高爐冶煉是在密閉容器內進行的復雜的高溫物理及化學過程，全面直觀的觀察過程進行的狀況尚不可能，一旦原燃料條件出現較大的波動，容易造成高爐爐況不穩定。高爐專家系統是一種模擬人類思維過程，充分利用冶煉專家的經驗對復雜過程進行跟蹤、控制和管理的技術，它集模糊技術、神經網絡、人工智能、在線檢測技術、計算機技術與控制技術于一體，收集整理冶煉專家和現場操作人員豐富的生產經驗，結合冶金學科理論知識，建立而成的高爐智能控制系統。高爐專家系統設置的目的是優化高爐操作、穩定爐況、提高鐵水質量、延長高爐壽命、降低燃料消耗，提高高爐生產的管理水平，節能降耗，最終實現增產增效益。
1、 技術研發背景
首鋼一直致力于高爐專家系統的開發與應用，目前已掌握高爐專家系統領域的核心技術，擁有自主知識產權。首鋼高爐專家系統充分吸收國內外高爐專家系統的優點，結合首鋼高爐冶煉特點和操作習慣，以數學模型和神經元網絡為基礎、專家系統技術為核心、模塊化結構為手段，綜合分析和判斷高爐的生產過程，提供高爐爐況現象分析及操作建議，幫助高爐操作者進行綜合治理和穩定爐況。
首鋼開發的高爐專家系統已在首鋼2號高爐上得到很好的檢驗，尤其是在異常爐況預報和基于布料模型的布料調整試驗方面均取得良好效果。在此基礎上首鋼專家系統根據生產需要又增加新的模型并改善其人機界面功能，使得專家系統的智能化水平進一步提高。新型高爐專家系統包括從爐頂布料到鐵口出鐵的全過程的數學模擬仿真及爐況跟蹤控制，并在遷鋼4000m3高爐的生產實踐中成功應用。
2 、專家系統的主要設計原則
高爐專家系統設計主要包括軟件設計、控制系統硬件及網絡設計和數據庫設計三大部分。首先，在軟件設計部分要求系統具有良好的開放性、兼容性及擴展性、容錯能力好、穩定、可靠性高并且結構功能模塊化，易于整個系統的構建及問題處理，易于操作人員使用并可定置軟件環境。控制系統硬件及網絡設計部分如圖1所示，主要原則是在滿足系統應用的要求下統一設備選型，便于減少設備備件的種類，簡化設備維修。
數據庫設計部分主要是圍繞包括基礎數據、原料分析數據、高爐模型結果、技術計算參數、知識庫參數等五大方面的需求，來設計相關的數據表。每張表都有各自相關的描述表，歷史表等等，有些表之間還根據自身數據的特點做關聯，來保證相關表之間的約束性。數據庫包括如下主要內容：基礎自動化檢測數據、原料分析數據、高爐模型處理結果、技術計算參數及計算結果、知識庫參數及推理結果等。
3 、高爐專家系統主要模塊及模型設置
3.1 爐料質量控制
對入爐的原燃料質量進行分析判斷，針對不同爐料的影響給出效應的處理辦法，防止有害元素含量偏高或焦炭質量變差等因素對高爐順行造成影響。
3.2 爐況預報與控制
以專家知識庫為基礎，通過智能推理對高爐行程、爐熱等爐況趨勢做出預報，并提供相應的調整建議，有效避免爐缸堆積、懸料和管道等異常爐況的發生，或降低異常爐況的影響程度。
3.3 爐型管理
主要是對高爐爐襯及渣皮的厚度變化進行跟蹤模擬，提供直觀的爐型變化趨勢，為高爐操作者采取合理的爐型維護措施提供依據。
3.4 提供多種工藝的過程模型來幫助工長操作
1) 配料計算模型
計算在滿足爐渣堿度要求條件下，冶煉規定成分生鐵所需要的礦石、焦炭、熔劑數量。通過配料計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
結合高爐布料規律，考慮到爐內煤氣流變化和焦炭塌陷等因素，建立實時、動態的爐料分布仿真模型，同時根據高爐狀況給出合理的高爐布料調整措施，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。
模型中根據爐內料面的形狀變化，動態求解爐料的落點；采用幾何算法計算新舊料面交點，大幅度減少計算量，提高系統性能；采用土坡堆積原理對焦炭塌陷后的料面進行動態修正；并采用三段法分別計算中心、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算的基礎上，包括鼓風量、煤氣量以及物料收支總量等項的計算，有助于對高爐過程進行全面定量的分析和深入研究，并為熱平衡計算做準備。可推斷出當日的鐵量偏差。
4) 熱平衡模型
高溫區熱模型是以高溫區的能量守恒為依據建立的，通過高溫區域的熱量收入與熱量支出計算熱指數，反映爐內熱量消耗狀況，分析高爐冶煉過程的優劣。
5) 渣鐵平衡模型
爐缸平衡模型是通過計算理論產鐵速度和實際出鐵速度之差在一定時間內的累積情況，從而反映出爐缸內的渣鐵儲存情況。同時記錄出鐵的開始及結束時間、鐵量、速度、及溫度。
6) 爐缸侵蝕模型
模型以傳熱學為基礎，采用有限差分的方法進行離散，建立柱坐標系下的二維穩態和非穩態溫度場模型；模型解決了侵蝕過程中“邊界不定”的問題，實現動態侵蝕邊界下的溫度場計算，并考慮了侵蝕過程中的凝結現象，實現了凝結層位置的計算及凝結發生情況下的溫度場計算；模型中采用人工智能算法并結合模型特點進行了改進，實現無需人工干預的全自動模式，能夠針對不同大小、不同結構、不同材質砌筑的爐缸爐底，方便地對爐缸爐底的侵蝕狀況和凝結狀況進行監測及圖像還原。
7) 爐身熱負荷模型
利用傳熱學原理，計算爐身磚襯內的溫度場，從而反映爐身各段爐型的變化，并畫出變化后的爐型。同時幫助高爐操作者及時發現高爐冷卻設備與磚襯之間是否存在串氣現象。
8) 鐵水溫度預測模型
鐵水溫度預測模型是利用人工神經網絡算法結合高爐生產實際建立的。通過大量在線試驗對影響鐵水溫度的因素進行優化篩選，最終確定5個最佳輸入層變量。人工神經網絡中采用自適應調整學習率和附加動量因子的梯度下降法，提高網絡收斂速度和精度。為有效適應爐況變化，樣本庫采用動態實時更新方式，并定時對更新后的樣本庫進行訓練，每次網絡訓練對隱含層個數進行重新確定，以達到更好效果。可以對鐵水溫度進行預測，有助于工長提前知道鐵水溫度的趨向，穩定爐況。http://www.industryinspection.com
9）爐身冶煉過程模擬模型
根據配料計算的結果和實際裝料情況，直觀地顯示任意時刻的一批料的信息，包括下料批數、焦比、焦丁、堿度以及當前時刻在高爐內的位置等，幫助高爐操作者了解下料速度及高爐冶煉周期。
10）數據有效性判斷模型
對采集到數據庫的數據進行分析，剔除異常數據，幫助高爐操作者及時發現檢測設備故障，為專家系統提供準確數據。
3.5 高爐專家系統人機界面及功能
專家系統人機界面包括九大類：專家系統、數學模型、數據輸入、參數修改、趨勢顯示、系統維護、報警系統、管理系統、幫助信息等，見表1。
4 、高爐檢測數據的設置
4.1 爐體主要檢測點的分布
1）爐缸、爐底區域的溫度在線檢測，共計544點。
在爐基設有3點熱電偶。
爐底第一層炭磚下設有1層熱電偶，共9點。
爐底第一層及第二層炭磚頂面設2層熱電偶，每層66個測點，共132點。
爐缸壁共設8層熱電偶，每層48點，共計384個測點。
鐵口兩側共設16點熱電偶。
爐缸銅冷卻壁每塊設1點溫度檢測，共120點。
爐腹、爐腰及爐身下部銅冷卻壁每塊設1點溫度檢測，共4層，每層52點，共208點；每4塊銅冷卻壁再加設1點溫度檢測，每層13點，共52點；合計260點。
爐身中部及上部鑄鐵冷卻壁每4塊冷卻壁加設2點溫度檢測，共7層，每層26點，共182點。
3）風口設36套壓差檢測點，以計算每個風口的風速。
4）爐腰、爐身下部位設4層爐體靜壓力檢測裝置，每層設4個測壓點，共16點。
5）爐喉設固定測溫裝置，共設25個測溫點，可以在線檢測爐喉煤氣分布狀況，從而推斷煤氣分布狀態、爐料分布狀況和煤氣利用情況。
6）爐喉鋼磚表面設1層溫度在線檢測，共10點。
4.2 爐體系統其它在線檢測點
熱風溫度及壓力檢測；入爐風量檢測；軟水冷卻系統溫度、壓力、流量檢測；工業水冷卻系統溫度、壓力、流量檢測等。
4.3 在其它系統設置的檢測
原料成分檢測；鐵水成分檢測；噴吹物成分檢測；高爐煤氣成分連續檢測；噴煤量；鐵水溫度連續檢測；出鐵重量連續檢測；爐頂煤氣溫度及壓力檢測；空氣濕度檢測；冷風中氧含量檢測；焦炭灰分及瓦斯灰成分檢測等。
5 、技術應用前景
目前，國外的高爐專家系統主要有芬蘭羅德洛基和奧鋼聯兩種，在國內的應用比較廣泛，由于國內的原燃料復雜，使得這些引進的系統并未發揮應有的作用，普遍存在以下不足：功能成型，不能按照國內用戶需要進行定制開發；不能很好地適應國內高爐的操作習慣和原燃料條件的變化；源代碼保密不公開，使得系統的修改、維護和優化受到阻礙。
遷鋼高爐新型專家系統的成功應用，標志著首鋼自主研發的高爐專家系統整體水平已達國內先進水平，具有良好的應用前景及推廣價值。
2）爐體冷卻壁的壁體溫度檢測，共562點。
6、 高爐專家系統成功應用是團隊智慧的結晶
首鋼國際工程公司以“三高、四個一流”為宗旨，積極汲取、消化國內外先進技術，與首鋼自動化信息技術有限公司、遷鋼公司等相關企業、科研院所緊密合作，形成了研究、設計、生產操作的合作團隊，充分發揮多年來積累的技術成果，以及與生產操作密切結合的優越條件，將高爐專家系統技術不斷創新發展。
