高爐冶煉是在密閉容器內(nèi)進(jìn)行的復(fù)雜的高溫物理及化學(xué)過程，全面直觀的觀察過程進(jìn)行的狀況尚不可能，一旦原燃料條件出現(xiàn)較大的波動(dòng)，容易造成高爐爐況不穩(wěn)定。高爐專家系統(tǒng)是一種模擬人類思維過程，充分利用冶煉專家的經(jīng)驗(yàn)對(duì)復(fù)雜過程進(jìn)行跟蹤、控制和管理的技術(shù)，它集模糊技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能、在線檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與控制技術(shù)于一體，收集整理冶煉專家和現(xiàn)場(chǎng)操作人員豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合冶金學(xué)科理論知識(shí)，建立而成的高爐智能控制系統(tǒng)。高爐專家系統(tǒng)設(shè)置的目的是優(yōu)化高爐操作、穩(wěn)定爐況、提高鐵水質(zhì)量、延長(zhǎng)高爐壽命、降低燃料消耗，提高高爐生產(chǎn)的管理水平，節(jié)能降耗，最終實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增效益。

 1、 技術(shù)研發(fā)背景
       首鋼一直致力于高爐專家系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，目前已掌握高爐專家系統(tǒng)領(lǐng)域的核心技術(shù)，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。首鋼高爐專家系統(tǒng)充分吸收國(guó)內(nèi)外高爐專家系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合首鋼高爐冶煉特點(diǎn)和操作習(xí)慣，以數(shù)學(xué)模型和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、專家系統(tǒng)技術(shù)為核心、模塊化結(jié)構(gòu)為手段，綜合分析和判斷高爐的生產(chǎn)過程，提供高爐爐況現(xiàn)象分析及操作建議，幫助高爐操作者進(jìn)行綜合治理和穩(wěn)定爐況。
       首鋼開發(fā)的高爐專家系統(tǒng)已在首鋼2號(hào)高爐上得到很好的檢驗(yàn)，尤其是在異常爐況預(yù)報(bào)和基于布料模型的布料調(diào)整試驗(yàn)方面均取得良好效果。在此基礎(chǔ)上首鋼專家系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)需要又增加新的模型并改善其人機(jī)界面功能，使得專家系統(tǒng)的智能化水平進(jìn)一步提高。新型高爐專家系統(tǒng)包括從爐頂布料到鐵口出鐵的全過程的數(shù)學(xué)模擬仿真及爐況跟蹤控制，并在遷鋼4000m3高爐的生產(chǎn)實(shí)踐中成功應(yīng)用。
       2 、專家系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)原則
       高爐專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括軟件設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)硬件及網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)三大部分。首先，在軟件設(shè)計(jì)部分要求系統(tǒng)具有良好的開放性、兼容性及擴(kuò)展性、容錯(cuò)能力好、穩(wěn)定、可靠性高并且結(jié)構(gòu)功能模塊化，易于整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建及問題處理，易于操作人員使用并可定置軟件環(huán)境。控制系統(tǒng)硬件及網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)部分如圖1所示，主要原則是在滿足系統(tǒng)應(yīng)用的要求下統(tǒng)一設(shè)備選型，便于減少設(shè)備備件的種類，簡(jiǎn)化設(shè)備維修。
       數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)部分主要是圍繞包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、原料分析數(shù)據(jù)、高爐模型結(jié)果、技術(shù)計(jì)算參數(shù)、知識(shí)庫參數(shù)等五大方面的需求，來設(shè)計(jì)相關(guān)的數(shù)據(jù)表。每張表都有各自相關(guān)的描述表，歷史表等等，有些表之間還根據(jù)自身數(shù)據(jù)的特點(diǎn)做關(guān)聯(lián)，來保證相關(guān)表之間的約束性。數(shù)據(jù)庫包括如下主要內(nèi)容：基礎(chǔ)自動(dòng)化檢測(cè)數(shù)據(jù)、原料分析數(shù)據(jù)、高爐模型處理結(jié)果、技術(shù)計(jì)算參數(shù)及計(jì)算結(jié)果、知識(shí)庫參數(shù)及推理結(jié)果等。
       3 、高爐專家系統(tǒng)主要模塊及模型設(shè)置
       3.1 爐料質(zhì)量控制
       對(duì)入爐的原燃料質(zhì)量進(jìn)行分析判斷，針對(duì)不同爐料的影響給出效應(yīng)的處理辦法，防止有害元素含量偏高或焦炭質(zhì)量變差等因素對(duì)高爐順行造成影響。
       3.2 爐況預(yù)報(bào)與控制
       以專家知識(shí)庫為基礎(chǔ)，通過智能推理對(duì)高爐行程、爐熱等爐況趨勢(shì)做出預(yù)報(bào)，并提供相應(yīng)的調(diào)整建議，有效避免爐缸堆積、懸料和管道等異常爐況的發(fā)生，或降低異常爐況的影響程度。
       3.3 爐型管理
       主要是對(duì)高爐爐襯及渣皮的厚度變化進(jìn)行跟蹤模擬，提供直觀的爐型變化趨勢(shì)，為高爐操作者采取合理的爐型維護(hù)措施提供依據(jù)。
       3.4 提供多種工藝的過程模型來幫助工長(zhǎng)操作
       1) 配料計(jì)算模型
       計(jì)算在滿足爐渣堿度要求條件下，冶煉規(guī)定成分生鐵所需要的礦石、焦炭、熔劑數(shù)量。通過配料計(jì)算也可求解礦石的理論出鐵量、理論渣量等。
       2) 爐料分布模型
       結(jié)合高爐布料規(guī)律，考慮到爐內(nèi)煤氣流變化和焦炭塌陷等因素，建立實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的爐料分布仿真模型，同時(shí)根據(jù)高爐狀況給出合理的高爐布料調(diào)整措施，解決布料形狀變化給高爐順行帶來的影響并有效改善煤氣利用率。
       模型中根據(jù)爐內(nèi)料面的形狀變化，動(dòng)態(tài)求解爐料的落點(diǎn)；采用幾何算法計(jì)算新舊料面交點(diǎn)，大幅度減少計(jì)算量，提高系統(tǒng)性能；采用土坡堆積原理對(duì)焦炭塌陷后的料面進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正；并采用三段法分別計(jì)算中心、中間和邊緣的平均礦焦比。
       3) 物料平衡模型
       物料平衡模型建立在配料計(jì)算的基礎(chǔ)上，包括鼓風(fēng)量、煤氣量以及物料收支總量等項(xiàng)的計(jì)算，有助于對(duì)高爐過程進(jìn)行全面定量的分析和深入研究，并為熱平衡計(jì)算做準(zhǔn)備?？赏茢喑霎?dāng)日的鐵量偏差。
       4) 熱平衡模型
       高溫區(qū)熱模型是以高溫區(qū)的能量守恒為依據(jù)建立的，通過高溫區(qū)域的熱量收入與熱量支出計(jì)算熱指數(shù)，反映爐內(nèi)熱量消耗狀況，分析高爐冶煉過程的優(yōu)劣。
       5) 渣鐵平衡模型
       爐缸平衡模型是通過計(jì)算理論產(chǎn)鐵速度和實(shí)際出鐵速度之差在一定時(shí)間內(nèi)的累積情況，從而反映出爐缸內(nèi)的渣鐵儲(chǔ)存情況。同時(shí)記錄出鐵的開始及結(jié)束時(shí)間、鐵量、速度、及溫度。
       6) 爐缸侵蝕模型
       模型以傳熱學(xué)為基礎(chǔ)，采用有限差分的方法進(jìn)行離散，建立柱坐標(biāo)系下的二維穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)模型；模型解決了侵蝕過程中“邊界不定”的問題，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)侵蝕邊界下的溫度場(chǎng)計(jì)算，并考慮了侵蝕過程中的凝結(jié)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了凝結(jié)層位置的計(jì)算及凝結(jié)發(fā)生情況下的溫度場(chǎng)計(jì)算；模型中采用人工智能算法并結(jié)合模型特點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)無需人工干預(yù)的全自動(dòng)模式，能夠針對(duì)不同大小、不同結(jié)構(gòu)、不同材質(zhì)砌筑的爐缸爐底，方便地對(duì)爐缸爐底的侵蝕狀況和凝結(jié)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)及圖像還原。
       7) 爐身熱負(fù)荷模型
       利用傳熱學(xué)原理，計(jì)算爐身磚襯內(nèi)的溫度場(chǎng)，從而反映爐身各段爐型的變化，并畫出變化后的爐型。同時(shí)幫助高爐操作者及時(shí)發(fā)現(xiàn)高爐冷卻設(shè)備與磚襯之間是否存在串氣現(xiàn)象。
       8) 鐵水溫度預(yù)測(cè)模型
       鐵水溫度預(yù)測(cè)模型是利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法結(jié)合高爐生產(chǎn)實(shí)際建立的。通過大量在線試驗(yàn)對(duì)影響鐵水溫度的因素進(jìn)行優(yōu)化篩選，最終確定5個(gè)最佳輸入層變量。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中采用自適應(yīng)調(diào)整學(xué)習(xí)率和附加動(dòng)量因子的梯度下降法，提高網(wǎng)絡(luò)收斂速度和精度。為有效適應(yīng)爐況變化，樣本庫采用動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)更新方式，并定時(shí)對(duì)更新后的樣本庫進(jìn)行訓(xùn)練，每次網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練對(duì)隱含層個(gè)數(shù)進(jìn)行重新確定，以達(dá)到更好效果?？梢詫?duì)鐵水溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)，有助于工長(zhǎng)提前知道鐵水溫度的趨向，穩(wěn)定爐況。http://www.industryinspection.com
       9）爐身冶煉過程模擬模型
      根據(jù)配料計(jì)算的結(jié)果和實(shí)際裝料情況，直觀地顯示任意時(shí)刻的一批料的信息，包括下料批數(shù)、焦比、焦丁、堿度以及當(dāng)前時(shí)刻在高爐內(nèi)的位置等，幫助高爐操作者了解下料速度及高爐冶煉周期。
      10）數(shù)據(jù)有效性判斷模型
       對(duì)采集到數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，剔除異常數(shù)據(jù)，幫助高爐操作者及時(shí)發(fā)現(xiàn)檢測(cè)設(shè)備故障，為專家系統(tǒng)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。
       3.5 高爐專家系統(tǒng)人機(jī)界面及功能
       專家系統(tǒng)人機(jī)界面包括九大類：專家系統(tǒng)、數(shù)學(xué)模型、數(shù)據(jù)輸入、參數(shù)修改、趨勢(shì)顯示、系統(tǒng)維護(hù)、報(bào)警系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、幫助信息等，見表1。
       4 、高爐檢測(cè)數(shù)據(jù)的設(shè)置
       4.1 爐體主要檢測(cè)點(diǎn)的分布
       1）爐缸、爐底區(qū)域的溫度在線檢測(cè)，共計(jì)544點(diǎn)。
       在爐基設(shè)有3點(diǎn)熱電偶。
       爐底第一層炭磚下設(shè)有1層熱電偶，共9點(diǎn)。
       爐底第一層及第二層炭磚頂面設(shè)2層熱電偶，每層66個(gè)測(cè)點(diǎn)，共132點(diǎn)。
       爐缸壁共設(shè)8層熱電偶，每層48點(diǎn)，共計(jì)384個(gè)測(cè)點(diǎn)。
       鐵口兩側(cè)共設(shè)16點(diǎn)熱電偶。
       爐缸銅冷卻壁每塊設(shè)1點(diǎn)溫度檢測(cè)，共120點(diǎn)。
       爐腹、爐腰及爐身下部銅冷卻壁每塊設(shè)1點(diǎn)溫度檢測(cè)，共4層，每層52點(diǎn)，共208點(diǎn)；每4塊銅冷卻壁再加設(shè)1點(diǎn)溫度檢測(cè)，每層13點(diǎn)，共52點(diǎn)；合計(jì)260點(diǎn)。
       爐身中部及上部鑄鐵冷卻壁每4塊冷卻壁加設(shè)2點(diǎn)溫度檢測(cè)，共7層，每層26點(diǎn)，共182點(diǎn)。
       3）風(fēng)口設(shè)36套壓差檢測(cè)點(diǎn)，以計(jì)算每個(gè)風(fēng)口的風(fēng)速。
       4）爐腰、爐身下部位設(shè)4層爐體靜壓力檢測(cè)裝置，每層設(shè)4個(gè)測(cè)壓點(diǎn)，共16點(diǎn)。
       5）爐喉設(shè)固定測(cè)溫裝置，共設(shè)25個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，可以在線檢測(cè)爐喉煤氣分布狀況，從而推斷煤氣分布狀態(tài)、爐料分布狀況和煤氣利用情況。
       6）爐喉鋼磚表面設(shè)1層溫度在線檢測(cè)，共10點(diǎn)。
       4.2 爐體系統(tǒng)其它在線檢測(cè)點(diǎn)
       熱風(fēng)溫度及壓力檢測(cè)；入爐風(fēng)量檢測(cè)；軟水冷卻系統(tǒng)溫度、壓力、流量檢測(cè)；工業(yè)水冷卻系統(tǒng)溫度、壓力、流量檢測(cè)等。
       4.3 在其它系統(tǒng)設(shè)置的檢測(cè)
       原料成分檢測(cè)；鐵水成分檢測(cè)；噴吹物成分檢測(cè)；高爐煤氣成分連續(xù)檢測(cè)；噴煤量；鐵水溫度連續(xù)檢測(cè)；出鐵重量連續(xù)檢測(cè)；爐頂煤氣溫度及壓力檢測(cè)；空氣濕度檢測(cè)；冷風(fēng)中氧含量檢測(cè)；焦炭灰分及瓦斯灰成分檢測(cè)等。
       5 、技術(shù)應(yīng)用前景
       目前，國(guó)外的高爐專家系統(tǒng)主要有芬蘭羅德洛基和奧鋼聯(lián)兩種，在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用比較廣泛，由于國(guó)內(nèi)的原燃料復(fù)雜，使得這些引進(jìn)的系統(tǒng)并未發(fā)揮應(yīng)有的作用，普遍存在以下不足：功能成型，不能按照國(guó)內(nèi)用戶需要進(jìn)行定制開發(fā)；不能很好地適應(yīng)國(guó)內(nèi)高爐的操作習(xí)慣和原燃料條件的變化；源代碼保密不公開，使得系統(tǒng)的修改、維護(hù)和優(yōu)化受到阻礙。
       遷鋼高爐新型專家系統(tǒng)的成功應(yīng)用，標(biāo)志著首鋼自主研發(fā)的高爐專家系統(tǒng)整體水平已達(dá)國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，具有良好的應(yīng)用前景及推廣價(jià)值。
       2）爐體冷卻壁的壁體溫度檢測(cè)，共562點(diǎn)。

    6、 高爐專家系統(tǒng)成功應(yīng)用是團(tuán)隊(duì)智慧的結(jié)晶
       首鋼國(guó)際工程公司以“三高、四個(gè)一流”為宗旨，積極汲取、消化國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，與首鋼自動(dòng)化信息技術(shù)有限公司、遷鋼公司等相關(guān)企業(yè)、科研院所緊密合作，形成了研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)操作的合作團(tuán)隊(duì)，充分發(fā)揮多年來積累的技術(shù)成果，以及與生產(chǎn)操作密切結(jié)合的優(yōu)越條件，將高爐專家系統(tǒng)技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展。