1、 本文由 duwolala 贡献pdf 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。2 00 6 年 3 月 第 13 卷第 2 期文章编号: 1671 7848( 2006) 02 0120 04控 制 工 程 Control Engineering of ChinaMar . 2 0 0 6 Vol. 13, No. 2竖炉焙烧过程综合自动化系统严爱军 , 丁进良 , 柴天佑( 1 东北大学 教育部暨辽宁省流程工业综合自动化重点实验室, 辽宁 沈阳1 1 2110004; 2 东北大学 自动化研究中心, 辽宁 沈阳 110004)摘 要: 针对竖炉焙
2、烧过程的 工艺特 点及技 术要求, 基 于智 能技术 提出 了实现 综合 生产 指标优化的竖炉焙烧过程综合 自动化 系统, 讨论 了由智 能优化、 过程控 制和 过程管 理三 层结 构组成的综合自动化系统的结 构、功 能 和控 制策 略。用 智 能优 化设 定 模型、 炉况 诊断 模 型、 智能预报模型及回路控制, 实现了 优化综 合生产 指标的 目标。所 提出的 系统 成功应 用于 某选 矿厂竖炉焙烧生产过程, 实现了 竖炉焙 烧生产 过程的 优化控 制、优 化运行 和优 化管理, 取得 了明显的应用成效。 关 键 词: 竖炉焙烧; 生产指标; 综合自动化系统; 智能优化 中图分类号: TP
3、 273 文献标识码 : AIntegrated Automation System for Shaft Furnace Roasting ProcessYAN A i jun , DING Jin liang , CHAI Tian you1 1 2( 1 Key Laboratory of Process Indust ry Automation, M inistry of Educat ion, China, Northeastern University, Shenyang 110004, China; 2 R esearch Center of Automat ion, Northe
4、ast ern University, Shenyang 110004, China)Abstract: The integrated automation system based on intelligent technologies consisting of three layers, intelligent optimization control, process control and process management is developed to fit the characteristic and requirement of the shaft furnace roa
5、sting process The structure, func tions and control strategy of this system are discussed Overall production index is achieved using intelligent optimal setting model, fault diagno sis model, intelligent prediction model and loop control The system proposed is successfully applied to the roasting pr
6、ocess of a Minerals Pro cessing Factory to realize process optimal control, process optimal operation and process optimal management It is proven to provide benefits to this minerals processing factory Key words: shaft furnace roasting; production index ; integrated automation system; intelligent op
7、timization1引言竖炉焙烧是我国目前处理弱磁性矿物的有效途 径之一。其生产现 状是自动 化程度 低, 生产 成本 高, 资源消耗大, 环境污染严重。竖炉焙烧过程具 有机理复杂, 多变 量强耦合, 过程 中不确定 因素 多, 磁选管回收率难以在线连续测量等特性。因此 采用传统的控制方法难以对其进行有效的控制。 欧洲钢铁工业技术发展指南指出: 对于降低生 产成本、提高产品质量、减少环境污染和资源消耗 只能 通 过全 流程 自 动控 制 系统 的 优化 设 计来 实 1 现 。采用计算机控制系统是对竖炉焙烧过程实现 成功控制的关键, 采用新的合适的控制结构的过程 综合自动化系统是解决上述问题
8、的关键。文献 2提出了采用过程控制、过程优化、生产调度、企业 管理和经济决策五层结构的综合自动化系统。文献 3 提出了由过程稳定化、过程优化、过程管理三 层结构组成的选矿生产过程自动化系统。文献 4 提出 了基 于 企 业资 源 计 划 ( ERP ) 制 造 执 行 系 统 ( MES) 过程控制系统( PCS) 三层结构的金矿企业综 合自动化系统, 并成功应用于中国排山楼金矿, 取 得了显著成效。2竖炉焙烧过程描述竖炉是将弱磁性铁矿石( 主要成分 Fe2O3 ) 在加热带进行加热, 然后落入还原带, 在一定浓度还原 剂、一定温度下, 使 Fe2 O3 还原成强磁性的磁铁矿 Fe3 O4 的
9、 热工 设备 , 工艺 过程 俗称磁 化焙 烧 5。 竖收稿日期: 2005 04 13; 收修定稿日期: 2005 05 31 基金项目: 国家 973 重大基础研究计划资助项目( 2002CB312201) ; 国家 863 高技术研究计划资助项目( 2004AA 412030) 作者简介: 严爱军( 1970 ) , 男, 湖北当阳人, 博 士研究生, 主 要研究方 向为复杂 工业过程 的建模与 智能控 制等; 柴 天佑( 1947 ) , 男, 甘肃兰州人, 教授, 博士生导师, 中国工程院院士。第 2 期严爱军等: 竖炉焙烧过程综合自动化系统121 ?炉炉体的简易结构图, 如图 1
10、所示。合作用。当系统处于维护周期时, 可由操作员代替 此系统工作, 从而实现人机结合、优势互补。图 1 竖炉工艺流程图竖炉焙烧的简单流程为: 原矿经过给矿 预热 加热 还原 冷却 搬出等几个步骤被处理为磁 化焙烧矿, 供磨矿和选矿之用。 对焙烧矿质量( 以磁选管回收率衡量) 、产量及 能耗等生产指标影响最大的是加热, 还原和搬出三 个环节。影响综合生产指标的首要之点是操作工况 是否合 理, 即竖炉焙 烧过程的三个 关键工艺 参数 ( 燃烧室温度、 还原煤气流量及搬出制度) 的设定值 是否合理, 其次是过程能否及时稳定跟踪设定值。图 2竖炉焙烧过程综合自动化系统体系结构3竖炉焙烧过程综合自动化系
11、统由于竖炉焙烧过程中存在着多变量强耦合、机 理复杂、磁选管回收率等关键工艺参数难以在线连 续测量等问题, 使得单一的常规控制方法难以实现 竖炉焙烧复杂的控制, 其原因是因为基础回路控制 6 级难以找到合适的设定值 , 所以需根据工况的变 化对关键工艺参数进行优化设定并稳定控制, 以实 现产品质量及其他工艺指标的优化。 1) 系统结构与功能 竖炉焙烧过程综合自动 化系统结构, 如图 2 所示。 结合选矿厂竖炉焙烧过程的特点, 为了适应过 程的复杂性, 实现操作的方便性, 达到人机优势互 补的目的, 采用智能优化、过程控制和过程管理三 层结构的综合自动化系统体系架构。 其主要功能描述如下: 智能优
12、化系统根据选矿厂制定的生产指标要 求, 磁选管回收率、能耗、产量等指标, 采用基于 案例推理的智能优化设定技术。通过燃烧室温度智 能优化设定模块、还原煤气流量智能优化设定模块 和搬出制度智能优化设定模块的协调运行, 实现三 个关键工艺参数的优化设定, 消除它们之间的强耦! 过 程 控 制系 统 采用 EIC ( Electric Instrument Computer) 一 体化计算机集散 控制系统 集成设计 技 术, 具有回路控制模块、逻辑控制模块和关键工艺 参数的监控模块, 其中回路控制模块实现燃烧室温 度与还原煤气流量的稳定控制, 逻辑控制模块实现 搬出制度实时控制, 从而实现综合生产指
13、标优化。 ? 过程管理系统采用综合生产指标为目标的生 产过程优化运行与优化管理技术, 具有运行管理和 系统管理两部分。运行管理具有系统监测、故障诊 断、设备管理、生产安全管理、系统通讯和操作指 导等功能。系统监测功能对数据进行采集、处理以 及生产过程的监控; 故障诊断功能对故障进行实时 预测、及时发现生产故障; 设备管理功能对设备故 障进行报警, 对设备的维护进行管理, 帮助制定维 修计划, 保证设备的安全运行; 生产安全管理功能 包括设备间的连锁保护, 关键操作执行前确认, 以 保证生产安全; 系统通讯功能实现各个控制子系统 和各级计算机网络之间的通讯; 操作指导功能是系 统根据采集的数据和
14、人工输入、设定信息判断当前 的生产状况和操作条件, 由基于案例推理的专家系 统给出操作指导。系统管理具有系统安全管理、用 户管理和系统导航等功能。系统安全管理保证系统 不被恶意破坏和记录所发生过的事件和所进行的操 作, 系统的进入需要用户和密码, 同时对运行中的 活动和报警进行记录; 用户管理用来增加和删除用 户, 对用户的权限进行设定和用户密码进行修改; 系统导航实现系统内部导航功能, 实现监控画面之 间的切换和各个子系统间的切换。 #计算机支撑系统有监控软件、实时数据库和122 ?控制工程第 13 卷计算机网络系统组成, 通过计算机支撑系统实现智 能优化系统、过程控制系统和过程管理系统的信
15、息 集成, 从而实现竖炉焙烧过程的综合自动化。通过 监控软件提供的强大组态 功能、先进的 OPC 接口 功能以及 DDE 数据交换功能, 计算 机网络与实时 数据库的支持, 编制了过程控制及智能优化设定软 件, 将竖炉焙烧过程的控制、优化和管理集成, 实 现生产过程管理和过程控制的一体化, 从而保证竖 炉焙烧过程的优化控制、优化运行和优化管理。 2) 控制策略 由于竖炉焙烧过程具有多变量 强耦合、强非线性、磁选管回收率等关键工艺参数 不能连续在线测量等问题, 而且, 难以用控制回路 的输入与输出的解析式子来表示, 因此难以采用常 规的优化控制方法进行优化控制。本文采用的智能 优化控制技术, 如
16、图 3 所示。控制, 并解决了过 程具有 多变量 强耦合、机理 复 杂、磁选管回收率等关键工艺参数难以在线连续测 量的问题。4系统的实施及应用效果某选矿厂年处理铁矿石 500 万吨, 矿石含铁品 位 33 % 。全厂用于矿石焙烧的竖炉 22 座。竖炉焙 烧生产过程基本采用人工根据经验进行操作, 有关 的电机设备都是在现场操作箱进行启停控制, 造成 生产人员多, 效率低, 成本高, 竖炉区温度高, 工 人的工作环境差, 劳动强度大。结合该选矿厂竖炉 焙烧生产过程的实际, 采用本文提出的方法, 实施 了竖炉焙烧过程综合自动化系统。 系统硬件包括 5 台模型机及 6 台监控计算机, 均为 DELL
17、公司 PC 机, 操作 系统为 Windows2000。 智能优化设定模型在模型机中实现 , 通过网络将计 算机与 Rockwell 公司的 ControlLogix 系统连接, 实现 过程监控。对 22 座竖炉设立 11 个控制站, 每个控 制站分别负责两座竖炉的监控。各控制站通过设备 网( DeviceNet ) 实现对 22 座竖 炉所有变频器的状 态 监测与频率设定 , 以实现鼓风机的变频调速。 竖炉焙烧综合自动化系统具有智能优化、过程 控制和过程管理三层结构, 采用智能控制技术, 通 过对竖炉焙烧过程的燃烧室温度、还原煤气流量、 搬出制度的优化设定及温度、流量的回路控制、搬 出机的实
18、时控制, 实现生产指标的优化控制。 竖炉焙烧过程的实际控制曲线如图 4 所示。图 3 竖炉焙烧智能优化控制结构原理图通过两层结构: 回路控制层和优化设定层来实 现竖炉焙烧过程的优化控制。 优化设定层主要通过基于案例推理技术的多变 量智能优化设定模型和前馈、反馈补偿来设定燃烧 室温度 W 1 、还原气流量 W 2 及搬出制度 W3 的控制 范围( 将另文详述) 。多变量智能优化设定模型综合 7 考虑生产过程的各种信息, 如炉况诊断模型 的输 出信息 F 、边界条件的变化 B、生产线信息 I 、能 耗计量 E 等。利用过程的输入、输出量, 通过智 8 能预报模型 , 产生难以测量的磁选管回收率预报
19、 值 C p , 并与设定的期望值 C s 进行比较, 产生的误 差经过前馈补偿模型来校正回路优化设定值。通过 人工化验过程产生的磁选管回收率化验值 Cd , 与 其期望值 Cs 进行比较后反馈校正回路设定值。燃 烧室温度回路控制 和还原煤气流量回路控制通过 多变量智能 DCS 控制系统实现, 使得过程的被控变 量稳定跟随优化设定值。这样就可以通过具有两层 结构的智能优化控制方法实现复杂工业过程的优化 9图 4竖炉焙烧过程的实际控制曲线图中, W 1 表示燃烧室温度设定值, Y1 表示燃 烧室实际温度, W 2 表示还原煤气流量设定值, Y2 表示还原煤气实际流量, U1 表示加热煤气阀开度。
20、 图中纵坐标表示燃烧室温度 ( 0 1 300 % ) , 对应加 热煤气阀开度( 0 100 % ) 和还原煤气流量( 0 5000 3 m h) 。 ( 下转第 126 页)126 ?控制工程第 13 卷耗) ; 持续工作时间与具体应用领域有关( 如在容量 为 2 500 mAh 电池支撑条件下, 活动状态占 1 % 的 情况下, 约为 200 天) ; 节点间正常 通信速率不低 于 115 kbps; 节点唤 醒时间不长于 30 s; 因基本配 置节点成本较低可大量、冗余部署; 具备灵活的扩 2 展接口( 如 I C, SPI 等) , 能够方便 扩展各种传感 器等设备; 具备节点 ID
21、 标识和动态修改功能; 具 备用以存储系统软件的基本固件, 并具备在系统编 程能力; 具备非易失性数据存储功能 1 3参考文献:邴志 刚, 等. 计算 机控制 基础? 技 术? 工具? 实例 M . 北京: 清华大学出版社, 北京交通大学出 版社, 2005. 2 邴志刚, 等. 基于智能微节 点的无线传 感器网络 研发问 题综述 J . 计算机工程与应用, 2005,41( 17) : 9 12. 3 Hill J L. System ar chitecture for wireless sensor networks D . Berkeley: University of Californ
22、ia, 2003. 4 Koller D. 10 Emerging technologies that will change the world J . MIT Technology Review, 2003, 106( 1) : 33 49. 5 Akyildiz I F, et al. Wireless sensor networks: a survey J . Computer Networks, 2002, 38( 4) : 393 422. 6 Marzullo K . Tolerating failures of continuous valued sensors J . ACM
23、 Transactions on Computer Systems, 1990, 8( 4) : 284 304. 7 Chung J, et al . NS by example EB OL . http: nile. wpi. edu NS . Worcester Polytechnic Institute, 2001. 8 Yuan Ze University. NS2 Seminar EB OL . http: netlab. cse. yzu. edu. tw ns2 , 2003. 9 The VINT Project. The ns manual( formerly ns not
24、es and doc umentation) EB OL . http: www. isi. edu nsnam ns doc index. html, 2003. 10 Park S J. Energy aware topology control and data delivery in wireless sensor networks EB OL . etd. gatech. edu theses available etd 07122004 000648 unrestricted park_seung jong_ 200407_phd. pdf, 2004. 11 刘瑛, 程善美. 基
25、于神经网络的新型复合速度控制器的 设计 J . 控制工程, 2005, 12( 2) : 135 138. 1。5结语本文研发的无线传感器系统和节点是以平台化 为目标, 能够为具体应用领域的传感器网络研发和 产品化奠定柔性的公共基础。在研发过程中, 充分 考虑了传感器网络平台的研发所涉及的专业和学科 非常广泛的特点, 通过跨专业( 嵌入式开发、软件 工程、通信工程等专业人员, 以及领域专 家) 的合 作, 解决了节点和系统从设计到产品化的实施的全 过程所面对的典型问题。 合理构建的无线传感器网络可以成为信息世界 与实际物理世界之间的桥梁。( 上接第 122 页) 从图 4 可以看出, 燃烧室温
26、度设 定值保持一定, 还原煤气流量的设定值则根据工况 的变化而变化, 并且控制输出能够很好地跟踪优化 设定值, 说明了智能优化系统和过程控制系统在运 行过程中的有效性。 现场 长期运行 的效果表 明, 竖炉 台时产率 从 24 90 t h 提高到 25 62 t h, 提高 0 72 t h。竖炉的 磁选管回收率提高 2 % , 能耗降低了 6 % , 操作人 员减少 50 % 。竖炉焙烧过程实现了优化控制、优 10 化运行和优化管理 。参考文献:欧洲钢铁工业联盟. 韩静涛译. 欧洲 钢铁工业技 术发展 指南 M . 北京: 中国金属学会, 1999 2 CIM Reference Mode
27、l Committee, Purdue University. A Ref erence model of computer integrated manufacturing from the viewpoint of Industrial automation J . Int J Computer Integrat ed Manufacturing, 1989, 2( 2) : 114 127. 3 Houseman L A, Schubert J H, Hart J R, et al . A plant wide control platform for minerals processi
28、ng J . Minerals Engi neering, 2001, 14( 6) : 593 600 4 柴天佑, 李小平 , 等. 基于 三层结 构的金矿 企业现 代集 成制造系统 J . 控制工程, 2003, 10( 1) : 18 22 5 张晓 东, 柴振 新. 酒钢 100m3 竖炉 的发 展 与生 产实 践 J . 金属矿山, 2000, ( 3) : 32 33, 40. 6 Wang W, Li H X, Zhang J T. A hybrid approach for supervi sory control of furnace temperature J . Con
29、trol Engineering Practice, 2003, 11( 11) : 1325 1334 7 Yan A J, Wu F H, Chai T Y Fault diagnosis expert system using neural networks for roasting process C . Prague: 16th IFAC World Congress, 2005. 8 严爱军 , 岳恒, 等. 一类复杂工业过程的智能预 报模型 及其应用 J 控制与决策, 2005, 20( 7) : 794 797. 9 严爱军, 柴 天佑. 竖炉 燃烧 室温 度的 智 能控 制方
30、 法及 应用 J . 控制工程, 2005, 12( 4) : 305 309. 10 Chai T Y, Ding J L, Zhao D Y, et al. Integrated automation system of minerals processing and its application C . Prague: 16th IFAC World Congress, 2005. 11 柴天佑, 杨辉, 张肃宇, 等. 稀土萃取分离过程综合自动 化系统 J . 控制工程, 2005, 12( 1) : 1 7. 15结语本文提出了由智能优化、过程控制和过程管理 三层结构组成的竖炉焙烧生产过程 综合自动化系 统。本系统在某选矿厂竖炉焙烧过程中成功应用, 可以实现竖炉焙烧生产过程的优化控制、优化运行 和优化管理, 从而保证了生产的稳定性, 降低了工 人的劳动强度, 改善了操作环境, 减少了资源消耗 和操作人员人数, 提高了设备运转率, 实现了磁选 管回收率的优化控制, 该系统还可以应用于其他行 业, 有很高的推广价值。1
