专利名称：一种基于计算机的转炉仿真系统的制作方法
技术领域：
本发明属于炼钢的生产仿真技术领域，提供了一种基于计算机的转炉仿真系统，对炼钢的转炉过程仿真，用于模拟氧气转炉炼钢生产过程。
背景技术：
由于钢铁企业生产能力过剩和环境保护对其压力，钢铁企业必须努力发展高效生产工艺，降低生产成本，提高产品质量和减轻对环境的污染。氧气转炉炼钢是目前世界上最主要的炼钢方法，其技术的进步对钢铁企业的竞争力至关重要。转炉设备庞大、种类繁多，生产过程复杂的物理、化学过程交织在一起。用真实系统的研究不仅费时费钱，并且很难做到，用计算机仿真技术则可化繁为简，大大节省人力物力。
目前，国内外针对转炉仿真的研究有对转炉温度场模拟、对冶炼终点目标的算法预报模型计算、冶炼过程控制模型仿真和仿真培训系统。这些仿真的研究大多是针对转炉生产某一方面的，对系统、全面的研究转炉生产有一定的局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于计算机的转炉仿真系统，用于模拟转炉的加料、吹炼、静置、出钢和溅渣护炉主要生产工序。发明从转炉基本冶金原理和工艺着手，抽象出转炉生产过程中的各种工艺计算模型，以计算模型为基础，在工艺层面对转炉的装料、供氧、造渣、温度、成分等进行了模拟，同时对转炉生产设备进行建模、组态，实现了转炉仿真系统的通用性，该系统不仅可以仿真一般转炉的生产过程，还可以模拟双联法的脱磷转炉和脱碳转炉的生产过程。
本发明由Ethernet局域网络7连接的转炉仿真内核1、计划调度仿真器2、监控显示设备3、算法模型库4、工艺卡存储器5和用户交互接口6构成。其中，转炉仿真内核1实现转炉生产过程的仿真；计划调度仿真器2扮演了炼钢调度的角色；监控显示设备3以图形化的形式对转炉仿真进行显示；算法模型库4存放了转炉仿真过程中使用到的算法模型；工艺卡存储器5保存了转炉工艺卡的内容，用户交互接口6提供了仿真系统与用户或转炉信息管理等应用的接口。
从功能上讲，本发明仿真了转炉生产过程中的接收生产计划、根据生产计划计算铁水和废钢的装入量、向调度申请铁水和废钢、铁水和废钢装入、氧枪吹氧、副枪测温、静置、出钢、溅渣护炉过程，并对钢水的温度、成分进行了计算。
转炉仿真内核1包括生产过程通讯8、生产过程控制9、生产过程仿真10、生产过程跟踪11、时钟管理12、日志13和生产信息发布14子系统。其中生产过程通讯8仿真了转炉生产过程与调度之间的交互，它通过抽象各种生产命令定义了一系列消息，转炉仿真内核1根据消息的内容定义生产设备、确定工艺参数以及组织生产。生产过程控制9监视每个仿真设备的状态及运行情况，协调整个系统的运行，根据外部调度发送的信息，进行生产过程指挥，根据生产过程的控制要求调整生产过程，将一些生产过程的信息和生产结果通过生产过程通讯8通知调度。生产过程跟踪11仿真了物流跟踪、生产过程的分析统计和转炉生产中能源等的利用率统计，包括炉次跟踪、钢包跟踪，通过物流跟踪，得到生产信息和炉次之间的对应关系。时钟管理12实现在时间轴上推进系统的运行，维护仿真时钟及转炉生产时间场景。日志12记录仿真过程发生的主要事件。生产信息发布14将生产信息动态以广播的形式向外部发送。
生产过程仿真10是该发明的主要部分，以构成转炉生产过程的各个主要设备为线索，以转炉冶炼原理工艺和模型为基础模拟生产过程的基本行为。仿真的转炉主要设备包括炉体21、氧枪22、副枪23、底吹24、转炉加料25和合金加料26。其中，炉体21模拟实现对炉体的参数和状态变化的跟踪和管理，包括转炉位置、角度、转炉的倾动等；氧枪22模拟实现对氧枪的参数和状态变化的跟踪和管理，包括氧气流量、氧枪位置、吹氧量、吹氧时间等；副枪23模拟实现对副枪的参数和状态变化的跟踪和管理，包括钢水温度、游离氧浓度、碳含量等；底吹24模拟实现对底吹的参数和状态变化的跟踪和管理，包括底吹管线流量、底吹气体、氩气消耗量、氮气消耗量、氮气最大流量等；转炉加料25模拟实现对副原料加料过程的跟踪和管理，包括副原料种类、加料重量等；合金加料26模拟实现对往钢水包中加入合金过程的跟踪和管理，包括合金料种类、加料重量等。
计划调度仿真器2模拟了炼钢厂调度的角色，为系统建立了转炉生产的运行环境。它包括计划管理15、转炉设备参数16、物流调度17、生产过程通讯18。
监控显示设备3提供了转炉仿真的可视化界面。它通过局域网络7接收生产信息发布14发布的生产过程数据，获得目前转炉生产状况和各个子设备的状态。监控显示设备3与仿真过程完全分离，仅通过局域网络7用定义好的数据进行交互。
算法模型库4保存了转炉生产过程中的各种计算模型。该模型库对各种模型进行统一管理，模型可灵活替换，转炉仿真内核1可以根据不同的情况使用不同的模型。算法模型库4的统一管理可使转炉仿真系统可模拟不同的工艺过程，模型的可替换性可使系统方便地使用第三方提供的模型来提高系统精度。
工艺卡存储器5存储了转炉生产过程的各种工艺参数。仿真内核1通过选择合适的工艺参数仿真生产过程。
用户交互接口6实现了转炉仿真程序与用户或转炉信息管理等应用的交互。
本发明的优点在于1、根据转炉的冶金原理和工艺进行仿真，通过对算法模型库进行统一管理，使仿真系统可以仿真广泛的转炉生产过程，不仅可以模拟一般的转炉生产过程，还可以表现双联法的脱磷和脱碳转炉生产过程，这使得对转炉生产过程的研究更加有效。
2、通过对炼钢转炉装置的建模，将不同的转炉的差异部分变为可输入的参数，例如转炉的吨位、氧枪的喷嘴类型和个数、底吹的气体种类等，实际仿真的炼钢转炉装置由这些参数决定，因此本发明仿真的炼钢转炉装置有很好的通用性。
3、工艺卡存储器使系统可对多种钢种的冶炼工艺进行仿真。
4、本发明可用来支持冶金炼钢生产计划编排、转炉生产调试、冶金产品提升方案测试等工作。
图1是转炉仿真系统结构图。
具体实施例方式
以仿真一般转炉的生产过程为例，对该系统的实施方式进行说明。
用户根据实际工厂情况，通过计划调度仿真器2的转炉设备参数16，设定或选择数据库已有的转炉设备参数；通过计划管理15输入或选择数据库已有的要仿真的转炉生产计划；通过生产过程通讯18将转炉设备参数和转炉生产计划下达到转炉仿真内核1的生产过程通讯8。
转炉仿真内核1根据转炉设备参数定义生产设备，根据生产计划中的钢种确定使用工艺卡存储器5中的工艺参数，将各个转炉设备准备就绪，通过生产过程通讯向计划调度仿真器2发送转炉生产开始的消息。
转炉仿真内核1根据生产计划的产量信息，选择算法模型库4中相应的装入量计算模型计算铁水和废钢的装入量，并通过生产过程通讯向计划调度仿真器2发送申请铁水和废钢消息。计划调度仿真器2的物流调度17通过生产过程通讯18发送铁水和废钢原料到转炉仿真内核1，同时发送钢水包消息。生产过程控制9开始对生产过程仿真10的各个生产阶段进行控制。
转炉仿真内核1收到铁水和废钢后，生产过程仿真10进入装料阶段，选择算法模型库4中相应的装料制度将原材料装入炉体；根据原材料成分、工艺参数中的目标钢水成分以及辅料种类，选择算法模型库4中相应的辅料计算模型计算添加的辅料种类和重量，按辅料装料制度装入。
生产过程仿真10进入吹炼准备和吹炼阶段，氧枪22根据算法模型库4中相应的氧枪操作制度，在吹炼过程中调节氧压和枪位，根据供氧制度确定氧气流量和供氧强度。底吹24根据供氩或供氮制度吹入氩气或氮气。副枪23对钢水进行测温、取样、测定钢水中的碳、氧含量。
吹炼阶段结束后，生产过程仿真10进入等待阶段，副枪23再次进行操作。生产过程仿真10根据工艺参数中的目标温度、成分以及目前钢水的情况计算冷却剂的种类和加入重量，并进行添加。
在温度成分合格后，生产过程仿真10进入出钢阶段。合金加料26根据合金计算模型计算合金的种类和加入量，将合金加入钢水包，转炉炉体倾动，挡渣出钢。
生产过程仿真10进入溅渣护炉阶段，转炉仿真内核1将钢水包通过生产过程通讯8送到计划调度仿真器2的物流调度17，同时将各个生产设备复位。
若有多个转炉生产计划，转炉仿真内核1通过生产过程通讯向计划调度仿真器2发送转炉生产开始的消息，对下一炉次的生产过程进行仿真。
整个转炉生产过程仿真中，始终伴随着钢水重量、温度、成分的计算，计算以热平衡和物料平衡为基础，不同的生产阶段采用不同的计算模型。
整个转炉生产过程仿真中，时钟管理12在时间轴上推进系统的运行，维护仿真时钟及转炉生产时间场景；日志13记录各个生产阶段开始结束、设备动作以及消息的收发情况；生产过程跟踪11对每炉生产中的原材料、辅料、合金、氧气、惰性气体、电等能源消耗进行统计，记录生产过程中产生的废气，跟踪多个炉次的钢水、钢包信息。
整个转炉生产过程仿真中，生产信息发布14将生产过程中的阶段情况，设备动作，钢水重量、温度、成分，消息接收情况，仿真时钟等内容动态以广播的形式向外部发布；监控显示设备3的生产过程显示20以图形化的方式对生产信息接收19接收的生产信息进行显示。以上生产信息也提供给用户交互接口6供转炉信息管理等应用使用。
权利要求
1.一种基于计算机的转炉仿真系统，其特征在于由Ethernet局域网络(7)连接的转炉仿真内核(1)、计划调度仿真器(2)、监控显示设备(3)、算法模型库(4)、工艺卡存储器(5)和用户交互接口(6)构成；其中，转炉仿真内核(1)实现转炉生产过程的仿真；计划调度仿真器(2)扮演了炼钢调度的角色；监控显示设备(3)以图形化的形式对转炉仿真进行显示；算法模型库(4)存放了转炉仿真过程中使用到的算法模型；工艺卡存储器(5)保存了转炉工艺卡的内容，用户交互接口(6)提供了仿真系统与用户或转炉信息管理应用的接口；仿真了转炉生产过程中的接收生产计划、根据生产计划计算铁水和废钢的装入量、向调度申请铁水和废钢、铁水和废钢装入、氧枪吹氧、副枪测温、静置、出钢、溅渣护炉过程，并对钢水的温度、成分进行了计算。
2.按照权利要求1所述的仿真系统，其特征在于转炉仿真内核(1)包括生产过程通讯(8)、生产过程控制(9)、生产过程仿真(10)、生产过程跟踪(11)、时钟管理(12)、日志(13)和生产信息发布(14)子系统；中生产过程通讯(8)仿真了转炉生产过程与调度之间的交互，它通过抽象各种生产命令定义了一系列消息，转炉仿真内核(1)根据消息的内容定义生产设备、确定工艺参数以及组织生产；生产过程控制(9)监视每个仿真设备的状态及运行情况，协调整个系统的运行，根据外部调度发送的信息，进行生产过程指挥，根据生产过程的控制要求调整生产过程，将一些生产过程的信息和生产结果通过生产过程通讯(8)通知调度；生产过程跟踪(11)仿真了物流跟踪、生产过程的分析统计和转炉生产中能源的利用率统计，包括炉次跟踪、钢包跟踪，通过物流跟踪，得到生产信息和炉次之间的对应关系；时钟管理(12)实现在时间轴上推进系统的运行，维护仿真时钟及转炉生产时间场景；日志(12)记录仿真过程发生的主要事件；生产信息发布(14)将生产信息动态以广播的形式向外部发送。
3.按照权利要求1或2所述的仿真系统，其特征在于生产过程仿真(10)以构成转炉生产过程的各个主要设备为线索，以转炉冶炼原理工艺和模型为基础模拟生产过程的基本行为；仿真的转炉主要设备包括炉体(21)、氧枪(22)、副枪(23)、底吹(24)、转炉加料(25)和合金加料(26)；其中，炉体(21)模拟实现对炉体的参数和状态变化的跟踪和管理，包括转炉位置、角度、转炉的倾动；氧枪(22)模拟实现对氧枪的参数和状态变化的跟踪和管理，包括氧气流量、氧枪位置、吹氧量、吹氧时间；副枪(23)模拟实现对副枪的参数和状态变化的跟踪和管理，包括钢水温度、游离氧浓度、碳含量；底吹(24)模拟实现对底吹的参数和状态变化的跟踪和管理，包括底吹管线流量、底吹气体、氩气消耗量、氮气消耗量、氮气最大流量；转炉加料25模拟实现对副原料加料过程的跟踪和管理，包括副原料种类、加料重量；合金加料(26)模拟实现对往钢水包中加入合金过程的跟踪和管理，包括合金料种类、加料重量。
4.按照权利要求1所述的仿真系统，其特征在于计划调度仿真器(2)模拟了炼钢厂调度的角色，为系统建立了转炉生产的运行环境；它包括计划管理(15)、转炉设备参数(16)、物流调度(17)、生产过程通讯(18)。
5.按照权利要求1所述的仿真系统，其特征在于监控显示设备(3)提供了转炉仿真的可视化界面，它通过局域网络(7)接收生产信息发布(14)发布的生产过程数据，获得目前转炉生产状况和各个子设备的状态；监控显示设备(3)与仿真过程完全分离，通过局域网络(7)用定义好的数据进行交互。
6.按照权利要求1所述的仿真系统，其特征在于算法模型库(4)保存了转炉生产过程中的各种计算模型，该模型库对各种模型进行统一管理，模型可灵活替换，转炉仿真内核(1)可以根据不同的情况使用不同的模型；算法模型库(4)的统一管理可使转炉仿真系统可模拟不同的工艺过程，模型的可替换性使系统方便地使用第三方提供的模型来提高系统精度。
7.按照权利要求1所述的仿真系统，其特征在于工艺卡存储器(5)存储了转炉生产过程的各种工艺参数，仿真内核1通过选择合适的工艺参数仿真生产过程；用户交互接口(6)实现了转炉仿真程序与用户或转炉信息管理应用的交互。
全文摘要
本发明提供了一种基于计算机的转炉仿真系统。属于炼钢的生产仿真技术领域。由Ethernet局域网络(7)连接的转炉仿真内核(1)、计划调度仿真器(2)、监控显示设备(3)、算法模型库(4)、工艺卡存储器(5)和用户交互接口(6)构成；其中，转炉仿真内核(1)实现转炉生产过程的仿真；计划调度仿真器(2)扮演了炼钢调度的角色；监控显示设备(3)以图形化的形式对转炉仿真进行显示；算法模型库(4)存放了转炉仿真过程中使用到的算法模型；工艺卡存储器(5)保存了转炉工艺卡的内容，用户交互接口(6)提供了仿真系统与用户或转炉信息管理等应用的接口；其优点在于系统具有通用性，不仅可作对一般转炉的生产过程进行仿真，还可以模拟双联法中的脱磷和脱碳转炉的生产过程。
文档编号G06G7/00GK1687953SQ20051007086
公开日2005年10月26日 申请日期2005年5月20日 优先权日2005年5月20日
发明者李文兵, 纪扬 申请人:冶金自动化研究设计院