阳极炉计算机优化控制系统的研究与实现.doc

铜冶炼阳极炉计算机优化控制系统的研究与实现摘要：文章介绍了铜精炼阳极炉的工艺流程，通过对铜精炼的关键设备阳极炉的工艺流程的研究，提出了一套在线优化控制模型，并在此基础上开发了一套在线优化控制系统，本系统基于集检测、控制、优化于一身的高柔性、高效率、高质量的优化控制系统，通过该系统，可大大减少目前阳极炉重油和液化气的消耗，降低环境污染。1. 铜精炼阳极炉冶炼过程中存在的问题铜冶炼工业是国家最重要的原材料工业之一，受当时历史条件、投资限额、政策水平和建设方针以及电子工业、自控技术、信息产业发展水平的制约，我国现已投产的大、中型铜冶炼厂中，除了八十年代以后引进工艺技术和设备的冶炼厂，自动化装备水平达到国外同期先进水平外，大多数大、中型冶炼厂的自动化装备水平均较国外有相当大的差距，尽管近年来通过引进、消化、吸收以及自主开发，我国铜冶炼企业技术装备水平有所提高，主要技术经济指标有所改善，成本有所下降，竞争能力有所增强，但同国外同类企业相比还存在较大差距，总的表现为效率低、重油和液化气消耗大、成本高，国外的冶炼成本平均12000元/吨阳极铜，国内平均16000元/吨,能耗国外平均4吨t标煤/吨阳极铜，国内平均7吨标煤/吨阳极铜，这主要由以下几个原因所致：1) 在铜精炼阳极炉冶炼过程中，燃料消耗无计划；2) 冶金炉内负压难控制；3) 依赖人工经验指导操作，工况不能保持稳态2. 铜精炼阳极工艺流程铜精矿经闪速炉熔炼，除去精矿中的脉石和部分硫、镁、产出冰铜（Cu+Fe+S约占5070%），冰铜由包子吊车装入转炉，进行送风吹炼，吹炼完毕所得到的转炉产物为粗铜（其品位大概为98%左右），粗铜再由包子吊车装入阳极炉，进行精炼，所得到的产物为阳极铜，金、银等贵金属镕于阳极铜中。转炉吹炼出的粗铜中除残留有S和O外，还往往含有多种伴生金属杂质，如As、Sb、Bi、Pb、Zn、Ni、Co、Se、Te、Ge以及Au、Ag,铂族金属等，其总含量可达0.51.5%,而电解精炼一般要求阳极铜含铜品位在99.0%99.5%或者以上。因此，粗铜必须通过火法精炼过程进一步除去以上杂质，以保证阳极铜电解精炼过程忠产出高纯合格的阴极铜产品。粗铜的火法精炼是典型的周期性冶炼过程，通常使用的设备就是阳极炉，整个精炼过程具有大惯性、大时滞、非线性、时变、强耦合严重等特征，这也造成当前构建铜精炼过程优化控制模型使用困难，再加上一些被控参数难以直接测量，或被控参数的测量具有较大时间延迟等原因，使得在阳极炉上投入使用优化控制模型的冶炼企业非常少。阳极炉的主要目的是除去粗铜中的部分杂质，为电解精炼提供优质的阳极板，整个作业过程为周期性作业，按照作业过程所发生的物理化学变化的特点，可将其作业过程大致分为四个阶段，分别是：加料（保温）、氧化、还原和浇铸四个阶段，其中保温过程、氧化过程与还原过程为主要阶段，如下图所示：3. 技术和工艺特点1) 离线指导和在线控制当前大部分的铜冶炼优化控制系统都只有离线功能，给操作人员提供指导，经过操作人员的确认，由操作人员根据计算结果在DCS上手动设定，本系统具有离线和在线功能，离线、在线由操作人员通过操作界面切换开关进行切换。2) 系统安全性系统具有完善的安全管理措施，整个系统根据不同的操作权限设置了三类用户：系统管理员、操作员和普通用户，每类用户都设置了不同的权限，只有进行本权限范围内的操作，每次操作，包括启动计算、修改数据，系统按照机器地址、用户名、时间记录，可事后查询。3) 独立性和完整性系统采用模块化设计，整个软件系统分为三部分：接口部分、服务端和客户端，通过这种设计，使得各部分相对比较独立，可在不依赖其它第三方非商业软件支持的情况下运行。4) 扩展性系统采用面向对象的组件化设计，将相对比较独立或易发生变化的功能作为一个组件，这样，可以从结构体系上很方便的确保该软件对具有很强的适应能力和扩展能力。5) 数据采集灵活性从DCS采集的PV数据（PV值及上下限、报警信息等）点可以通过建点工具进行灵活配置，包括增减测点、改变采集频率、设置采集测点过滤条件等，而不需要修改程序或重新启动。6) 灵活的统计公式针对阳极炉在线优化控制系统对统计需求不断变化的特点，开发了灵活的统计公式定义工具。用户可以利用该工具自行定义计算公式，进行定周期统计计算。7) 易操作、易维护性本系统最终的使用者是现场操作人员，整个界面采用菜单+按钮的方式，层次比较少，操作直观、简单，方便操作人员使用。并且相对传统的优化控制系统，人工输入的信息少。8) 快速自恢复性本系统设计采用双机容错、故障诊断等手段可以确保系统出现故障能够快速恢复。4. 系统实现本系统通过采集DCS数据（工艺过程参数），化验分析设备数据（重油、液化气成份数据）以及天车称重数据和要达到的目标值（铜液温度、铜品位），根据冶炼机理的物理及化学平衡方程并结合神经网络技术、混沌理论和软测量技术，并考虑液化气掺氮技术，构建优化模型，应用计算机技术依次推算整个冶炼过程中的铜液温度，计算氧化阶段的氧化时间、重油量、压缩空气量以及还原阶段所需要的液化气量、空气量和还原时间等，并将所计算的压缩空气量、重油量、液化气量实时向下写入DCS控制系统，以控制空气量、重油量和液化气量按需供给，从而在保证产品质量的前提下达到节能减排的目的。整个系统采用面向对象的组件化设计，采用C/S架构，将所有核心运算作为后台应用运行在小型机上，而将所有信息展示/操作部分运行在客户端Windows操作系统上，这样，可根据用户的需要方便的进行部署：需要增加客户端浏览，只需安装客户端软件即可浏览。系统结构逻辑结构如下：系统软件结构如下：5. 系统功能本系统通过采集DCS数据，化验分析设备数据，重油、液化气品位数据以及天车称重数据和要达到的目标值，根据冶炼机理的物理及化学平衡方程，构建优化模型，依次推算整个冶炼过程中的铜液温度，计算氧化阶段的氧化时间、重油量、空气量以及还原阶段所需要的液化气量、空气量，其具体功能如下：1) DCS数据通讯实时采集DCS控制系统数据，并将需要发送到DCS的数据回写到DCS控制系统中。2) 化验分析设备数据通讯实时采集化验分析设备的化验数据，并打印和显示接收的相应数据。3) 重油、液化气成分分析数据采集为重油、液化气成分化验人员提供手工录入手段，使的化验人员化验后将数据录入后直接传递到本系统数据库中。4) 数据查询与存储对于所采集的化验数据、DCS数据、中间计算数据、日志、报警数据能够在线保存，用户可根据需要查看任一时段（在线保存周期内）的历史数据。5) 数据预处理对所采集的化验分析数据、DCS数据，根据配置要求进行预处理：上下限检查、变化率检查等。对于上下限检查，当所采集的数据超过上下限范围，则发送上下限异常报警信息；对于变化率检查，当上次采集的数据与本次所采集的数据的差值的绝对值超过所设定的值，则发送变化率异常信息。6) 统计计算根据所采集测点的配置属性进行相应的统计计算，包括5分钟累计计算、5分钟平均计算、1小时累计计算、1小时平均计算以及根据所提供的简单计算公式（加、减、乘、除）进行统计计算等。7) 铜液温度预测能够根据高温烟气温度，分别在保温过程、氧化过程及还原过程中实时预测铜液温度，并实时显示在操作界面，以供工艺人员浏览。8) 重油消耗量计算系统能够根据所采集数据信息计算重油消耗量，也可由操作人员通过操作界面启动计算，计算结果可实时显示在操作界面，也可直接写入DCS控制系统。9) 液化气消耗量计算系统能够自动根据所采集的数据信息计算液化气消耗量，也可由操作人员通过操作界面人工启动，计算结果可实时显示在操作界面，也可直接写入DCS控制系统。10) 空气量计算系统能够自动根据所采集的数据信息计算空气消耗量，也可由操作人员通过操作界面人工启动，计算结果可实时显示在操作界面，也可直接写入DCS控制系统。11) L/C调整计算系统具有离在线功能，当系统处于离线状态，系统所计算的结果只是给工艺人员提供参考，而不会写到DCS系统，当系统处于在线状态，系统所计算的结果可直接写到DCS控制系统参与控制。12) 操作、控制信息表处理记录上述计算结果，并能够对这些结果进行查询、打印。13) 工况辅助管理 显示阳极炉、锅炉简图、流程图画面，并能在图上动态地显示过程数据，其中流程图画面可以自由修改。 提供人工从操作界面上输入、修改各种参与模型计算的数据，包括化验数据、称重数据、重油、液化气品位数据等。 炉况影响辅助分析。14) 进程管理能够实时监控系统中各进程的运行情况，当系统中某一进程异常，系统可自动识别，并重新启动。15) 与数采系统的通讯本系统可以和当前冶炼厂所构建的数采系统进行数据通讯，把数采所需要的数据自动传送到数采系统。 16) 系统维护用户能够进行系统维护，包括优化控制系统与DCS、化验分析设备之间的通信状