宝钢炼钢连铸自动化技术研发的回顾与展望

1、宝钢炼钢、连铸自动化技术研发的回顾与展望从控制模型到管理优化模型杜 斌宝钢研究院自动化所 上海 201900摘 要 本文较为详细地介绍了宝钢近年来在炼钢、连铸控制技术的研发和应用情况。主要涉及宝钢研究院自动化所等单位在复杂控制策略(模型)方面的工作，覆盖了多级计算机控制系统的各层面，如基础自动控制、过程控制和生产计划等。关键词 炼钢一连铸、模型、自动控制、优化1 概述11技术概述 人们常把材料、工艺、装备和自动化看作现代冶金工业的支柱。现代钢铁工业已形成了多级的计算机控制与管理系统，通常把这个庞大、复杂的计算机系统分为L1(基础自动化)、L2(过程控制计算机)、L3(区域管理机)和L4(全厂管

2、理计算机)。从控制角度看，所有的计算机系统都有两大功能：应用业务或信息处理和复杂控制策略两部分。本文主要介绍宝钢研究院自动化所数年来在炼钢、连铸计算机系统各层面的复杂控制策略的研发和应用情况。行业内往往习惯把这些复杂控制策略称之为“模型"，本文的模型就是指复杂的控制和管理策略。当然，所有的工作都是系统性和以在线应用为目的的。 现代冶金工业全线都处在L2过程计算机的控制下工作，L2过程机主要控制单一工位装备的生产操作，如转炉、连铸机、加热炉、轧机等。从控制的角度看，L2计算机控制系统的核心技术就是所谓的“模型”。它是集工艺材料、控制、数学、软件等学科于一体的技术，因此从这个意义上说，模

3、型就是含有复杂数理关系的软件。按照这个定义，L1的计算机系统中也有不少模型，如轧机的板形控制、AGC厚度控制等。近年随着计算机软硬件、通讯等技术的迅猛发展，在冶金工业的一些工艺段上，L1与L2的功能有互相融合的趋势。目前，L3与L4也有集成在一个大型计算机系统中的趋势。L3常常用于解决整个大工艺段的生产组织管理，如炼钢厂(包括炼钢、精炼、连铸工序和生产设备)、热轧厂、冷轧厂等。而L4则通常指全厂的管理计算机，它除了一般的财务人事等功能外，还有质量设计、合同处理、生产设计等覆盖全厂生产的重要功能。从应用和模型的角度来分，他们和L2计算机类似，都含有应用和模型两部分。但L3以上计算机处理了大量的管

4、理功能，在二者的比重和变化的程度上有一定区别。如L1的模型只和某特定机电设备有关，可能投产后就基本不变。L2模型因为和工艺相关就有调整的要求。L3以上模型的调整则会更频繁些。因此，L3以上模型的研发需要适应这种要求，确保模型和应用系统的有效连接以及在一定程度上满足管理的变化。12 宝钢研发概况 宝钢从80年代到90年代初期完成了一个完整的现代钢铁联合体的建造，与此同时建立了一个完整的多级计算机控制系统。在建造时期内，国际上已基本完成了冶金过程控制(L2级)基于模型的控制。因此，宝钢全线引进了先进的L2过程控制模型。从90年代中期开始，以二期和三期工程为目标，宝钢开始了比较系统的L2模型自主研发

5、，并于1998年前后首先在炼钢过程控制模型取得突破，逐步形成了非常强的研发和工程应用能力。该技术能力的形成，促进了宝钢全线L2模型的自主开发，并先后在连铸、冷轧、热轧形成了自主的成套控制模型技术。目前，宝钢已基本不引进熟悉工艺的L2模型。有关L1L2的详细研发情况及其相关技术可参考16。 图1表示的是宝钢研究院自动化所经过近十年形成的L1L4模型技术成果和能力。其中纵坐标表示控制系统的层级，横坐标表示工艺段(见图中部的工艺名称)，如转炉等。由图可知，宝钢研究院自动化所在炼钢、连铸、热轧和冷轧的L2模型方面有较多的成果和技术积累，所有L2模型均为全套的工程应用模型。由于以下两方面的原因，宝钢在L

6、3以上的计算机管理系统上基本没有引进模型技术。 1)宝钢L4的9672系统基本是自主开发。 2)L3及以上的优化模型技术工业应用是在90年代后期才开始的。之前不能工业应用的主要技术障碍是：a计算机硬件功能和运算速度赶不上要求。b更重要的是这个优化领域的问题不能靠传统数学优化方法解决，现代优化算法的成熟是近十几年的事。 宝钢近几年系统地开展了生产计划领域优化模型(或称系统)的研究工作，并取得了可喜的进展。本文主要介绍宝钢研究院自动化所参与的研究和开发情况，所有这些工作都有制造管理工程师的参与。与大型钢铁企业生产管理相关的优化领域十分广泛，涉及多个数学或控制学分支。为了使研发的效率提高，宝钢首先进

7、行了相关数学和控制学方法的基础系统研究。扎实的基础研究(含数学理论方法与可靠软件包开发)是提高工业应用的开发效率，特别是优化效果的最重要保证。我们的基础研究包括以下方法的理论研究和软件包开发：人工神经元、模糊逻辑控制器、线性规划、遗传算法软件包、禁忌搜索、离散事件仿真、约束规划等。在基础算法和基础软件包开发的基础上，宝钢逐步开展了全线短期生产计划优化模型的研发。研发经历了单一工艺段优化模型的开发，如组炉模型、炼钢计划模型、连铸计划模型、热轧计划模型(见上图1)等等。在此基础上，我们正在开发涵盖炼钢、连铸、热轧(并考虑冷轧流向)的一体化计划模型，后者技术难度较大，目前国际上只有少数钢铁公司掌握了

8、这类技术。目前，我们已掌握了若干关键技术，并已完成模型的仿真测试工作。预计2007年7月前后将在宝钢分公司二炼钢上线运行。2 L1与L2层级的研发21 概述 随着研发的深入，宝钢对L1、L2层级的模型开发已经不受计算机层级的影响。研发重点是把控制技术与装备、工艺和材料技术相结合，以进一步增强宝钢L2模型的原创能力和形成公司技术集成能力。另外，我们把研发力量聚焦在冶金专门的问题上，通用问题借助社会和装备生产商的力量。 成套过程控制模型可以分为工艺模型、半控制模型和控制模型三类。前者应当以工艺研发人员为主进行，后二者应当以控制研发人员为主进行。以模型数量所作的专家调查表明，三类模型总体上大约是工艺

9、模型20；半控制模型45；控制模型35(不同工艺段略有所不同)。22炼钢过程控制 现代炼钢有多种生产方法和工艺，大致可以分为初炼(通常用转炉和电炉)和精炼(各式各样的炉子，如RH真空脱气、LF钢包加热炉等等)。如前所述，炼钢过程控制模型是宝钢最早获得成功的领域。 宝钢在炼钢过程控制模型不仅形成了各种常见工艺的成熟成套模型，更重要的是形成了工期内的工程模型开发能力。宝钢早已不引进炼钢控制模型，在炼钢过程模型方面取得的部分工程应用业绩如下表1。 宝钢在炼钢L2模型研发的历程如下表2所示。至今宝钢所有炼钢模型均为独立知识产权。宝钢转炉模型走过了引进、消化和创新的路。转炉积累了多个流派的模型，如转炉核

10、心的吹炼模型就有代数学、智能和复合模型三套不同的产品。其中代数学模型和引进技术类似，而后二者则是完全独立开发的模型。在宝钢，即使是代数学模型也作了增量模型、统计模型和机理代数模型等多项比较研究。此外，还开发了转炉脱硫工艺的控制模型。 宝钢精炼炉模型的研发则不再通过消化引进技术来创新。因此，宝钢精炼炉模型的结构在国际上具有独立的技术风格，目前，宝钢具备开发任何新精炼工艺控制模型的能力，篇幅所限不作展开。23连铸过程控制连铸是我所起步比较早的领域，从1999年开始，先后进行了大量从L1到L2的复杂控制技术研究。初步形成了L2成套模型、动态二冷和轻压下控制、漏钢预报、专用传感器、电子抗干扰、结晶器液

11、面控制等技术，振动式大包下渣检测系统已经成功投运，高速调宽技术也在研发中。上述技术主要是针对板坯的，目前的主要成果如下表3所示。231 动态二冷与动态轻压下技术动态二冷和动态轻压下模型是连铸过程的核心模型。这两个模型的开发难度较大。其关键难点是这两个模型实质上都密切捆绑了工艺制度，又是执行在线自动控制，对可靠性要求极高。因此，模型开发过程必然同时面对工艺、控制、计算机三个领域的问题。 对新建或进行重大改造的连铸机，投运模型的前提是工艺制度，也就是基本的水表、轻压下表。宝钢5、6号连铸机建设和2号连铸机改造都是自主建立的工艺制度。现在已经把宝钢建立工艺制度的思想方法提炼出来，将其归纳入连铸工艺参

12、数计算机辅助计算工具(CAT)中，使得工艺人员可以轻松地制定和修订基本工艺参数。 具备工艺参数之后，模型关键转入计算机和控制问题。其中，对计算机领域的挑战是系统的安全可靠性。在线控制模型本质上是一种控制软件，一旦出现问题可能会对生产过程造成难以逆转的影响。为此，对二冷和轻压下模型来说，90以上的代码是为控制的安全可靠而开发的。控制算法则主要考虑稳定性问题，稳定性是模型控制优于水表或者压下表的本质优势所在。在考虑稳定性的时候，不仅要考虑工艺结果的稳定性(如表面温度的稳定性)，还要考虑工艺参数、工艺过程的稳定性(如水量的稳定性)，以实现产品质量的稳定性和设备损耗的最小化。我们对可靠性和稳定性的出来

13、方法来自于多年的经验积累，包含近20项宝钢技术秘密和1项专利。 从5、6号连铸机投产到现在，宝钢自主确定工艺制度的历史已经接近10年，其中2号连铸机的工艺制度就是用CAT软件计算出来的，目前已使用了接近2年。第一个二冷动态控制模型是2000年投运的，目前已经推广到4台板坯连铸机。轻压下模型于05年底在2号连铸机试运行，初步结果表明对减少偏析的效果明显，并于06年10月开始了向3号板坯连铸机的移植工作。232 漏钢预报系统(BBPSII)宝钢板坯漏钢预报系统经历了多年数次开发，目前形成了完整的模型体系(BBPSII)，该系统不仅可以对通常的粘结漏钢进行预报，还可以预报纵裂漏钢。该系统集逻辑判断、

14、模糊神经网络等技术于一体，提高了漏钢预报警的准确率，具有较强的抗干扰能力，大幅度减少了误报率，提高了漏钢检出率。BBPS系统的功能包括实时数据的采集、存储与管理；实时数据处理；逻辑判断模型、神经网络预报模型、空间网络预报模型；漏钢预报与自动监控；案例分析工具；模型在线维护；离线系统仿真等。其中，在4号连铸机所使用的BBPS系统中增加了热成像功能，可实时、动态显示结晶器表面的温度分布情况。当粘结发生时，粘结处对应的热电偶温度大幅度上升，可明显得到粘结的特征状况，从而确认粘结的发生。热成像技术的使用，为判断粘结特征提供了更方便、准确的参考。在热成像功能中，热成像画面(见图2、图3)可观察平面热电偶

15、的温度变化情况；变化趋势观测画面可用于观测板坯的历史温度变化情况。宝钢分公司各连铸机的应用效果如下表4所示：(表中数据的日期为2006年12月2007年2月，约各浇铸2500炉)，由下表可知，该系统指标达到国际十分先进的实绩。233 连铸中间包液位自动控制系统在连铸生产中，钢水从钢包注入中间包，再由中间包流人结晶器，然后在冷却水作用下凝固形成铸坯，并由拉坯机拉出结晶器。在此过程中，中间包钢水液位的稳定，可以保证中间包内保护渣最大限度的浮出钢水，并且可以减少保护渣卷人铸坯中，提高铸坯质量。由于中间包液位控制的复杂性和难度，在实际生产中，都是采用人工手动控制，这样不但控制精度低，同时还加大了操作工

16、的劳动强度。为此，我们自主开发研制了“连铸中间包液位自动控制系统”。本系统采用中间包称重原理，结合大包钢水流量采用人工智能控制，在中间包液位发生变化时，通过控制大包滑动水口的开度，从而使液位稳定在设定值范围内。本系统对设备的改动很少，不需要滑动水口位置传感器，安装、使用和维护方便，投资和使用成本低。 系统功能包括：智能全自动控制、实时数据采集存储、系统故障自诊断与报警、历史数据存储与历史趋势图显示、抗干扰技术、手动与自动控制切换、在线参数设定修改应用效果：该系统自2006年9月在宝钢炼钢厂取得了成功的应用，在整个浇铸过程中不再需要操作工进行人工液位控制，完全由系统进行中间包液位自动控制，整个系

17、统性能稳定，工作可靠，响应时间小于1秒，超调量小于06吨，稳态控制精度小于02吨，综合性能优于国外引进设备，实现了无人操作全自动运行。带来的最明显的效果就是减少中间包液位波动情况，提高了铸坯质量，同时减轻了操作工的劳动强度，改善了操作工的工作环境。图4是系统示意图。234振动式大包下渣检测系统 钢包下渣检测已成为现代连铸生产和质量控制的重要技术之一，为在连铸机上浇注出高质量的纯净钢坯，有必要在钢包上使用下渣检测系统。目前常用的有线圈式和振动式两种技术，各有一定的优缺点，但振动式以维护少等重要优点会逐步进人更多的应用。宝钢连铸钢包下渣检测与控制系统真正实现了无人操作全自动运行，能准确判定浇铸后期

18、钢包下渣，并及时优化关闭滑动水口，减少钢包中钢渣进人中间包的量，提高钢水纯净度，增加钢水收得率，增加连浇炉次，改善大包操作工的劳动强度和工作环境。该系统自2006年9月在宝钢炼钢厂电炉取得了成功的应用后，在钢包浇铸末期不再需要操作工人工判渣，完全由下渣检测与控制系统自动判渣并优化关闭滑动水口，系统性能稳定，工作可靠，带来的最明显的效果就是减少了钢包残钢量、提高了产品收得率和钢水纯净度，改善了产品质量，钢包连浇10炉后，中间包渣层厚度不超过15厘米。同时减轻了大包操作工的劳动强度，改善了操作工的工作环境。实践证明，使用连铸钢包下渣检测与控制系统不仅提高了连铸生产的自动化水平，同时可以获得明显的经

19、济效益。235 关于结晶器调锥调宽系统 目前国内还没有结晶器调锥调宽系统完全自主研发的报道，其主要原因是耐恶劣环境的角度传感器研制难度比较大。我所在2000年研制成功这种传感器并在8条生产线上稳定运行后，没有继续研制整个系统。应该说除传感器外，整个系统的研制难度并不大，目前打算针对工程需要研制。236 小结 上述连铸复杂控制系统的成功归结为以下几点： *都有后台的模型参数分析系统和工具，为高效率的建模提供了工作效率和精度的保证。 *都和控制系统或者执行机构联系，形成成套技术，为多次方便的工业应用奠定了基础。 *都具备友好的人机界面，这里不是指界面漂亮，而是界面友好，深入到许多需要考虑的细节，现

20、场工程师使用后十分称道。 *都有严格的可靠性检测，目前所有应用上述技术的近十多个工程没有出现任何意外。 *都有良好的培训体系，便于理解和承接。3 L3与L4层级的研发31 研究概述 冶金工业是一个离散连续混合型的流程工业，在大规模生产规模的装备和多批次小规模供货的市场需求矛盾的状况下，使得完整冶金生产线的生产安排变得异常复杂。在无数可行的生产计划中如何选择某些指标(如生产成本、加工时间、交货期、产能最大等等)最优的生产计划就具有直接可观的经济价值。象宝钢这样分期建设，产线多处重合的复杂流向的钢厂更是具有重大意义。 我们也习惯地把制定这样优化的技术叫做“模型”。其实，它即可能是一个优化模型，也可

21、能是一个决策系统。从工业应用和软件系统的角度看，目前国际上通常将ERP开发商与冶金生产计划模型技术的开发分工进行。如以问题划分，从工厂宏观的角度看，上述优化技术至少涉及长期生产计划确定、产品质量设计优化、上下游供应商策略、生产线位置选择、商务预测等。 从工厂微观的角度看，至少涉及： *短期生产计划优化，如炼钢计划优化、连铸计划优化、热轧计划优化、冷轧计划优化等 *生产调度，如炼钢连铸之间的在线调度、连铸热轧之间的热装热送、厂区运输调度等 *在线性能预报涉及的应用，如减少采样等。 *特殊生产线计划，如厚板物流仿真与计划优化等下面是我们提出的宝钢计划和调度优化系统BOPS(Baosteel Opt

22、imal Planning and Scheduling)的结构示意图5，它包括短期计划优化、性能预报、长期生产计划等大的模块，也包含了目前宝山分公司的大多数工艺段。我们将在未来一段时间里不断完成其中各模块的研发和应用。图2表示的内容除了和一般国外大公司的钢铁生产计划调度系统大体相似外，在其中融人含有“信息技术+材料设计+数据建模"的模块是宝钢系统的一个特点。它将更有效的使系统适应未来技术的发展。下面主要针对基础方法研究、L1L4各级模型控制系统的研发情况进行简要的介绍。32 基础方法研究(略)33 生产计划与调度331 综述通常计划在L4计算机中，调度在L3计算机系统实现。从计划优

23、化的角度看，我所形成了冶金全线(板材生产线)的计划优化技术能力。在调度方面，主要是在组炉优化、炼钢连铸调度系统、热轧排程调度系统、部分冷轧产线排程系统等方面取得了比较先进的成果，连铸和热轧之间的调度问题需要计划优化和热装热送来联合解决。图6是我们在计划优化与调度排程方面已经取得的成果和部分正在研发的技术。332炼钢组炉优化3321 概述 炼钢组炉优化问题属于炼钢连铸段的生产批量计划中的炉次计划问题。由于生产成本及连续规模化生产的需要，炼钢生产是以炉为单位进行，按炼钢炉的大小不同而定。最大的如宝钢转炉每炉最大生产重量为300吨。实际生产中允许少许波动。因此，在连铸组炉生产时，根据用户合同对连铸板

24、坯订单要求，需要把多个用户合同组成一炉进行组批生产，同炉生产的用户合同必须满足以下规则： 钢种必须相同； 板坯规格必须相同； 如所选择的用户的合同量不满一炉，仍然以一炉的重量组织生产，炉中没有合同对应的多余的产量称之为余材。在实际生产中，钢种是通过出钢记号来标识。在进行合同组炉生产时，每一用户合同都有一个主出钢记号，和若干副出钢记号(与主出钢记号对应)。同炉生产的合同订单的主出钢记号尽可能相同，在主出钢记号不同的情况下，也可只要求对应的副出钢记号相同，即用副出钢记号替代主出钢记号(一般情况下，需要花费更高的生产成本)。因此，组炉的合同中主出钢记号种类(包括替代的副出钢记号)越少，则综合生产成本

25、越低。因此，组炉优化目标一是追求出钢记号种类最省，二是组炉生产时产生的余材最少。3322模型优化及效果 组炉优化问题是多目标优化问题。我们在开发该模型时，两目标的权值比例可按实际需求自由选择，以决定是追求最省出钢记号种类还是总余材最少。该模型算法使用了MOGA以及DP方法。实际运行表明：所选择的算法有效、实用。该模型一个显著特点是，依目标的不同取舍，模型自动给出不同的答案。并且，可同时给出若干不同的组炉方案，这为计划编制人员提供相当灵活的选择。该模型已开发成功，并应用于宝钢宽厚板生产线的组炉计划的编制，创造了较大的经济效益。下面以宝钢的实际计划数据为例，通过模型和手工比较的结果来说明模型的经济

26、价值。如表5中第二和第三行，手工结果需要40个钢种，而模型只需要7个钢种。余材更是大幅度减少，该模型在宝钢宽厚板生产线产生的年经济效益是900余万元，大大优于手工操作。333 连铸计划优化模型与系统3331 概述 随着用户对产品质量和交货期的更高要求，传统的依靠人工编制生产计划的方法越来越难以适应。如何从数以万计的“可行计划”，中找出某种优化意义的“最优计划”或“优化计划”是一件极具经济效益的事情。传统连铸计划编制方法基本上是在计算机辅助操作的支撑下基于手工作业：以计算机系统为操作输入界面，每次只能编制一个CastLot计划。在计划编制过程中，必须人工确定浇铸的钢种、板坯的宽度、CastLot

27、的炉数等决策量。建立基于模型的连铸计划编制与优化系统，是彻底解决上述问题的有效途径：计划调度人员只需进行少量的参设定数，让系统自动生成优化的多天连铸计划，且可以给出多个生产计划供调度人员按实际需要选择。此外，由于模型运算快，可快速地为计划调度人员的各种想法提供决策支持。为此，我们开发了基于宝钢二连铸的模型计划排程系统，实现了如下功能： *工艺生产参数及模型常数管理 *合同数据查询、显示与统计 *基于优化模型的连铸计划生成 *连铸铸机自动分配 *连铸计划图形化调整 *模型计算结果统计 *计划确定、下传及赋号 以上功能的实现，大大地提高了连铸计划的编制水平与效率。3332 建模方法及效果 整个连铸

28、计划模型由如下子模块构成：组炉模型、组CASTLOT模型、组中间包模型、组CAST模型、铸机分配模型。由于这类问题是典型的：NP难问题，一般采用GA、SA、PSO等智能优化算法。在算法设计时，我们反复比较了各中智能优化算法，最终采用PSO算法和类似GA的EDA算法，其计算结果基本满足了实际的生产需要。通过大量的实际生产数据仿真以及在线试运行结果，并与传统的排程方法对比测试，基于模型的计划排程系统在如下几个方面有显著的改善与提高： *提高了计划的合理性与科学性 *提高中间包的利用率和连连浇炉数 *降低无合同材料的产生，提高合同完成率 *提高连铸板坯的热送热装比率 *提高了流向的精确性 以下是宝钢分公司制造部2006年2月份的某一天的手工模型结果对比，合同数据有808个，合同总重为68892吨，RH总量有25410吨，烫辊材总量有4177吨，必做合同依据人工排出的结果设定5个。模型约束中的各工