朱立
（山鋼股份萊蕪分公司煉鋼廠，山東萊蕪271104
摘 要：山鋼股份萊蕪分公司煉鋼廠將PID理論計算與先進檢測、控制手段相結合,配合智能煉鋼開發了轉爐氧氣流量全程精準自動控制系統，提高了系統碳和溫度的雙命中率，降低了能源消耗，縮短了冶煉時間。
關鍵詞：轉爐；智能煉鋼；PID理論計算；氧氣壓力；氧氣流量
1 前言
隨著煉鋼生產工藝智能化技術的不斷發展，山鋼股份萊蕪分公司煉鋼廠老區對50 t轉爐進行了智能化、自動化改造，實現了“一鍵式”煉鋼。“一鍵式”煉鋼是目前最先進的冶煉模式,通過計算機自動控制冶煉過程,收到穩定操作、穩定生產節奏、穩定鋼水成分、降低原料和能源消耗等效果。能否實現“一鍵式”煉鋼是衡量一個鋼廠的工藝智能化水平、設備水平、管理水平的重要標志。通過學習當前國內外先進的控制技術,結合現場轉爐實際情況，解決了一系列的工藝和自動化控制難題，成功實現了“一鍵式”智能化煉鋼。本文重點介紹氧氣流量智能化精準控制系統的研發過程。
2智能化煉鋼對氧氣流量控制的要求
改造前生產工藝及設備情況：生產工藝為氧壓手動調節，相關設備主要包括氧壓檢測裝置、氧氣調節閥、快速切斷閥等，開吹時通過轉爐控制系統打開快速切斷閥開始吹氧，根據氧壓檢測設備反饋的工作氧壓，根據經驗調節氧氣調節閥的開度，實現氧壓的調整,確定供氧時間的長短及供氧量；氧氣來自外網管道，由于受廠區條件限制，在進入內網前無法實現氧壓穩定，目前總管氧氣壓力波動范圍在1.6 ~ 2.1 MPa；基礎自動化設備采用西門子S7-400PLC， HMI為 WinCC7.0。
控制系統對氧氣流量的要求：1）實現自動開氧,且開吹壓力穩定，氧氣流量在2s內穩定到模型設定流量；2）冶煉過程中，氧氣流量控制穩定，避免出現擾動，控制“死區”< 量程0.08%；3）控制系統靈敏度要高，對氧流模型的響應時間要< 1s；4）控制系統要具備高可靠性，出現異常時要及時提槍、報警。
3 改造設計技術方案
3.1改造思路
在現有的供氧條件下，為滿足智能吹煉工藝對氧氣流量的要求，設計采用兩級調節系統。第一級采用壓力調節系統,穩定總管氧氣壓力的波動，將氧氣壓力穩定調節至1.5 MPa，解決氧壓擾動對調節穩定性的影響；第二級采用流量調節系統，根據智能煉鋼模型提供的瞬時氧氣流量設定值，系統通過調整流量調節閥開度，實現實際流量的及時、準確跟蹤，并將控制精度提升到工藝要求的范圍內。
由于壓力調節閥和流量調節閥是串聯在同根管道上，為避免相互影響，可采取如下措施解決。
1） 壓力調節閥預設初始開度。經過現場調試確定預設的初始開度,在系統上電或初始階段，使用預設開度，設定值由初始值及自學習過程確定。
2）壓力調節系統超調（當PV-SV > GAP時，GAP為偏差上限設定值）。壓力調節閥強制在預設的規定開度，其目的是為了減少壓力波動對流量調節的擾動。
3.2氧氣壓力調節系統
氧氣壓力調節的目的是將總管氧壓的波動消除，同時實現第一步降壓,使壓力穩定在1.5 MPa。
氧氣壓力調節裝置包叔置在氧氣輸送管道上的氧氣壓力調節閥、壓力調節閥后壓力檢測變送器、現場數據采集單元以及與之相連的PLC中央處理器。PLC利用采集到的檢測數據自動計算控制氧氣壓力調節閥開度,將當前供氧壓力調節至預設范圍。
PLC中采用PID控制算法計算壓力調節閥開度，PID控制算法（比例-積分-微分控制）是目前在工業控制應用中常見的閉環反饋運算回路，由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。PID控制有著原理簡單、使用方便、適應性強的特點，在壓力調節這種得不到精確數學模型的情況，系統控制器結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。
因為PI系統中的I的存在會使整個控制系統的響應速度受到影響，為了解決這個問題，在控制中增加了 D微分項，主要用來解決系統的響應速度問題，其完整的公式如下：
式中：u（t）為控制器的輸出值；error（t）為控制器輸入與設定值之間的誤差；Kp為比例系數；Ti為積分時間常數；Td為微分時間常數。
PID控制器參數整定是本控制系統設計核心內容。本系統采用臨界比例法來確定PID控制器比例系數、積分時間和微分時間大小，參數整定步驟如下：1）首先預選擇一個足夠短采樣周期讓系統工作；2）僅加入比例控制環節，直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩，記下這時比例放大系數和臨界振蕩周期；3）—定控制度下公式計算到PID控制器參數，并在實際運行中進行最后調整與完善。
3.3氧氣流量調節系統
氧氣流量調節是本控制系統的核心，是實現流量精準控制的關鍵，目標是在經過穩壓調節閥將壓力穩定在1.5 MPa,將瞬時流量快速穩定到模型設定流量，要求具備快速響應、無擾動、穩態精度高、可靠性高等特點。
氧氣流量調節裝置包括設置在氧氣穩壓調節閥后的流量調節閥、流量調節閥后孔板式差壓流量檢測裝置（配備穩壓補償）、現場數據采集單元以及與之相連的PLC中央處理器。PLC利用采集到的檢測數據采用模糊自適應PID控制算法，自動計算控制氧氣流量調節閥開度,以實現氧氣流量精準控制。流量調節裝置如圖1所示。
PLC中采用模糊自適應PID控制算法，是在PID算法的基礎上，以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，利用模糊規則進行模糊推理，査詢模糊矩陣表進行參數調整，滿足不同時刻的e和ec對PID參數自整定的要求。
1）當e較大時，為使系統具有較好的跟蹤性能，應取較大的Kp與較小的Kd，同時為避免系統響應出現較大的超調，應對積分作用加以限制，通常取Ki=0。
2）當e處于中等大小時，為使系統響應具有較小的超調，Kp應取得小些。在這種情況下，Kd的取值對系統響應的影響較大，Ki的取值要適當。
3）當e較小時，為使系統具有較好的穩定性能，Kp與Ki均應取得大些，同時為避免系統在設定值附近出現振蕩，Kd值的選擇根據∣ec∣值較大時，Kd取較小值，通常Kd為中等大小。PID調節流程見圖2。
4 控制系統實際應用
4.1控制系統組成
本系統采用的控制器是西門子SIMATIC的S7-400PLC配合人機界面WinCC全集成基礎自動化控制系統，功能強大，堅固耐用，環境適應性非常強。應用編程軟件為STEP7，在編程、啟動和服務方面有眾多特點：如使用靈活，易于修改和維護；對功能塊和通信處理器的參敷設定方便，快捷等。PID的操作控制界面是按照工藝設計要求設計的。氧氣總管壓力調節的PID控制分為手動和自動方式。在畫面上點擊自動/手動按鈕時，可以選擇控制方式，由狀態燈顯示為何種控制方式。手動控制方式下，直接輸出閥門開度；自動控制方式下，通過改變設定值,再根據設定值與當前過程值之間的偏差來進行典型的PID調節（調節過程在STEP7程序中由PID功能塊執行）。
在穩壓過程中，氧氣總管的壓力檢測由壓力變送器 P 測出送入PLC的PID模塊 FB41），當總管壓力因各種擾動產生變化時，控制器接收到壓力變送器測出的信號與設定值進行比較得出偏差，然后進行PID運算,并發出控制信號對壓力調節閥進行控制。
4.2 PID控制算法的參數整定
PID控制算法參數整定是控制系統的設計核心內容，需要工藝要求確定PID控制比例系數、積分時間和微分時間大小。在PID的調試過程中，首先依據系統數學模型，理論計算確定控制參數取值范圍，然后采用臨界比例法進行測試調整，從而完善、確定了參數取值。過程中主要采取了以下步驟： 1）關閉I和D，也就是設為0，加大P，使其產生振蕩；2）減小P，找到臨界振蕩點；3）加大I，使其達到目標值；4）重新上電看超調、振蕩和穩定時間是否吻合要求；5）針對超調和振蕩的情況適當的調整微分D時間；6）所有調試均考慮了工藝極端情況，這樣保證了調試完的結果可以在全工作范圍內均有效。
5 結語
山鋼股份萊蕪分公司煉鋼廠老區50 t轉爐全自動智能煉鋼系統投運以來,經過逐步完善,系統運行穩定，有效提高了終點碳和溫度的命中率。氧氣流量調節實現了穩定、快速、精準控制，滿足了智能工藝模型對氧氣流量控制的需求，有效縮短了冶煉周期，提高了產品品質，降低了能源消耗。