軋輥是軋鋼生產(chǎn)中的大型消耗性工具，軋制鋼材的產(chǎn)量和質(zhì)量都與軋輥有著極為密切的關(guān)系。軋輥的離心澆鑄是工藝十分復(fù)雜的生產(chǎn)過程，軋輥質(zhì)量與鑄造工藝、化學(xué)成分、冷卻速度、造型材料、球化處理、澆鑄工藝、填芯工藝等很多因素有關(guān)。為了克服生產(chǎn)過程中的人為因素，指導(dǎo)工人的現(xiàn)場操作，適應(yīng)眾多規(guī)格、品種軋輥的生產(chǎn)，提高成材率，我們研制了離心澆鑄軋輥生產(chǎn)工藝專家系統(tǒng)，于1997年初在太鋼軋輥廠投入運(yùn)行。
1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原理
1.1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，離心澆鑄軋輥的生產(chǎn)過程由配料、冶煉、離心澆鑄外層、填芯等幾部分組成，其中每一部分都有很多參數(shù)需要確定。為此，我們將系統(tǒng)分成配料、冶煉、澆鑄、填芯、數(shù)據(jù)管理、知識維護(hù)等部分。配料、冶煉、澆鑄與填芯系統(tǒng)離線用于現(xiàn)場工序的咨詢與操作指導(dǎo)，它們分別通過各自的知識庫，應(yīng)用推理機(jī)，將現(xiàn)場操作中所應(yīng)采取的步驟及措施顯示在屏幕上，實(shí)時(shí)指導(dǎo)工人進(jìn)行正確操作，知識采用產(chǎn)生式規(guī)則，推理機(jī)采用正反向混合推理，共計(jì)50余條規(guī)則；數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計(jì)功能塊，使技術(shù)人員能夠方便靈活地進(jìn)行生產(chǎn)管理；知識維護(hù)系統(tǒng)供專家進(jìn)行知識的建立、修改和刪除以及規(guī)則的添加。

1.2　設(shè)計(jì)原理
1.2.1　配料
　　配料過程的目的是將原料(回爐鐵、平爐鐵、低碳鐵、鑄造鐵以及廢鋼等)按一定比例進(jìn)行搭配，使原料中的碳(C)、硅(Si)含量及原料的鐵性(Mn、P、S、Ni、Cr、Mo)方面達(dá)到較理想的狀況。
　　配料部分的知識庫包括配料數(shù)據(jù)庫和配料規(guī)則庫。配料數(shù)據(jù)庫用來存放軋輥的類型、硬度指標(biāo)值、C和Si含量的合格范圍與期望值、各種原料成分、原料總重量、回爐鐵重量、鐵性要求等數(shù)據(jù)；配料規(guī)則庫包括軋輥硬度期望值判斷規(guī)則庫、C和Si含量合格范圍規(guī)則庫、鐵性判斷規(guī)則庫等。
　　配料部分的推理機(jī)由以下推理步驟構(gòu)成：
　　(1)根據(jù)軋輥硬度期望值判斷規(guī)則庫推斷硬度期望值是否合理，如果不合理，重新給出期望值。
　　(2)根據(jù)軋輥類型、硬度期望值大小，通過規(guī)則庫，給出C、Si含量的合格范圍，即Cmin％～Cmax％、Simin％～Simax％。
　　(3)根據(jù)各種原料成分、原料總重量、回爐鐵重量、C和Si含量期望值，利用數(shù)學(xué)推理計(jì)算平爐鐵、低碳鐵、鑄造鐵及廢鋼的重量。
　　(4)根據(jù)鐵性判斷規(guī)則庫判斷回爐鐵、平爐鐵、低碳鐵、鑄造鐵以及廢鋼是否符合鐵性要求，如果符合，轉(zhuǎn)入步驟(7)，結(jié)束配料。
　　(5)調(diào)整各原料成分重量直至符合鐵性要求，同時(shí)重新計(jì)算原料中C、Si含量。
　　(6)判斷C、Si含量是否在合格范圍之內(nèi)，如果超出合格范圍，轉(zhuǎn)入步驟(5)。
　　(7)配料結(jié)束。
1.2.2　冶煉
　　冶煉過程主要是根據(jù)硬度值要求以及上一工序的配料情況，考慮收得率等因素，通過規(guī)則推斷出應(yīng)加Fe－Ni、Fe－Cr、Fe－Mo、Fe－Mn、Fe－P合金的重量，以達(dá)到對爐前化學(xué)成分的控制。
　　冶煉知識庫由冶煉數(shù)據(jù)庫和冶煉規(guī)則庫組成。冶煉數(shù)據(jù)庫主要存放軋輥技術(shù)指標(biāo)、上一工序的數(shù)據(jù)(包括硬度值、原料重量、原料成分等)、本工序檢測到的化學(xué)成分和合金成分、檢測的爐溫、期望的化學(xué)成分目標(biāo)值等；冶煉規(guī)則庫主要有C含量調(diào)整規(guī)則庫、爐前化學(xué)成分目標(biāo)值推理規(guī)則庫、修正爐前化學(xué)成分目標(biāo)值規(guī)則庫等。
　　冶煉過程推理機(jī)的推理步驟如下：
　　(1)根據(jù)C含量調(diào)整規(guī)則庫判斷原料中C含量是否合適，若不合適，計(jì)算出需添加的碳粉重量。
　　(2)根據(jù)軋輥技術(shù)指標(biāo)(硬度、抗拉強(qiáng)度、金相等)、上一工序數(shù)據(jù)(原料重量、原料成分等)、收得率等參數(shù)，運(yùn)用爐前化學(xué)成分目標(biāo)值推理規(guī)則庫推斷出爐前化學(xué)成分目標(biāo)值。
　　(3)根據(jù)取樣分析得到的化學(xué)成分實(shí)際值、爐前化學(xué)成分目標(biāo)值、合金成分(Fe－Ni、Fe－Cr、Fe－Mo、Fe－Mn、Fe－P)計(jì)算出需要添加的各種鐵合金重量。
　　(4)再次取樣分析化學(xué)成分，判斷化學(xué)成分是否合適。
　　(5)若化學(xué)成分不合適，則根據(jù)當(dāng)前化學(xué)成分實(shí)際值，運(yùn)用修正爐前化學(xué)成分目標(biāo)值規(guī)則庫推斷出新的化學(xué)成分目標(biāo)值，并根據(jù)目標(biāo)值、實(shí)際值、合金成分計(jì)算出需補(bǔ)加的合金重量。
　　(6)檢測冶煉溫度是否達(dá)到規(guī)定值，若達(dá)到，則準(zhǔn)備出鐵。
1.2.3　澆鑄與填芯
　　澆鑄與填芯過程主要是根據(jù)軋輥技術(shù)指標(biāo)、上一工序狀況逐步推斷本過程中所應(yīng)采取的各項(xiàng)工藝步驟及措施，以確保軋輥具有良好的機(jī)械性能。
　　澆鑄與填芯部分知識庫也是由數(shù)據(jù)庫與規(guī)則庫組成。其中數(shù)據(jù)庫主要有軋輥類型及規(guī)格、爐前化學(xué)成分、輥模參數(shù)、澆鑄與填芯時(shí)間、澆鑄與填芯速度等數(shù)據(jù)；規(guī)則庫包括孕育量(加矽鐵粉量)推斷規(guī)則庫、澆鑄溫度推斷規(guī)則庫、填芯溫度推斷規(guī)則庫、填芯速度推斷規(guī)則庫等。
　　澆鑄與填芯部分的推理機(jī)由下述推理過程組成：
　　(1)根據(jù)軋輥類型、規(guī)格推出相應(yīng)的出鐵量。
　　(2)根據(jù)爐前化學(xué)成分、出鐵量，運(yùn)用孕育量推理規(guī)則推斷出應(yīng)加矽鐵粉的重量。
　　(3)根據(jù)輥模參數(shù)(包括輥模直徑、涂料層厚度、涂料模溫、澆鑄模溫等)，運(yùn)用澆鑄模溫推理規(guī)則，推斷出外層澆鑄模溫的參數(shù)值。
　　(4)根據(jù)停轉(zhuǎn)時(shí)間、間隔時(shí)間等參數(shù)，運(yùn)用填芯溫度推理規(guī)則，推斷出填芯溫度的參數(shù)值。
　　(5)根據(jù)填芯溫度、填芯出鐵量等數(shù)據(jù)，運(yùn)用填芯速度推理規(guī)則，推斷出填芯速度的大小。
1.2.4　數(shù)據(jù)管理
　　數(shù)據(jù)管理部分包括查詢功能塊與統(tǒng)計(jì)功能塊。運(yùn)用查詢功能塊可對已經(jīng)生產(chǎn)的任一爐次、輥號的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，這些數(shù)據(jù)包括配料數(shù)據(jù)、冶配，使原料中的碳(C)、硅(Si)含量及原料的鐵性(Mn、P、S、Ni、Cr、Mo)方面達(dá)到較理想的狀況。
　　配料部分的知識庫包括配料數(shù)據(jù)庫和配料規(guī)則庫。配料數(shù)據(jù)庫用來存放軋輥的類型、硬度指標(biāo)值、C和Si含量的合格范圍與期望值、各種原料成分、原料總重量、回爐鐵重量、鐵性要求等數(shù)據(jù)；配料規(guī)則庫包括軋輥硬度期望值判斷規(guī)則庫、C和Si含量合格范圍規(guī)則庫、鐵性判斷規(guī)則庫等。
　　配料部分的推理機(jī)由以下推理步驟構(gòu)成：
　　(1)根據(jù)軋輥硬度期望值判斷規(guī)則庫推斷硬度期望值是否合理，如果不合理，重新給出期望值。
　　(2)根據(jù)軋輥類型、硬度期望值大小，通過規(guī)則庫，給出C、Si含量的合格范圍，即Cmin％～Cmax％、Simin％～Simax％。
　　(3)根據(jù)各種原料成分、原料總重量、回爐鐵重量、C和Si含量期望值，利用數(shù)學(xué)推理計(jì)算平爐鐵、低碳鐵、鑄造鐵及廢鋼的重量。
　　(4)根據(jù)鐵性判斷規(guī)則庫判斷回爐鐵、平爐鐵、低碳鐵、鑄造鐵以及廢鋼是否符合鐵性要求，如果符合，轉(zhuǎn)入步驟(7)，結(jié)束配料。
　　(5)調(diào)整各原料成分重量直至符合鐵性要求，同時(shí)重新計(jì)算原料中C、Si含量。
　　(6)判斷C、Si含量是否在合格范圍之內(nèi)，如果超出合格范圍，轉(zhuǎn)入步驟(5)。
　　(7)配料結(jié)束。
1.2.2　冶煉
　　冶煉過程主要是根據(jù)硬度值要求以及上一工序的配料情況，考慮收得率等因素，通過規(guī)則推斷出應(yīng)加Fe－Ni、Fe－Cr、Fe－Mo、Fe－Mn、Fe－P合金的重量，以達(dá)到對爐前化學(xué)成分的控制。
　　冶煉知識庫由冶煉數(shù)據(jù)庫和冶煉規(guī)則庫組成。冶煉數(shù)據(jù)庫主要存放軋輥技術(shù)指標(biāo)、上一工序的數(shù)據(jù)(包括硬度值、原料重量、原料成分等)、本工序檢測到的化學(xué)成分和合金成分、檢測的爐溫、期望的化學(xué)成分目標(biāo)值等；冶煉規(guī)則庫主要有C含量調(diào)整規(guī)則庫、爐前化學(xué)成分目標(biāo)值推理規(guī)則庫、修正爐前化學(xué)成分目標(biāo)值規(guī)則庫等。
　　冶煉過程推理機(jī)的推理步驟如下：
　　(1)根據(jù)C含量調(diào)整規(guī)則庫判斷原料中C含量是否合適，若不合適，計(jì)算出需添加的碳粉重量。
　　(2)根據(jù)軋輥技術(shù)指標(biāo)(硬度、抗拉強(qiáng)度、金相等)、上一工序數(shù)據(jù)(原料重量、原料成分等)、收得率等參數(shù)，運(yùn)用爐前化學(xué)成分目標(biāo)值推理規(guī)則庫推斷出爐前化學(xué)成分目標(biāo)值。
　　(3)根據(jù)取樣分析得到的化學(xué)成分實(shí)際值、爐前化學(xué)成分目標(biāo)值、合金成分(Fe－Ni、Fe－Cr、Fe－Mo、Fe－Mn、Fe－P)計(jì)算出需要添加的各種鐵合金重量。
　　(4)再次取樣分析化學(xué)成分，判斷化學(xué)成分是否合適。
　　(5)若化學(xué)成分不合適，則根據(jù)當(dāng)前化學(xué)成分實(shí)際值，運(yùn)用修正爐前化學(xué)成分目標(biāo)值規(guī)則庫推斷出新的化學(xué)成分目標(biāo)值，并根據(jù)目標(biāo)值、實(shí)際值、合金成分計(jì)算出需補(bǔ)加的合金重量。
　　(6)檢測冶煉溫度是否達(dá)到規(guī)定值，若達(dá)到，則準(zhǔn)備出鐵。
1.2.3　澆鑄與填芯
　　澆鑄與填芯過程主要是根據(jù)軋輥技術(shù)指標(biāo)、上一工序狀況逐步推斷本過程中所應(yīng)采取的各項(xiàng)工藝步驟及措施，以確保軋輥具有良好的機(jī)械性能。
　　澆鑄與填芯部分知識庫也是由數(shù)據(jù)庫與規(guī)則庫組成。其中數(shù)據(jù)庫主要有軋輥類型及規(guī)格、爐前化學(xué)成分、輥模參數(shù)、澆鑄與填芯時(shí)間、澆鑄與填芯速度等數(shù)據(jù)；規(guī)則庫包括孕育量(加矽鐵粉量)推斷規(guī)則庫、澆鑄溫度推斷規(guī)則庫、填芯溫度推斷規(guī)則庫、填芯速度推斷規(guī)則庫等。
　　澆鑄與填芯部分的推理機(jī)由下述推理過程組成：
　　(1)根據(jù)軋輥類型、規(guī)格推出相應(yīng)的出鐵量。
　　(2)根據(jù)爐前化學(xué)成分、出鐵量，運(yùn)用孕育量推理規(guī)則推斷出應(yīng)加矽鐵粉的重量。
　　(3)根據(jù)輥模參數(shù)(包括輥模直徑、涂料層厚度、涂料模溫、澆鑄模溫等)，運(yùn)用澆鑄模溫推理規(guī)則，推斷出外層澆鑄模溫的參數(shù)值。
　　(4)根據(jù)停轉(zhuǎn)時(shí)間、間隔時(shí)間等參數(shù)，運(yùn)用填芯溫度推理規(guī)則，推斷出填芯溫度的參數(shù)值。
　　(5)根據(jù)填芯溫度、填芯出鐵量等數(shù)據(jù)，運(yùn)用填芯速度推理規(guī)則，推斷出填芯速度的大小。
1.2.4　數(shù)據(jù)管理
　　數(shù)據(jù)管理部分包括查詢功能塊與統(tǒng)計(jì)功能塊。運(yùn)用查詢功能塊可對已經(jīng)生產(chǎn)的任一爐次、輥號的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，這些數(shù)據(jù)包括配料數(shù)據(jù)、冶煉數(shù)據(jù)、澆鑄數(shù)據(jù)、填芯數(shù)據(jù)、質(zhì)量分析數(shù)據(jù)等。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)功能塊可對軋輥的各種參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，便于技術(shù)人員進(jìn)行生產(chǎn)管理。
1.2.5　知識維護(hù)
　　由于軋輥生產(chǎn)工藝復(fù)雜，規(guī)格、品種繁多，知識庫中的規(guī)則不可能完全正確，同時(shí)由于工藝的變化，品種的增加也需要對規(guī)則進(jìn)行不斷地修改及完善。因此，設(shè)立知識維護(hù)部分，可使工作人員方便、靈活地添加、刪除或修改規(guī)則，使知識庫中的規(guī)則更加符合生產(chǎn)實(shí)際，達(dá)到更準(zhǔn)確地指導(dǎo)操作者實(shí)時(shí)操作的目的。
2　系統(tǒng)硬件組成及軟件簡介
2.1　硬件組成
　　本系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要由工業(yè)控制機(jī)和一些必要的檢測設(shè)備組成。由于現(xiàn)場環(huán)境較為惡劣，故選用研華公司生產(chǎn)的PC－610型工業(yè)控制機(jī)和20″(51cm)大屏幕監(jiān)視器，它具有較強(qiáng)的抗干擾能力；檢測設(shè)備主要包括電子秤、鐵水溫度檢測儀、光譜分析儀、紅外線測溫儀、離心澆鑄機(jī)轉(zhuǎn)速檢測儀、計(jì)時(shí)儀等。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2　軟件簡介
　　本專家系統(tǒng)的軟件包采用C語言編寫，具有易讀、易移植、易擴(kuò)展的功能。軟件包由功能塊和操作畫面組成，功能塊包括配料指導(dǎo)功能塊、冶煉指導(dǎo)功能塊、澆鑄與填芯指導(dǎo)功能塊、數(shù)據(jù)管理功能塊、知識庫維護(hù)功能塊等；操作畫面采用菜單驅(qū)動(dòng)方式，共分為配料、冶煉、澆鑄與填芯、數(shù)據(jù)查詢、庫維護(hù)、質(zhì)量分析等畫面，每一畫面都可顯示實(shí)時(shí)時(shí)鐘、功能鍵提示，操作方便、簡捷。
3　結(jié)束語
　　系統(tǒng)投運(yùn)以來，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，操作簡單方便，適應(yīng)不同規(guī)格品種的離心澆鑄軋輥，對現(xiàn)場工序的操作起了咨詢和指導(dǎo)的作用，為保證軋輥質(zhì)量的穩(wěn)定、提高產(chǎn)品的成材率發(fā)揮了一定的作用，提高合格率1％～2％，僅此一項(xiàng)，年創(chuàng)效益達(dá)60萬元以上。

作者簡介：何建平　男1960年生高級工程師從事工業(yè)過程自動(dòng)控制及計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究開發(fā)工作。

參考文獻(xiàn)

1　王順晃，舒迪前.智能控制系統(tǒng)及應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

2　蔡自興.智能控制.北京：電子工業(yè)出版社，1990.

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