（检测技术与自动化装置专业论文）基于pac的球团竖炉智能控制系统研究.pdf

摘要随着我国钢铁产量的增加，对球团矿的需求量大大增加。球团竖炉是我国球团矿的主要生产设备。目前我国球团竖炉存在单机生产能力小，劳动生产率低。球团矿品位降低多，质量不均匀，自动化水平低等缺点，难以满足现代化的生产要求。对球团竖炉进行工艺参数优化和自动化改造，提高竖炉球团的质量和产量，实现真正意义上的炉况自动控制具有重要的意义。本文首先介绍了球团竖炉生产工艺过程、分析了影响球团质量的各种因素从而归纳出对控制系统的要求；提出了基于p a c 技术架构的球团竖炉智能控制系统的总体方案，包括硬件结构、软件开发平台以及工艺参数的检测方法等。然后提出了竖炉专家系统与自适应p i d 算法相结合的控制方法，分别对竖炉专家系统与自适应p i d 算法进行了论述：阐述了基于球团竖炉动力学模型的竖炉专家系统的软件结构、推理方法和优化参数规则程序的原理，使系统具有智能决策及优化运行效果的能力；接着针对竖炉的热工过程的多变量、大滞后、参数时变，以及常规p i d 控制不能满足要求等特点，提出单神经元自适应p i d 的算法。对算法进行了研究并进行了仿真，仿真试验结果证明该算法受环境影响小。鲁棒性，跟踪性好，控制效果理想，验证了方案的可行性。最后介绍了球团竖炉智能控制系统的软件结构、系统软件的开发工具、各个软件模块的实现方法以及如何实现它们之间的相互通讯或调用等。整个控制系统建立在p a c 技术架构上，本研究成果及球团竖炉智能控制系统设计方案对球团竖炉自动化技术改造具有重要的参考价值。关键词：球团竖炉，p a c ，专家系统，单神经元自适应p i d) ，a b s t r a c tw i t ht h em c g e eo fs t e e la n di r o no u t p u t t h e r ei sag r e a tn e e do fp e l l e t si nc h i n a t h eu s eo f p e u e t i z i n gs h a f tf u r n a c e si ss t i l lp o p u l a ri nc h h a a , w i t hi t sp r o d u c t sd o m i n a n tt h em a r k e t h o w e v e r ，t h ec u r r e n tt e c h n o l o g yc a n n o ts a t i s f yt h en e e do fm o d e mi n d u s t r i a l i z a t i o n t h e r ea r em a n yp r o b l e m sw i t ht h ec u r r e n tu s eo fp e l l e t i z i n gs h a f tf u r n a c e s ，s u c ha s 1 0 wp r o d u c ec a p a c i t y , l o wl a b o rp r o d u c t i v i t y , l o wa u t o m a t i cl e v e l ，d r a m a t i cd e c r e a s ei nt h eq u a l i t yo fp e l l e t s ，n o n - u n i f o r m e dq u a l i t yo ft h ep r o d u c t s e t e i ti sw e l lk n o w nt h a ta u t o m a t i o no fp r o d u c t i o nh a ss i g n i f i c a n ti m p a c t so nt h i si n d u s t r y o n ef e a s i b l es t r a t e g yt os o l v et h e s ep r o b l e m si st oa p p l yp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o na n da u t o m a t i o nt r a n s f o r m a t i o nt ot h ec u r r e n tt e c h n o l o g y t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e sp e l l e t i z i n gs h a f tf u m a c e sp r o d u c t i o nt e c h n o l o g ya n dv a r i o u sf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h eq u a l i t yo fp e l l e t 孙er e q u i s i t i o nf o rc o n t r o ls y s t e mi st h e l r s u m m a r i z e d t h e nt h eo v e r a l ls c h e m eo ft h ep e l l e t i z i n gs h a f tf u r n a c e si n t e l l i g e n tc o n t r o ls v s t e mb a s i so np a ct e c h n o l o g yi sp r e s e n t e d ，i n c l u d i n gs t r u c t u r eo ft h eh a r d w a r e ，s o f t w a r ed e v e l o p i n gp l a t f o r m , p a r a m e t e rd e t e c t i o nm e t h o do ft h ec r a f t ,e t c 1 h ec u r r e n ts t u d yt h e ne l a b o r a t e st h ec o n t r o lm e t h o dt h a tt h ee x p e r ts y s t e mo fs h a f tf u r n a c e sc o m b i n e sw i t ha d a p t i v ep i da l g o r i t h m ，a n dd e s c r i b e se x p e r t sd e p a r t m e n to fs h a f tf u r n a c e sa n da d a p t i v ep i da l g o r i t h ms e p a r a t e l y 1 h ea u t h o re x p l a i n e dt h es o f t w a r es t r u c t u r eo f t h ee x p e r ts y s t e mb a s e do np e l l e t i z i n gs h a f tf u r n a c e s d y n a m i c sm o d e l ，r e a s o n i n gm e t h o da n do p t i m i z e dt h ep r i n c i p l eo ft h er e g u l a rs u b p r o g r a mo f t h ep a r a m e t e r , a n dm a k e st h es y s t e mh a v ei n t e l l i g e n c et om a k ed e c i s i o na n do p t i m i z et h ea b i l i t yo ft h eo p e r a t i o nr e s u l ta d d i t i o n a l l y , b a s e do nt h es p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h e r m a le x c h a n g ep r o c e s s ，s u c ha sm u l t i - v a r i a b l e ，l a r g et i m ec o n s t a n t ，p u r e l a g ,p a r a m e t e r st i m e - v a r i a b l e ，s i n g l en e u r o n ss e l f - a d a p t i v ep i di sa p p l i e da n dc o m p u t e rs i m u l a t i o ni su s e d n er e s u l ti n d i c a t e st h a ta l g o r i t h mi sl e s si n f l u e n c e db ye n v i r o n m e n t i ti sr o b u s ta n dc o n t a i n sb e t t e rt r a c kna b i l i 吼f i n a l l y , t h es t u d yp r e s e n t st h es o f h v a l es t r u c t u r eo ft h ec o n t r o ls y s t e m ，s o f t w a r e d e v e l o p i n gi n s t r u m e n t ，t h ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o do ft h es o f t w a r em o d u l e ，h o wt or e a l i z em u t u a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e m ，e t c t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mi ss e tu po np a ct e c h n o l o g i c a lf r a m e w o r k t h ec o n c l u s i o no ft h ec u r r e n ts t u d yp o s i t st h a ti ti sh a v ei m p o r t a n t ，r e f e r e n c ev a l u ef o rt h ea u t o m a t i ct e c h n o l o g i c a l。t r a n s f o r m a t i o no f p e l l e ts h a f tf u m a c ei ns i n t e rc o m p a n i e si nc h i n a k e yw o r d s ：p e l l e t i z i n gs h a f tf u r n a c e s ，p a c ，e x p e r ts y s t e m ，s i n g l e。j ，n e u r o n ss e l f - a d a p t i v ep i d，l i i现t，_，#；原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得中南大学或其它单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：垦! 鱼日期：丛年_ 皇月卫日关于学位论文使用授权说明本入了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。作者签名：量巫导师签名期：硅年月上生日lf|；*、，。b f *硕士学位论文第一章绪论1 1 概述第一章绪论随着我国钢铁工业的发展，高炉炉料结构的合理配置越来越受到人们的重视。球团矿因其铁品位高，含硅低、冶炼性能良好，与高碱度烧结矿搭配而构成合理的高炉炉料结构。优质酸性氧化球团可解决炼铁厂豹原料和最佳炉料结构问题可大幅度提高炼铁高炉精料水平为提高炉顶压力，富氧大喷煤打下良好的基础，为炼钢厂稳定提供优质生铁从而大大提高炼钢和连铸机的效率降低炼钢原料消耗和成本，延长转炉炉龄；大大提高钢铁企业的生产效益。近年来我国钢铁产量的增加，球团矿生产发展极快，2 0 0 4 年，我国球团产量约在4 0 0 0 力吨，占7 5 的产量是由竖炉生产的。我国目前竖炉多。产量占了主导地位，但竖炉单机生产能力小，劳动生产率低，球团矿品位降低多质量不均匀自动化水平低，难以满足现代化的生产要求对球团竖炉进行工艺参数优化和自动亿改造。是钢铁企业挖潜增效的短平快项目它具有质量高、成本低，投资低、效益高、见效快等特点1 2 球团竖炉工艺简介竖炉球团生产是一个集配料，混合、造球，布料、烧结，冷却，出料等o 于一体的复杂过程，其ii艺流程如图l i 所示，首：先，来自原料厂粉末状铁j精矿与膨润土，按照一定的配比，经过配料系统后：形成混合物料。经过烘干i混合均匀后送入圆盘造球：机形成一定大小的圆球。：-废气篓入大去炼铁工艺气一图1 - 1 鳖炉工艺流程简图硕十学位论文第一章绪论三个温度带，生球在这三个温度带中进行热交换，所需要的热量均来自于燃烧室：熟球经冷却风冷却后，由齿辊的转动，排出到振动给料机上：最后振动给料机将熟球送到链板车上，由链板车送走。竖炉是整个球团生产工程的核心，直接关系到产品质量的优劣。1 3 国内外研究现状1 竖炉是用来焙烧铁矿球团的最早设备。国外标准竖炉结构如图卜2 所示。竖炉法具有结构简单、材质无特殊要求、投资少、热效率高、操作维修方便的优点，故自从美国i l l i e 公司投产世界上首台竖炉以来，至6 0 年代初竖炉产球团矿就已经占当时全世界球团矿总量的7 0 。但是国外竖炉普遍存在有下列缺点：1 ) 电耗高。其电耗一般可达5 0 k w h t 。原因在于：国外竖炉料柱高，气流阻力大，主风机工作压力要求，因而电耗大。如加拿大g e r r y f i s h 矿的1 5 6 2n r 竖炉，风机压力为6 7 2 4 7 p a ：2 ) 由于国外竖炉采用仓料式结构，排料时，同一料面的球团矿下料速度不一，容易造成球团矿焙烧固结的不均匀性；3 ) 国外竖炉多采用高热值的燃料油或天然气，能耗高，费用高。燃烧室( 1 2 9 0 布料l 一2 3 4 一排矿图1 - 2国外标准竖炉结构示意图图1 - 3 中国竖炉结构示意图我国采用竖炉生产铁矿球团矿起步较晚。但是通过不断改革、不断完善工艺和设备以及改进操作方法，业已形成自己独有的技术特点，竖炉生产超过了国外2硕士学位论文第一章绪论同类竖炉水平。由于高碱度烧结矿具有强度高、还原性好、高温冶金性能也优于自熔性烧结矿，但其必须与酸性炉料配合入炉。而当时我国块矿资源很少，为此，上世纪6 0 年代末期济南钢铁厂开发出我国第一座生产酸性球团矿的8 酊竖炉，经过不断改进完善，特别是添加膨润土代替生石灰作粘结剂的技术，使生球强度和爆裂温度大为提高，改善了干燥效果，竖炉产量几乎翻了一番。至2 0 0 3 年已先后在杭州钢铁厂等地建成了6 3 座4 1 6m 2 的竖炉并将其“烘干床一导风墙”技术出口到了美国。中国竖炉结构如图卜2 所示，有下列特点：炉子内有导风墙、干燥床；采用低真空度风机；低热值的高炉煤气及较低的焙烧温度操作。随着自动化技术的发展。竖炉球团的自动化水平有一定提高。通常竖炉工艺的自动控制大致包括竖炉给料量、排料量、炉内料位、燃烧时温度、燃料流量、压力、助燃及冷却风量和压力以及造球系统等项目。，8 0 年代初，国外竖炉自动化水平较高。如加拿大g e r r y f i s h 球团厂对每座竖炉各设有控制室。操作盘上的仪表可以控制造球系统、所有皮带机、布料机及竖炉的辅助设备。现在由于国外竖炉工艺的先天不足，已基本上淘汰了竖炉，使用带式机和链蓖机回转窑生产球团矿。，我国竖炉工艺经过改造，技术较为先进，竖炉球团产量仍然占主导地位。但是我国球团竖炉仍然存在单炉产量低、产品质量均匀性差、生产过程工艺参数时变、自动化水平低等缺点。根据2 0 0 4 全国环境科技工作会议汇报材料指出的：目前我国球团竖炉的利用系数平均在5 6 左右。所以说，对我国的球团竖炉进行工艺参数优化和自动化改造，将竖炉的利用系数提高，有着重要的现实意义。国内的一些球团厂如武钢、济钢等，都对竖炉的自动化改造进行了一些尝试，但是这些竖炉改造项目很多是建立在固定模型基础上的人工预先设定的单控制回路、单变量系统，系统结构的类似d c s ，例如武钢竖炉改造项目，现场采用了大量的仪表、传感器以及重庆宇通仪器仪表有限公司的s t 2 0 0 0 和s t 2 2 0 0 多回路控制器。将燃烧室温度、助燃风流量作为独立的恒定控制变量，而不是将成品球的最终质量指标作为控制输出，实际上这些参数是时变的，在整个生产过程中，必须对所有影响成品最终质量的所有因素加以考虑，并对其中最重要的参数进行优化计算和动态设定。仅仅从自动控制的角度考虑，没有考虑竖炉球团生产工艺本身的因素，不可能从根本上提高成品的质量。，球团竖炉与高炉相比，在控制工艺上有相似性，只是高炉的工艺更加复杂。而目前国外的高炉都已经普遍采用高炉炼铁智能操作专家系统，并实现了软件模块化进行推广。如：奥地利的v a i r o n 高炉优化软件包，芬兰罗德洛基高炉优化软件包等。我国已引进芬兰的高炉操作专家系统的软件包。武钢、济钢、杭钢也3o，*硕十学位论文第一章绪论已开发出自己应用的专家系统，对我国高炉炼铁自动化起到了积极促进作用。受到高炉操作专家系统的启发，从球团工艺及其固结机理入手，开发球团竖炉智能操作专家系统软件包。不仅能提高竖炉球团成品的产量和质量，也能有效的推广。为我国竖炉自动化水平和利用系数的提高进行有益探索和尝试。1 4 课题来源与主要研究内容，。，1 4 1 课题来源，本课题来源于某钢铁矿业股份有限公司铁矿厂两台竖炉的改造项目。为了进一步挖掘竖炉的生产能力、改善球团产品质量、降低能耗，对竖炉进行工艺参数优化的基础上，进行炉况的自动控制是一条重要途径。从球团工艺及其固结机理入手，采用p a c 技术与智能控制技术，实现真正意义上的炉况自动控制。中南大学钢铁系烧结球团研究所与自动化研究所合作承接了个项目。由钢铁系烧结球团研究所负责竖炉工艺参数测定及动力学模型的建立。自动化研究所负责自动控制系统方案设计及控制系统的调试。“，1 4 2 主要研究内容：本课题主要任务是设计、改造某铁矿厂两台球团烧结竖炉，应用先进算法实。现炉况自动控制。具体有以下几个方面的工作：、1 ) 深入了解现行竖炉的运行状况和对应的工艺过程。对竖炉的热工参数进行全面检测，包括物料平衡和热平衡过程；2 ) 建立球团竖炉热工动力学模型：根据竖炉工艺检测结果和参数，结合试验室大冶球团矿氧化动力学研究结果，建立球团竖炉动力学模型；3 ) 在球团竖炉动力学模型的基础上，开发球团竖炉智能操作专家系统软件。模块；，一，4 ) 自动控制系统的设计思想、系统控制方案、系统组成及功能，包括系统硬件配置、软件配置及实现：，；“，5 ) 炉况自动控制系统的应用与修正。前两项工作由中南大学钢铁系烧结球团研究所承担，自动化所负责后两项工作。第三项工作，开发球团竖炉智能操作专家系统由自动化所和球团所联合开发本文论述的主要是后两项工作和竖炉智能操作专家系统的部分成果。1 5 本论文章节安排本论文分为七章，各章安排如下：4t自硕十学位论文第一章绪论第一章为绪论。介绍了本论文研究的背景、意义、课题来源及主要研究内容，球团竖炉工艺和自动控制水平的国内外研究现状。最后对本论文所作工作做了概括性的描述。第二章为竖炉工艺过程分析及对控制系统的要求。分析了某球团厂1 0 r 竖炉的工艺过程然后着重讨论了影响球团焙烧过程的各种因素，通过对这些因素的认真分析，能在控制器的设计中充分考虑到各个环节的影响以及它们之间的相互联系。r第三章为控制系统总体设计。从球团工艺及其固结机理入手的基本思想出发，将成品球的最终质量指标作为控制输出。提出了专家系统与自适应控制相结合的控制方法，提出了硬件整体结构基于p a c 技术的控制系统并介绍其功能特点。第四章为竖炉专家控制系统。在这一章里着重进行以下几个方面的工作：首先介绍专家系统的理论及其组成；然后介绍本文开发的竖炉专家控制系统的系统模型和推理机制。最后对参数优化规则程序的算法原理进行了说明。第五章为单神经元自适应p i d 算法的研究。球团竖炉生产过程的特点为高温、大时间常数，大滞后，参数时变，采用传统的p i d 控制策略不能实现对工艺参数的良好控制。本次设计研究采用单神经元自适应p i d 算法，并通过计算机仿真实验，验证了该算法很适用于球团竖炉生产过程计算机控制系统，实现了很好的自动跟踪，完成自动生产控制。第六章为控制系统应用软件设计与实现。这一章首先介绍了基于p a c 架构的竖炉控制系统软件总体结构，介绍开发平台的功能、特点后，分模块介绍了软件设计的思路，程序流程及说明。第七章为结论。介绍了课题目前的成果与展望，总结了本次课题研究的几点创新。硕士学竹论文第二章竖炉工艺过程分析及控制要求第二章竖炉工艺过程分析及控制要求2 1 竖炉工艺过程分析大冶1 0 时竖炉属于导风墙加干燥床结构。生球干燥在干燥床上进行，干燥介质由预热带上升的热废气与导风墙导出的冷却带热风混合( 混合热风的温度为6 5 0 ) 后穿过干燥床，使生球干燥。因此，生球布料采用直线布料法，速度由变频器控制。饰料车单向布料。单向布料可以克服双向布料沿炉予长度方向所造成的布料偏折，强化了生球干燥，为竖炉正常生产创造了条件。4表2 - 1 竖炉炉型参数项目干燥带预热焙烧带均热带冷却带i高度m1 2 02 6 02 5 73 5i平均截面积m 23 01 61 9 1 41 8 5 7。1 0m 2 竖炉焙烧带截面宽2 0 8 8 m ，长7 6 5 6 m ，炉u 至u j 齿辊中线高1 2 8 m ，炉子容积为l g o m 3 ，竖炉型号参见表2 1 。竖炉两侧设有两个半圆拱顶矩形燃烧室，矩形燃烧室的优点在于与炉子配合紧凑，气流阻力小。燃烧室总容积为8 6 m 3 。燃烧室热气温度为1 1 0 0 c 1 1 5 0 。c 。热气通过火道口进入竖炉内，炉内焙烧温度为1 2 0 0 c 1 2 5 0 。c 。竖炉的热工参数参见表2 2 。表2 - 2 竖炉主要热工参数项目空、煤气不预热空、煤气预热至2 0 0 球团矿热耗，k j t 。6 4 x 1 0 45 6 1 0 41 2 4 3 31 0 8 6 6煤气消耗量m 3 h 。1 8 81 6 5( q = 3 3 8 6k j m 3 ) m 3 t 一燃烧室温度1 1 6 61 1 5 0燃烧温度1 2 5 01 2 5 01 0 1 2 01 2 7 5 8助燃风量m 3 h 。助燃风量m 3 t 。1 5 31 9 36硕士学位论文第二章竖炉丁艺过程分析及控制要求续表2 - 2 竖炉主要热工参数5 1 0 7 24 9 6 2 3冷却风量m 3 1 1 。7 7 27 5 0冷却风量m 3 , t 。干燥床下气体温度6 5 06 5 0球团矿排矿温度5 0 05 0 02 1 0 5 4 42 1 0 5 4 4炉顶烟囱废气量m 3 h 。炉顶烟囱废气温度1 1 31 1 38 1 08 1 0炉顶废气含尘量g m - 3燃烧室压力p a约1 0 0 0 0约1 1 0 0 0助燃空气压力p a约1 3 6 0 0约1 8 0 0 0冷却风压力p a约2 6 0 0 0约2 6 0 0 0煤气压力p a约1 5 0 0 0约1 5 0 0 0球团矿经过焙烧带焙烧后，在均热带保持一段时问，完成其化学反应、重结晶、再结晶过程，然后进入炉内冷却带进行初步冷却，最后经0 5 7 0 衄齿辊破碎机排至竖式冷却器。离开竖炉的球团矿温度为5 0 0 6 0 0 。竖炉炉顶热废气由9 0 r 卧式电除尘器净化后排至大气中除尘灰用风力输送到除尘灰矿槽，然后进过回转卸料器均匀地给到精矿胶带机上运送到配料室精矿槽重新配料。2 2 影响球团焙烧过程的因素球团的焙烧制度应保证在焙烧装置最大生产率和最适宜的煤气燃料消耗量的前提下达到尽可能的高氧化、固结和脱硫，对于高炉生产而言，要求的球团矿应该是，无层状结构、断面均一、充分氧化、具有最大还原性的优质产品。影响球团焙烧过程的因素较多，如焙烧温度、加热速度、高温烧结时间、气氛特性、生球尺寸、孔隙率、精矿中的含硫量等都会对球团焙烧过程产生显著的影响。通过对这些因素的认真分析，才能在控制器的设计中充分考虑到各个环节的影响以及它们之问的相互联系。将成品球的最终质量指标作为控制输出，在实现自动控制的同时，从根本上提高成品的产量和质量。，2 2 1 温度对磁铁矿球团在空气中的氧化进行研究发现：在8 1 5 以下的低温氧化时，7硕士学位论文第二章竖炉工艺过稃分析及控制要求速度十分慢，7 6 0 下，4 0 m i n 达到8 0 的氧化度，而9 0 0 下仅需7 m i n 。对磁铁矿球团氧化的进一步研究( 如图2 - 1 ) 表明，球团氧化度( n ) 是温度和停留时间的函数。变化关系如图2 2 所示，在竖炉结构和球团流量一定的条件下，当料l 8 0薏度哇o2 。o温度o 246零i o1 2h晦时间m i n图2 1 氧化度随温度与时间的变化氧化度温度图2 - 2 氧化度与料层温度变化的关系层温度高于4 0 0 时，球团氧化度( n ) 与料层温度近似成直线关系。随着焙烧温度的提高，氧化程度增大。在焙烧之初氧化进行得较快，而后逐步减慢。但是当温度高于1 0 5 0 1 1 0 0 时，氧化速度开始下降。在1 3 0 0 1 3 5 0 时，在任何焙烧时间垦，一氧化铁含量是相同的。焙烧温度对磁铁矿生球的氧化速度和氧化程度的影响特性如图2 3 所示。1 8 0薹6 0未4 02 0002468 1 01 21 4时间r a i n：图2 - 3 磁铁矿球团的氧化特性，球团氧化反应放热使得球团温升：g s c s a t , = r - a h ，( 2 - 1 )，p式中，氧化反应速度，m o l ( s m 3 )，；壕抬8t硕七学位论文第二章竖炉丁艺过程分析及控制要求a r 氧化反应热，k j k m o lf - g s d 配x _ _ l( 2 乏)式中鲁单位床层中参与反应的磁铁矿的比率含- k f ( c b c c q )( 2 3 )式中：c 。单位体积床层中氧含量，c 。平衡氧含量，k r 氧化反应阻力系数联立式( 1 ) - ( 3 ) 式可知：焙烧带内热量的主要变化是球团矿中的磁铁矿氧化所放出的反应热。假设热损失不计，则球团氧化放出的热q 放使球团升高的温度应等于焙烧风供给的热q 供使球团升高的温度。监：坠( 2 - - 4 )q 放q 供则球团完全氧化后，焙烧带球团最终可能升高的温度：。k = k 驴戈竽协s ，综上所述，不含碳的生球在空气中氧化焙烧，实际上在1 0 0 0 - - - 1 0 5 0 ( 2 的温度区间内经过l o m i n ，即达到完全氧化。磁铁矿氧化放出的热量约为焙烧说需要全部热量的4 0 、为保证球团的焙烧质量，要求燃烧室的温度波动小而且整个焙烧区段均匀。而在温度控制环节中，主要是通过控制煤气和助燃风的流量、压力以及空煤比来调节燃烧室的温度。焙烧带的位置还受到冷却风、含氧量、球团氧化放热等多种因素的干扰。系统存在大滞后、大惯性、特性时变等问题，不仅降低了系统的稳定性，同时给控制系统的设计带来了很大的困难，致使常规的控制方案难以奏效2 2 2 加热速度9硕士学位论文第二章竖炉t 艺过程分析及控制要求一般认为竖炉焙烧球团存在五个带，分别为干燥带、预热带、焙烧带、均热带和冷却带，理想的温度分布大致如图2 - 4 所示。从干燥带到焙烧带温度逐渐升高，生球下落的速度决定了加热速度。球团焙烧时的加热速度，可以从1 2 0 m i n 5 7 m i n 的范围内波动。它对球团的氧化、结构、常温强度和还原后的强度均能产生重大影响。通常认为，它比高温( 1 2 0 0 1 3 0 0 ) 保持时间对球团的影响更大。当球团加热过快和在1 0 0 0 c 以上直接氧化时，将导致以下不良的后果：图2 - 4 竖炉内温度分布理想曲线( 1 ) 温升过快会使氧化反应难以进行或氧化不完全。快速加热时，生球中磁铁矿来不及全面氧化就达不到软化或产生液相的程度。如果精矿中的s i o ，含量偏高，在温度大于1 0 0 0 时，未氧化的f e ，0 和f e o 会与2 f e o * s i o ，产生共熔混合物，引起球核溶化，隔绝了与氧气的接触，使球团内部的氧化作用实际上。，停止。这样的球团矿往往具有层状结构。( 2 ) 升温过快会使球团产生差异膨胀。由于球团导热性不良，当升温过快时，使球团各层温度的梯度增大，从而产生差异膨胀并引起裂纹。由于快速加热而形成的层状结构球团，在受热冲击和断裂热应力而产生的粗大的或微小裂缝，往往难以消除。因此，加热速度过快球团强度变差。实验证明，当球团矿加热速度减4 n5 7 8 0 m i n 时，在球团总的焙烧时间相同的条件下，高温焙烧时间缩短l o 1 6 m i n ，成品球团常温强度可增加2 5 3 7 倍。2 2 3 焙烧时间，当温度小于1 3 5 0 时，在一定的时间内，随着焙烧时间的延长，球团抗压强度升高，超过l 定时间，则强度保持一定值，也就是说，有一个使抗压强度保持一定的临界时间。在临界温度内，焙烧温度越高，临界时间越短，抗压强度也就越大。若达不到最适宜焙烧温度，即使长时间加热，也达不到最高抗压强度。加热速度与焙烧时间在温度带保持一定的条件下，主要通过布料速度、卸料i o硕士学位论文第二章竖炉_ i = 艺过程分析及控制要求速度决定。2 2 4 焙烧气氛生球焙烧时，气体介质的特性将严重影响生球的氧化、脱硫和固结。通常，气体介质的特性可以按燃烧产物的含氧量确定：。t含氧量大于8 ：强氧化气氛；含氧量4 8 ：正常氧化气氛；含氧量1 5 4 ；弱氧化气氛；含氧量1 1 5 ：中性气氛：含氧量小于1 ；还原性气氛。对于磁铁矿球团，气氛的氧化性对球团强度影响很大。理论研究与实践表明。磁铁矿球团氧化性气氛要求焙烧风氧含量8 。而我国目前大多数球团厂采用热值低的高炉煤气作燃料，客观上造成了焙烧风氧含量低，有的甚至低于3 。当焙烧风氧含量 之比m 。则球团在竖炉焙烧带内各层面上的温度变化应遵循t毛黄z 黾，t 瑗+ 旦生甚 盥m n ( t ，r )c 2 击，式中r 焙烧单元层中的温度4 - 球团在该层中的停留时间。图2 - 5 氧含量对焙烧带温度的影响其它条件不变的情况下，改变进入炉内焙烧风中的氧含量，得到球团温度硕十学位论文第二章竖炉工艺过程分析及控制要求随氧含量变化的关系如图2 - 5 所示。由图可知，焙烧风中氧含量的增加，能够使球团料层较快地达到焙烧温度，当氧含量达到8 时，焙烧带基本出现在火口附近，达到球团竖炉设计要求，从而保证不影响均热带的作用。球团在干燥完全的条件下，随焙烧风与球团矿的热流比的增加，能够使预热带内球团升高到所需温度的时间缩短，或者说在相同时间内球团升高的温度增加。同时，随着焙烧风与球团矿的热流比的增加，球团经预热后所能升高的温度增高。但是随着气氛中氧气含量的增高，球团气孔率有增大倾向。所以目前，我国大多数厂家采用的焙烧风与球团矿的气、固热流比约为0 7 ，含氧量需要控制在4 8 为宜。2 2 5 冷却方式，炽热的球团矿，必然造成劳动条件的恶劣，运输和储存困难以及设备的先期烧损等，所以必须冷却。冷却速度是决定球团强度的重要因素之一，快速冷却将增加球团破坏的温度应力，降低球团的强度。实验指出，经过1 0 0 0 1 2 氧化和1 2 5 0 焙烧的磁铁矿球团矿，以5 。c m i n ( 随炉冷却) 1 0 0 0 m i n ( 水冷) 的不同速度冷却到2 0 0 ，其结果是7 0 8 0 m i n 时，球团强度最高。所以，一般采用冷却方式为风冷。球团的冷却速度与球的直径有关，因此，直径愈小冷却愈快。2 2 6 生球尺寸球团焙烧时，生球的氧化和固结速度与生球的尺寸有关。由于生球的导热性较差，若在较大的风速下进行焙烧，将导致大部分热量随废气带走而损失掉，所以生球的尺寸不宜过大。其次，生球尺寸越大，空气就越难进入球团内部，导致球团的氧化和固结进行缓慢或不完全。研究结果表明。球团的氧化和还原时间与球团直径的平方成正比。但是冶铁要求球团尺寸一般不小于8 9 衄，所以生球尺寸一般应控制在8 1 6 衄之间。2 3 对控制系统要求分析某铁厂竖炉工段现有竖炉两座，分别是一期工程年产球团矿3 0 万吨的8m l竖炉和二期工程年产球团矿5 0 万吨的l om 2 竖炉。现场采用了大量的仪表、传感器以及重庆宇通仪器仪表有限公司的s t 2 0 0 0 和s t 2 2 0 0 多回路控制器。一期竖炉的信号输入设备包括5 块s t 2 0 0 0 数据采集单元，用于采集温度、压力、流硕士学位论文第二章竖炉工艺过程分析及控制要求量等数据：二期采用了较先进的s t 2 2 0 0 ，并且多种信号已连入计算机。已经基本实现生产过程工艺参数的实时监测、集中显示功能。但是生产过程炉温、给排料等环节自动控制并没有实现。从功能上看，控制系统主要由四个环节组成：温度控制环节、焙烧气氛控制环节、布料控制环节和卸料控制环节。2 3 i 温度控制环节竖炉内温度分布是球团矿质量的最重要决定因素，竖炉焙烧球团存在五个带，分别为干燥带、预热带、焙烧带、均热带和冷却带。分布大致如图2 6 所示。实际上，竖炉温度分布往往很难形成明显的温度带，因此想要直接精确地控制其温度是不可取的。通常采用控制燃烧室的温度来间接控制竖炉中的温度，这使得系统的时间常数增大、大滞后特性明显影响燃烧室温度的主要因素是煤气和助燃风的流量。但是助燃风量、冷却风量，以及球团氧化放热都会影响到竖炉内的温度状况。温度控制环节的主要目的就是保证给球团焙烧固结提供相应的热量。2 3 2 焙烧气氛控制环节皮带给料困2 - 6竖炉内温度分布从以上分析中不难看出，焙烧气氛与球团最终质量的关系密不可分。温度控制环节中的助燃风、冷却风流量可以一定程度上改变竖炉内部温度分布。理论研究与实践表明，焙烧气氛中的含氧量对球团的氧化起到了重要的作用，磁铁矿球团氧化性气氛为焙烧风氧含量8 ，而我国目前大多数球团厂采用热值低的高炉煤气作燃料，客观上造成了焙烧风氧含量低，有的甚至低于3 。当焙烧风氧含量 8 才能从根本上提高球团质量。2 3 3 布科控制环节布料均匀对优化焙烧和炉况是很重要。造成布料不均匀的因素主要有：生球来料不均匀、布料车的工作机制等。针对靠料车的工作机制，可以通过变频器加以控制，使布料量基本趋于均衡和稳定。硕士学付论文第二章竖炉工艺过稃分析及控制要求2 3 4 卸料控制环节这是实现球团竖炉自动控制的关键，在保持好炉内焙烧温度、焙烧气氛相对稳定的情况下，卸料速度就是保证球团质量、提高球团产量、实现连续自动卸料的关键。卸料速度太快，底层球团氧化不完全，上层球团加热过快。卸料速度太慢，会出现烧结现象。现场有经验的工人总结出了“恒温恒压控风勤排少排”的工作法则。值得借鉴，但本次设计的目的是通过对球团焙烧过程的研究，找出卸：料速度与各个控制环节的联系，建立专家知识库，最终实现连续自动卸料。提高球团质量和产量。，所以不仅仅要从控制系统功能上分析，还应该认真分析影响球团焙烧质量的各种因素，提出相应的控制策略，建立专家知识库，实现专家系统智能控制。对，于大惯性、大滞后、时变的参数，可以采用自适应p i d 控制，调节器可以根据对象特性的变化来调整自己的参数，提高控制精度。f。2 4 本章小结，。1 _l本章首先分析了某球团厂l o 时竖炉的工艺过程，然后着重讨论了影响球团焙烧过程的各种因素，通过对这些因素的认真分析，能在控制器的设计中充分考虑到各个环节的影响以及它们之间的相互联系。将成品球的最终质量指标作为控制输出，才能从根本上提高成品的产量和质量。1 4硕士学位论文第三章控制系统总体设计3 幸总体设计思想第三章控制系统总体设计针对大冶竖炉的现状，由中南大学钢铁系烧结球团研究所与自动化研究所合作攻关烧结球团研究所主要任务是竖炉工艺参数测定及建立动力学模型；为工艺优化提供参数，建立专家知识库提供推理规则，与自动化研究所共同开发设计出竖炉专家控制器再在原来的系统基础上设计，改造大冶铁矿两台球团烧结竖炉自动控制系统应用先进控制算法实现炉况自动控制。通过对竖炉工艺分祈与热工过程的仿真研究，提出了专家系统与自适应控制相结合的控制方法利用这两者不同的控制特性和控制手段，有效的分工合作，较好的实现了竖炉的自动控制。控制系统原理框图如图3 - ! 所示图3 - 1 竖炉控制系统框图硕+ 学位论文第三章控制系统总体设计3 1 1 球团竖炉专家系统专家控制系统是以模仿人类智能为基础，涉及到某些不确定性问题时，将经验性的知识应用于尚未完全得到理解的领域的一种方法，专家系统能够通过解释当前状况，预测未来行为，诊断出现问题的原因，制定校正规划。因此很适合在球团竖炉生产过程这样一个难以得到精确的数学模型的领域中应用。球团竖炉专家系统建立在工艺参数优化和现场操作工人经验的总结和归纳之上，充分考虑炉内影响球团焙烧过程的各种因素，( 如：温度、加热速度、焙烧时f 日】、焙烧气氛、生球尺寸等) 建立专家知识库进行推理。准确地把经过优化的参数送到现场控制器中。实现参数优化、炉况诊断、故障判断与报警等功能。3 1 2 自适应p i d 算法为保证球团的焙烧质量，要求整个焙烧区段均匀。而在温度控制环节中，主要是通过控制煤气和助燃风的流量、压力以及空煤比来调节燃烧室的温度来间接控制竖炉内的温度。焙烧带的位置还受到冷却风、含氧量、球团氧化放热等多种因素的干扰。系统存在大滞后、大惯性、特性时变等问题，由于时滞的存在，使得被控量不能及时地反映系统所承受的扰动，从而产生明显的超调，使得控制系统的稳定性变差，调节时间延长，对系统的设计和控制增加了很大的困难。而时变时滞的特性则使得问题更加复杂，不仅降低了系统的稳定性，同时给控制系统的设计带来了很大的困难，致使常规的控制方案难以奏效。在这种场合可以采用自适应控制算法，控制器可以根据对象特性的变化来调整控制参数。自适应算法可以使系统参数保持相对稳定；还可以节约5 - 1 0 的原料和动力；缩短参数整定时间的效果。3 2 控制方案选择本次设计基于p a c 这一理念，采用的是性价比较高的t r a c em o d e 工控软件与研华的嵌入式控制器a d a m5 0 0 0 系列组成。对这一技术的应用进行有益的尝试，降低了成本，提高了效益。在选择s c a d a 系统时，主要的标准有：具有软p l c 和操作站全面编程的一体化系统；用户可以在短期内独立完成对自动控制系统的功能开发；支持自适应控制算法。具有一整套运行模块和开发的结构，可以轻松的与其它系统集成为一体；全中文界面；s c a d a 系统应该能够随时更新，提供高质量的技术支持。经过对各种s c a d a 系统性价比的调研，系统采用俄罗斯a d a s t r a 公司的t r a c em o d e 作为一体化的软件平台。下位机采用研华的p a c 控制器a d a m 5 5 1 0 及1 6硕士学位论文第二章控制系统总体设计a d a m 5 0 0 0 系列i o 模块组成的控制器。3 2 1p a c 的定义p a c 可编程自动控制器( p r o g r a m m a b l ea u t o m a t i o nc o n t r 0 1 ) 结合了p c 和p l c 两者的优势，能使用比较少的设备来实现更多的功能。p a c 控制系统不仅能处理数字i o ，而且还可以集成用于自动化监控和测试。此外，控制系统还能实时地处理控制算法和分析任务并把数据传送回企业。p a c 是由a r c 顾问集团总监c r a i gr e s n i c k 在2 0 0 2 年相对传统d e s 技术、p l c 技术而提出的新一代自动控制系统的概念。它代表了工控系统发展的方向，现在已经被业界广泛接受。市场上纷纷推出符合这个概念的产品。- ，护够定义了以下5 种特征和性能：。( 1 ) 能在同在一个平台上满足多种领域的控制需要包括逻辑控制、运动控制，人机界面和过程控制体现出灵活性。，( 2 ) 符合国际标准( 如i e c 6 1 1 3 1 3 ) 的一体化的系统设计和集成的开发平台。 提高了企业的生产效率体化软件开发平台缩短了开发、升级的周期。可以直接连接i n t e m e t ，达到远程查询或远程更新的要求。另外它还支持各种工业现场通讯协议模块( p r o f i b u s 、o e v i e e n e t 协议) 可将现场具有r s2 3 2 4 2 2 4 8 5 串口的设备。转换为以太网接口。使现场设备层到企业管理层的e r p( 企业资源计划系统) 与m e s ( 错4 造执行系统 无缝的连接。优化生产流程实现信息化生产分用户对他们的系统有更多的可控性由于p a c 架构使用户有了更多的灵活性，可以根据不同的应用场合选择不同的硬件或编程工具根据自己的需要随时进行系统升级或扩展，通讯能力的强大使用户可以在任何地方设计或编程。竖炉自动控制系统中会采用一些复杂的控制算法( 如专家系统、神经网络等) 高级的控制算法不仅需要强大的浮点处理器，而且还要占用大量的内存传统的p t 难以实现，使用p a c 平台则可以满足这些条件3 3 控制系统硬件结构本次设计需要控制的对象主要包括：煤气总管支管流量电动调节阀。助燃风调节阀、支管流量电动调节阀冷却风总管流量电动调节阀，布料车和卸料机。为了充分利用现有的设备，尽量降低改造成本，伺时不影响球团厂豹正常生产活动，保证整个生产过程安全可靠，自动控制系统采用符合p a c 技术要求盼两级计算机控制方案，选用t r a c em o d e 软件作为一体化软件平台。上位机采用两台工控机，作为监控服务器和冗余服务器下位机采用a d a m 5 5 1 0 及a o a m s 0 0 0 系列模块组成的e a c 控制器，采集现场数据，对竖炉进行控制。系统结构示意图如图3 - 2所示。根据现场测控点的分布，硬件配置如下l 工控机选用两台研华公司的i p c - 6 1 0 _ h ，配置为：c p u ti n t e lp 4i 8 g ，内存：d d r2 5 6 m