基于電磁出鋼專家系統的功能實現及界面設計

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。但傳統工藝存在著諸多問題[1-3]:一是傳統工藝常采用鉻質引流砂，雖然克服了硅質引流砂在高溫條件下不能自動開澆的缺陷，但鉻是污染環境的重要因素，這就不可避免地導致環境污染[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，會造成鋼液污染[6-8]，降低終端產品的表面性能、抗蝕性能及疲勞性能；三是傳統工藝中，出現未自動開澆情況時，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，打亂正常的生產節奏，迫使連鑄機組降速，惡化了鑄坯質量,也增加了生產成本[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、生產工藝以及使用要求的不斷提高,我國現有的出鋼工藝設備難以滿足當前的市場需要,如出鋼過程人工作業的比重相對較大，作業耗時較多，效率較低，作業強度極高。為此，本研究將電磁出鋼技術與專家系統相結合，設計了電磁出鋼專家系統。

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/轉爐出鋼前期，鋼包放置在電爐/轉爐下方軌道中，電磁出鋼專家系統數據庫針對所煉鋼種信息,對該工況條件下所需外部設備輸入輸出參數 （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，控制自行設計的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。接著，出鋼后，經過精煉過程，再將鋼包放置在鋼包回轉臺等待位，最終旋轉到出鋼位。此時，按照工序，開始電磁開澆過程，電磁出鋼專家系統控制感應加熱電源開始工作，使鋼液通道內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。

圖1　電磁開澆工藝流程圖

2　功能實現的設計

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的日常操控，將數據庫服務器、功能服務器、顯示終端設計在操作室內，實現電磁專家系統模型計算、界面功能和人機接口對話等功能。其主界面如圖2所示。

主界面主要實現如下功能:

圖2　主界面

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

（2）數據讀入。讀入二級控制系統下發的控制數據，比如鋼種、鋼包號、鋼液噸數、溫度、在線時長等參數。若出現開澆異常情況，需要重新讀入相關控制參數時，操作人員可以點擊相應按鍵，完成數據的下放。

（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，為數據庫采集控制數據和優化控制程序提供條件。

（4）鋼包位置顯示。在鋼包回轉臺的等待位和開澆位各安裝一對限位開關，來判斷盛裝鋼液的鋼包所在位置。當鋼包放置到鋼包回轉臺等待位時，限位開關向服務器發出相應的就位信號，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。當開澆位的鋼包完成開澆作業后，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向服務器發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，大包回轉臺可以旋轉，進行下一爐次的開澆作業。

（5）系統標定。標定對于電磁出鋼專家系統是一個重要的步驟，標定的準確性對檢測元件測量的準確性至關重要。由于前期所獲結論主要通過現場試驗和數值模擬等手段獲得，在數值模擬時，通常將環境溫度設成室溫（30℃）。但實際生產時，現場環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、現場環境溫度、精煉添加的合金量多少等），其設定值產生一定的改變。為此，需要使用系統標定功能來使專家系統設定值更加精確。通過標定功能調整開澆用時的相關參數，提高系統的控制參數精度，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使用過大或過小，起到保護座磚等硬件設備使用壽命的作用。同時，在節能減耗、降低成本方面也起到一定作用。

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

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

（8）模擬開澆過程。專家系統停用一段時間后，在第一爐鋼包開澆前，需要對系統進行一次模擬開澆過程，以便發現系統現存問題。在調試過程中可以縮短調試時間,避免發生由于單體設備故障、通訊故障等因素造成開澆無法完成，影響生產節奏的情況。根據現場實際工況條件變化調整參數的具體設定，優化生產工藝參數,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濟損失，減少人身及設備安全隱患。

在主界面右上方設有故障報警數字量狀態顯示模塊，分別顯示各子系統運行狀態是否正常、本地及遠程相互切換的實時狀態監控、UPS電源工作狀態是否正常 （為應對突發斷電情況設置UPS電源，保證主控制器及PLC系統的正常穩定工作）、網絡傳輸狀態是否正常、子系統間通訊及子系統與主系統間通訊正常。開澆完成、系統健康信號（若系統出現故障，蜂鳴器會發生報警，操作人員會在第一時間發現并開始處理）等控制狀態。

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

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

2.2　Fe-C合金添加界面

按照工藝時序，當系統發出Fe-C合金的添加命令后，電機工作帶動傳動機構使翻板翻轉，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、傳動機構運行、翻板運行的狀態動畫演示，便于操作人員查看系統運行狀態過程，監控設備運行是否正常。

圖3　Fe-C合金添加界面

在界面的上方設有Fe-C合金添加的物性參數顯示模塊，具有應對突發事件的功能。如二級控制系統下發數據錯誤，會影響專家系統下發給電源子系統的控制參數，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、材質的物性參數，系統會根據人工手動輸入的數據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，在界面左方設有人工Fe-C合金添加開始、Fe-C合金添加結束和機械設備復位功能。

圖4為Fe-C合金添加查詢界面，是對Fe-C合金添加過程的監控，主要用于查看二級控制系統下發的鋼質代碼、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）進行參數補償，使預期的開澆時間更加精確。若出現數據下發錯誤時，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參數集成于一個界面內，便于提高系統的操作性。

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中，座磚是關系到開澆能否順利進行的重要部件，所以對其進行相關參數的監控，判斷其本體是否完好，其內部的線圈是否燒損，其溫度是否處于工作允許范圍內是非常必要的[12]。

圖5　座磚界面

針對上述問題，在座磚檢測界面內設有座磚溫度檢測 （為數據庫提供相關影響開澆時間的參數）、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、風冷系統是否連接正常等檢測點。同時，針對感應加熱座磚內線圈使用壽命和工作溫度進行實時監控，在下方畫面里設有線圈實時監控顯示點。

2.3　風冷及線圈界面的設計

圖6為風冷和線圈界面。風冷系統中，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節冷卻氣體閥門開度，從而達到閉環控制的目的。

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]到生產安全，系統采用惰性氣體（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。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]到現場工況可能會對智能變送器工作精度帶來影響，且電子設備可能會出現檢測不準、變送器自身損壞的情況，需要在現場安裝一塊傳統機械指針式壓力顯示表，在界面中部設有系統的冷卻氣體設定值給定顯示功能、反饋值顯示功能及偏差量顯示功能，便于操作員查看相關數據，也為系統自學習模型的學習提供控制數據。

在線圈系統參數里，主要顯示線圈的使用爐數、線圈的重要相關參數:Q、R、L值，并設有判斷線圈能否繼續工作的功能。當線圈不能工作時，系統將及時發出報警信息，提醒操作員更換座磚。同時，系統會自動對線圈的使用爐數及長期的使用工況進行統計分析，為線圈的研發提供統計數據。

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（正常開澆作業需要停止，如線圈燒損、電源不工作等）、輕故障（系統部分功能出現故障，但仍然可以完成開澆作業，如風冷氣壓不穩定出現小范圍內的波動、某些復用的檢測部件出現故障等）、系統動作情況的實時監控畫面及相關信息的歷史記錄功能。當電磁開澆系統工作過程中一旦發生故障報警，操作員可以針對故障的等級來判斷專家系統能否繼續完成開澆作業。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，在提高系統開澆率的同時，系統主要動作的實時監控畫面及相關信息的歷史記錄功能可以協助操作人員判斷系統故障點，更加了解常見故障類型，便于設備的運行維護。

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。為使系統能夠克服由于原生產計劃所需數據與二級控制系統下發數據不一致的情況，需要在開澆前對二級控制系統下發數據進行緊急修正，這一過程需要通過人工設定各子系統所需輸出參數的經驗值，確保開澆作業的順利完成。

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，并在輸入相應數據后再次點擊設置鍵進行確認，方可修改相應數據。

圖8　緊急修正界面

2.6　歷史數據查詢畫面

圖9為歷史數據查詢界面。為了更準確的觀察和統計長時間以來電磁開澆專家系統各參數的數值變化規律，確保數據庫各參數文件與控制文件的管理更新，調優參數配置，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，這就需要在歷史數據查詢畫面中建立統計模擬量隨時間變化的趨勢圖。通過對每一個參數變化情況的查詢，統計各子系統參數的變化規律。

圖9　歷史數據查詢界面

3　應用效果

為了測試所設計的電磁出鋼專家系統功能的實現情況，根據某鋼廠現場實際生產工藝條件，利用MATLAB中的SIMULINK模塊構建數學模型，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。其余子系統主要用來控制相應子系統啟停或各參數實時狀態顯示的數字量，故無需做仿真測試。圖10為電磁出鋼專家系統中風冷子系統及Fe-C合金添加量控制子系統仿真結果曲線圖。

圖10　電磁出鋼專家系統中風冷子系統及Fe-C合金添加量控制子系統仿真結果曲線圖

從圖10（a）可以看出，系統穩態精度較高，超調量??；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定，超調量很小，滿足了電磁開澆系統控制的設計性能指標。

4　結論

針對電磁出鋼專家系統的功能需求，設計了其子系統功能及相應的操作界面。該系統具有以下特點:

（1）具有處理開澆工藝常識的能力、發展Fe-C添加量控制深層的推論能力、不同子系統間相互協調的工作能力，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知識和經驗的總結及提煉，提供生產數據。

（3）具有穩態精度高、超調量小等特點，能夠很好的滿足電磁出鋼系統的設計性能指標，實現高效率、高精度的煉鋼生產。