基于電磁出鋼專家系統(tǒng)的功能實現(xiàn)及界面設(shè)計

史純陽，赫冀成

（東北大學，遼寧 沈陽 110819）

為了完成鋼包自動出鋼過程，傳統(tǒng)工藝通常采用引流砂作為鋼包底部水口的填充材料。但傳統(tǒng)工藝存在著諸多問題[1-3]:一是傳統(tǒng)工藝常采用鉻質(zhì)引流砂，雖然克服了硅質(zhì)引流砂在高溫條件下不能自動開澆的缺陷，但鉻是污染環(huán)境的重要因素，這就不可避免地導致環(huán)境污染[4-5]，且在長時間精煉的條件下，自動開澆較困難；二是傳統(tǒng)工藝的出鋼率只能達到98%左右，且出鋼過程中由于引流砂等夾雜物隨鋼液流入中間包內(nèi)，會造成鋼液污染[6-8]，降低終端產(chǎn)品的表面性能、抗蝕性能及疲勞性能；三是傳統(tǒng)工藝中，出現(xiàn)未自動開澆情況時，需要人工燒氧，這時鋼液勢必會被二次氧化，且燒氧引流的方式會比自動開澆平均耽誤5 min，打亂正常的生產(chǎn)節(jié)奏，迫使連鑄機組降速，惡化了鑄坯質(zhì)量,也增加了生產(chǎn)成本[9-10]。

為解決上述問題，赫冀成等提出了在出鋼過程中采用電磁出鋼的方法[11]，使用與所煉鋼種成分相同或相似的Fe-C合金替代引流砂，其原理為利用電磁感應加熱原理對座磚內(nèi)的Fe-C合金進行感應加熱，使其部分或全部熔化后隨鋼液下落，完成自動出鋼過程，同時，開澆率達到100%。隨著潔凈鋼的研制水平、生產(chǎn)工藝以及使用要求的不斷提高,我國現(xiàn)有的出鋼工藝設(shè)備難以滿足當前的市場需要,如出鋼過程人工作業(yè)的比重相對較大，作業(yè)耗時較多，效率較低，作業(yè)強度極高。為此，本研究將電磁出鋼技術(shù)與專家系統(tǒng)相結(jié)合，設(shè)計了電磁出鋼專家系統(tǒng)。

1　電磁開澆工藝流程

電磁開澆工藝流程圖如圖1所示。首先,在電爐/轉(zhuǎn)爐出鋼前期，鋼包放置在電爐/轉(zhuǎn)爐下方軌道中，電磁出鋼專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫針對所煉鋼種信息,對該工況條件下所需外部設(shè)備輸入輸出參數(shù) （包括Fe-C合金添加量、電磁開澆過程所要的電源輸入輸出參數(shù)值、風冷強度值等）進行預判，確定對應的Fe-C合金添加量參數(shù)，控制自行設(shè)計的Fe-C合金添加裝置，命令對應的機械裝置動作，完成Fe-C合金的添加作業(yè)。接著，出鋼后，經(jīng)過精煉過程，再將鋼包放置在鋼包回轉(zhuǎn)臺等待位，最終旋轉(zhuǎn)到出鋼位。此時，按照工序，開始電磁開澆過程，電磁出鋼專家系統(tǒng)控制感應加熱電源開始工作，使鋼液通道內(nèi)起封堵鋼液作用的封堵層部分或全部熔化，從而使鋼液流入中間包。待出鋼完成后，電磁出鋼專家系統(tǒng)控制電源停止工作，風冷及電源的快速接頭裝置與線圈接頭斷開，最終完成電磁出鋼作業(yè)。

圖1　電磁開澆工藝流程圖

2　功能實現(xiàn)的設(shè)計

2.1　遠程控制界面及指令

為了便于操作人員對電磁自動開澆專家系統(tǒng)的日常操控，將數(shù)據(jù)庫服務器、功能服務器、顯示終端設(shè)計在操作室內(nèi)，實現(xiàn)電磁專家系統(tǒng)模型計算、界面功能和人機接口對話等功能。其主界面如圖2所示。

主界面主要實現(xiàn)如下功能:

圖2　主界面

（1）急停。設(shè)立急停功能是為了應對突發(fā)事件 （這里所述突發(fā)事件是指電磁出鋼專家系統(tǒng)自身運行正常，但由于外部因素，如生產(chǎn)過程中操作人員發(fā)生人身安全事故，需要開澆過程立即停止的情況發(fā)生時，采用急停方式，將人身及設(shè)備損失降到最低）。當發(fā)生突發(fā)事件時，按下急停按鍵，所有子系統(tǒng)將復位并退回到開澆前的等待開澆狀態(tài)，以此保護硬件設(shè)備，防止高溫損傷和應對生產(chǎn)中臨時突發(fā)性工況，例如，未完成自動開澆時，需要人工燒氧，此時，電磁開澆系統(tǒng)相關(guān)硬件設(shè)備要退回等待位，避讓作業(yè)人員，給作業(yè)人員留有足夠的作業(yè)空間，完成開澆工作。

（2）數(shù)據(jù)讀入。讀入二級控制系統(tǒng)下發(fā)的控制數(shù)據(jù)，比如鋼種、鋼包號、鋼液噸數(shù)、溫度、在線時長等參數(shù)。若出現(xiàn)開澆異常情況，需要重新讀入相關(guān)控制參數(shù)時，操作人員可以點擊相應按鍵，完成數(shù)據(jù)的下放。

（3）Fe-C合金添加量顯示。顯示出鋼前期Fe-C合金的添加重量，為數(shù)據(jù)庫采集控制數(shù)據(jù)和優(yōu)化控制程序提供條件。

（4）鋼包位置顯示。在鋼包回轉(zhuǎn)臺的等待位和開澆位各安裝一對限位開關(guān)，來判斷盛裝鋼液的鋼包所在位置。當鋼包放置到鋼包回轉(zhuǎn)臺等待位時，限位開關(guān)向服務器發(fā)出相應的就位信號，主界面相應位置會顯示鋼包等待開澆，表示鋼包處于等待開澆狀態(tài)。當開澆位的鋼包完成開澆作業(yè)后，行車將鋼包吊起，運送到鋼包維修處，此時開澆位上的限位開關(guān)向服務器發(fā)出相應的鋼包脫離信號，主界面會顯示此鋼包已完成開澆作業(yè)，大包回轉(zhuǎn)臺可以旋轉(zhuǎn)，進行下一爐次的開澆作業(yè)。

（5）系統(tǒng)標定。標定對于電磁出鋼專家系統(tǒng)是一個重要的步驟，標定的準確性對檢測元件測量的準確性至關(guān)重要。由于前期所獲結(jié)論主要通過現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬等手段獲得，在數(shù)值模擬時，通常將環(huán)境溫度設(shè)成室溫（30℃）。但實際生產(chǎn)時，現(xiàn)場環(huán)境溫度是實時變化的。然而開澆過程所需添加的Fe-C添加量和開澆所需的電源輸出值又會隨影響鋼液溫度變化的因素改變 （如鋼液初始溫度、在線時長、現(xiàn)場環(huán)境溫度、精煉添加的合金量多少等），其設(shè)定值產(chǎn)生一定的改變。為此，需要使用系統(tǒng)標定功能來使專家系統(tǒng)設(shè)定值更加精確。通過標定功能調(diào)整開澆用時的相關(guān)參數(shù)，提高系統(tǒng)的控制參數(shù)精度，合理控制Fe-C合金添加量及減少電源給定值與實際需要值的偏差量，從而避免電源輸出參數(shù)使用過大或過小，起到保護座磚等硬件設(shè)備使用壽命的作用。同時，在節(jié)能減耗、降低成本方面也起到一定作用。

（6）人工控制開澆啟停。為應對突發(fā)情況，操作人員利用觸摸屏上的相關(guān)按鍵，控制突發(fā)事件時設(shè)備的動作情況，手動干預開澆過程。

（7）開澆用時顯示。顯示開澆需要的時間，為數(shù)據(jù)庫采集控制數(shù)據(jù)、優(yōu)化控制程序和優(yōu)化電源輸出參數(shù)與開澆時間之間的匹配提供條件。

（8）模擬開澆過程。專家系統(tǒng)停用一段時間后，在第一爐鋼包開澆前，需要對系統(tǒng)進行一次模擬開澆過程，以便發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)現(xiàn)存問題。在調(diào)試過程中可以縮短調(diào)試時間,避免發(fā)生由于單體設(shè)備故障、通訊故障等因素造成開澆無法完成，影響生產(chǎn)節(jié)奏的情況。根據(jù)現(xiàn)場實際工況條件變化調(diào)整參數(shù)的具體設(shè)定，優(yōu)化生產(chǎn)工藝參數(shù),提高控制精度。用模擬開澆來代替試開澆，避免開澆失敗帶來的經(jīng)濟損失，減少人身及設(shè)備安全隱患。

在主界面右上方設(shè)有故障報警數(shù)字量狀態(tài)顯示模塊，分別顯示各子系統(tǒng)運行狀態(tài)是否正常、本地及遠程相互切換的實時狀態(tài)監(jiān)控、UPS電源工作狀態(tài)是否正常 （為應對突發(fā)斷電情況設(shè)置UPS電源，保證主控制器及PLC系統(tǒng)的正常穩(wěn)定工作）、網(wǎng)絡傳輸狀態(tài)是否正常、子系統(tǒng)間通訊及子系統(tǒng)與主系統(tǒng)間通訊正常。開澆完成、系統(tǒng)健康信號（若系統(tǒng)出現(xiàn)故障，蜂鳴器會發(fā)生報警，操作人員會在第一時間發(fā)現(xiàn)并開始處理）等控制狀態(tài)。

主界面的中間位置設(shè)置實時狀態(tài)動畫演示，分別顯示開澆過程中鋼包內(nèi)線圈加熱狀態(tài)、封堵層是否脫落狀態(tài)、各子系統(tǒng)運行狀態(tài)，便于操作人員觀察電磁開澆系統(tǒng)運行狀態(tài)，模擬開澆過程的各子系統(tǒng)運行狀態(tài)。

主界面的右下方設(shè)有子系統(tǒng)間互鎖/分離按鍵，在開澆準備就緒，各設(shè)備連接正常后，系統(tǒng)會自動啟動互鎖狀態(tài)。這樣設(shè)計是為了保證整個開澆過程的順利進行，避免開澆過程中，由于某子系統(tǒng)接收到干擾信號而突發(fā)動作，導致系統(tǒng)不能順利完成開澆過程，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及生產(chǎn)過程的安全性。

2.2　Fe-C合金添加界面

按照工藝時序，當系統(tǒng)發(fā)出Fe-C合金的添加命令后，電機工作帶動傳動機構(gòu)使翻板翻轉(zhuǎn)，完成添加工作。圖3為Fe-C合金添加界面，在該界面右下方設(shè)有Fe-C合金添加過程動畫演示功能，主要顯示Fe-C合金添加過程中，電機運行、傳動機構(gòu)運行、翻板運行的狀態(tài)動畫演示，便于操作人員查看系統(tǒng)運行狀態(tài)過程，監(jiān)控設(shè)備運行是否正常。

圖3　Fe-C合金添加界面

在界面的上方設(shè)有Fe-C合金添加的物性參數(shù)顯示模塊，具有應對突發(fā)事件的功能。如二級控制系統(tǒng)下發(fā)數(shù)據(jù)錯誤，會影響專家系統(tǒng)下發(fā)給電源子系統(tǒng)的控制參數(shù)，影響開澆效果。這時，需要在添加Fe-C合金前人工手動輸入Fe-C合金形狀、顆粒度、材質(zhì)的物性參數(shù)，系統(tǒng)會根據(jù)人工手動輸入的數(shù)據(jù)自動計算出所需要的Fe-C合金添加量的給定值。同時，為保證Fe-C合金添加過程順利完成，在界面左方設(shè)有人工Fe-C合金添加開始、Fe-C合金添加結(jié)束和機械設(shè)備復位功能。

圖4為Fe-C合金添加查詢界面，是對Fe-C合金添加過程的監(jiān)控，主要用于查看二級控制系統(tǒng)下發(fā)的鋼質(zhì)代碼、鋼種信息是否與所煉鋼種一致，同時可針對所煉鋼種的合金元素種類及添加量對開澆時間的影響（通過影響鋼液溫度，間接導致封堵層的厚底和位置的變化）進行參數(shù)補償，使預期的開澆時間更加精確。若出現(xiàn)數(shù)據(jù)下發(fā)錯誤時，可以在開澆前點擊界面，進行緊急修正。同時，在界面右下方設(shè)有元素含量查看和修改合金補償表功能。在界面中還冗余了Fe-C合金添加量子界面，目的在于將所有相關(guān)參數(shù)集成于一個界面內(nèi)，便于提高系統(tǒng)的操作性。

圖4　Fe-C合金添加查詢界面

圖5為座磚界面。在整個電磁開澆系統(tǒng)中，座磚是關(guān)系到開澆能否順利進行的重要部件，所以對其進行相關(guān)參數(shù)的監(jiān)控，判斷其本體是否完好，其內(nèi)部的線圈是否燒損，其溫度是否處于工作允許范圍內(nèi)是非常必要的[12]。

圖5　座磚界面

針對上述問題，在座磚檢測界面內(nèi)設(shè)有座磚溫度檢測 （為數(shù)據(jù)庫提供相關(guān)影響開澆時間的參數(shù)）、線圈上、下部溫度（因為線圈部溫差較大，故有必要分別檢測）、線圈平均溫度、線圈是否工作正常、線圈燒損、電源連接是否正常、風冷系統(tǒng)是否連接正常等檢測點。同時，針對感應加熱座磚內(nèi)線圈使用壽命和工作溫度進行實時監(jiān)控，在下方畫面里設(shè)有線圈實時監(jiān)控顯示點。

2.3　風冷及線圈界面的設(shè)計

圖6為風冷和線圈界面。風冷系統(tǒng)中，智能壓力變送器、機械指針式壓力顯示表用來檢測壓力大小、冷卻氣體強度、冷卻氣體線路是否連接正常。針對線圈實時溫度變化情況，利用智能變送器來調(diào)節(jié)冷卻氣體閥門開度，從而達到閉環(huán)控制的目的。

圖6　風冷和線圈界面

為合理延長線圈的使用壽命，需要對電磁感應線圈進行冷卻?？紤]到生產(chǎn)安全，系統(tǒng)采用惰性氣體（氮氣）冷卻。按照工藝要求，線圈溫度需要控制在500℃以下，所以需要對冷卻氣體的流量進行檢測，以保證線圈溫度在其工作條件范圍內(nèi)。與此同時，還要考慮壓力對線圈使用壽命的影響，壓力過大會對線圈帶來較大沖擊的同時，也會使線圈內(nèi)外端面有較大溫差，這會大大影響線圈的使用壽命。這就要求在選擇壓力變送器時，選擇具有上下限報警功能的智能壓力變送器?？紤]到現(xiàn)場工況可能會對智能變送器工作精度帶來影響，且電子設(shè)備可能會出現(xiàn)檢測不準、變送器自身損壞的情況，需要在現(xiàn)場安裝一塊傳統(tǒng)機械指針式壓力顯示表，在界面中部設(shè)有系統(tǒng)的冷卻氣體設(shè)定值給定顯示功能、反饋值顯示功能及偏差量顯示功能，便于操作員查看相關(guān)數(shù)據(jù)，也為系統(tǒng)自學習模型的學習提供控制數(shù)據(jù)。

在線圈系統(tǒng)參數(shù)里，主要顯示線圈的使用爐數(shù)、線圈的重要相關(guān)參數(shù):Q、R、L值，并設(shè)有判斷線圈能否繼續(xù)工作的功能。當線圈不能工作時，系統(tǒng)將及時發(fā)出報警信息，提醒操作員更換座磚。同時，系統(tǒng)會自動對線圈的使用爐數(shù)及長期的使用工況進行統(tǒng)計分析，為線圈的研發(fā)提供統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

2.4　故障報警界面

圖7為故障報警查詢界面。按照故障是否能影響系統(tǒng)正常運行的影響因子大小劃分故障等級，包括:重故障（正常開澆作業(yè)需要停止，如線圈燒損、電源不工作等）、輕故障（系統(tǒng)部分功能出現(xiàn)故障，但仍然可以完成開澆作業(yè)，如風冷氣壓不穩(wěn)定出現(xiàn)小范圍內(nèi)的波動、某些復用的檢測部件出現(xiàn)故障等）、系統(tǒng)動作情況的實時監(jiān)控畫面及相關(guān)信息的歷史記錄功能。當電磁開澆系統(tǒng)工作過程中一旦發(fā)生故障報警，操作員可以針對故障的等級來判斷專家系統(tǒng)能否繼續(xù)完成開澆作業(yè)。重故障需要立即檢查故障原因，停止開澆過程；輕故障則可以待開澆完成后再檢查故障點。這樣，在提高系統(tǒng)開澆率的同時，系統(tǒng)主要動作的實時監(jiān)控畫面及相關(guān)信息的歷史記錄功能可以協(xié)助操作人員判斷系統(tǒng)故障點，更加了解常見故障類型，便于設(shè)備的運行維護。

圖7　故障報警查詢界面

2.5　緊急修正畫面

圖8為緊急修正界面。為使系統(tǒng)能夠克服由于原生產(chǎn)計劃所需數(shù)據(jù)與二級控制系統(tǒng)下發(fā)數(shù)據(jù)不一致的情況，需要在開澆前對二級控制系統(tǒng)下發(fā)數(shù)據(jù)進行緊急修正，這一過程需要通過人工設(shè)定各子系統(tǒng)所需輸出參數(shù)的經(jīng)驗值，確保開澆作業(yè)的順利完成。

修正過程可直接在緊急修正畫面里完成。為避免誤操作，保證人工干預的準確性，采用重復確認方式，即在開澆前點擊緊急修正按鈕，并在輸入相應數(shù)據(jù)后再次點擊設(shè)置鍵進行確認，方可修改相應數(shù)據(jù)。

圖8　緊急修正界面

2.6　歷史數(shù)據(jù)查詢畫面

圖9為歷史數(shù)據(jù)查詢界面。為了更準確的觀察和統(tǒng)計長時間以來電磁開澆專家系統(tǒng)各參數(shù)的數(shù)值變化規(guī)律，確保數(shù)據(jù)庫各參數(shù)文件與控制文件的管理更新，調(diào)優(yōu)參數(shù)配置，提高自學習模型的準確性，同時，也為操作員提供故障診斷和維護的依據(jù)，這就需要在歷史數(shù)據(jù)查詢畫面中建立統(tǒng)計模擬量隨時間變化的趨勢圖。通過對每一個參數(shù)變化情況的查詢，統(tǒng)計各子系統(tǒng)參數(shù)的變化規(guī)律。

圖9　歷史數(shù)據(jù)查詢界面

3　應用效果

為了測試所設(shè)計的電磁出鋼專家系統(tǒng)功能的實現(xiàn)情況，根據(jù)某鋼廠現(xiàn)場實際生產(chǎn)工藝條件，利用MATLAB中的SIMULINK模塊構(gòu)建數(shù)學模型，并進行相應的仿真測試，仿真對象主要針對Fe-C合金添加量模糊控制模塊和風冷系統(tǒng)。其余子系統(tǒng)主要用來控制相應子系統(tǒng)啟?；蚋鲄?shù)實時狀態(tài)顯示的數(shù)字量，故無需做仿真測試。圖10為電磁出鋼專家系統(tǒng)中風冷子系統(tǒng)及Fe-C合金添加量控制子系統(tǒng)仿真結(jié)果曲線圖。

圖10　電磁出鋼專家系統(tǒng)中風冷子系統(tǒng)及Fe-C合金添加量控制子系統(tǒng)仿真結(jié)果曲線圖

從圖10（a）可以看出，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度較高，超調(diào)量??；圖 10（b）中，每一次“階躍”代表著煉鋼過程中一個冶煉周期需要添加的Fe-C合金量，可以看出，每一次的添加量都很穩(wěn)定，超調(diào)量很小，滿足了電磁開澆系統(tǒng)控制的設(shè)計性能指標。

4　結(jié)論

針對電磁出鋼專家系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計了其子系統(tǒng)功能及相應的操作界面。該系統(tǒng)具有以下特點:

（1）具有處理開澆工藝常識的能力、發(fā)展Fe-C添加量控制深層的推論能力、不同子系統(tǒng)間相互協(xié)調(diào)的工作能力，具有學習、獲取與更新知識以及運用知識庫對生產(chǎn)過程中的問題作出判斷和決策的能力。

（2）能促進各功能模塊的進一步研究，為各功能模塊的專業(yè)知識和經(jīng)驗的總結(jié)及提煉，提供生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

（3）具有穩(wěn)態(tài)精度高、超調(diào)量小等特點，能夠很好的滿足電磁出鋼系統(tǒng)的設(shè)計性能指標，實現(xiàn)高效率、高精度的煉鋼生產(chǎn)。