫所用之各材料類型之離群值資料，以確保所用資料及性能參數落入一平均值之一特定變異範圍內。用於選擇及刪除離群值資料之所選變異範圍可取決於材料類型及其他因素(例如歷史資料集範圍之期望精確度、歷史資料集之資料之期望統計顯著性等)。
去除離群值資料後(在去除離群值資料之實施例中)，控制器可對材料類型資料儲存庫9b之每一材料類型進行處理，以形成一或多個參考週期資料儲存庫9b。參考週期資料儲存庫可包含至少一參考週期，此參考週期展現熔爐使用特定類型爐料時之預選性能或使用不同條件及材料時之平均值。在一實施例中，一參考週期可代表特定條件下之一最佳性能。在另一範例實例 中，參考週期可代表一平均性能或其他用於比較目的之基準。例如，可利用具有最高SFC或最低SFC之週期之平均值計算相對性能，而後可將計算所得之相對性能用於與其他週期及當前週期性能進行比較。
控制器可利用材料特性資料儲存庫9b定義各類型材料之若干x變數，以便進行迴歸分析。決定之x變數可為分類出之各類型爐料定義若干熔爐條件及操作之資料參數，以利針對一饋入熔爐之特定類型爐料，分析資料參數(x變數)與週期性能參數(視為y變數)間之關係。
待x變數及y變數定義後，控制器3可執行迴歸分析，以判定關鍵性能指標與歷史資料儲存庫9b中所記錄資料之關係。在此程序中，低顯著性x變數是對更新迴歸模型後續使用之特定y變數及其對各種y變數之評估具有最低影響者。
迴歸模型之結果可之後用於提供即時調整值以控制熔爐之操作。例如，來自迴歸模型之結果可用於使用在特定熔爐操作之週期中即時取得之顯著x變數資料，且該資料可用於計算一期望週期性能參數值，以改善該週期之熔爐操作。此可實施於熔爐之一或多種週期性能參數。
控制器3所利用之迴歸模型可定義一迴歸分析以產生各週期性能參數(y變數)之公式，以描述各y變數與不同資料參數(x變數)之關係。比對所有合理資料參數(x1、x2、x3...xn)可就關鍵性能指標(例如一或多個性能參數，其可各為一y變數)建立模型，以釐清各x變數對y變數之統計顯著性。係數(AN、BN、CN...NN)之p值可直接關聯於統計顯著性及各x變數與y變數之關係，據以判定何種x變數對於y變數具有統計上顯著性，何種則否。係 數之數值及符號(+/-)決定資料參數對性能參數之相對敏感度。迴歸模型可經設計而僅考量高顯著性之x變數(例如等於或超過預選統計顯著性閾值之顯著性)，且因此忽略顯著性係數低之x變數。低顯著性係數之範例為一或多個x變數經判定為對可能關注之操作參數y變數無重要影響(例如低於顯著性閾值之影響)者。各y變數(Y1、Y2、Y3...Yn)之公式之範例可包含，例如：
Y 1=A 1 x 1+B 1 x 2+C 1 x 3+…+N 1 x n
Y 2=A 2 x 1+B 2 x 2+C 2 x 3+…+N 2 x n
Y 3=A 3 x 1+B 3 x 2+C 3 x 3+…+N 3 x n
...
Y N =A N x 1+B N x 2+C N x 3+…+N N x n
迴歸模型中並可包含非線性項及關聯項以幫助提高預測準確度。該等項式之範例顯示如下，其中為求簡潔而省略較高值指數：Y 1=A 1 x 1+B 1 x 1 2+C 1 x 1 x 2+D 1 x 2+E 1 x 2 2+F 1 x 1 x 2 2+G 1 x 1 2 x 2+H 1 x 1 2 x 2 2+…
迴歸模型可包含較高值指數項。亦可利用例如部分最小平方、主成分或其他技術為性能建模。
控制器3可利用迴歸模型並基於即時接收之熔爐操作資料預測熔爐2之性能，提供即時回饋以改變熔爐之操作參數。在當前週期中所記錄之即時x變數資料可輸入迴歸模型之迴歸公式，在週期進行中與歷史資料儲存庫9b內資料之參考熔化值比對。控制器3可利用迴歸模型確認y變數(例如週期性能參數)是否開始偏離設定參考週期之參考案例值。若偵測到偏離，控制器3可判定必須變更何等控制參數以減少偏離。迴歸模型可用於根據目前進行中熔爐 操作之x變數資料優化所有y變數或任何數量之單一y變數，取決於與熔爐操作特定進行中週期之資料細節。例如，可就SFC進行優化。於另一範例中，可就熔爐之產量進行優化。在又一範例中，可利用控制器調整由本發明程序所判定之各種控制參數，就特定週期之產量以及SFC，基於熔爐操作該進行中週期之x變數資料而進行優化。
例如，控制器3可根據即時感應器資料計算鋁氧化相對程度(週期性能參數，迴歸模型之y變數)，利用歷史資料記錄及迴歸模型在目前熔爐操作週期中所判定之資料顯著性，執行迴歸分析並將結果用於即時調整熔爐操作。此鋁氧化估算值可於此週期中即時使用，以對控制器3之控制迴路提供回饋資訊，進而控制熔爐操作以減少鋁損失並改善產量。此方案亦能夠解決可能因特定爐料變化性所產生之質能平衡誤差。
如自上文及圖2可知，由控制器3所執行之控制程序實施例可包含在第一步驟S1中儲存關於爐料、熔爐條件及操作之資料參數。此儲存之資料可隨後在第二步驟S2中用於建立歷史資料儲存庫。來自步驟S1之資料參數儲存亦用於計算性能參數，此性能參數亦於第二步驟S2時存入歷史資料中以形成歷史資料儲存庫9b。
於第三步驟S3中，對週期進行特性分析，將其分為一或多個材料群組，並在第四步驟S4中進一步分析以計算資料及性能參數之平均值與變異。於第四步驟S4中藉由辨識超出平均值之特定變異範圍之數值而確認離群值，所述變異範圍可能因材料類型而異。將資料集中之離群值去除後，剩餘週期之資料可構成一或多個參考週期之x變數，以在第五步驟S5中饋入迴歸模 型。而y變數可為任何能夠在第五步驟S5中利用迴歸模型建模而加以優化之資料或性能參數，例如單位燃料消耗量、熔化率及產量。定義各y變數參考週期之一種方式可為確認傳達近乎期望性能之「最佳案例」週期。參考週期資料可為單一最佳參考週期之資料，或可為多個最佳參考週期之資料，其係根據待饋入熔爐2之爐料而決定。參考週期案例可為熔爐對特定類型爐料操作之「最佳案例」週期之平均值，或者所有類型之爐料皆採用熔爐操作之單一最佳狀況週期。亦可設定其他雖非「最佳案例」但定義預期性能之參考週期。此外尚可定義其他類型之參考週期，以利將當前週期與歷史性能比較，並使得控制器3能夠利用即時感應器資料，將該資料與參考週期比較以判定進行中週期與其他週期相較之操作狀況。控制器3可利用比較結果判定如何據此調整熔爐操作參數(例如各種設定值等等)，以於進行中之週期內達成一或多個材料處理週期目標(例如最大化產量、優化SFC、優化SFC及產量等等)。
在第六步驟S6中，控制器3可利用迴歸模型判定x變數與y變數間之關係，如上所述，其中亦可包含將低顯著性之x變數自分析中移除。第七步驟S7中，將即時(例如實際進行中熔爐2之操作之數秒內或數分鐘內、自進行中熔爐2之操作收集資料後之1-15分鐘時期內等)取得之爐料、熔爐條件及操作之資料(x變數)輸入模型中，以利控制器在週期進行過程中基於在熔爐之操作期間所取得之此x變數資料而計算性能參數(y變數)。於第八步驟S8中，可將計算而得之y變數(週期性能參數)值即時與來自參考案例之對應y變數值比較，以利控制器確認特定即時計算而得之y變數是否且何時大幅偏離參考案例。若週期性能在整個週期中於合理之誤差程度內全程符合參考案例(例如在 由控制器所計算之至少一參考週期定義之預設性能之+/- 5%內或+/- 10%內)，則性能視為不超出期待值，且無需採取或建議校正行動。
但若判定進行中週期之性能開始偏離或持續大幅偏離參考案例或預選之期望性能，則控制器可判定熔爐性能已經偏離預選熔爐性能目標，且因此需要進行操作調整。進行上述判定時，是由控制器根據熔爐進行中週期之即時感應器資料與至少一計算而得之參考週期之比較結果，而判定熔爐操作已經偏離參考案例或期望性能。偵測偏離之方式可為，例如，由控制器根據即時感應器資料比較而發現與熔爐性能之一差異符合或超過一顯著性閾值。此一熔爐性能基準可由控制器3自記憶體存取之歷史資料計算而得之一或多個參考週期所定義。
若判定熔爐操作需要調整，則控制器可發起校正行動，具體而言是對控制迴路提供調整資料以調整熔爐之控制參數(例如燃燒器燃燒速度、熔爐旋轉速度、熔爐傾斜角度等等)，校正熔爐性能，使得校正後接收之熔爐x變數資料更接近期望之參考案例或性能。上述發起可由控制器3自動向熔爐之PLC發送一或多個控制訊息而實現。上述校正行動亦可同時或改為由控制器向操作者電腦裝置10傳遞一或多個訊息，以利操作者經由操作者電腦裝置10輸入而調整設定值及/或控制器3所需之其他操作控制參數。
以下提供控制器3及其控制熔爐操作之實施範例。此等非限制性範例有助於進一步說明如何利用控制器3正確計算熔爐操作所需能量，以改善產量及熔爐之其他週期性能參數，使得熔爐之操作提升獲益性並減少排放、燃料使用、電力消耗，同時對熔爐之操作之其他方面予以改善。可運用控制器3 視需要校正所需能量計算，使得所需能量計算產生達成或趨近期望性能等級之熔爐性能(例如由上述實施例方法之第五步驟S5所定義之參考案例性能等級、由基於歷史資料儲存庫9b之歷史資料取得之參考週期模型所定義之期望操作。)。
範例1
圖3之圖表顯示在一週期中利用控制器3之範例實施例中所實施之本發明方法實施例校正偏離之所需能量計算。燃燒器氣流速率、熔爐旋轉速度、熔爐爐門位置、所需能量計算及煙道溫度示於圖3。最初，熔爐爐門開啟(100%)以供投料，其中，燃燒器為關閉狀態(0%)，熔爐未旋轉(0%)，且煙道溫度將因與周遭條件均衡而降低。於時間77，熔爐爐門關閉，而後燃燒器開動至80%燃燒速度，且熔爐設定為40%旋轉速度。隨時間推移，所需能量計算可在約435時間單位穩定增加至總所需能量之約65%(完成百分比)。至此時控制器3發現操作顯著偏離參考或期望性能。所述顯著偏離之判定條件為偵測到符合或超過一顯著性閾值之一差異。判定材料組成變異誤差之程度後，由控制器3校正「熔化結束」計算，使得熔爐操作參數經調整後將熔爐性能校正回與參考案例相符。所需能量計算可能在時間435自65%「躍升」至93%完成，其中控制器所用之迴歸模型依照較預期組成更低之鋁含量進行修正。在此案例中，若鋁含量較低，表示氧化鋁較多，氧化鋁經歷相變之溫度與爐料中之鋁並不相同。故而爐料達到出爐溫度所需之能量較少，且因此，所需能量計算校正至一較高完成百分比。
範例2
圖4範例中顯示，當以熔爐2熔鋁時，如何使用控制器3針對鋁氧化(產量)損失進行校正。在此範例中，控制器定義一反映產量損失(y變數)與資料參數(x變數)關聯之迴歸公式，以減少熔爐之特定週期過程中之產量損失。由於熔化程序之性質，鋁在一週期中必然會產生某一程度之氧化。控制器3利用迴歸模型比較即時週期與參考案例之性能以判定鋁氧化在整個週期過程中發生之程度。在此範例案例中，參考週期為鋁氧化作用最低之週期。當發現顯著鋁氧化時，採取校正行動，通常可為降低燃燒器燃燒速度及/或熔爐旋轉速度，有時亦可能需要添加額外助熔劑(鹽類)。此校正之範例示於圖4。
在圖4顯示之週期中，控制器3偵測到顯著鋁氧化，因此提供控制訊號，以實施減輕行動。除偵測鋁燃燒之外，模型會如同先前範例所述，就爐料組成進行修正，以提供能量計算之最大化準確度及性能。圖4顯示燃燒器氣流速度、熔爐旋轉速度、熔爐爐門位置、所需能量計算及煙道溫度。起初熔爐爐門開啟(100%)以供投料，其中燃燒器為關閉狀態(0%)，熔爐間歇旋轉，且煙道溫度將因與周遭條件均衡而降低。於時間54，熔爐爐門關閉，隨後燃燒器開動至78%燃燒速度，且熔爐設定為40%旋轉速度。隨時間推進，「熔化結束」計算可在時間290穩定增加至最多約50%完成。此刻之後，控制器3會發現鋁氧化大幅偏離理想條件且必須採取減輕行動。燃燒速度降低後，計算而得之趨近完成所需能量可能因能量輸入減少而以較慢速度增加。所需能量計算增加至最多約70%完成，而後在時間425可飆升至100%完成。
於圖4範例中，由於組成假設及鋁氧化近似值y變數皆偏離，故而進行校正。因鋁氧化產生之能量釋放幫助爐料升溫至出爐溫度。減輕行動中 首先關閉燃燒器並將爐門開啟以驗證所需能量計算。燃燒器再度啟動8個時間單位後關閉。而後在燃燒器關閉之情況下使熔爐旋轉85時間單位，接著操作者於時間550再度開啟爐爐門。此時所需能量可減少100%至99%完成，其中燃燒器開動短暫時間將所需能量拉回至100%完成。
範例3
為進一步證明控制器3實施例所提供之改善性能，圖6至圖8顯示鋁傾轉熔爐近700週期之範例。根據此範例實施例之方法，在第三步驟S3中，材料經特性分析分為9個材料群組。該等材料群組之預期鋁含量為20-80%鋁。各材料群組之週期為25-86週期，且各材料中之鋁百分比變化不超過平均鋁含量之+/- 5%。
此範例中，方法實施例在第六步驟S6選擇之y變數為鋁氧化(產量)損失，結果之統計模型顯示有多個可顯著影響產量損失之x變數參數，包含所用鹽比例、爐料中鋁與氧化物含量、熔化率、金屬出爐溫度及若干操作條件與熔爐條件。控制器3利用之迴歸公式具有0.76之平均R2值(R2值為習知統計用語，用以計量資料接近配適迴歸線之程度。此亦稱為「R平方」、判定係數或多個迴歸之多個判定係數)。就個別材料群組而言，R2值在0.62與0.89之間，且不同x變數對於y變數之影響在不同材料群組中可能不同。此變化顯示於圖5至圖7。
例如，圖5之圖表顯示，隨著材料之產量增加，澆注溫度對於產量損失之影響減低直到約60%產量為止，而後再度開始增加。換言之，60%產量材料對澆注溫度之產量損失敏感度最低。
圖6之圖表顯示材料產量對熔化率係數對產量損失之影響。此圖顯示隨材料產量增加，平均而言，產量損失對熔化率之敏感度亦增加。
圖5及圖6顯示許多變數彼此關聯，且因此採用由所供應之該組變數所產生之獨立預測因子(x變數)之一部分最小平方(PLS)迴歸模型可能更適合供控制器3用以為產量損失建模。於此迴歸模型之結果中，含此等基礎預測因子之線性較高階跨變數項，僅需三種主成分即足以應對資料之78%變化。此外，依照模型建構之線性迴歸係數與簡單群組特定線性迴歸模型攜帶相同符號，顯示所選變數之影響具有顯著性。
範例4
圖7及圖8顯示使用控制器3範例實施例配合傾轉熔爐2以重熔包含含鋁渣滓材料之爐料時之控制結果。來自大量週期之熔爐週期資料經分析後可據以判定大量週期之鋁氧化損失，而執行之迴歸分析可顯示產量損失與金屬出爐溫度間之指數關係。基線資料與使用控制器3所控制週期之資料比較，顯示控制器3能夠提供準確模型熔化結束預測並適時關閉燃燒器，因此提供製造與產量方面之益處，同時節省能量。
控制器3能夠計算熔爐2內之鋁何時到達出爐溫度，並預測週期之熔化部分何時完成。在此討論之結果顯示，上述計算加上適時關閉燃燒器，有助於預防鋁過熱，避免鋁燃燒，從而提升產量。此外，範例4所用之系統有助於縮短整體週期時間並減少能量消耗，在提高產能之同時亦降低碳排放。
範例4之控制器3實施例可用於以氧氣及天然氣為燃料之雙通12公噸(MT)傾轉熔爐(TRF)中，此熔爐可處理各種組成之鋁渣滓。熔爐與燃 燒器系統兩者皆受控於Allen Bradley程式邏輯控制器(PLC)，爐料透過手動系統裝載，且液態鋁以批次方式倒入鑄錠模件(容器2v之範例)。
使用者介面及通訊面板安裝於本地。通訊系統包含中央資料收集裝置、有線與無線通訊設備以及網際網路連線。按照資料存取方式，使用不同方法，每分鐘多次自系統之不同組件收集資料。Modbus TCP將資料以數位可用方式自PLC傳輸至中央資料收集裝置。額外安裝之感應器透過標準有線協定或使用Zigbee無線直接連接至通訊面板。資料集中後，資料經加密後透過網際網路安全傳輸至雲端系統進行遠距處理、儲存及存取。資料處理後，即時結果送回使用者介面供操作者存取，用為決策參考。
除了立即可由操作者透過例如電腦裝置10之顯示器上之圖形使用者介面等人機介面(HMI)存取之結果外，管理人員亦可經由安裝於桌上型電腦及行動裝置之網路瀏覽器式儀表板存取即時及歷史資料，其為圖1所示可通訊連接於控制器3之電腦裝置10之其他範例。額外分析每日發送至工廠管理系統，於此系統總結前一日所處理之材料、出爐溫度、週期時間等活動。該等結果並每月彙編存檔以為歷史資料。
控制器3根據歷史資料及即時資料，實施即時質能平衡。為確保控制器3所用迴歸模型之準確度，歷史資料儲存庫9b中之資料涵蓋時間長度應足以捕捉程序之變化性。針對每一週期記錄質量輸入及輸出，包含熔爐2之操作之若干週期之爐料規模、組成與重量以及液態鋁與鹽熔渣之輸出量。進入程序之有用能量是基於經由燃燒器之能量輸入、熔爐損失及耐火磚所吸收之能量(見例如圖1所示之損失)計算而得。
燃燒效率係利用燃燒器氣流流量計算，所述流量是直接測量自質量流量計。包含外殼損失、爐門損失及煙道損失在內等各種熔爐能量損失皆由溫度感應器測量。出爐時測量液態鋁溫度，並將出爐溫度回饋至模型中以驗證質能平衡計算。隨著時間推進及收集到之資料量增加，模型準確度將更為改善。本研究採用數位雙模型之設計以減少變動並改善產量。亦可採用聚焦於增加產量及產能之技術。
就範例4之控制器而言，本案發明人假設在再煉鋁重熔期間，爐料中一部分鋁必然發生氧化，其所產生之熱度與由燃燒器所供應之能量共同貢獻於熔化。取決於諸如材料組成、鹽類使用、燃燒器燃燒速度及熔爐條件等若干因素，來自鋁氧化作用之能量及對應之鋁損失可能極具重要性。鋁氧化損失可稱為產量損失，以百分比方式表示，其係等於氧化之鋁重量除以爐料中之總鋁重。範例4之實施例中，透過分析能量平衡而估算每一週期之產量損失，以掌握週期中鋁氧化之程度。而後根據此產量損失估算值，透過迴歸方法分析影響產量損失之重要參數(見例如圖2實施例之第五步驟S5至第六步驟S6)。
可運用數種統計方法確認多種影響鋁氧化(產量損失)之不同因子之效應。首先將例如加料重量、熔化時間、鹽比例等大量合理預測因子(x變數)輸入控制器3統計模型以判定其對於產量損失(所選y變數)之重要性。統計模型中各x變數之係數直接關聯於其對產量損失之影響，排除所有低統計關聯項(見例如圖2實施例之第六步驟S6)。結果之統計模型顯示有若干參數顯著影響產量損失，包含用鹽比例、爐料中之鋁及氧化物含量、熔化率、金屬出爐溫度及熔爐條件，其中熔爐條件為以熔爐條件與先前週期相較而計得 之參數。如此能夠產生之模型包含來自九種主要材料群組共674週期之資料，R2值為0.83。研究各x變數參數之係數之符號及大小以更加瞭解其對於鋁氧化(所選y變數)之影響，發現兩項因素具有特別重要之影響性，亦即爐料之鋁含量及出爐溫度。
圖7說明在範例4中如何判定爐料中鋁含量(x軸)對產量損失(y軸)之影響。產量損失為特定週期中鋁氧化之含量，表達為爐料中含鋁之百分比。根據圖表，當其他所有預測因子維持不變時，隨著爐料之含鋁百分比升高，鋁氧化之機會降低，反之亦然。因此，當處理20%鋁含量之材料時，與90%鋁含量之材料相較，產量損失會增加7.5%。
上述情形可歸因於若干物理因素。當爐料中含鋁百分比降低時，氧化物含量增加，且因此程序中往往會添加鹽。輸入程序之能量而後用於加熱氧化物和鹽，以及鋁。鋁渣滓材料包埋氧化物層內之鋁，故而需要以大量能量打破氧化物層，方能將之釋出。因此每單位鋁需要更多能量以加熱爐料，導致陷於渣滓中之鋁溫度過高。此外，自氧化物層釋出之鋁為細小滴狀，具有高表面體積比，增加氧化機會。相較之下，固體鋁塊之熔化情形更為均勻。
圖8顯示範例4所判定之產量損失(y軸)與出爐溫度(x軸)之關係。指數模型較簡單線性模型更適合用於範例4之控制器之實施例。圖9顯示範例4中所確認之出爐溫度對於鋁損失之重要性。例如，就具有80%鋁含量之爐料而言，900℃之出爐液態鋁與750℃相較，產量損失會增加約3%。
控制器3在範例4中能夠經由準確預測熔爐內材料適當出量時機而降低出爐溫度，進而改善鋁產量。在第一步驟S1中，於使用控制器3之前， 先收集七個月期間之基線資料，以記錄並評估程序變異，並在第二步驟S2形成歷史資料儲存庫。投入熔爐內之材料主要為渣滓，在第三步驟S3中進行特性分析，基於其尺寸、組成及來源而分為不同材料類型。分析超過1,000週期以判定平均出爐溫度。控制器3啟用之後，分析了350個週期，其中控制器3基於該等週期之即時資料以監控並/或調整熔爐之控制參數，發現整體平均出爐溫度成功降低25℃，其中熔化些許材料之熔爐操作之改善尤為顯著。根據圖9之圖表，溫度之平均降低對應於0.30%之產量改善。些許材料改善超過50℃，相當於0.5%至0.75%產量改善。
改善熔爐操作有助於縮短熔化時間、減少能量耗用(例如燃料成本)並提升產能。此類改善可為熔爐操作之獲益性帶來重要影響。例如，若10百萬噸容量之熔爐，每小時熔化3百萬噸，年操作48週，估計年產量為每年24,000百萬噸，則本發明控制器實施例可將熔化時間縮短10%，將能量耗用(例如減少燃燒器2b操作所需之氧氣及天然氣量)減少至少5%，並將產量提升0.5%。本案發明人估計上述改善可使操作此一熔爐之獲益性每年提高約58萬美元，相當於每年超過461,000英鎊。此範例證明本發明控制器3及熔爐操作方法實施例所可提供之操作改善顯著性。取決於若干因素(例如大小、操作能力、爐料中處理之金屬價值等)，不同尺寸及類型之熔爐可能獲致高於或低於此範例之改善。
在範例4之控制器3降低出爐溫度並改善產量之同時，出爐溫度之變化亦大幅減少，因而使得出爐溫度及熔化時間更為穩定。由於燃燒器更適時關閉，因此，相較於控制器3啟用前所收集之儲存資料，使用本發明能夠產 生能量耗用降低5%之連鎖效應。更穩定之熔化時間亦有助於提升產能，就些許爐料而言，熔化時間可縮短多達10.5%，於其他特性各異之材料甚至可能達成更大幅之縮短。減少出爐溫度變動有助於更準確之熔爐操作控制及進一步降低出爐溫度之能力，予以未來進一步優化空間。
本案發明人認為範例4之結果顯示鋁在空氣中會快速氧化且可在新近曝露之固態鋁表面上會快速形成氧化鋁(礬土)薄層。因此，鋁必然隨時包含至少少量之礬土。待礬土薄層形成後，可使鋁不受後續氧化侵襲。然而，鋁經加熱後更易受到氧化侵襲，因為此時礬土表層與大氣反應並破開，使得具有保護性之礬土外殼產生裂痕。本案發明人發現，於溫度較高時及在熔爐中之熔化階段，當礬土結晶結構隨升溫而改變，使得氧進一步滲入金屬時，氧化速度可能隨之加快。
在一用於處理鋁渣滓及廢料之傾轉熔爐中，氧化物層在高溫及熔化階段中無法始終維持完好。熔爐持續動作所提供之機械性刺激會破壞氧化物層。此外，程序中通常會加入鹽，亦對氧化物層造成化學破壞。加鹽之目的為使鋁自氧化物層脫出，藉此盡可能液態鋁之提取量。鋁成為液態後，氧化物及鹽漂浮至表面，提供物理屏障，保護熔融鋁不受氧化侵襲。然而，連續動作及混合仍可能持續破壞氧化物及鹽所構成之保護層，產生進一步氧化。
本案發明人發現，當溫度高於鋁之熔點(660℃)時，氧化反應率會大幅加快。本案發明人發現，氧化速度會隨溫度上升而呈指數性增加，因此降低鋁出爐溫度有助於改善鋁產量。因此，在使用範例4之控制器3實施例降 低出爐溫度之同時，亦能夠因預防金屬過熱及避免長時間維持高溫而提升鋁產量。
範例1至4與在此所述之其他實施例同屬例示性質。應知本發明控制器3之不同實施例可與熔爐2一起使用而納入系統1，用以視需要控制熔爐2熔化例如鋁、鉛、鐵、鋼或銅等金屬，所述控制包含動態調整一或多項控制參數，使其符合特定週期性能參數(例如產量、產量與SFC、產量與熔化率與SFC等)。本發明系統1、控制器3及控制熔爐操作之方法之實施例可用於改善產量及其他性能指標。本發明控制器、系統及方法之實施例採用與習知技術截然不同之方式判定熔爐操作調整值，因此能夠解決當爐料金屬含量大幅變化或爐料金屬含量不明時可能發生之質能平衡計算誤差。
本發明方法、控制器3及系統1之實施例可提供獨特之熔爐2程序性能改善方式。主要性能及操作參數可隨時間記錄並使用，以便根據歷史及即時資料判定熔爐2中所熔化之金屬何時到達目標溫度。當到達適當之金屬出爐狀態時，系統可即時告知操作者，以利於開啟爐門2a並將充分熔化金屬倒入一或多個容器2v之操作上達成更佳之一致性，從而善產量同時減少排放及成本。隨著新資料持續饋入控制器，在步驟S2-S6中據以更新歷史資料儲存庫及迴歸模型，控制器之預測及控制器3所提供之控制參數調整可隨時間持續改善，進一步改善熔爐操作。
應知在此所明確描繪或描述之實施例可經修改以滿足特定設計目標或特定設計標準。例如，閥門、管道、感應器、控制器、通訊連接元件(例如線路、中間網路節點、網路佈置等等)、熔爐與感應器以及其他元件之 排列、大小及設計可因應特定廠房佈局而調整，以配合廠房可用面積、特定感應器陣列、控制器硬體及熔爐操作要求與其他設計考量之需要。應知系統1之實施例可包含各種經配置與設置而可用於監視並控制操作之程序控制元件(例如溫度感應器、壓力感應器、流速感應器、目標元件連接感應器、具有至少一工作站之自動化程序控制系統處理器，所述工作站包含處理器、非暫態記憶體及至少一用以與感應器元件、閥門及控制器通訊之收發器，藉此為運行於工作站及/或另一電腦裝置上之自動化程序控制系統提供使用者介面)。
於另一範例中，一在此單獨或併入實施例所描述之具體特徵例可與其他單獨或併入其他實施例所描述之特徵結合。因此，本文所述各種實施例之元件及動作可相互組合以提供更多實施例。雖然在此描繪並描述熔爐操作控制系統、熔爐控制器及其製作與使用方法之特定範例實施例，應知本發明並不以此為限，而可在以下請求項之範圍內，以其他各種方式實施或實行。
1:系統
2:熔爐
2a:爐門
2b:燃燒器
2c:腔室
2f:煙道
2v:容器
3:控制器
5:介面
7:處理器
9:記憶體
9a:應用程式
9b:資料儲存庫
10:電腦裝置
11:節點

Claims (17)

  1. 一種用以控制一熔爐之操作以熔化一含金屬材料的方法，該方法包含：在該熔爐之操作之複數個週期中，將關於該熔爐之爐料、熔爐條件及操作之資料參數儲存至一電腦裝置之一非暫態電腦可讀媒體內；基於該已儲存資料參數而建立或判定一或多個週期性能參數；基於該已儲存資料參數及該週期性能參數而建立一歷史資料儲存庫；由該已儲存資料參數判定該熔爐之操作之一或多個週期之x變數，並將該等x變數饋入一迴歸模型，以判定該至少一x變數與至少一y變數間之關係，藉此定義至少一參考週期，其中，各該y變數係分別對應於其中一各該週期性能參數；自該熔爐之複數個感應器接收即時資料；將來自該熔爐之該等感應器之該即時資料與該至少一參考週期比較，以判定是否需要對一或多項熔爐操作參數進行調整；以及若基於該熔爐之該等感應器之該即時資料與該至少一參考週期之比較，判定與該至少一參考週期之一差異符合或超過一顯著性閾值時，調整該熔爐之操作，使得該熔爐之操作經調整而趨向一預選熔爐性能，該預選熔爐性能是由該至少一參考週期所定義。
  2. 如請求項1所述之方法，其包含產生該至少一參考週期，所述產生該至少一參考週期係包含：對該熔爐之操作的該等週期進行特性分析而劃分為一或多個材料群組，以產生該熔爐之期望性能之該至少一參考週期。
  3. 如請求項2所述之方法，其中，所述判定該一或多個參考週期之該x變數係包含：在將該等資料參數饋入該迴歸模型之前，先將離群值資料自該等材料群組中去除。
  4. 如請求項1所述之方法，其中，該迴歸模型決定所述x變數與所述y變數間之關係，且亦用於確認無意義之x變數，以便移除該等無意義之x變數。
  5. 如請求項1所述之方法，其中，該至少一y變數包含：一關於單位燃料消耗量之第一y變數、一關於熔化率之第二y變數、及一關於產量之第三y變數，及/或其中，各該y變數之該至少一參考週期是藉由確認該熔爐之操作之一或多個最佳狀況週期而決定。
  6. 如前述請求項1至4中任一項所述之方法，其中，該至少一參考週期係一單一最佳參考週期，或包含基於待饋入該熔爐之該爐料所定義之多個最佳參考週期。
  7. 如請求項6所述之方法，其中，各該參考週期為該熔爐對特定類型爐料之操作之最佳狀況週期之一平均值。
  8. 如請求項1所述之方法，其中，來自該熔爐之該等感應器之該即時資料包含爐料資料、熔爐條件資料及操作資料。
  9. 如請求項1所述之方法，其更包含：將調整該熔爐之操作之資料傳遞至一操作者之一電腦裝置，使得該熔爐之操作經調整而趨向由該至少一參考週期所定義之該熔爐性能，藉以該熔爐之操作可經調整而趨向該熔爐之一期望性能。
  10. 如請求項1所述之方法，其中，所述調整該熔爐之操作，使得該熔爐之操作經調整係包含：將調整該熔爐之操作之資料傳遞至一第一電腦裝置，該第一電腦裝置與該熔爐為操作性連接，藉以調整該熔爐之操作。
  11. 一種非暫態電腦可讀媒體，其儲存有一程式，該程式定義一由運行該程式之電腦裝置所執行之方法，該方法包含：在一熔爐之操作之複數個週期中，儲存關於該熔爐之爐料、熔爐條件及操作之資料參數；基於該已儲存資料參數而建立或判定一或多個週期性能參數；基於該已儲存資料參數及該週期性能參數而建立一歷史資料儲存庫；對該等週期進行特性分析以產生一或多個參考週期；由該已儲存資料參數判定一或多個參考週期之x變數，並將該等x變數饋入一迴歸模型，以判定該至少一x變數與至少一y變數間之關係，藉此定義該至少一參考週期，其中，各該y變數係分別對應於其中一各該週期性能參數；當該熔爐在操作中以熔化爐料時，自該熔爐之複數個感應器接收即時資料；將來自該熔爐之該等感應器之該即時資料與該至少一參考週期比較，以判定是否需要對一或多項熔爐操作參數進行調整；以及若基於該熔爐之該等感應器之該即時資料與該至少一參考週期之比對，判定與該至少一參考週期具有一偏差時，調整該熔爐之操作，使得該熔爐之操作經調整而趨向一預選熔爐性能，該預選熔爐性能是由該至少一參考週期所定義。
  12. 如請求項11所述之非暫態電腦可讀媒體，其中，該迴歸模型決定所述x變數與所述y變數間之關係，且亦用於確認無意義之x變數，以便移除該等無意義之x變數。
  13. 如請求項11所述之非暫態電腦可讀媒體，其中，該方法更包含：將調整該熔爐之操作之資料傳遞至一操作者之一電腦裝置，使得該熔爐之操作經調整而趨向由該至少一參考週期所定義之該熔爐性能。
  14. 一種用以控制一熔爐熔化一爐料的系統，該系統包含：一電腦裝置，通訊連接於該熔爐之複數個感應器，以於該熔爐之操作期間取得測量資料；該電腦裝置在該熔爐之操作之複數個週期中，將關於該熔爐之爐料、熔爐條件及操作之資料參數儲存至一非暫態電腦可讀媒體內，該非暫態電腦可讀媒體與該電腦裝置之一處理器為通訊連接；該電腦裝置可基於該已儲存資料參數而建立或判定一或多個週期性能參數、基於該已儲存資料參數及該週期性能參數而建立一歷史資料儲存庫、以及產生一或多個參考週期；該電腦裝置由該已儲存資料參數可判定一或多個參考週期之x變數，並將該等x變數饋入一迴歸模型，以判定該至少一x變數與至少一y變數間之關係，藉此定義該至少一參考週期，其中，各該y變數係分別對應於其中一各該週期性能參數；該電腦裝置可在基於該熔爐之該等感應器之即時資料與該至少一參考週期之比對，判定與該至少一參考週期具有一偏差時，發起對該熔爐之操作之調 整，使得該熔爐之操作經調整而趨向一預選熔爐性能，該預選熔爐性能是由該至少一參考週期所定義。
  15. 如請求項14所述之系統，其中，該電腦裝置係一第一電腦裝置，該第一電腦裝置通訊連接於一操作者之一電腦裝置，且該第一電腦裝置藉由發送一通訊至該操作者之該電腦裝置而發起對該熔爐之操作之調整，使得該熔爐之操作經調整而趨向由該至少一參考週期所定義之熔爐性能。
  16. 如請求項14所述之系統，其中，該電腦裝置調整該熔爐之至少一控制參數以發起對該熔爐之操作之調整，使得該熔爐之操作經調整而趨向該預選熔爐性能。
  17. 如請求項14、15或16所述之系統，其更包含該熔爐及該熔爐之該等感應器。
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