銅冶煉生產(chǎn)過程在線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬 曉

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089)

銅冶煉生產(chǎn)過程使用的在線控制系統(tǒng)涉及到計(jì)算機(jī)技術(shù)、冶金工藝學(xué)、檢測儀表、統(tǒng)計(jì)學(xué)、自動(dòng)化技術(shù)等技術(shù)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以在很多領(lǐng)域使用，比如：轉(zhuǎn)爐、富氧頂吹爐、陽極爐等[1]。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以極大的促進(jìn)我國有色金屬冶煉行業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也能通過計(jì)算機(jī)技術(shù)建立更為先進(jìn)的控制系統(tǒng)，提高冶煉水平。閃速熔煉和閃速吹煉是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的主要部分，其具有耗能小、節(jié)能，提高產(chǎn)能的優(yōu)勢。

1 銅冶煉在線控制系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

銅冶煉在線控制系統(tǒng)，就是從“雙閃”自動(dòng)控制級(DCS)中獲得整個(gè)試件發(fā)生的相關(guān)參數(shù)，再根據(jù)這些參數(shù)或者是數(shù)據(jù)，對整個(gè)事件進(jìn)行性質(zhì)分析和判斷，主要包括：數(shù)據(jù)采集，利用數(shù)據(jù)計(jì)算出相應(yīng)的控制參數(shù)，之后將設(shè)定值輸出，發(fā)送到控制級，從而建立一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，也可以成為正饋控制[2]。而反饋控制，就是對一些反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，閉環(huán)控制系統(tǒng)就是對閃速熔煉爐工作過程進(jìn)行控制。

1.1 冶金數(shù)學(xué)模型

在銅冶煉生產(chǎn)過程中建立在線控制系統(tǒng)，使用數(shù)學(xué)模型可以更好的促進(jìn)閃速吹煉爐和閃速熔煉能夠達(dá)到規(guī)定的最佳值進(jìn)行工作，同時(shí)也能減少燃料的消耗，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源的目的；另外，將爐溫控制一定的范圍內(nèi)，可以延長爐體的使用壽命，達(dá)到保護(hù)爐壁的作用，從而減少維修的資金。

冶金數(shù)學(xué)模型的構(gòu)成包括：閃速吹煉控制模型、閃速熔煉控制模型、在線統(tǒng)計(jì)分析模型等。

1.1.1 閃速吹煉控制模型

它是建立在閃速吹煉工藝基礎(chǔ)上，結(jié)合金屬物料與熱的平衡模型，將閃速吹煉中粗銅與氧硫的比值以及爐況的穩(wěn)定作為目標(biāo)，使用智能優(yōu)化算法來獲取系統(tǒng)運(yùn)作的動(dòng)態(tài)最佳值，從而實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場的控制[3]。在整個(gè)閃速吹煉過程中主要是根據(jù)機(jī)理模型進(jìn)行建立的，再利用獲取的現(xiàn)場取樣數(shù)據(jù)，建立計(jì)算仿真模型，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)優(yōu)化控制和預(yù)測。

1.1.2 閃速熔煉平衡控制模型

該模型就是利用統(tǒng)計(jì)分析算法和平衡常數(shù)法對現(xiàn)場實(shí)際操作進(jìn)行分析。在建立整個(gè)控制模型中，系統(tǒng)需要對冰銅中的硫品位、冰銅溫度、渣中鐵硅比等因素進(jìn)行分析，相應(yīng)的計(jì)算操作參數(shù)有：燃料量、熱風(fēng)、氧氣需求量等，對這些參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

閃速吹煉爐工藝和閃速熔煉爐工藝是整個(gè)系統(tǒng)的重要部分，閃速熔煉包括：閃速熔煉爐、熱力系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)、配料系統(tǒng)、廢熱鍋爐、電收塵等結(jié)構(gòu)[4]。該工藝就是將不同產(chǎn)地的銅精礦根據(jù)相應(yīng)的配料，完成冶煉。

閃速熔煉系統(tǒng)具有多個(gè)功能，其中也包括熔煉冶金的數(shù)學(xué)模型，這里主要分析在線控制功能。在線控制系統(tǒng)，主要是對渣溫控制和冰銅品位進(jìn)行計(jì)算。首先需要利用天然氣和氧氣濃度對反應(yīng)塔進(jìn)行控制，使閃速熔煉爐可以根據(jù)工序?qū)⒈~品位目標(biāo)值產(chǎn)出。利用計(jì)算機(jī)對反應(yīng)塔上的天然氣量和塔氧氣量進(jìn)行在下設(shè)置，從而達(dá)到控制的目的。關(guān)于渣成分揀的流程見圖1。

圖1 渣成分檢查的流程

1.1.3 在線模型統(tǒng)計(jì)分析

在銅閃速爐冶金模型中，主要是分析每個(gè)物料元素的關(guān)系，以及熱量產(chǎn)出和投入的關(guān)系，建立相應(yīng)的線性方程，得出相應(yīng)的參數(shù)值，之后根據(jù)這些數(shù)值對目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)性的控制，在工況被干擾時(shí)，模型計(jì)算的結(jié)果也不會(huì)受到未知的突變情況。但是要有一些條件與參數(shù)的規(guī)定，在建模過程中，會(huì)出現(xiàn)精確度受影響的情況，這時(shí)操作數(shù)值也會(huì)存在很大的誤差，所以建立實(shí)際反饋，這樣系統(tǒng)可以通過多次分析和檢測，對參數(shù)值的波動(dòng)進(jìn)行控制，從而保證系統(tǒng)的正常工作。

1.2 在線控制系統(tǒng)的軟件

1.2.1 軟件控制系統(tǒng)的分析

在整個(gè)銅冶煉生產(chǎn)在線控制系統(tǒng)中，主要是根據(jù)閃速吹煉、閃速熔煉系統(tǒng)控制中得到生產(chǎn)過程發(fā)生的實(shí)踐，采集一些定時(shí)參數(shù)，之后分析這些事件發(fā)生的規(guī)律，利用模型進(jìn)行計(jì)算，獲得最佳的控制值，從而建立一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中軟件模塊使用了3層面向?qū)ο罂蚣埽侯I(lǐng)域?qū)?、表現(xiàn)層、數(shù)據(jù)源層。領(lǐng)域?qū)邮菫檎麄€(gè)系統(tǒng)建立核心的模型，在服務(wù)器上進(jìn)行工作的；表現(xiàn)層是對用戶的請求進(jìn)行處理，并顯示結(jié)果，在操作站進(jìn)行工作；數(shù)據(jù)源層是實(shí)現(xiàn)與外圍接口的通訊。這些結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的靈活性、可擴(kuò)展性，在模型或是接口部分發(fā)生變化時(shí)，只需要將相關(guān)代碼進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)組件需求進(jìn)行修改，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的改進(jìn)等。

1.2.2 軟件資源模型的使用

軟件資源模型部分需要建立三維模型，主要包括管理和維護(hù)、過程維護(hù)和技術(shù)實(shí)現(xiàn)等部分。在過程維度方面，主要將軟件開發(fā)的過程進(jìn)行抽象，根據(jù)軟件使用的周期理論，把這個(gè)系統(tǒng)中的概要設(shè)計(jì)、需求分析、程序編碼、詳細(xì)設(shè)計(jì)、測試等與需求進(jìn)行分析。技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面，主要包括物理平臺(tái)(服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、PC等)，軟件開發(fā)技術(shù)平臺(tái)(數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)和開發(fā)工具)，輔助項(xiàng)目管理工具。從管理方面分析，該系統(tǒng)主要是對每個(gè)層面進(jìn)行管理，比如時(shí)間管理、質(zhì)量管理、范圍管理、成本管理和綜合管理等。

2 銅冶煉系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

2.1 流程模塊設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)整體都是采取了面向?qū)ο蟮姆椒?。首先，是配料?jì)算功能，根據(jù)礦倉中產(chǎn)出的精礦量和成分進(jìn)行分析，分析冰銅品位和目標(biāo)Fe/SiO 等，之后計(jì)算硅酸礦倉中的硅酸礦與精礦總量的比值。

計(jì)算配料是熔煉操作人員進(jìn)行，前提條件是料倉的皮帶是運(yùn)行良好的，如果是出現(xiàn)了變化，這時(shí)需要工作人員啟動(dòng)終端上的配料計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行操作[5]。應(yīng)對這些突變情況，終端設(shè)置的特定變化數(shù)據(jù)包括：各礦倉給料比、礦倉中每種礦石的變化、目標(biāo)Fe/SiO 的變化、冰銅品位的變化等，利用MB1進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)也能將硅酸礦的比率進(jìn)行計(jì)算出來，從而產(chǎn)生新的配料表[6]。關(guān)于配料計(jì)算的流程圖見圖2。

2.2 模塊體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

銅冶煉在線控制系統(tǒng)模塊比較多，完成的業(yè)務(wù)也比較繁雜，建立的數(shù)據(jù)庫也比較困難，所以，這里主要分析關(guān)鍵業(yè)務(wù)和模塊。在軟件系統(tǒng)中主要的模塊包括3部分：服務(wù)器端模塊、接口模塊和客戶端模塊[7]。

2.2.1 服務(wù)器端模塊

主要包括：模型計(jì)算子系統(tǒng)、進(jìn)程管理系統(tǒng)、預(yù)處理子系統(tǒng)、實(shí)時(shí)打印子系統(tǒng)、統(tǒng)計(jì)計(jì)算子系統(tǒng)等，服務(wù)端主要是用C/C++語言進(jìn)行開發(fā)，使用的編譯器是IBM CC。其中除了熱平衡、化學(xué)成分、金屬平衡等計(jì)算模塊以外,其他系統(tǒng)都是建立可對立性的進(jìn)程，熱平衡和金屬平衡計(jì)算，還有化學(xué)成分計(jì)算都是建立獨(dú)立性的組件，從而為模型建立系統(tǒng)服務(wù)。

圖2 配料計(jì)算流程圖

2.2.2 接口模塊

包括利用實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)對生產(chǎn)緩解，使用化驗(yàn)分析儀器來收集子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，還有DCS數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)，以及上層管理的接口系統(tǒng)等。其中DCS系統(tǒng)是從PI數(shù)據(jù)庫中獲得通訊數(shù)據(jù)，該模塊是在DCS操作站上部署，主要收集DCS數(shù)據(jù)，之后再將DCS數(shù)據(jù)發(fā)送到對應(yīng)的系統(tǒng)中?；?yàn)分析儀利用的是VC++通訊模塊進(jìn)行開發(fā)的，同時(shí)安裝了前端機(jī)化驗(yàn)設(shè)備。

2.2.3 客戶端模塊

包括畫面監(jiān)視、系統(tǒng)管理、報(bào)警處理。人機(jī)界面系統(tǒng)是在熔煉吹煉的操作站間。人機(jī)界面使用PI數(shù)據(jù)庫中的PI-ProcessBook工具，以及OCX開發(fā)控件來實(shí)現(xiàn)的，也可以將PCX嵌入到PI-ProcessBook?？丶﨩CX使用的是VB和VC++進(jìn)行開發(fā)的，開發(fā)的內(nèi)容包括：實(shí)時(shí)報(bào)警、綜合查詢、測點(diǎn)維護(hù)等內(nèi)容。在線控制的整個(gè)系統(tǒng)界面是由系統(tǒng)事件查看、瀏覽進(jìn)程狀態(tài)、修改用戶口冷、進(jìn)程管理等部分構(gòu)成。該模塊是部署在Window設(shè)備上。

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫的建立是為了保證在線控制系統(tǒng)可以更加快速和高效的實(shí)現(xiàn)查詢和處理現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，并根據(jù)要求結(jié)果反饋。本次研究主要分析的是PI system數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)庫是遵循TCP/IP協(xié)議，有三層體系結(jié)構(gòu)和模塊化程序技術(shù)，可以保證系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)。由于PI數(shù)據(jù)庫是從不同地方獲得數(shù)據(jù)，為了保證數(shù)據(jù)更好區(qū)分，這里使用PointSource數(shù)據(jù)源進(jìn)行屬性區(qū)分，這里根據(jù)不同來源的數(shù)據(jù)建立的數(shù)據(jù)源分析表1。

表1 數(shù)據(jù)來源描述

3 在線控制系統(tǒng)測試方法

本次分析的在線系統(tǒng)測試方法主要包括以下幾種。

1)原理性測試

即根據(jù)平衡原理分析結(jié)果是否滿足要求。根據(jù)金屬平衡表，對每個(gè)成分和物料的總量之和對比看是否相等。分析投入物料成分與投入物料量的產(chǎn)出總量、每個(gè)成分量是否相等。根據(jù)熱平衡表，可以檢查出熱和入熱的平衡度，還有每項(xiàng)結(jié)果的中間數(shù)知否正確等。比如：保證計(jì)算的天然氣中的氧濃度不變，根據(jù)固定的天然氣氧濃度，檢查兩種結(jié)果是否相同。

2)類比測試

在計(jì)算結(jié)果條件相同的情況，分析該結(jié)果與系統(tǒng)結(jié)果的一致性，來評價(jià)參數(shù)的有效性[8]。主要是根據(jù)一組以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將計(jì)算條件變成本系統(tǒng)的條件，觀察結(jié)果是否一致。

3)正確性測試方法

利用數(shù)據(jù)庫分析畫面輸出的數(shù)據(jù)和保存的結(jié)果是否相同，對輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行正確性的測驗(yàn)；還有就是對計(jì)算的中間數(shù)據(jù)進(jìn)行正確性測試。

4)工藝的合理性檢測

分析計(jì)算結(jié)果是否和精礦量、工藝趨勢、煙塵量變更時(shí)計(jì)算的氧系數(shù)和氧濃度符合。還可以對整個(gè)系統(tǒng)中的各種工藝系數(shù)進(jìn)行測試。

4 結(jié) 論

銅冶煉閃速爐熔煉和吹煉的過程，會(huì)受到很多因素的影響，在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)也可能完全控制每個(gè)因素，而且有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)缺乏，以及技術(shù)資料較少，如何明確控制模型的參數(shù)是該系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文為了提供系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化性，建立了明確的控制目標(biāo)參數(shù)，根據(jù)“雙閃”銅冶煉的工藝原理和軟件測量技術(shù)，建立數(shù)學(xué)模型回歸方程對事件出現(xiàn)的數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析，根據(jù)建立的仿真模擬閃速爐冶金反應(yīng)過程來獲得合理的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)在下控制的目的。

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