基于电磁出钢专家系统的功能实现及界面设计

史纯阳，赫冀成

（东北大学，辽宁 沈阳 110819）

为了完成钢包自动出钢过程，传统工艺通常采用引流砂作为钢包底部水口的填充材料。但传统工艺存在着诸多问题[1-3]:一是传统工艺常采用铬质引流砂，虽然克服了硅质引流砂在高温条件下不能自动开浇的缺陷，但铬是污染环境的重要因素，这就不可避免地导致环境污染[4-5]，且在长时间精炼的条件下，自动开浇较困难；二是传统工艺的出钢率只能达到98%左右，且出钢过程中由于引流砂等夹杂物随钢液流入中间包内，会造成钢液污染[6-8]，降低终端产品的表面性能、抗蚀性能及疲劳性能；三是传统工艺中，出现未自动开浇情况时，需要人工烧氧，这时钢液势必会被二次氧化，且烧氧引流的方式会比自动开浇平均耽误5 min，打乱正常的生产节奏，迫使连铸机组降速，恶化了铸坯质量,也增加了生产成本[9-10]。

为解决上述问题，赫冀成等提出了在出钢过程中采用电磁出钢的方法[11]，使用与所炼钢种成分相同或相似的Fe-C合金替代引流砂，其原理为利用电磁感应加热原理对座砖内的Fe-C合金进行感应加热，使其部分或全部熔化后随钢液下落，完成自动出钢过程，同时，开浇率达到100%。随着洁净钢的研制水平、生产工艺以及使用要求的不断提高,我国现有的出钢工艺设备难以满足当前的市场需要,如出钢过程人工作业的比重相对较大，作业耗时较多，效率较低，作业强度极高。为此，本研究将电磁出钢技术与专家系统相结合，设计了电磁出钢专家系统。

1　电磁开浇工艺流程

电磁开浇工艺流程图如图1所示。首先,在电炉/转炉出钢前期，钢包放置在电炉/转炉下方轨道中，电磁出钢专家系统数据库针对所炼钢种信息,对该工况条件下所需外部设备输入输出参数 （包括Fe-C合金添加量、电磁开浇过程所要的电源输入输出参数值、风冷强度值等）进行预判，确定对应的Fe-C合金添加量参数，控制自行设计的Fe-C合金添加装置，命令对应的机械装置动作，完成Fe-C合金的添加作业。接着，出钢后，经过精炼过程，再将钢包放置在钢包回转台等待位，最终旋转到出钢位。此时，按照工序，开始电磁开浇过程，电磁出钢专家系统控制感应加热电源开始工作，使钢液通道内起封堵钢液作用的封堵层部分或全部熔化，从而使钢液流入中间包。待出钢完成后，电磁出钢专家系统控制电源停止工作，风冷及电源的快速接头装置与线圈接头断开，最终完成电磁出钢作业。

图1　电磁开浇工艺流程图

2　功能实现的设计

2.1　远程控制界面及指令

为了便于操作人员对电磁自动开浇专家系统的日常操控，将数据库服务器、功能服务器、显示终端设计在操作室内，实现电磁专家系统模型计算、界面功能和人机接口对话等功能。其主界面如图2所示。

主界面主要实现如下功能:

图2　主界面

（1）急停。设立急停功能是为了应对突发事件 （这里所述突发事件是指电磁出钢专家系统自身运行正常，但由于外部因素，如生产过程中操作人员发生人身安全事故，需要开浇过程立即停止的情况发生时，采用急停方式，将人身及设备损失降到最低）。当发生突发事件时，按下急停按键，所有子系统将复位并退回到开浇前的等待开浇状态，以此保护硬件设备，防止高温损伤和应对生产中临时突发性工况，例如，未完成自动开浇时，需要人工烧氧，此时，电磁开浇系统相关硬件设备要退回等待位，避让作业人员，给作业人员留有足够的作业空间，完成开浇工作。

（2）数据读入。读入二级控制系统下发的控制数据，比如钢种、钢包号、钢液吨数、温度、在线时长等参数。若出现开浇异常情况，需要重新读入相关控制参数时，操作人员可以点击相应按键，完成数据的下放。

（3）Fe-C合金添加量显示。显示出钢前期Fe-C合金的添加重量，为数据库采集控制数据和优化控制程序提供条件。

（4）钢包位置显示。在钢包回转台的等待位和开浇位各安装一对限位开关，来判断盛装钢液的钢包所在位置。当钢包放置到钢包回转台等待位时，限位开关向服务器发出相应的就位信号，主界面相应位置会显示钢包等待开浇，表示钢包处于等待开浇状态。当开浇位的钢包完成开浇作业后，行车将钢包吊起，运送到钢包维修处，此时开浇位上的限位开关向服务器发出相应的钢包脱离信号，主界面会显示此钢包已完成开浇作业，大包回转台可以旋转，进行下一炉次的开浇作业。

（5）系统标定。标定对于电磁出钢专家系统是一个重要的步骤，标定的准确性对检测元件测量的准确性至关重要。由于前期所获结论主要通过现场试验和数值模拟等手段获得，在数值模拟时，通常将环境温度设成室温（30℃）。但实际生产时，现场环境温度是实时变化的。然而开浇过程所需添加的Fe-C添加量和开浇所需的电源输出值又会随影响钢液温度变化的因素改变 （如钢液初始温度、在线时长、现场环境温度、精炼添加的合金量多少等），其设定值产生一定的改变。为此，需要使用系统标定功能来使专家系统设定值更加精确。通过标定功能调整开浇用时的相关参数，提高系统的控制参数精度，合理控制Fe-C合金添加量及减少电源给定值与实际需要值的偏差量，从而避免电源输出参数使用过大或过小，起到保护座砖等硬件设备使用寿命的作用。同时，在节能减耗、降低成本方面也起到一定作用。

（6）人工控制开浇启停。为应对突发情况，操作人员利用触摸屏上的相关按键，控制突发事件时设备的动作情况，手动干预开浇过程。

（7）开浇用时显示。显示开浇需要的时间，为数据库采集控制数据、优化控制程序和优化电源输出参数与开浇时间之间的匹配提供条件。

（8）模拟开浇过程。专家系统停用一段时间后，在第一炉钢包开浇前，需要对系统进行一次模拟开浇过程，以便发现系统现存问题。在调试过程中可以缩短调试时间,避免发生由于单体设备故障、通讯故障等因素造成开浇无法完成，影响生产节奏的情况。根据现场实际工况条件变化调整参数的具体设定，优化生产工艺参数,提高控制精度。用模拟开浇来代替试开浇，避免开浇失败带来的经济损失，减少人身及设备安全隐患。

在主界面右上方设有故障报警数字量状态显示模块，分别显示各子系统运行状态是否正常、本地及远程相互切换的实时状态监控、UPS电源工作状态是否正常 （为应对突发断电情况设置UPS电源，保证主控制器及PLC系统的正常稳定工作）、网络传输状态是否正常、子系统间通讯及子系统与主系统间通讯正常。开浇完成、系统健康信号（若系统出现故障，蜂鸣器会发生报警，操作人员会在第一时间发现并开始处理）等控制状态。

主界面的中间位置设置实时状态动画演示，分别显示开浇过程中钢包内线圈加热状态、封堵层是否脱落状态、各子系统运行状态，便于操作人员观察电磁开浇系统运行状态，模拟开浇过程的各子系统运行状态。

主界面的右下方设有子系统间互锁/分离按键，在开浇准备就绪，各设备连接正常后，系统会自动启动互锁状态。这样设计是为了保证整个开浇过程的顺利进行，避免开浇过程中，由于某子系统接收到干扰信号而突发动作，导致系统不能顺利完成开浇过程，从而提高系统的稳定性及生产过程的安全性。

2.2　Fe-C合金添加界面

按照工艺时序，当系统发出Fe-C合金的添加命令后，电机工作带动传动机构使翻板翻转，完成添加工作。图3为Fe-C合金添加界面，在该界面右下方设有Fe-C合金添加过程动画演示功能，主要显示Fe-C合金添加过程中，电机运行、传动机构运行、翻板运行的状态动画演示，便于操作人员查看系统运行状态过程，监控设备运行是否正常。

图3　Fe-C合金添加界面

在界面的上方设有Fe-C合金添加的物性参数显示模块，具有应对突发事件的功能。如二级控制系统下发数据错误，会影响专家系统下发给电源子系统的控制参数，影响开浇效果。这时，需要在添加Fe-C合金前人工手动输入Fe-C合金形状、颗粒度、材质的物性参数，系统会根据人工手动输入的数据自动计算出所需要的Fe-C合金添加量的给定值。同时，为保证Fe-C合金添加过程顺利完成，在界面左方设有人工Fe-C合金添加开始、Fe-C合金添加结束和机械设备复位功能。

图4为Fe-C合金添加查询界面，是对Fe-C合金添加过程的监控，主要用于查看二级控制系统下发的钢质代码、钢种信息是否与所炼钢种一致，同时可针对所炼钢种的合金元素种类及添加量对开浇时间的影响（通过影响钢液温度，间接导致封堵层的厚底和位置的变化）进行参数补偿，使预期的开浇时间更加精确。若出现数据下发错误时，可以在开浇前点击界面，进行紧急修正。同时，在界面右下方设有元素含量查看和修改合金补偿表功能。在界面中还冗余了Fe-C合金添加量子界面，目的在于将所有相关参数集成于一个界面内，便于提高系统的操作性。

图4　Fe-C合金添加查询界面

图5为座砖界面。在整个电磁开浇系统中，座砖是关系到开浇能否顺利进行的重要部件，所以对其进行相关参数的监控，判断其本体是否完好，其内部的线圈是否烧损，其温度是否处于工作允许范围内是非常必要的[12]。

图5　座砖界面

针对上述问题，在座砖检测界面内设有座砖温度检测 （为数据库提供相关影响开浇时间的参数）、线圈上、下部温度（因为线圈部温差较大，故有必要分别检测）、线圈平均温度、线圈是否工作正常、线圈烧损、电源连接是否正常、风冷系统是否连接正常等检测点。同时，针对感应加热座砖内线圈使用寿命和工作温度进行实时监控，在下方画面里设有线圈实时监控显示点。

2.3　风冷及线圈界面的设计

图6为风冷和线圈界面。风冷系统中，智能压力变送器、机械指针式压力显示表用来检测压力大小、冷却气体强度、冷却气体线路是否连接正常。针对线圈实时温度变化情况，利用智能变送器来调节冷却气体阀门开度，从而达到闭环控制的目的。

图6　风冷和线圈界面

为合理延长线圈的使用寿命，需要对电磁感应线圈进行冷却。考虑到生产安全，系统采用惰性气体（氮气）冷却。按照工艺要求，线圈温度需要控制在500℃以下，所以需要对冷却气体的流量进行检测，以保证线圈温度在其工作条件范围内。与此同时，还要考虑压力对线圈使用寿命的影响，压力过大会对线圈带来较大冲击的同时，也会使线圈内外端面有较大温差，这会大大影响线圈的使用寿命。这就要求在选择压力变送器时，选择具有上下限报警功能的智能压力变送器。考虑到现场工况可能会对智能变送器工作精度带来影响，且电子设备可能会出现检测不准、变送器自身损坏的情况，需要在现场安装一块传统机械指针式压力显示表，在界面中部设有系统的冷却气体设定值给定显示功能、反馈值显示功能及偏差量显示功能，便于操作员查看相关数据，也为系统自学习模型的学习提供控制数据。

在线圈系统参数里，主要显示线圈的使用炉数、线圈的重要相关参数:Q、R、L值，并设有判断线圈能否继续工作的功能。当线圈不能工作时，系统将及时发出报警信息，提醒操作员更换座砖。同时，系统会自动对线圈的使用炉数及长期的使用工况进行统计分析，为线圈的研发提供统计数据。

2.4　故障报警界面

图7为故障报警查询界面。按照故障是否能影响系统正常运行的影响因子大小划分故障等级，包括:重故障（正常开浇作业需要停止，如线圈烧损、电源不工作等）、轻故障（系统部分功能出现故障，但仍然可以完成开浇作业，如风冷气压不稳定出现小范围内的波动、某些复用的检测部件出现故障等）、系统动作情况的实时监控画面及相关信息的历史记录功能。当电磁开浇系统工作过程中一旦发生故障报警，操作员可以针对故障的等级来判断专家系统能否继续完成开浇作业。重故障需要立即检查故障原因，停止开浇过程；轻故障则可以待开浇完成后再检查故障点。这样，在提高系统开浇率的同时，系统主要动作的实时监控画面及相关信息的历史记录功能可以协助操作人员判断系统故障点，更加了解常见故障类型，便于设备的运行维护。

图7　故障报警查询界面

2.5　紧急修正画面

图8为紧急修正界面。为使系统能够克服由于原生产计划所需数据与二级控制系统下发数据不一致的情况，需要在开浇前对二级控制系统下发数据进行紧急修正，这一过程需要通过人工设定各子系统所需输出参数的经验值，确保开浇作业的顺利完成。

修正过程可直接在紧急修正画面里完成。为避免误操作，保证人工干预的准确性，采用重复确认方式，即在开浇前点击紧急修正按钮，并在输入相应数据后再次点击设置键进行确认，方可修改相应数据。

图8　紧急修正界面

2.6　历史数据查询画面

图9为历史数据查询界面。为了更准确的观察和统计长时间以来电磁开浇专家系统各参数的数值变化规律，确保数据库各参数文件与控制文件的管理更新，调优参数配置，提高自学习模型的准确性，同时，也为操作员提供故障诊断和维护的依据，这就需要在历史数据查询画面中建立统计模拟量随时间变化的趋势图。通过对每一个参数变化情况的查询，统计各子系统参数的变化规律。

图9　历史数据查询界面

3　应用效果

为了测试所设计的电磁出钢专家系统功能的实现情况，根据某钢厂现场实际生产工艺条件，利用MATLAB中的SIMULINK模块构建数学模型，并进行相应的仿真测试，仿真对象主要针对Fe-C合金添加量模糊控制模块和风冷系统。其余子系统主要用来控制相应子系统启停或各参数实时状态显示的数字量，故无需做仿真测试。图10为电磁出钢专家系统中风冷子系统及Fe-C合金添加量控制子系统仿真结果曲线图。

图10　电磁出钢专家系统中风冷子系统及Fe-C合金添加量控制子系统仿真结果曲线图

从图10（a）可以看出，系统稳态精度较高，超调量小；图 10（b）中，每一次“阶跃”代表着炼钢过程中一个冶炼周期需要添加的Fe-C合金量，可以看出，每一次的添加量都很稳定，超调量很小，满足了电磁开浇系统控制的设计性能指标。

4　结论

针对电磁出钢专家系统的功能需求，设计了其子系统功能及相应的操作界面。该系统具有以下特点:

（1）具有处理开浇工艺常识的能力、发展Fe-C添加量控制深层的推论能力、不同子系统间相互协调的工作能力，具有学习、获取与更新知识以及运用知识库对生产过程中的问题作出判断和决策的能力。

（2）能促进各功能模块的进一步研究，为各功能模块的专业知识和经验的总结及提炼，提供生产数据。

（3）具有稳态精度高、超调量小等特点，能够很好的满足电磁出钢系统的设计性能指标，实现高效率、高精度的炼钢生产。