1、2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,1,炼钢厂的运行控制,刘 青 北京科技大学冶金学院炼钢研究所,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,2,概 要 1、前言 2、报告内容,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,3,一、前言：1、背景2、研究流程：转炉吹氩/喂丝连铸机小型棒材/高速线材轧机,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,4,钢铁制造流程 多维物流管制,钢铁制造流程的 解析与集成,“推”“缓冲”“拉” 宏观动力学,钢铁制造过程工程,钢铁制造过程工程研究的主要内容,方法,理论,调控策略,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,5,图2.7 高
2、炉转炉轧钢流程的演进,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,6,图2.8 炼钢区段轧钢区段演进的“梯形”“倒梯形”关系,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,7,二、报告内容：炼钢厂的运行控制技术,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,8,1、系统运行的原则与调控策略 2、过程的时间、温度参数解析 3、生产能力的解析 4、炼钢连铸生产模式的优化 5、温度制度的优化 6、生产组织与生产控制 7、钢包运转的解析与优化 8、中间包运转的解析与优化 9、计算机辅助生产调度系统,炼钢厂系统的优化与控制技术,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,10,图2.1 八钢
3、转炉炼钢厂车间平面布置示意图,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,11,图2.2 新疆八钢炼钢厂物质流运行图,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,12,1. 高效连铸炼钢厂过程时间温度的研究1.1 制造过程的时间构成1.2 炼钢连铸过程的时间参数解析1.3 炼钢连铸过程的温度参数解析1.4 高效连铸炼钢厂过程时间温度的协调控制1.5 转炉炼钢工序过程时间参数的解析与优化,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,13,1.1 制造过程的时间构成1.1.1 必要基本时间1.1.2 多余时间1.1.3 无效时间 1.2 炼钢连铸过程的时间参数解析1.2.1 时间的二重
4、性1.2.2 时间的表现形式：时间点、时间位、时间域、时间序、时间周期/节奏,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,14,1.2.3 转炉炼钢工序过程的时间参数解析,返回,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,15,1.2.4 高效连铸转炉炼钢厂过程时间参数解析的部分结果,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,16,1.3 高效连铸转炉炼钢厂过程温度参数解析的部分结果,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,17,1.4 高效连铸炼钢厂过程时间温度的协调控制,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,18,1.5 转炉炼钢工序过程时间参数的解析与优化
5、,转炉静态控制模型得出：吹氧时间为12.40.1min； 结合过程解析提出合理的冶炼周期：19min34s。,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,19,2、高效连铸转炉炼钢厂年产能力的分析 2.1 转炉炼钢工序生产能力的确定2.1.1 转炉小时生产能力的确定2.1.2 转炉年产能力的确定,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,20,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,21,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,22,2、高效连铸转炉炼钢厂年产能力的分析 2.2 连铸工序生产能力的确定2.2.1 连铸机小时浇钢能力的确定2.2.2 连铸机年产能力的确定
6、,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,23,图4.13 120mm120mm 4流连铸机拉速和年产量的关系,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,24,2、高效连铸转炉炼钢厂年产能力的分析 2.3 连浇炉数与炼钢厂年产量的关系2.3.1 连铸机单位时间生产能力2.3.2 连铸机年产量的确定,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,25,图4.23 与80t转炉匹配的铸机年产量、连浇炉数与1炉钢水浇注时间的关系,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,26,3. 炼钢厂系统的运行原则与调控策略3.1. 炼钢系统运行优化的理论基础 系统运行宏观动力学（钢铁制造
7、过程工程调控策略） 不同系统层次的表现形式：（1）BFCCM；（2）BOFCCM；目标：“缓冲”，结果：均衡、快速、连续运行。,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,27,图5.1 炼钢厂运行优化的逻辑与实现关系,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,28,3.2 系统运行的原则（1） “炉机对应” 原则 幻灯片 83（2） “能耗最小”原则 幻灯片 84（3）“拉速决定流量”原则 幻灯片 85（4） “连浇” 原则 幻灯片 86,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,29,3. 3 系统调控的策略（1） 炼钢过程系统调控策略（2） 调控策略的表现形式,2019/
8、6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,30,图5.6 炼钢系统运行优化的层次与指导策略,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,31,4. 炼钢连铸生产过程模式的优化4.1 生产模式在炼钢系统运行过程中的地位及其逻辑关系,返回,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,32,4.2 高效连铸工厂生产模式优化的方案,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,33,图6.8 八钢转炉炼钢厂优化后的生产模式,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,34,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,35,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,36,4.3 生产
9、模式的优化幻灯片 19（1）车间平面布置趋向合理、简洁；（2）工序缓冲趋向合理、有效；（3）工序运行趋向高效、优化。,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,37,5. 温度制度的优化5.1 连铸机浇注温度的确定5.2 转炉出钢温度的确定,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,38,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,39,6. 生产过程组织与生产控制对炼钢系统的运行控制而言，是在系统运行的炉机对应原则和能耗最小原则的基础上，以拉速决定流量原则和连浇原则为指针，以系统调控策略为尺度，在解析炼钢系统运行过程的时间参数、温度参数和物质量参数的基础上进行综合集成，确立合
10、理的时钟推进计划，通过实施对各工序的运行控制，将炼钢系统生产过程组织与生产控制全面展开，逐步实现系统的优化运行。生产过程组织与生产控制既是实施系统运行控制的内容，又是优化系统运行的形式。,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,40,6. 1 时钟推进计划与炼钢系统运行控制的关系 本文第5章中描述了炼钢系统运行优化的层次与指导策略，其在炼钢厂运行控制中的体现是，在系统层面上要应用运行原则“创立”优化运行的“范围”，在系统层面与工序层面之间要运用系统调控策略“建立”优化运行的“关系”，在工序层面要进行功能的解析优化“形成”优化运行的“过程”，上述的“范围”、“关系”、“过程”相结合构成优
11、化系统运行的“体系”。需要强调的是，上述系统运行的优化、控制均是以时间参数为基础不断深入展开的。 在深入解析炼钢系统运行过程的时间参数、温度参数和物质量参数的基础上进行综合集成，提炼系统物流运行规律，在炼钢连铸生产过程中，根据时钟推进生产计划，并通过进行生产过程组织和生产控制来实现对炼钢系统的运行控制。,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,41,6.2 转炉连铸机协同化运行 本文第5章中阐述了炼钢系统运行的原则，其中拉速决定流量原则和连浇原则是从系统运行的高效性（快速性）和连续性角度对应系统运行优化高级阶段的指导原则。因此，在优化系统运行的过程当中，要立足于以连铸工序运行的高速化带
12、动炼钢工序运行的高效化。,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,42,6.3 生产过程组织6.4 生产控制 6.5 应用方案【首钢第三炼钢厂 】,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,43,7. 钢包运转的解析与优化,图6.15 钢包转运过程的物理模型,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,44,7.1 钢包转运过程解析,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,45,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,46,7.2 钢包转运过程时间参数的数学描述,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,47,7.3 钢包转运过程的“柔性时间”,2019
13、/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,48,7.4 钢包使用个数的 3 种计算方法,（1）产量计算法：（2）时间计算法：（3）周期匹配法：,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,49,7.5 钢包运转的优化 （1）从工序运行关系方面：减少柔性时间（2）从工序制造过程方面：优化工序功能，提高运行水平,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,50,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,51,8. 中间包运转的解析与优化8.1 中间包运转过程的时间解析8.2 中间包转运过程时间参数的数学描述8.3 中间包转运过程的“柔性时间”8.4 中间包使用个数的2种计算方法,201
14、9/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,52,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,53,调度系统的地位,钢铁企业信息化层次图,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,54,9. 炼钢厂计算机辅助生产调度系统（CAPSS）的研究与开发9.1 生产调度系统的特点9.2 调度系统的任务9.3 调度系统的功能：（1）生产计划的分解； （2）动态监控（实时监督、平衡协调）； （3）统计报表。,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,55,9.4 计算机调度系统的结构,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,56,9.5 全连铸生产调度系统的核心问题是全面贯彻系炼钢统
15、运行的炉机对应原则、能耗最小原则、拉速决定流量原则和连浇原则。确立以连铸为中心的生产组织原则，在充分发挥连铸工序生产能力的前提下，根据连铸、二次冶金、炼钢工序的约束条件，合理组织生产，优化生产钢种的工艺路径，确保系统连浇与各工序资源的可调度，减少生产过程温降和不良因素的介入，合理安排设备维护及检修计划，及时处理各类故障，努力实现各工序运行的协调匹配，保证全连铸生产的顺行。,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,57,9.6 全连铸生产调度系统的研究内容： （1） 炼钢厂生产过程数据的获取、分析与处理； （2） 对各工序运行过程中物流基本参数相互影响的分析及评价； （3） 建立直接面向
16、生产过程的计算机生产调度系统平台； （4） 建立平台所需的数据类和硬件环境； （5） 支撑平台的系统软件、工具软件的配置，核心调度软件与客户端 软件的开发； （6） 提出各工序之间数据传送的网络协议； （7） 与下层生产过程数据交换的接口； （8） 建立实际生产运行过程的规则库； （9） 画面设计。,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,58,9.7 CAPSS硬件与工具软件的配置,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,59,化验室 光谱分析仪,办公楼 服务器,1,炼钢控制室,10,11,文件 服务器,12,1#炉,13,1#炉 专家系统,15,16,100M光纤,双绞线,
17、集线器,2口交换机,交换机,工作站,COMPAQ PL1600 数据库 服务器,厂调度室,8,修包位,6,3#吹氩站,7,1#、2#吹氩站,数据库 服务器,2#炉,2#炉 专家系统,3#炉,3#炉 专家系统,17,14,模块室,1#连铸,2#连铸,2,3,1#2#CCM 主控室,光纤跳线,3#连铸,4,4#连铸,5,3#4#CCM 主控室,办公楼 厂长办公室,办公楼 生产厂长办公室,办公楼 技术厂长办公室,光纤端接盒,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,60,9.8 CAPSS应用软件的开发9.8.1 CAPSS应用软件设计原则9.8.2 CAPSS应用软件设计方案9.8.3 CA
18、PSS应用软件的体系结构9.8.4 CAPSS数据库设计9.8.5 CAPSS应用软件模块设计,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,61,图7.7 CAPSS底层数据的收集模块示意图,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,62,图7.8 CAPSS调度指令生成与计划编制模块,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,63,图7.13 CAPSS动态监控模块,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,64,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,65,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,66,软件开发 设计方案 运行结果,2019/6/13,
19、炼钢厂的运行控制理论与技术,67,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,68,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,69,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,70,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,71,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,72,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,73,博士学位论文预答辩,谢 谢！,谢 谢 ！,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,74,原燃辅料供应子系统,生产管理子系统,技术管理子系统,运行维护子系统,设备管理子系统,人事管理子系统,财务管理子系统,固定资产管理子系统,炼 钢 厂
20、 计 算 机 管 理 系 统,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,75,3.2 系统运行的原则（1） “炉机对应” 原则 是指在由铁水供应、炼钢、二次冶金、连铸、铁水包、钢包、中间包、天车、系统维护及其它辅助工序等组成的“弹性链”14制造系统中，对于其中的“刚性”组元，即炼钢系统的主要生产工序炼钢工序和连铸工序，在2个工序当中不同的装置之间确立明确的对应关系。炉机对应关系问题的确定是炼钢系统运行优化的首要问题/基础。在建立炉机对应关系的过程中，要系统解决主要生产单元炼钢、连铸工序之间运行节奏匹配、过程物质流量的平衡的问题。其实质是对钢铁制造过程物流的时间和物质量2个基本参数在系统运
21、行过程中的优化、匹配、合理调控。,返回,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,76,3.2 系统运行的原则（2）“能耗最小”原则 所谓“能耗最小”原则，包括2层含义：其一，是将炼钢系统内钢水在其经历的工序/装置内部操作过程温降，或钢水在不同工位之间传搁过程的温降，经过系统调控使其趋于最小化，表达如式（5.2）；其二，是指在炼钢系统运行过程中，诸工序/装置的作业时间，或钢水在不同工位之间传搁的过程时间经过控制、协调使其最短，表达式如（5.3）所示。（5.2）（5.3）,返回,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,77,3.2 系统运行的原则（3 ）“拉速决定流量”原则所谓“拉
22、速决定流量”原则，是指炼钢系统在“炉机对应”和“能耗最小”系统运行原则实现的基础上，连铸机的拉速决定了炼钢系统过程物质流量，连铸机的运行状况体现了炼钢厂的生产效率、决定着炼钢厂的生产规模。拉速决定流量原则的数学表达式见（5.4）式和（5.5）式，式（5.4）是炼钢厂过程物质流量与拉速的一般函数关系，式（5.5）是流量与拉速定量关系表达式。Qsmp f（Vs） （5.4）Qsmp VsnS b （5.5）,返回,2019/6/13,炼钢厂的运行控制理论与技术,78,3.2 系统运行的原则（4） “连浇” 原则 所谓“连浇”原则，是指炼钢系统在“炉机对应”、“能耗最小”和“拉速决定流量”等系统运行原则实现的基础上，尽可能减少连铸工序的非生产时间，提高生产过程的连续性，实现系统准连续/连续化运行。这里隐含的是连铸工序的连续化带动了炼钢工序的连续化，使得炼钢系统的运行朝着连续化不断前进。本文所述的连浇具有2层含义，即对炼钢系统当中的连铸子系统而言，实现多台连铸机在尽可能连浇前提下的均衡生产；对1台连铸机而言，实现按最大连浇炉数进行生产。炼钢系统过程物质流量与最大连浇炉数和浇次数之间的关系如（5.6）式所示。 Qm炉MaxnlQ0 （5.6）,返回,
