一种基于信息物理融合的转炉炼钢优化控制系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于信息物理融合的转炉炼钢优化控制系统及方法，该系统包括物理层、感知层、执行层、网络层和监控层；物理层为转炉装置；感知层为转炉感知机构；执行层包括控制器、顶吹压缩机、底吹压缩机、阀门和钢水加热装置；网络层包括无线通讯模块和云服务器；监控层包括上位机和移动终端；该方法：实时采集转炉装置的转炉初始操作变量、终点钢水温度和终点钢水碳含量；构建终点钢水温度预测模型和终点钢水碳含量预测模型，利用分布估计算法对转炉初始操作变量进行优化，根据最优的初始操作变量控制钢水加热装置、控制顶吹压缩机和底吹压缩机，实时监控转炉执行机构。提高了可扩展能力、提高了优化效率，增强了转炉优化控制系统的稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于工业控制领域，具体涉及一种基于信息物理融合的转炉炼钢优化控制系统及方法。
技术介绍
转炉炼钢的产量占目前炼钢总产量的80％以上，是钢铁冶炼中的重要环节，虽然操作人员己经在生产作业的控制方面积累了相当多的经验，也取得了很大的成绩，但是由于转炉生产中存在的众多生产工艺约束，而且由于转炉冶炼过程处于高温环境下、具有多种物理化学变化反应速度快、冶炼周期短等特点，生产控制非常复杂。当前的生产控制方法主要存在以下问题：转炉炼钢生产中冶炼过程环境复杂导致很多数据无法精确测量；炼钢过程是一个非常复杂的多元多相高温状态下进行的物理化学过程，存在很多难以定量的非线性因素，并且不易获得准确实时的检测信息，主要表现在对转炉终点钢水温度和终点钢水碳含量的准确控制上，由于初始操作变量决定了初始各物料的投放量及炉内氧气含量等炼钢过程的重要参数，这些参数直接影响转炉终点钢水温度和终点钢水碳含量，若不能对终点进行准确控制，就无法给定初始的操作变量，目前主要采用经验法来实现初始操作变量的给定，这常常会使转炉终点钢水温度和终点钢水碳含量达不到预期指标，进而降低产品质量。因此实现转炉终点控制和初始操作参数优化已经成为转炉炼钢中的重要问题。目前，实际生产过程中，转炉终点控制和初始操作变量往往单独操作，未进行集成，这大大降低了炼钢生产过程操作参数设定的科学性，其主要原因包括：1)转炉炼钢的过程中，缺乏设备、操作参数设定系统、终点控制系统之间的通信；2)目前，上述三者之间的通讯大多数仍然是有线通讯，而有线通讯网络线路分布复杂，易损坏，维护难，因此可靠性低，对于长距离控制已经不能保证设备和上位机可靠通讯；3)现有转炉炼钢设备控制与操作参数优化未进行融合，从而降低了操作参数设定的可行性，也降低了控制的时效性。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提出一种基于信息物理融合的转炉炼钢优化控制系统及方法。本专利技术的技术方案是：一种基于信息物理融合的转炉炼钢优化控制系统，包括物理层、感知层、执行层、网络层和监控层；所述物理层为转炉装置；所述感知层为转炉感知机构；所述执行层为转炉执行机构，包括控制器、顶吹压缩机、底吹压缩机、阀门和钢水加热装置；所述网络层，包括无线通讯模块和云服务器；所述监控层，包括上位机和移动终端；所述转炉感知机构的输出端连接所述控制器的输入端；所述控制器的输出端分别连接阀门的一端和钢水加热装置的输入端；所述阀门的另一端连接顶吹压缩机的输入端和底吹压缩机的输入端；所述转炉感知机构，用于实时采集转炉装置的转炉初始操作变量、终点钢水温度和终点钢水碳含量，发送至控制器；所述操作变量包括氧枪高度、顶吹裕度、底吹裕度和投料量；所述无线通讯模块，设置于控制器上，用于实现控制器与上位机的无线通讯；所述控制器，用于将采集的转炉装置的转炉初始操作变量、终点钢水温度和终点钢水碳含量传送至上位机；根据优化后的初始操作变量控制钢水加热装置、通过阀门控制顶吹压缩机和底吹压缩机；所述移动终端，用于设置目标钢水温度和目标钢水碳含量，发送至上位机；远程登录网络共享云服务器，通过设定上位机采样时间、操作优化采样时间、历史数据传送时间和优化数据传送时间实现移动终端对云服务器的监控；所述云服务器，用于存储采集的转炉装置的转炉初始操作变量、终点钢水温度和终点钢水碳含量；存储优化后的转炉初始操作变量；根据移动终端设定的上位机采样时间、操作优化采样时间、历史数据传送时间和优化数据传送时间设定标志位，实现对上位机采样过程、操作优化过程、数据传送过程的控制；所述上位机，用于将获取的转炉装置的转炉初始操作变量、终点钢水温度和终点钢水碳含量作为历史数据传送云服务器；读取云服务器中的历史数据，构建终点钢水温度操作优化模型和终点钢水碳含量操作优化模型，利用分布估计算法对转炉初始操作变量进行优化，得到优化后的转炉初始操作变量，将其传送至控制器和云服务器，并显示。所述的上位机中搭建操作优化模块和过程控制模块；所述操作优化模块，用于利用最小二乘支持向量机构建终点钢水温度操作优化模型和终点钢水碳含量操作优化模型，将N组历史数据作为训练样本和测试样本，对终点钢水温度操作优化模型和终点钢水碳含量操作优化模型进行优化，得到优化后的终点钢水温度操作优化模型和优化后的终点钢水碳含量操作优化模型；建立转炉炼钢稳态操作优化模型，将终点钢水温度计算值与终点钢水温度的偏差最小值和终点钢水碳含量计算值与终点钢水碳含量的偏差最小值作为目标函数，利用分布估计算法对转炉初始操作变量进行优化，得到优化后的转
炉初始操作变量；所述过程控制模块，用于将获取的转炉初始操作变量、终点钢水温度和终点钢水碳含量作为历史数据传送云服务器；读取云服务器中的历史数据；将得到的优化后的转炉初始操作变量传送至控制器和云服务器，并显示。所述的移动终端，包括实时监控模块和优化控制模块；所述优化控制模块，用于设置目标钢水温度和目标钢水碳含量，发送至上位机，远程登录网络共享云服务器，通过设定上位机采样时间、操作优化采样时间、历史数据传送时间和优化数据传送时间，实现移动终端对云服务器的监控；所述实时监控模块，用于通过与监控层上位机进行通讯，实时监控转炉执行机构。所述根据移动终端设定的上位机采样时间、操作优化采样时间、历史数据传送时间和优化数据传送时间设定标志位具体为：根据上位机采样时间设定转炉炉次标志位，根据操作优化采样时间设定操作优化标志位，根据历史数据传送时间和优化数据传送时间设定监控层监控标志位。采用所述的基于信息物理融合的转炉炼钢优化控制系统进行优化控制的方法，包括以下步骤：步骤1：转炉感知机构实时采集转炉装置的转炉初始操作变量、终点钢水温度和终点钢水碳含量；步骤2：通过移动终端设置目标钢水温度和目标钢水碳含量，发送至上位机；远程登录网络共享云服务器，设定上位机采样时间、操作优化采样时间、历史数据传送时间和优化数据传送时间；步骤3：控制器将采集的转炉装置的转炉初始操作变量、终点钢水温度和终点钢水碳含量传送至上位机；步骤4：上位机将获取的转炉装置的转炉初始操作变量、终点钢水温度和终点钢水碳含量作为历史数据传送云服务器；步骤5：上位机读取云服务器中的历史数据，构建终点钢水温度操作优化模型和终点钢水碳含量操作优化模型，利用分布估计算法对转炉初始操作变量进行优化，得到优化后的转炉初始操作变量；步骤5.1：利用最小二乘支持向量机构建终点钢水温度操作优化模型和终点钢水碳含量操作优化模型，将N组历史数据作为训练样本和测试样本，对终点钢水温度操作优化模型和终点钢水碳含量操作优化模型进行优化，得到优化后的终点钢水温度操作优化模型和优化后的终点钢水碳含量操作优化模型；步骤5.2：建立转炉炼钢稳态操作优化模型，将终点钢水温度计算值与终点钢水温度的偏差最小值和终点钢水碳含量计算值与终点钢水碳含量的偏差最小值作为目标函数，利用分布估计算法对转炉初始操作变量进行优化，得到优化后的转炉初始操作变量；步骤6：上位机显示优化后的初始操作变量，将其传送至控制器和云服务器；步骤7：控制器根据优化后的初始操作变量控制钢水加热装置、通过阀门控制顶吹压缩机和底吹压缩机，移动终端通过与监控层上位机进行通讯，实时监控转炉执行机构，返回步骤1。所述步骤5.1包括以下步骤：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于信息物理融合的转炉炼钢优化控制系统，其特征在于，包括物理层、感知层、执行层、网络层和监控层；所述物理层为转炉装置；所述感知层为转炉感知机构；所述执行层为转炉执行机构，包括控制器、顶吹压缩机、底吹压缩机、阀门和钢水加热装置；所述网络层，包括无线通讯模块和云服务器；所述监控层，包括上位机和移动终端；所述转炉感知机构的输出端连接所述控制器的输入端；所述控制器的输出端分别连接阀门的一端和钢水加热装置的输入端；所述阀门的另一端连接顶吹压缩机的输入端和底吹压缩机的输入端；所述转炉感知机构，用于实时采集转炉装置的转炉初始操作变量、终点钢水温度和终点钢水碳含量，发送至控制器；所述操作变量包括氧枪高度、顶吹裕度、底吹裕度和投料量；所述无线通讯模块，设置于控制器上，用于实现控制器与上位机的无线通讯；所述控制器，用于将采集的转炉装置的转炉初始操作变量、终点钢水温度和终点钢水碳含量传送至上位机；根据优化后的初始操作变量控制钢水加热装置、通过阀门控制顶吹压缩机和底吹压缩机；所述移动终端，用于设置目标钢水温度和目标钢水碳含量，发送至上位机；远程登录网络共享云服务器，通过设定上位机采样时间、操作优化采样时间、历史数据传送时间和优化数据传送时间实现移动终端对云服务器的监控；所述云服务器，用于存储采集的转炉装置的转炉初始操作变量、终点钢水温度和终点钢水碳含量；存储优化后的转炉初始操作变量；根据移动终端设定的上位机采样时间、操作优化采样时间、历史数据传送时间和优化数据传送时间设定标志位，实现对上位机采样过程、操作优化过程、数据传送过程的控制；所述上位机，用于将获取的转炉装置的转炉初始操作变量、终点钢水温度和终点钢水碳含量作为历史数据传送云服务器；读取云服务器中的历史数据，构建终点钢水温度操作优化模型和终点钢水碳含量操作优化模型，利用分布估计算法对转炉初始操作变量进行优化，得到优化后的转炉初始操作变量，将其传送至控制器和云服务器，并显示。...

【技术特征摘要】
1.一种基于信息物理融合的转炉炼钢优化控制系统，其特征在于，包括物理层、感知层、执行层、网络层和监控层；所述物理层为转炉装置；所述感知层为转炉感知机构；所述执行层为转炉执行机构，包括控制器、顶吹压缩机、底吹压缩机、阀门和钢水加热装置；所述网络层，包括无线通讯模块和云服务器；所述监控层，包括上位机和移动终端；所述转炉感知机构的输出端连接所述控制器的输入端；所述控制器的输出端分别连接阀门的一端和钢水加热装置的输入端；所述阀门的另一端连接顶吹压缩机的输入端和底吹压缩机的输入端；所述转炉感知机构，用于实时采集转炉装置的转炉初始操作变量、终点钢水温度和终点钢水碳含量，发送至控制器；所述操作变量包括氧枪高度、顶吹裕度、底吹裕度和投料量；所述无线通讯模块，设置于控制器上，用于实现控制器与上位机的无线通讯；所述控制器，用于将采集的转炉装置的转炉初始操作变量、终点钢水温度和终点钢水碳含量传送至上位机；根据优化后的初始操作变量控制钢水加热装置、通过阀门控制顶吹压缩机和底吹压缩机；所述移动终端，用于设置目标钢水温度和目标钢水碳含量，发送至上位机；远程登录网络共享云服务器，通过设定上位机采样时间、操作优化采样时间、历史数据传送时间和优化数据传送时间实现移动终端对云服务器的监控；所述云服务器，用于存储采集的转炉装置的转炉初始操作变量、终点钢水温度和终点钢水碳含量；存储优化后的转炉初始操作变量；根据移动终端设定的上位机采样时间、操作优化采样时间、历史数据传送时间和优化数据传送时间设定标志位，实现对上位机采样过程、操作优化过程、数据传送过程的控制；所述上位机，用于将获取的转炉装置的转炉初始操作变量、终点钢水温度和终点钢水碳含量作为历史数据传送云服务器；读取云服务器中的历史数据，构建终点钢水温度操作优化模型和终点钢水碳含量操作优化模型，利用分布估计算法对转炉初始操作变量进行优化，得到优化后的转炉初始操作变量，将其传送至控制器和云服务器，并显示。2.根据权利要求1所述的基于信息物理融合的转炉炼钢优化控制系统，其特征在于，所述的上位机中搭建操作优化模块和过程控制模块；所述操作优化模块，用于利用最小二乘支持向量机构建终点钢水温度操作优化模型和终
\t点钢水碳含量操作优化模型，将N组历史数据作为训练样本和测试样本，对终点钢水温度操作优化模型和终点钢水碳含量操作优化模型进行优化，得到优化后的终点钢水温度操作优化模型和优化后的终点钢水碳含量操作优化模型；建立转炉炼钢稳态操作优化模型，将终点钢水温度计算值与终点钢水温度的偏差最小值和终点钢水碳含量计算值与终点钢水碳含量的偏差最小值作为目标函数，利用分布估计算法对转炉初始操作变量进行优化，得到优化后的转炉初始操作变量；所述过程控制模块，用于将获取的转炉初始操作变量、终点钢水温度和终点钢水碳含量作为历史数据传送云服务器；读取云服务器中的历史数据；将得到的优化后的转炉初始操作变量传送至控制器和云服务器，并显示。3.根据权利要求1所述的基于信息物理融合的转炉炼钢优化控制系统，其特征在于，所述的移动终端，包括实时监控模块和优化控制模块；所述优化控制模块，用于设置目标钢水温度和目标钢水碳含量，发送至上位机，远程登录网络共享云服务器，通过设定上位机采样时间、操作优化采样时间、历史数据传送时间和优化数据传送时间，实现移动终端对云服务器的监控；所述实时监控模块，用于通过与监控层上位机进行通讯，实时监控转炉执行机构。4.根据权利要求1、2或3所述的基于信息物理融合的转炉炼钢优化控制系统，其特征在于，所述根据移动终端设定的上位机采样时间、操作优化采样时间、历史数据传送时间和优化数据传送时间设定标志位具体为：根据上位机采样时间设定转炉...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鑫宇，唐立新，刘畅，佘颢，郑阳阳，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21