熟練した作業員が手探りで変圧器のタップと電極の位置を調整する手動制御の電気炉でも、それなりの成果を上げることができます。一方、適切に調整されたレベル2の自動化システムで稼働する電気炉は、電源投入時間を8～12%、電極消費量を10～15%、電力消費量を1トンあたり20～40kWh削減できます。この差は決して小さくありません。年間50万トンの生産量で1kWhあたり0.08ドルを支払う工場の場合、1トンあたり30kWhの節約は年間120万ドルの節約に相当します。
MONTE INTELLIGENCEは、電気炉供給パッケージにプロセス制御システムを統合しています。この記事では、制御アーキテクチャ、それを支えるアルゴリズム、そして実際の導入における課題について解説します。
レベル1の自動化では、電極制御、油圧システム制御、冷却水流量制御といったリアルタイム制御が行われます。これらの機能は、10～50ミリ秒のサイクルタイムを持つプログラマブルロジックコントローラ（PLC）上で動作します。電極制御システムは、レベル1の機能の中で最も重要な部分です。スクラップの移動、スラグの発泡、電力網の電圧変動といった外乱があっても、安定したアーク長を維持する必要があります。
インピーダンスに基づく電極制御が標準的な手法です。制御器はアーク電圧と電流を測定し、インピーダンス（Z = V/I）を計算して、インピーダンス設定値を維持するように電極の位置を調整します。設定値は加熱工程によって変化します。スクラップ溶解段階では、炉殻をアーク放射から保護するためにインピーダンスを高くし、平らな浴槽段階では、電力入力を最大化するためにインピーダンスを低くします。
最新のレギュレータは適応ゲイン制御を採用しており、PIDループの比例ゲインと積分ゲインが運転状況に基づいて自動的に調整されます。アークが不安定な場合（スクラップの崩落、発泡スラグの変動など）、ゲインが増加して応答速度が向上します。アークが安定している場合は、ゲインが低下して電極の不要な動きを抑制し、電極の消耗や油圧システムの摩耗を軽減します。
レベル2の自動化は、リアルタイムのレベル1制御の上位に位置する加熱レベルの最適化機能を提供します。レベル2システムは、工場の製造実行システム（MES）から鋼種仕様を受け取り、加熱の各段階における最適な設定値を算出し、それらの設定値をレベル1システムにダウンロードします。加熱後、レベル2システムは目標値に対する性能を分析し、その結果に基づいて次回の加熱の設定値を調整します。
レベル2システムの加熱プロファイルは、電気炉サイクルをバスケット装入1、溶解1、バスケット装入2、溶解2、精錬、出銑という明確な段階に分割します。各段階には、アーク電圧、アーク電流、酸素流量、炭素注入量、バーナー運転に関する目標設定値が設定されています。レベル2システムは、実際のスクラップ混合物、目標出銑温度、および目標炭素含有量に基づいて、これらの設定値を調整します。
電気炉制御におけるニューラルネットワークの応用は、研究論文の段階から生産システムへと移行しつつあります。最も一般的な応用例は終点予測です。これは、化学分析を待つことなく、リアルタイムのプロセスデータに基づいて、加熱終了時の炉内温度と炭素含有量を推定するものです。過去の加熱データで学習させたニューラルネットワークは、加熱の85～90%において、終点温度を±15℃以内、終点炭素含有量を±0.02%以内の精度で予測できます。
終点予測ネットワークへの入力には、累積電気エネルギー、累積酸素量、累積炭素注入量、排ガス温度と組成（CO、CO2、H2）、冷却水温度上昇、および経過時間が含まれます。このネットワークは、数千件の過去の加熱データから、これらの変数と終点条件との関係を学習します。学習が完了すると、リアルタイムの推定値が提供され、オペレーターはサンプリングによって実際の終点を確認する前に、酸素流量の調整、炭素の添加、加熱時間の延長または短縮といった是正措置を講じることができます。
予測型電力管理は、電気炉が電力系統の制約を受ける環境で稼働する場合に重要となる機能です。電気炉は、電力消費量が大きく変動しやすい負荷です。電力会社からのデマンド料金は、1MWhあたり5～15ドルの電気料金に加算される可能性があります。予測型電力管理システムは、加熱プロファイルを使用して5～15分先の電力需要を予測し、契約で定められた需要制限内に収まるように負荷を管理します。予測値が制限値を超えた場合、システムは一時的に変圧器のタップを下げたり、電極の位置を調整して電流を減らしたり、次の加熱の開始を遅らせたりすることができます。
高度なプロセス制御の実装において、データインフラストラクチャはしばしばボトルネックとなります。システムには、PLC（レベル1）、エネルギー管理システム、排ガス分析装置、温度測定システム、およびラボ情報システムからのデータが必要です。これらのデータは、1秒以内の精度で時間同期されている必要があります。多くの工場では、自動化システムのアップグレード中に、既存のデータインフラストラクチャではこれらの要件を満たせないことに気づき、ネットワークとデータベースのアップグレードがプロジェクトコストのかなりの部分を占めることになります。
MONTE INTELLIGENCEは、大手オートメーションサプライヤーと提携し、統合型電気炉制御システムを提供しています。当社の業務範囲は、制御システムの仕様策定、統合エンジニアリング、試運転、およびオペレーター研修を含みます。
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