（电力系统及其自动化专业论文）铁矿石冶金性能测控网络系统的研究.pdf

中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a bs t r a c t i nt h es i t u a t i o nt h a ti r o no r e si s v e r ys h o r t a g ea n di t sp r i c eh a s i n c r e a s e di m p e t u o s l y ，h o wt om a k eu s eo fi n l a n da n do v e r s e a sr e s o u r c e h a si m p o r t a n ta n ds t r a t e g i cm e a n i n g si no r d e rt oh i g hp r o d u c e 、l o wc o s t a n dc o n s u m e 、m a k i n gt e c h n i c sc o n t i n u a t ed e v e l o p m e n ti ni r o nm a k i n g h e n c e ，t h er e s e a r c ho fi r o no r e sm e t a l l u r g i c a lp r o p e r t i e sa f f o r d ss c i e n t i f i c s u g g e s t i o n sf o ro p t i m i z e df u r n a c em a t e r i o u sm a t c ha n dt h ep r o d u c eo f b l a s tf u r n a c e t h ec o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o ni st o d e s i g nm e a s u r ea n dc o n t r o l n e t w o r ks y s t e mf o ri r o no r e sm e t a l l u r g i c a lp r o p e r t i e s t h es y s t e mh a s t h r e e l e v e ln e t w o r ks t r u c t u r e ，f i e l dd e v i c el e v e l 、i n t e r g r a t e dm o n i t o r i n g l e v e l 、f a c t o r ym a n a g e m e n tl e v e l t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nf i e l dl e v e l a n dm o n i t o r i n gl e v e li sb a s e do nc a n b u s ，d a t a st r a n s m i s s i o nb e t w e e n m o n i t o r i n gl e v e la n dm a n a g e m e n tl e v e li sr e a l i z e db yi n d u s t r i a le t h e m e t d e l p h i 6 0i st h es o f td e v e l o p l i n gp l a t f o r mo fm o n i t o r i n gl e v e l s o c k e tc a n r e a l i z ee t h e r n e t sd a t ac o m m u n i c a t i o n t h em o n i t o r i n gl e v e lm o n i t o r s f i e l dl e v e lb yh o s tn o d e c a nb u sw o r k si nh o s t - c l i e n ts t y l e y a n h u a s i n t e l l i g e n tc a r di sc h o s e na st h eh o s tn o d e ，t h ec l i e n tn o d ei so nt h ec o r e o fa r ma n de x t e n d sa ds a m p l i n ga n dc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea n ds o o n i ti sr e a l i z e db yc l a n g u a g e a n t i - i n t e r f e r e n c em e a s u r e sf o rh a r d w a r e a n ds o f t - w a r ea r ed e s i g n e d ，t h es y s t e m sr e l i a b i l i t yi ss t r e n g t h e n e d t h ek e yp o i n ti sr e s e a r c ho fc a nr e a l - t i m et r a n s m i s s i o n t h ep r i n c i p l e o fc a nd a t a sc o m m u n i c a t i o na n dm e s s a g e s d e l a yi sa n a l y s e d ，t h e na s c h e m ei sp r e s e n t e d t h es c h e d u l i n go fp e r i o d i cd a t ai sb a s e do nt d m a p r i n c i p l e ，t h em e t h o do fp r i o r i t ys c h e d u l i n gi su s e dt or e a l i z ee m e r g e n t d a t a st r a n s m i s s t i o n f i n a l l yt w om e t h o d si sm e r g e d ，c a nd a t ar e a l - t i m e t r a n s m i s s t i o ni sr e a l i z e d t h e g a sf l o wt h r o u g hh e a t i n gf u r n a c em u s tb ec o n t r o l l e da c c u r a t e l yi n t h ep r o c e e so fm e t a l l u r g i c a lp r o p e r t i e s e x p e r i m e n t af u z z ya d a p t i v ep i d c o n t r o l l e ri sd e s i g n e dt or e a l i z ew a l v ec o n t r o ls ot h a tt h ef l o wc a nb e c o n t r o l l e d s i m u l a t i o n gr e s u l t sp r o v et h em e t h o d sf e a s i b i l i t y t h es y s t e m g e tg o o de f f e c ti nt h ee x p e r i m e n t i i 主堕盔兰堡主堂篁笙苎 a b s t r a c t k e yw o r d sm e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e m ，c a nb u s ，r e a l t i m e ， m e t a l l u r g i c a lp r o p e r t i e s ，f u z z ya d a p t i v ep i d i i i 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己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他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己在论文中作了明确的说明。 作者签名：2 爱蕴盔日期：力咀年虹月三生f 1 关于学位论文使用授权说明 本人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：槛导师签名垄兰三芏日期：啦年j 生月至翌只 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 “铁矿石冶金性能在线测控网络系统”来源于韶关钢铁公司和中南大学共同 开发的项目“铁矿石冶金性能实验室”属横向课题。 1 2 课题背景和研究目的、意义 1 2 1 课题背景 工业革命以来，钢铁材料一直在经济建设和现代文明中起着十分重要的作 用，即使在各类新材料层出不穷的今天，其他材料亦不可能全面地、经济地取代 钢铁的地位。世界钢材需求量从2 0 0 1 年以来增长速度大大加快。2 0 0 3 年需求量增 长率为8 3 ，2 0 0 4 年为5 7 ，2 0 0 6 年约为4 7 t “。在世界钢材需求量中，4 0 用 于建筑部门，4 0 用于资本投资支出，2 0 用于高级耐用消费品制造。世界钢材一 需求增长前景相当好，尤其是中国钢材需求呈现出不寻常的强劲增长势头，中国 钢铁需求占全球总需求的3 2 ，并且将会持续下去。未来几年，发展中国家以及 中国大陆经济进一步大幅度增长，对基础公共设施项目新建和扩建需求巨大，在 这些基础公共设施工程项目中钢材用在建筑上。同时，发展中国家制造业发展迅 速，在这些大量投资中，资本投资支出用在工业装置和设备上，工业装置和设备 则是钢材间接的制造产品，需要大量消费钢材。此外，高级耐用消费品产量在增 加，也要消耗掉大量钢材。钢铁是关系国计民生的大宗原料性商品，它发展的好 坏对下游各领域、各行业乃至整个国民经济的发展具有决定性的影响1 2 j 。 中国钢铁行业在世界上已占据了重要的地位。虽然在企业规模、品种结构、 产品质量等方面，同一些钢铁强国相比，还存在明显的差距，但是，在国内产业 竞争中，也涌现出了宝钢、邯钢等优秀企业，战略集团己确实存在。为了提高产 品质量，增加企业经济效益，各个企业都在加大科研力度，努力推进企业进步 作为钢铁企业的粮食冶炼用矿石，它的品质提升有着重要意义。 钢铁材料是人类社会最重要的结构材料和使用量最大的功能材料。中国作为 一个发展中国家，钢铁工业将是综合实力的标志和国民经济的支柱，在迈向现代 化的进程中更离不开钢铁材料这个物质基础。中国钢铁工业的发展目标是要建成 一个高效、清洁、省能的产业部门，经过装备和技术的更新换代和品位的调整， 满足国内外市场的需求，进而提高产品的竞争力。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 研究目的和意义 在钢铁行业，我国能源成本高于国外，其主要原因是单位产品能耗较高。近 些年来，我国钢铁企业在节能方面取得很大成效，但与国外先进产钢国之间仍存 在2 0 左右的差距。优化资源配置、合理利用资源、保持钢铁工业的可持续发展、 加速调整产品结构和生产布局、加大技术创新力度、提高行业和企业的竞争力是 我国钢铁企业今后面临的重要任务。各大公司竞相采用先进的工艺、技术，降低 能耗，提高劳动生产率，实现低成本生产【3 】。 随着全球经济的发展，世界各国的钢铁需要量逐年增加，而作为钢铁来源的 铁矿石则是有限的。我国地域辽阔，铁矿石资源并不丰富，且多为贫矿，含铁品 位一般在3 0 左右，铁矿石的供应远远跟不上钢铁工业的发展需要。8 0 年代后 期我国开始重视高炉的炉料结构和炉料冶金性能的研究【4 】【5 j 。合理化的高炉炉料 结构是高炉顺行的重要保证。它能最大限度的利用高炉原料，提高高炉的利用系 数，节约生产成本，降低高炉焦比，减少高炉能耗，显著改善高炉各项技术经济 指标。 铁矿石是高炉冶炼的主要原料，其质量的好坏与冶炼进程及技术经济指标有 着极为密切的关系。铁矿石质量评价的目的，在于了解高炉使用不同矿石的相对 有利性，从而正确地利用本地资源，从技术、经济上进行最有利的选择，有效地 组织生产，获得最佳的经济效益。铁矿石的冶金性能为高炉确定合理炉料结构提 供科学依据。因此研究该系统具有重要的实际意义和重大的经济价值。 1 3 测控网络的发展 测控网络【6 j 是指用于完成自动化测控任务的网络系统，它的网络节点除了常 规微机工作站以外更多的是具有计算与通讯能力的智能仪表。测控网络广泛应用 于对生产、生活设备的控制，对生产过程的状态检测与控制，技术上要求具备高 度的实时性、安全性、可靠性，数据传输量一般都比较少。测控网络与传输信息 和资源共享的信息网络不同，其目标是对被控目标实现有效控制，使系统安全稳 定地运行。这就要求具有协议简单、安全可靠、实时、纠错性能好、成本低等特 点。同时测控网络负载稳定、多为短帧且信息交换频繁。它的发展经历了以下几 个阶段： ( 1 ) 模拟仪表控制系统。在六、七十年代居主导地位。在现场将生产参数转换 为电信号，通过导线传送到控制室，经电路处理形成控制信号。操作员可 以通过这种方式控制生产的全过程。它的主要缺点是模拟信号精度低，容 易受干扰，且由于没有计算机的参与，处理速度慢。 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 集中式数字控制系统。在七、八十年代居主导地位。将计算机引入控制室， 替代原有的模拟控制电路，在计算机内部使用数字信号，因此克服了模拟 仪表测控系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了抗干扰能力和控制精度。 这种系统全局统一控制，虽然易于根据全局情况进行控制计算和判断，在 控制方式的选择上可以统一调度和安排，但不足的是，对控制器本身要求 很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，随着生产规模不断扩大， 设备越来越多，系统任务大量增加时，效率与可靠性将急剧下降。 ( 3 ) 集散控制系统。在九十年代居主导地位。其核心思想是集中管理、分散控 制，即控制与管理相分离。上位机用于集中监视管理功能，若干台下位机 分散到现场实现分布式控制，各上下位机之间用控制网络互联以实现相互 之间的信息传递。因此，这种分布式的控制体系结构有力地克服了集中式 数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。系统的主要缺 点有：信息集成能力不强、系统不开放、可集成性差、专业性不强、可靠 性不易保证、可维护性不高。 ( 4 ) 现场总线控制系统。根据国际电工委员会i e c i l 5 8 定义，现场总线 ( f i e l d b u s ) 是“安装在生产过程区域的现场设备与控制室内的自动控制 装置之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线”。或者说，现场总 线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用 总线相连接实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制 系统。因此。现场总线是面向工厂底层自动化及信息集成的数字化网络技 术。基于这项技术的自动化系统称为f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。 它将控制功能完全放到现场，降低了安装成本和维护费用。是一种开放的、 具有互操作性、彻底分散的分布式测控系统。 图i - i 企业构架 企业规划层 e r p 执行制造层 e m s 过程控制层 p c s ( 5 ) 现场总线测控网络与信息网络集成。现场总线本质上仅仅是一种控制网 中南丈学硕士学位论文第一章绪论 络，为了实现综合自动化，还需要完成与上层工厂信息系统的数据交换。 在完整的企业构架中，网络模型应该具有三层结构，如图1 - 1 所示。其中 上两层为信息网络，下层现场测控网络。实现测控网络和信息网络的紧密 集成是建立企业实时信息库的基础，为企业优化控制、调度决策提供依据。 通过结合这两种网络，远程用户可以随时查询网络运行状态，对生产过程 进行实时远程监控，从而在广域网内实现底层测控信息的实时传输。这样， 企业的各个实体可以不受地域的限制，能够统一分析和整理各种生产数 据，为相关的各种管理、经营决策提供支持，实行管理一体化。 1 4 现场总线技术 现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字 化、智能双向互联多变量的网络通信，它作为工业数字通信网络的基础，沟通了 生产过程现场级控制设备之间及其更高控制管理层之间的联系，逐步形成以网络 集成自动化系统为基础的企业信息系统，在工业现场中得到了广泛应用。现场总 线是当今自动化领域发展的热点之一被誉为自动化领域的计算机局域网。现场 总线打破了传统控制系统的结构形式。传统的控制系统采用一对一的设备连接。 位于现场的测量变送器与控制器之间都采用一对一的物理连接，而现场总线则可 以将现场的执行器用一根双绞线连接到控制室中，节省了安装费用，提高了系统 的可靠性和准确性。现场总线属于控制网络的范畴，是构成网络控制系统的关键 环节。现场总线具有以下特点n ，： ( 1 ) 系统的开发性。从总线标准、产品检验到信息发布都是公开的，面向所有 的产品制造商和用户。这种开放性增强了设备问的互操作性和互用性。世 界上任何地方遵守同一协议的不同厂商的产品可以进行统一组态、交换信 息或相互替换。 ( 2 ) 系统结构的高度分散性。现场总线已构成一种全分散性控制体系结构，现 场设备具有独立控制的基本功能，实现了控制功能的彻底分散，从根本上 改变了d c s 集中与分散相结合的集散控制系统体系，提高了控制系统的可靠 性。 ( 3 ) 现场设备的智能化与功能自治性。它将传感器、补偿计算、工程量处理以 及部分或全部的控制等功能分散到现场设备中，仅靠现场设备就可完成基 本控制功能和设备状态的诊断。 ( 4 ) 对现场环境的适应性。现场总线是工作在生产现场的前端，是专为现场环 境而设计的。可支持双绞线、同轴电缆、光缆，射频、红外线、电力线等 多种通信介质。作为底层网络，具有强的抗干扰能力，使用多种纠错技术， 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 保证了控制所要求的低误码率。 1 5 工业以太网 以太网最初源自于美国施乐公司，1 9 7 5 年美国施乐公司的p a l oa l t o 研究中 心研制成功。该网络采用无源电缆作为总线来传送数据帧，故以传播电磁波的以 太命名。1 9 8 1 年美国施乐公司数字装备公司( d i g i t a l ) 、英特尔( i n t e l ) 公司 联合推出以太网( e t h e r n e t ) 规约，在此基础上，电气和电子工程师协会( i e e e ) 制作了i e e e 8 0 2 3 标准。i e e e 8 0 2 3 标准实际上只是对o s i 中数据链路层和物理层 描述，并将数据链路层分为逻辑链路控制( l l c ) 和介质访问控制( m a c ) 两个子 层。严格来讲，e t h e r n e t 与i e e e 8 0 2 3 在姒c 上采用相同的c s m a c d 协议以及极为 类似的帧格式，并不完全相同，人们习惯上通常将i e e e 8 0 2 3 标准即视为 e t h e r n e t 。目前，e t h e r n e t 按其传输速率可分成l o m b se t h e r n e t 、i o o m t l s e t h e r n e t 和1 g b se t h e r n e t ，每种e t h e r n e t 又根据不同的物理介质有多种物理子 标准，形成了一个i e e e 8 0 2 3 标准系列。无论何种e t h e r n e t ，其m a c 层均采用争用 型的介质访问控制协议，即c s m a c d 。 随着以太网技术的迅速发展其在商用领域的应用日渐广泛，越来越多的工业 控制设备也逐渐使用以太网并采用t c p i p 协议作为主要的通信标准。所谓工业以 太网是指技术上与普通以太网( 即i e e e 8 0 2 3 标准) 兼容，但在产品设计时。在 材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性 和本质安全等方面能满足工业现场的需要。现在工业以太网在e r p 层和工业控制 的上层网络已经有了很广泛的应用，西门子的p r o f i n e t ，f f ( f o u n d a t i o nf i e l d - b u s ) 的h s e ( h i g hs p e e de t h e r n e t ) 和罗克韦尔的e t h e r n e t i p 等都是各自的现 场总线协议在以太网段的延伸。未来工业以太网的发展方向就是下潜至现场设备 层，使e t h e r n e t 成为器件总线和现场总线的基础协议。至于工业以太网的通信实 时性和确定性问题，随着以太网通信速率的提高、全双工通信和交换技术的发展， 它们为以太网的通信确定性和实时性的解决提供了技术基础”1 1 6 现场总线与以太网结合 现场总线是专为工业现场测控层设备通信设计的，可以满足现场测控对实时 性、确定性、可靠性的要求。以太网的特点在于数据传输速率高，在工厂自动化 车间监控层及企业管理层将成为主要应用技术，特别是采用t c p i p 协议可与互联 网i r 他m e t 连接，是未来e m a n u f a c t o r y 雕j 技术基础。目前，现场设备层在没有严格 的时间要求条件下，以太网有部分市场，但是在以太网能够真正解决实时性和确 中南大学硕士学位论文第一章绪论 定性问题之前，大部分现场层仍然首选现场总线技术。大部分情况是现场总线与 工业以太网相结合，充分发挥工业以太网和c a n 现场总线的优势，实现整个工业控 制系统的网络连接，从而实现底层生产与上层管理的紧密集成。 1 7 本文内容与结构 第一章为绪论，介绍了课题研究背景和意义，重点阐述了测控网络的发展过 程以及现场总线和工业以太网的特点。 第二章介绍铁矿石冶金性能测试的工艺以及该系统的设计要求，确定系统方 案。 第三章主要介绍测控网络系统现场智能节点的硬件设计，以及系统采用的抗 干扰技术。 第四章介绍c a n 总线的技术特点，分析c a n 总线的通信原理和消息传输时 延，得出c a n 总线通信的实时性存在的问题，进而提出解决方案。 第五章为系统的软件设计。包括上位机和现场层智能节点的软件实现两部分。 第六章为冶金性能测试中精确流量控制提出方案，采用模糊自适应p i d 控制 器，并进行了仿真研究，实际运行良好。 第七章为总结与展望。 1 8 本章小结 本章简要介绍了课题研究背景和目的。重点介绍了网络测控系统的发展过 程，分析了现场总线和工业以太网技术的特点，提出目前测控网络系统主要是采 用现场总线与以太网相结合的方式。 6 中南大学硕士学位论文第二章系统工艺介绍及方案设计 第二章系统工艺介绍及方案设计 2 1 铁矿石冶金性能测定方法 铁矿石性能的研究主要分为三种，即化学性能、物理性能、冶金性能。化学 性能的研究主要是指按国家标准进行化学全分析。对块矿物理性能的研究主要是 指爆裂性能的研究；对烧结矿而言，物理性能的研究主要是指转鼓强度的研究； 而对球团矿而言，主要是指抗压性能的研究。为了满足高炉冶炼要求，对入炉铁 矿石的冶金性能需做多种检测。冶金性能的研究在铁矿石性能的研究中最为重 要。常见的冶金性能研究指还原性能( 砌) 、低温还原粉化性能( i i ) 、熔滴性 能、荷重还原软化性能、熔化性能等的研究f 9 】f j o 】。表2 1 列出了铁矿石的性能及 测定方法。 表2 1 铁矿石的性能及测定方法 种类测定方法 化学性能化学全分析 爆裂性能( 块矿) 物理性能转鼓性能( 烧结矿) 抗压性能( 球团矿) 还原性能( r j ) 低温还原粉化性能( r d l ) 冶金性能 熔滴性能 荷重软化性能 熔化性能等 对铁矿石的性能测定，化学和物理性能的测定是必不可少的。冶金性能的测 定可根据生产实际需要，选择较为重要的几种进行测定。根据生产和研究的需要， 铁矿石还应迸行微观鉴定，利用透射电镜等先进设备确定铁矿石的矿物组成。 2 1 1 还原性能的测定 铁矿石还原性是模拟炉料自高炉上部进入高温区的条件，用还原气体从铁矿 石中排除与铁相结合的氧的难易程度的一种量度，它是评价铁矿石冶金性能的重 要质量指标。 7 中南大学硕士学位论文第二章系统工艺介绍及方案 殳计 最早提出模拟高炉还原过程测定铁矿石还原性的方法是r 林德( l i n d e r ) ， 后来日本、前苏联、德国等许多国家也拟定了本国的国家标准检测方法，国际标 准化组织( i s 0 ) 参照有关国家的检测方法于1 9 8 4 和1 9 8 5 年先后讨论拟定了铁矿 石还原性检测的国际标准方法( i s 0 4 6 9 5 8 4 ，i s 0 7 2 1 5 - 8 5 ) ，我国参照i s 0 4 6 9 5 于 1 9 9 1 年制定出中华人民共和国国家标准g b t 1 3 2 4 1 - - 9 1 “铁矿石还原性的测定 方法”。 该方法是将5 0 0 9 粒度一定的天然矿、烧结矿或球团矿放于还原炉内，以 5 l m i n 的速度通入惰性气体，加热至9 0 0 ，以1 5 l m i n 的速度通入惰性气体3 0 分钟，再以1 5 l m i n 的速度通入还原气体3 4 , 时，在惰性气体中冷却。检测结果以 还原度指数( r d 和还原速率指数( r v d 表示。还原性能检测标准如表2 - 2 所示。 表2 - 2 还原性能检测标准 项目标准项目标准 还原管直径m m 0 7 5 还原温度， 9 0 0 1 0 试样粒度m m l 伊一1 2 5还原时间m i n1 8 0 试样重量，g 5 0 0 士1 还原减重的纪录时间r a i n 1 0 还原气体成分 3 0 c o + 7 0 n 2还原度指数 r i 还原气体流量l m i n1 5 l还原速率指数 r v l 还原指数表达式为 r j ：i 里盟上型l 1 0 0l 1 0 0( 2 1 ) 1 0 4 3 x 0 4 3 j 、7 式中 一试样质量( g ) ； 码一还原开始前试样质量( g ) ； m 2 - 嘲：始后试样质量( g ) ； 磁一还原前试样中f e o 的含量( ) 。 职试验前试样的全铁含量( ) 。 r v i 以三价铁为基准，当原子比为0 9 ( 相当于还原度为4 0 ) 时的还原速率， 以重量百分数每分钟来表示。 2 1 2 低温还原粉化性能的测定 铁矿石进入高炉炉身上部在5 0 0 6 0 0 c 区间，由于受气流冲击及铁矿石还原 f e 。0 广_ f e 。仉f e o 过程发生晶形变化，导致块状含铁矿物的粉化，大量的粉末直 中南大学硕士学位论文第二章系统工艺介绍及方案设计 接影响炉内气流分布和炉料顺行。低温还原粉化性能( r d i ) 的测定，就是模拟高 炉上部条件进行的，是评价铁矿石冶金性能的重要指标。意大利的一项研究表明， r d i + 3 1 5 每提高5 ，煤气中c o 的利用率提高0 5 ，产量提高1 5 ，焦比下降1 5 。 低温还原粉化率的测定标准如表2 3 所示。 表2 - 3 低温还原粉化性能检测标准 项目国标项目国标 试样粒度m m1 0 _ 一1 2 5转鼓： 试样质量，g 5 0 0 l 直径长度m m a 】3 0 x 2 0 0 还原气体成分，转：目 r m i n 3 0 1 c o2 0 o 5时间 1 0 c 0 2 2 0 0 5 n 2 6 0 0 5试验结果： 气体流量l m i n 1 5 l 还原粉化指数 i l i + 3 1 5 还原温度， 5 0 0 1 0 还原强度指数 r d i + 6 3 还原时间 6 0 磨损指数r d i - 0 5 该方法是将5 0 0 9 粒度一定的天然矿、烧结矿或球团矿放于还原炉内，在5 0 0 ( 或5 5 0 2 ) 温度条件下，通入还原气体还原3 0 r a i n ( 或6 0 m i n ) ，在n 2 气流中冷却 至常温，将还原产物装入由1 3 0 m m 2 0 0 m m 的转鼓内，以3 0 r r a i n 的转速转l o 或 3 0 m i n ，将产品用6 3 、3 1 5 和o 5 m m 筛子进行筛分，以+ 3 1 5 m m ( 或一3 1 5 m m ) 的百分数作为还原粉化指数，即r d i + 3 1 5 或r d i 3 o ) ，并列入质量考核指标。 而r d i + 6 3 与r d i - 0 5 则作为参考指标。 哦，：垒1 0 0 5 ( 2 - 2 ) 1 0 0 r d ) 3 = 生x m o o r d i + 3 ：啦1 0 0 ( 2 - 3 ) m d r d i _ o ，：m d - ( r o d , + m 岛+ r o d 3 ) 1 0 0 ( 2 4 ) 式中厅h 一还原后转鼓前试样的质量( g ) ： 挣h 一转鼓后大于6 3 m m 的质量( 曲； m 如一转鼓后3 1 5 6 3 姗的质量( g ) ； 打一转鼓后0 5 3 1 5 姗的质量( g ) 9 中南大学硕士学位论文第二章系统工艺介绍及方案设计 2 1 3 荷重软化性能的测定 荷重软化性能决定着高炉中部的透气性。在高炉冶炼中，由于铁矿物的荷重 软化性能不良，往往会引起悬料和炉腰结厚。研究和改善烧结矿的荷重软化性能， 对高炉冶炼有着重要的意义。 铁矿石荷重软化试验的试样粒度为1 - - 2 m m ，荷重固定为0 5 k g c m 2 ，石墨坩 埚的内径为2 0 m m ，料柱高度为2 0 m m 。测量结果以软化开始温度、软化结束温 度以及软化温度区间( 日表示。软化性能的测定如表2 4 所示。 表2 - 4 荷重软化性能检测标准 项目标准项目标准 试样粒度m m l - 2试验结果 t a s ：试验收缩4 的 试样量m m m i l l a 2 0 2 0 温度( 开始软化温度) 荷重n c m 20 5 9 8t b e ：收缩4 0 时的温 气体成分 n 2 度值( 软化结束温度) 气体流；v ；l m i n l 弘t b 酽t b s ( 软化 升温速度 c r a i n 1 0 ( 9 0 0 ) 过程测定试验收缩4 e o 和收缩 4 0 时的温度值 2 1 4 熔滴性能的测定 熔滴性能是衡量炉料在高炉内行为的一项重要指标。它表明了高炉软熔带的 性质，在高炉冶炼过程中影响高炉的顺行，同时也影响高炉的冶炼指标。国外熔 滴性能测定的方法有意大利p e i l u i g i b a r n a b a 法、德国研究协会b f b 设备、比利 时冶金研究中心c r m 、日本测定法等。我国尚无统一的标准，现应用较多的是 北京科技大学设定的方法。 根根铁矿石的还原性测定方法( g b t 1 3 2 4 1 - 9 1 ) 进行烧结矿的预还原试验。 将经过预还原的烧结矿进行熔滴试验，预还原度控制为6 0 。测定结果分别以压 差陡升温度f f s ) ，开始滴落温度( t d ) ，软熔温度区间( d ，最大压差( a p m a x ) 和熔滴性能特征值等表示。熔滴测量标准如表2 - 5 所示。 1 0 中南大学硕士学位论文第二章系统工艺介绍及方案设计 表2 - 5 熔滴性能的检测标准 工业参数熔融滴落性能测定工业参数 熔融滴落性能测定 反应管的尺寸m m4 8 x 3 0 0 ( 石墨质)结果表示 t s ：压差陡升温度1 b 开 试样粒度m m 1 0 1 2 5 始滴落温度 试样量反应管内6 5 r a m t = t h et s 熔滴区间 5 r a m 高 p m a x 最大差压值( 荷重n c m 2 9 8 9 s p a ) 还原气体成分3 0 c o + 7 0 n 2 s ：熔滴性能特征值 气体流量l m i n 1 2 s - f ( - - a p s ) d i 升温速度 c r a i n1 0 ( 9 0 0 ) 残留物重量 过程测定试样的收缩值、差压、 熔滴带温度、滴下物、 残留物 2 2 系统工艺流程介绍 冶金性能测试系统主要由煤气发生炉、气体处理系统、气体分析仪、系统还 原炉、软化炉、熔滴炉、测焦炉和热转鼓炉组成，系统结构如附录所示。 煤气发生炉的作用是产生还原炉、软化炉等实验所需的气体( 必须经过气体 处理装置才能通入炉内) 。气体分析仪用来测量煤气炉产生的气体中h 。、c o 、c q 、 晚的含量。测焦炉的作用是检测焦炭的各筛分粒度对应的质量和焦炭的强度。其 它加热炉的作用在2 1 节有详细介绍。这里不再重复。 2 3 系统方案设计 铁矿石冶金性能测控系统，需要对还原炉、熔滴炉等的温度、流量等信号进 行精确测量与控制以及气体成分进行分析。这些因素对实验数据的正确性起着极 其重要的作用。系统还要求对现场数据有记录显示等功能，能实时对数据进行分 析，提供所需指标。随着社会经济水平的进步，自动化程度的提高，自动化技术 在各行各业得到不断渗透，人们对自动化的需求越来越高。传统的冶金性能测控 系统靠人工记录实验数据，控制温度，自动化程度极其低，误差很大，花费了大 量的人力，数据的准确性和及时性得不到保障。本课题的研制与开发，实现了冶 金性能测试自动化。 中南大学硕士学位论文 第二章系统工艺介绍及方案i 殳计 2 ，3 1 系统设计要求 工厂级网络用于将大型主机、小型机和工作站进行互联，使用o s i 模型的上 两层协议。这一级的网络支持文件传输、邮件收发和数据库查询与升级等传送活 动。实时性要求不高，因为工厂级的通讯是面向管理和决策层的，其实现手段和 连接方式受底层设备的影响较小，对功能的完善和信息的综合处理是其主要考虑 的问题，通讯的基本任务是提供具有灵活性的信息传输。 车间级网络用来连接局域控制器、数字控制器、可编程逻辑控制器( p l c ) 和机器入控制器等设备。它是厂级与现场级通信的纽带，负责对现场级进行监控 以及向厂级发送现场级的信息。网络的信息传送是有比较严格的时间限制的。然 而必须说明的是尽管对报文传输时间的要求提高了，网络所接受和发送的数据量 相对现场级而言仍然是相当大的，一个完善的通讯调度机制则必不可少。信息通 讯的主要任务是进行各种控制器间的数据交换和任务问的调度。 执行器、传感器和相应的控制器之间的通讯都在现场级进行的。主要的通讯 操作有周期性的数据读出和指令收发。非周期的小数据收发和控制程序的上传与 下载。通讯的基本特点是周期性，因为大多数信息交换都涉及到输入输出的信号 采样，而这些操作都必须在规定的时间段内完成。这就是说，周期性数据的通讯 拥有比异步数据交换更高的优先级。与车间级有所不同，为了减少传送时间，消 息的报文长度必须尽可能的短。通讯的主要任务是现场设备之间的数据传送和错 误处理。 系统必须具有较好的扩展性和可维护性。 2 。4 1 现场总线的选择 自1 9 8 0 年代以来，有几种现场总线技术已经逐渐形成，并在一些特定的应用 领域显示了其自己的优势。如基金会现场总线( f f ) 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、c a n 、 h a r t 、a r c n e t 、w o r l d f i p 以及m o d b u s 等。它们具有各自的特点，也显示了较强 的生命力“。 1 基金会现场总线 基金会现场总线( f f ，f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 。它是现场总线基金会的产品。 它以i s 0 o s i 开放系统模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为f f 的相 应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自动控制应用的需要，定 义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能模块集。f f 分低 速h 1 和高速h 2 两种通信速率。h 1 的传输速率为3 1 2 5 k b p s ，通信距离可达1 9 0 0 m ， h 2 的通信速率可为i m b p s 和2 5 m b p s 两种，通信距离分别为7 5 0 m 和5 0 0 m 。由于网络 中南大学硕士学位论文第二章系统工艺介绍及方案设计 技术的发展，基金会现场总线又将快速以太网( h s e ，h i g hs p e e de t h e r n e t ，1 0 0 删z ) 集成到其现场总线系统中，这样构成了以控制以太网为主干网，h 1 为底层网 络的集成控制网络系统。基金会现场总线的主要技术内容包括：f f 通信协议；用 于完成开发互联模型中第2 - 7 层通信协议的通信栈；用于描述设备特征、参数、 属性及操作接口的d d l 设备描述语言、设备描述字典；用于实现测量、控制、工 程量转换等应用功能的功能块；实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技 术以及构成集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。 优点：灵活复杂的协议可以实现多种功能；本质安全；集成的设备级现场 级方法；在未来的过程控制标准中具有较强的竞争性。 缺点：以过程控制为中心；对兼容设备的选择限制较死；过于复杂。 2 p r o f i b u s 现场总线 它是德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场总线标准。多用于过 程控制、大型装配和物料输送机械。由p r o f i b u s d p ( 主从) ，p r o f i b u s f i s ( 多主) ， p r o f i b u s p a ( 本质安全防爆) 组成了p r o f i b u s 系列。d p 型用于分散外设间的高速 数据传输，适合于加工自动化领域的应用。f l l s 型适用于纺织、楼宇自动化、可 编程控制器、低压开关等。而p a 型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从 i e c l l 5 8 2 标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同 推出的。它采用了o s i 模型的物理层、数据链路层。f e s 还采用了应用层。传输速 率为9 6 k b p s - 1 2 m b p s ，传输距离在l o o m - 2 4 k m ( 光缆传输并配有中继器时) 。最大 允许报文可达2 4 4 字节。报文格式为轮流检测( d p p a ) 和对等网络( f m s ) 。其传输 介质可以是双绞线，也可以是光缆。最多可以挂接1 2 7 个站点。可实现总线供电 与木质安全防爆。 优点：p r o f i b u s 能高速处理大量数据，适合大型设备的需要。 缺点：对于小批量数据的传输，系统的开销过大；总线中没有电源；比其他 总线稍贵。 3 l o n w o r k s 现场总线 它是由美国e c h e l o n 公司推出于1 9 9 0 年正式公布而形成的。与其它现场总线 不同的是，它采用了i s o o s i 参考模型的全部7 层通信协议，通信速率从3 0 0 b p s j ! l j l 5 m b p s 不等，直接通信距离可达2 7 k m ，支持多种通信介质。l o n w o r k s 技术 所采用的l o n t a l k 协议被封装在称之为n e u r o n 的神经元芯片中而得以实现。该芯 片中有3 个8 位c p u ，分别用于完成开放互联模型中的不同层次的功能。用户只要 用此芯片加上支持不同介质的接口芯片，就可以搭建所需的总线系统。 优点：协议高度集成；支持多种串行传输介质；提供完整的硬件和软件开发 平台。 中南大学硕上学位论文第_ 二章系统工艺介绍及方案设计 缺点：开发者只能按照系统提供的开发模块进行开发。 4 c a n 总线 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 即控制器局域网络。最初是由德国的b o s c h 公司为汽车检测、控制系统而设计的局域网络。由于c a n 本身的特点，其应用范 围目前已不再局限于汽车行业，而向过程控制、机械工业、纺织机械、农用机械、 机器人、数控机床、医疗机械以及传感器等领域发展。c a n 已形成国际标准，被 公认为几种最具有前途的现场总线之一。c a n 总线由于其可靠性高、成本低、容 易实现等优点，在现场总线的实际工程应用中占据了较大的份额。在国内，主要 应用的三种现场总线所占的应用市场份额分别为：c a n 超过6 0 9 6 ，l o n w o r k s 总线占 3 0 左右，而基金会现场总线( f f ) 则占1 0 不到。c a n 总线在这几年所引进的现场 总线的产品中也占了很大的比例。 从研究和应用的角度来看。以上我们介绍的几种现场总线，可以分成两类： 一类是这种现场总线已经构成完整的产品。从利用通信协议参考模型的角度来说 就是从底层到应用层都已经有完整的定义，用户只有按照供应商提供的完整的现 场总线结构来组建网络控制系统，而对现场总线的性能上面的不足，不能有实质 意义上的改进。这部分的产品具有代表性的有基金会现场总线以及l o n w o r k s 。例 如，l o n w o r k s 产品，其关键部分神经元芯片的内部工作原理是不公开的，用 户对它没有实质性的研究。由于它是完整的解决方案，所以其产品价格也是相当 昂贵的，这一点对国内的应用尤为重要。所以，f f 虽然完整，堪称现场总线的龙 头，但是在国内的市场份额却很少，这也是原因之一。另一类，则只是提供了底 层的协议，像c a n ，只规定了物理层和数据链路层两层协议。并且相应的产品的 各个方面都是公开的，真正的做到了系统的开放性。这样的现场总线产品，它本 身也能构成一个完整的系统，满足一