智能造球在马钢球团厂的实践应用

引言

球团是人造块状原料的一种方法,是一个将粉状物料变成物理性能和化学组成能够满足下一步加工要求的过程。球团矿是一种球形的人造铁矿石,直径在8~16mm,是一种用来高炉炼铁的最理想原料。球团系统中造球工艺段是非常重要的环节,随着高炉炉料结构中球团矿比例日益增加,在绿色冶炼的背景下,提高圆盘造球机(以下简称"造球盘")的生球质量合格率势在必行。许多球团厂现有造球盘虽然大多设置了加水装置、给料皮带变频调速装置,但仍然处于单参数设定、人工调节的较低水平,同时因为缺乏有效的生球实时检测手段,造球生产过程仍然依赖人工监控造球过程,包括生球粒级分布、配水布置、给料量、造球盘转速、造球盘倾角等,由操作工凭经验和视觉进行区分和调整。鉴于给料量/配水量波动、膨润土含量不均匀、混合料水分不稳定、矿粉粒径不均匀等实际问题,操作工需不断改变配水量、造球盘倾角及转速进行生产调整,但调整过程中由于人的参与和物料的变化产生了极大的不确定性,实际生产过程中存在劳动强度大,生球的"质"和"量"受主观因素影响,岗位培训困难,客观上产能无法得到稳定控制等问题。

马钢带式焙烧机球团项目采用的数字式智能造球系统是基于视觉识别技术的发展,实现了生球粒径实时监测。系统通过生球粒级变化匹配生产数据,通过自学习算法实时匹配各个功能区成球效果,PLC根据模型下发参数,通过PID控制配水阀门开度和造球盘变频器输出实现智能造球。

1智能造球系统的主要构成

智能造球系统主要由粒级分析模块、控水模块和工控机组成,粒级分析模块通过视觉识别技术实时采集造球盘下方银筛上的生球信息,通过分析运算得出生球粒级分布,并将粒级分布发送给控水模块,控水模块分析粒级数据的同时匹配生产数据,并根据粒级波动来控制造球盘各个功能区配水量。如当前工况调节配水无良性反馈,系统将根据当前工况调整造球盘的转速和倾角来维持稳定生产。

通过TCP/IP协议建立通信网络一将上位机引入生产控制环网,如图1所示。

TCP/IP协议主要技术特点如下:

(1)应用层。应用层是应用程序间的沟通平台。

(2)传输层。传输层主要功能是数据格式化、数据确认和丢失重传等。传输层提供了节点间的数据传送以及应用程序之间的通信服务。

(3)互联网络层。互联网络层负责提供基本的数据封包传送功能,让每一块数据包都能够到达目的主机。

(4)网络接口层。网络接口层主要负责接收IP数据包并进行传输,从网络上接收物理帧,抽取IP数据包转交给下一层,对实际的网络媒体进行管理,定义如何使用实际网络来传送数据。

1.1粒级分析模块

粒级分析模块主要由工业高速相机、镜头、通信网络及工控机构成。通过粒级分析模块实现造球过程数字化转化,实时拍摄造球盘下方银筛上的生球图像,利用光缆将采集到的图像传输给工控机,工控机运行生球粒径图像识别算法,实时分析和处理图像画面,从而获得单幅图像的生球粒径及对应粒径下的生球数量,如图2所示,得到当前造球盘所生产生球的实时粒级数据,通过对粒级数据进行筛选,选取目标粒径区间数据进行存储并传输给控水模块。

粒级分析的核心是图像处理算法,总的来说由4个步骤组成:图像预处理、标记点提取、图像分割和像素标定、结果输出。首先,通过图像阈值分割得到生球和背景之间的阈值分割图像:其次,通过边缘算子得到生球的边缘图像,由于生球和背景对比度较差,因此该边缘图像并不一定是生球的准确边缘,通过两次形态学重建,结合阈值分割得到的图像,可得到生球颗粒标记图像:再次,由生球颗粒标记图像和边缘提取图像,得到真实的生球边缘点,在此基础上使用圆匹配法计算得出生球的像素粒径:最后,根据工业相机标定物的尺寸与图像中标定物所占像素点数量建立的换算关系式,得出生球的实际粒径并输出结果。

1.2控水模块

控水模块主要由上位机、通信网络、PLC、流量计、调节阀等组成。上位机对粒级分析模块获取的数据进行分析计算后发出指令,通过0PC通信传送给PLC,PLC对比给定参数与当前参数,通过控制调节阀动作得到给定的参数。主要技术特点如下:

1.2.1自学习功能在生产系统中的应用

系统通过自学习策略实时监测生产数据,通过特定的变量筛选和计算获得相应的系数,系数参与整个配水系统的控制,并根据物料变化及工况波动情况进行实时调整,以确保系统稳定运行。

1.2.2通信状态监测

系统监测上位机实时通信状态,如通信异常,则发出报警。

1.2.3智能控制

系统通过对设定的粒级进行监控,触发相应的策略,控水模块通过0PC通信将相应需要调整的参数发送给PLC,由PLC控制相应的阀门进行调整,得到给定的参数。

2造球模型控制内容及思路

2.1控制内容

从造球影响因素中提取便于数字化精确控制且短周期内可以提高造球效率的因素作为控制手段,如给水量、定量给料机的给料量(运行频率)和造球盘转速(运行频率)、倾角。

2.2控制思路

(1)提高造球效率:通过判断粒级数据是否合格来对造球盘的生产过程进行闭环控制(给料量无变化为前提)。

(2)稳定参与造球的物料总量:当模型检测到参与造球系统的定量给料机给料量出现异常时,将自动补偿给料量,将缺少的物料量参数下发至正常运行的定量给料机,从而瞬时补偿参与造球的物料总量。

(3)优化控制策略:引入参变量(配水系数)来解决多因素参与控制导致模型控制复杂的问题,并减少不确定性工况带来的影响。

(4)稳定成品生球产能:模型计算系统整体的造球效率及实际进入焙烧机的生球总量,通过实际生球入机量与目标生球入机量对比得到生球产能偏差,从而得到系统需要补偿的物料量。同时,将需要补偿的物料量均分到各个参与系统的造球盘给料量上,从而实现稳定整个造球系统产能的目的。

(5)控制造球盘工作频率:当通过控水无法得到优化的粒级数据时,模型通过调整造球盘运行频率和倾角来改变母球生长速率及母球在造球盘的剥离位置,从而得到优化的粒级数据。

3主控界面功能区展示及参数设定释义

主控界面展示图如图3所示。

3.1参数显示

参数显示主要为操作者显示正在运行的造球盘基本参数及即时粒级百分比。区域内显示的实际值为系统采集的仪表反馈变量,设定值为模型下发的变量。

3.2投用开关

投用开关是每台造球盘控水模块参与控制的触发按钮,当系统检测当前具备条件时,方能启动控水模块(系统检测返料区配水系数是否为零)。

3.3盘幅选择

盘幅选择区域可以通过鼠标点击相应盘幅分页按钮来切换各个造球盘的控制界面。

3.4人工设定

当不采用智能造球模式时,可以转为人工设定当前造球盘的各种参数,如:

(1)滴水区设定水量:生产异常时人工介入框体,操作者可直接根据工况在界面中发指令控水。

(2)雾化区设定水量:生产异常时人工介入框体,操作者可直接根据工况在界面中发指令控水。

(3)给定频率:设定造球盘的运行频率。

(4)给定料量:设定定量给料机的给料量。

当上述参数输入后,点击"确认"按钮,模型根据输入参数下发指令给PLC进行各项控制。

3.5粒级—时间曲线

通过粒级一时间曲线,操作者可以清晰地了解过去1h内粒级分布情况。

3.6相机调试

通过此按钮可以实现打开和关闭相机操作,在设备调试阶段和更换设备时,不需要重新启动程序就可以调试相机。

3.7参数设定

在该界面下可设定以下参数:

(1)8mm球给定值:此参数定义为小于8mm的生球粒级占比不得大于框体内设定的参数(百分数),推荐值为10,此参数设定区间为5~15。

(2)16mm球给定值:此参数定义为大于16mm的生球粒级占比不得大于框体内设定的参数(百分数),推荐值为10,此参数设定区间为5~15。

(3)合格球百分比:此参数是造球工艺人员对当前物料状态综合评估得出的造球盘产出合格生球的占比,可根据实际工况调整参数,推荐值为85。设定原则:原矿成球性能良好可上调,成球性能差则下调。

(4)此外,还可设定造球盘倾角、成品生球含水率、生球跌落次数等参数。

4结语

本文介绍了数字化智能造球系统,旨在通过图像识别技术将造球盘生产过程数字化,建立数字化造球模型,通过引入过程参变量来反映实际造球工况:分析了多种成球因素的影响规律,系统通过设置基于机器视觉的粒级分析装置,获取生球粒级数据,实时调整给料量、造球盘转速和倾角、给水调节阀等,结合相关控制模型实现造球盘生产时的智能化控制,对于国内各类球团工艺的造球盘高效成球具有较大的实用意义,不仅可以减少造球岗位操作工人数量,还可以有效提高生球产量与质量,为提升球团生产率、降本增效作出贡献。后期可以根据球团工艺生产的要求,利用数字智能技术进一步开发智能配料功能,减少黏结剂,预测并控制来料水分,尤其是通过配水系数来协同控制干燥机燃烧器的热值及配混过程中的打水量等,从而进一步优化造球工况。