（电工理论与新技术专业论文）炼焦生产过程实时集中监视系统设计及其应用.pdf

a b s t r a c t c o k ei so n eo ft h ee s s e n t i a lr a wm a t e r i a l si nt h ei r o na n ds t e e l p r o d u c t i o n ，m a i n l y u s e di nb l a s tf u m a c ei r o n m a k i n g ，n o n f e r r o u s m e t a l l u r g y t h ec o k i n g p r o c e s s ， w h i c hi n v o l v e s c o k eo v e n h e a t i n g c o m b u s t i o np r o c e s s ，g a s - c o l l e c t o rc o l l e c t i n gp r o c e s s a n d c o k e p u s h i n gp r o c e s s ，i sav e r yc o m p l e xi n d u s t r i a lp r o c e s sw i t h t h e f e a t u r eo fm u l t ii n p u ta n dm u l t io u t p u t w h a t m o r e ，a b u n d a n td a t aa r e i n c l u d i n ga n dp l a c i n gd i s t r i b u t e d o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gc o k i n g p r o d u c t i o nt e c h n o l o g ya n ds y s t e mr e q u i r e m e n t ，as c h e m e i sp r o p o s e df o r r e a l i z i n gr e a l t i m ec e n t r a l i z e dm o n i t o r i n g f o rc o k i n gp r o c e s s ，t h e na h i e r a r c h i c a l s y s t e m s t r u c t u r ew h i c hc o n t a i n st h r e e l a y e r s o f c o m p r e h e n s i v ep r o d u c t i o no b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n a n dc e n t r a l i z e d m o n i t o r i n g ，p r o c e s so p t i m i z a t i o n c o n t r o la n db a s i ca u t o m a t i o ni s d e s i g n e d i no r d e rt o p r o v i d es t a b l e ，r e l i a b l e d a t as o u r c ef o rr e a l t i m e c e n t r a l i z e dm o n i t o r i n gs y s t e m ，a no p cs e v e rw h i c hc a nr e a l - t i m ec o l l e c t p r o c e s sd a t a ，a n da no r a c l ed a t a b a s es e v e rw h i c hc a ns t o r eh i s t o r i c a ld a t a a r ed e v e l o p e d t or e a l i z er e a l t i m ep r o c e s sd a t aa u t o m a t i ct r a n s f e r r i n g ，t h e t e c h n o l o g i e ss u c h a st h eo p c ，a d o ，c o ma r ea p p l i e d ，o p cc l i e n t p r o g r a mb a s e do nc sa r c h i t e c t u r em o d e la n dd a t a b a s ea p p l i c a t i o na r e p r o g r a m m e du n d e rv i s u a lc + + i nt h ep r o c e s so fs o l v i n gd a t at r a n s p l a n t a m o n gd i f f e r e n ts e v e r s a na l a r m i n ga n da c k n o w l e d g e m e n tm e c h a n i s m w i t ht h r e ec l a s s e si sg i v e nt oe n s u r et h ec o k eo v e ns a f ep r o d u c t i o n a r e a l t i m ec e n t r a l i z e dm o n i t o r i n gs y s t e mi sd e v e l o p e db yc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ew i n c c ，t h ef u n c t i o n so fw h i c ha r ed e s i g n e di nt h ef o r m o f d y n a m i cr e a l t i m em o n i t o r i n g ，f a u l ta l a r m i n g ，r e a l t i m e a n dh i s t o r i c a l t r e n dd i s p l a y , t a b l em a n a g e m e n t ，e t c t h es y s t e mw a sa p p l i e di nt h e c o k i n gp l a n to fa ni r o na n ds t e e l c o m p a n y a n dt h e a c t u a l r e s u l t ss h o wt h a ti ti ss a f ea n ds t e a d y i t i m p r o v e sa u t o m a t i o nl e v e lo fe n t e r p r i s e ，a n dl e s s e n st h el a b o ri n t e n s i t y ； m e a n w h i l e ，i tr e a l i z e s r e a l t i m ec e n t r a l i z e d m o n i t o r i n g o fc o k i n g p r o d u c t i o ns t a t e ，a n dc r e a t e sg r e a te c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s k e y w o r d s ：c o k i n gp r o c e s s ；h i e r a r c h i c a ls y s t e ms t r u c t u r e ；r e a l t i m e c e n t r a l i z e dm o n i t o r i n g 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，除了论文中特另, l d n 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：且 日期：j 华年月生日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 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。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：盟导师签名日期巡年n7 - e t 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早殖t 匕 钢铁工业是我国国民经济的基础产业，在国民经济发展中一直占据着非常重 要的位置。国民经济增长率和钢铁需求量之间存在着非常紧密的关系，钢铁需求 量受经济增长率的影响，它们之间的关系是：如果经济年增长率为2 ，则钢铁 需求量没有多大变化；但是如果经济增长为7 ，钢铁需求量就可能会上涨 1 0 【l 】。因此随着钢铁冶金等生产快速发展，拉动焦炭需求的大幅度增加，炼焦 工业具有广阔的发展前景。为使我国焦化工业的发展适应这一形势要求，用现代 化的技术装备我国的焦化工业，提高行业生存和发展的能力，是加快我国钢铁工 业发展的重要途径之一。 近年来，我国炼焦生产技术达到了一定水平，焦炭产量大幅提高，已成为世 界最大焦炭生产国和出口国【2 】。在我国的炼焦生产中，优质炼焦煤明显短缺，但 是对焦炭质量的要求却日益严格；同时，在炼焦厂的总能耗中，焦炉加热燃烧所 用的煤气量约占总能耗的7 0 【3 】。为了使得钢铁工业炼焦生产获得更大的经济效 益，必须在保证焦炭质量的前提下，提高焦炭产量，降低能源消耗，并保证焦炉 稳顺运行，延长焦炉寿命。本文针对某钢铁企业多座焦炉，进行炼焦生产过程实 时集中监视系统的设计与应用研究。本章简要介绍了课题研究背景与国内外研究 现状，并提出课题研究目标。 1 1 研究背景及意义 炼焦生产的主要产品是焦炭，同时附带焦炉煤气和百余种化学产品。焦炭是 钢铁等行业的主要生产原料，广泛用于高炉炼铁、有色金属冶炼( 铜、铅、锌、 钛、锑、汞等的鼓风炉冶炼) 、铸造、电石、气化等方面，是冶金、机械、化工 等行业的主要原料和燃料【4 】，为国民经济发展提供重要的物质基础。 焦炉是焦炭的关键生产设备，是煤化学工业中极为重要的工业炉之一。在生 产焦炭的同时焦炉也产生大量的焦炉煤气，为其他生产过程提供燃料。焦炉同时 也是焦化厂最大的能耗设备，它由一系列的炭化室和燃烧室相互间隔组成。焦炉 炉体结构复杂，操作环境恶劣，检测手段少，比起其它工业窑炉、焦炉的控制较 难实旄【5 6 】。炼焦生产是一个复杂的传热和化学变化过程，包括焦炉加热燃烧过 程、焦炉煤气收集过程、装煤一推焦拦焦一熄焦过程和综合回收过程等多个局 部过程。炼焦生产过程大致概括为：一定量的配合煤通过装煤车装入炭化室内， 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 经燃烧室传热进行高温干馏至焦炭；在干馏过程中产生的荒煤气通过集气管流往 冷凝器进行净化与重利用；同时现场工人根据焦炉作业计划安排推焦车、拦焦车 与熄焦车分别进行推焦、拦焦与熄焦等一系列操作。 焦炉加热燃烧过程为焦炉燃烧室提供合适的火道温度。火道温度是焦炉生产 过程中重要的工艺指标，如果火道温度控制不稳定、波动大，将会对焦炭质量和 炉体寿命造成影响【7 】，而且火道温度设定过高或过低都会直接影响到焦炭的质量 和煤气的消耗。在炼焦生产过程中，伴随产生了大量的荒煤气。随着时间的改变， 焦炉集气管中的压力也不断的变化。当集气管压力过高时，荒煤气就会从炉门、 炉盖等处跑出，造成了环境的极大污染。集气管压力的稳定直接影响到焦炉的稳 顺运行与环境的保护。焦炉的作业过程，即装煤推焦拦焦一熄焦过程掌握整 个焦炉生产时序和调度。焦炉的结焦时间长短决定了配和煤在炭化室内的停留时 间，对焦炭的成熟度有着至关重要的影响。 炼焦生产中的焦炉加热燃烧过程、焦炉煤气集气过程、焦炉作业过程之间相 互影响，当某个过程出现异常情况时，会影响其它过程正常生产，从而影响整个 钢铁企业的经济效益。近年来我国炼焦生产技术发展迅速，是目前世界上最大的 焦炭生产国和出口国，我国焦炭的产量占世界焦炭总产量的1 3 2 5 ，焦炭的出口 量占世界焦炭总出1 5 1 量的5 6 左右【引。虽然炼焦生产的规模不断扩大，焦炭产能 大大增长，但是在质量、效益、环保方面同国家的要求存在很大差距。钢铁企业 为了提高其竞争力，要求在焦炭质量满足要求的前提下，实现焦炭产量增加，焦 炉能耗降低，同时保证焦炉的稳顺运行。 开发适合炼焦生产过程的实时集中监视系统，向焦炉技术人员实时反映炼焦 生产全貌，对于提高焦炉生产的自动化水平，保证焦炉的稳顺运行具有重大意义。 通过实时显示目标火道温度、集气管压力、结焦时间的优化设定值，可以为企业 管理人员的决策操作提供便利，从而使得焦炭质量在满足国家发改委规定的i i 级 冶金焦标准【9 】的前提下，实现焦炭产量的提高与炼焦能耗的降低。炼焦生产过程 实时集中监视系统的建立，能够提高企业竞争力，实现可持续发展，为钢铁工业 炼焦生产创造更大的经济效益。 某钢铁公司焦化厂炼焦过程的众多生产信息缺乏有效的集成而分散于各局 部生产过程，企业难以及时准确地评估当前的生产状态，当炼焦生产出现异常时， 不能及时作出调整。目前该钢铁企业针对炼焦生产的各个局部过程也初步建立了 具有实时生产数据反映功能的监视系统，但是这些系统分散各生产车间，仅仅为 现场工人的操作提供了一定的参考。在中央调度室内的焦炉技术人员与管理人员 不能实时了解焦炉生产全貌，难以对炼焦生产提供更多的指导。本文针对该钢铁 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 公司三座焦炉所存在的实际问题，设计了炼焦生产过程实时集中监视系统并投入 应用，降低工人的劳动强度，减少了工况事故的发生，保证了焦炉的稳顺运行， 提高了企业的经济效益。 1 2 国内外研究现状 近年来，针对工业过程的实时监视技术的研究取得了很大的进展，许多优秀 的监视软件孕育而生，并开始在工业生产过程得以应用。随着工业企业运行规模 的不断扩大，工业生产过程中的参数变得越来越多且分散。有关现场设备工作情 况的实时反应具有很大的实际意义，因此如何建立实时反映生产状态的监视系统 也开始得到关注。由于现场的运行环境越来越复杂，需要监视的目标更加多样化， 致使监视系统的结构越来越分散化、远程化。随着计算机技术、通信技术、网络 技术的不断更新，基于计算机网络的监视系统越来越多。这类系统实时获得现场 信息，通过工业现场网络发送到管理办公室或者控制中心，从而提高企业的管理 水平和效率。 伴随着系统的发展，监视软件包括结合了自动化控制功能的监控软件所具备 功能也日趋强大。在进一步加强对现场各种设备和信号的数据采集与有效控制的 情况下，横向地将其他系统的实用功能归并进来，加强了对各种信息、资源、数 据的提取、分析、组织、管理的能力，并结合了图形绘制系统的图形生成功能【l 们， 向用户实时的反应工业企业生产的全过程。 工业过程组态软件正是为了具备这些功能而开发的。它为用户提供了快速构 建工业自动化控制系统的监控功能，它最早出现于8 0 年代初，并在8 0 年代末进入 我国，然而直至u 1 9 9 5 年后伴随着国内计算机水平和工业自动化程度的不断提高， 其在国内的应用才得到普及【l l 】。组态的概念最早来自于英文“c o n f i g u r a t i o n ”，含 义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到使计算机或软件按 照预先设置，自动执行特定任务，满足使用者要求的目的【l2 1 。组态软件 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 是指一些数据采集与过程控制 的专用软件，它以面向数据采集、生产流程监视和过程控制而开发，以灵活多样 的组态方式为用户提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法。它采用模块化任 意组合，使用灵活的组态方式，采用类似资源管理器的窗口结构，并对工业控制 系统中的各种资源( 设备、标签量、画面等) 进行配置和编辑，处理数据报警及系 统报警，提供多种数据驱动程序、各类报表的生成和打印输出，使用脚本语言提 供二次开发的功能，存储历史数据并支持历史数据的查询等。 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 目前，国内外开发成熟的组态软件产品包括很多，有的是随着集散控制系统 一起推出的作为专用配套软件，有的是通用软件，如美国i n t e l l u t i o n 公司的i f i x ， 德国s i m a t i c 公司的w i n c c ，美国w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h 等，国内一些其企 业所开发的组态软件也正在被工业企业所接受，比较典型的包括组态王的 k i n g v i e w 】。通过对现存的组态软件分析，它们大多具有组件化结构、支持多 种数据采集驱动程序、开放性、具有远程诊断和易维护等功能。 目前基于不同的组态软件设计人机界面进而开发的工业过程监视系统在国 内许多工业企业得到了广泛的应用。河北理工大学边冰等基于组态软件w i n c c 构建了污水处理厂的实时监控系统【1 4 1 。军械工程学院研究生院刘华平等基于组态 软件w i n c c 实现了自动化仓库的过程变量实时监视，给企业提供了一个较好的数 据采集与实时监视方案【1 5 】。武汉科技大学卢建华采用w i n c c 实现与基础自动层 p l c 的通讯，并设计监视画面实现工业现场生产状况的动态显示【1 6 l 。上海理工大 学李渊浩采用力控组态软件p c a u t o 开发了g p r s 通信应急电源数据采集系统，实 现了大数据量的实时在线采集【l 刀。辽宁工程技术大学乔和等提出一种在组态软件 i f i x 开发平台下的实时数据采集与调度自动化系统，并应用于辽宁省某变电所， 解决了目前中小变电所监控系统实时性差、误差大的问题【1 8 】。安徽工业大学李明 河等采用监控组态软件实现了钢铁工业烧结过程的动态显示，并应用于梅山钢铁 集团烧结厂【1 9 1 。 上世纪5 0 年代初，美国、前苏联等国家就己对焦炉的操作进行了研究，但鉴 于当时的科技水平以及焦炉工艺和设备复杂性，进展非常有限。近年来炼焦生产 过程的国内外研究主要是独立地考虑各局部过程，并且集中在焦炉加热燃烧过程 优化控制、焦炉集气管压力优化控制和焦炉作业优化调度这三个方面。焦炉加热 燃烧过程优化控制主要是根据焦炉火道温度的变化，适时地调整供热量，使焦炉 火道温度保持基本稳定在目标值附近。针对这方面研究经历了从传统控制方法到 智能控制方法的发展【2 她5 1 。焦炉集气管压力优化控制主要是解除各座焦炉集气 管压力之间的耦合，通过调节煤气阀门开度和鼓风机前吸力，保证焦炉集气管压 力稳定在设定值附近。针对这方面的研究从早期针对单座焦炉的集气管压力控制 2 6 , 2 7 ，发展到通过采用智能解耦技术，实现多座焦炉集气管压力的稳定【2 8 , 2 9 1 。 焦炉作业优化调度主要是综合考虑生产任务、工艺要求和设备资源，根据结焦时 间，制定焦炉作业计划方案，实时指导四大车( 装煤车、推焦车、拦焦车、熄焦 车) 的有序操作。焦炉作业优化调度的研究早期大都采用传统调度方法【3 0 3 1 】编制 推焦计划，智能计划调度方法近年来也被应用于解决复杂工业过程的最优资源配 置1 3 2 - 3 4 1 。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 由于炼焦生产过程非常复杂，如果不能实时监视焦炉生产状态，也不能为各 局部生产过程提供决策目标以指导，将导致工人劳动强加大，生产效率降低且容 易引起工况事故，从而影响到焦炭质量、焦炭产量与炼焦能耗，最终对钢铁企业 的经济效益造成影响。因此设计适合炼焦生产过程的实时集中监视系统，实现炼 焦生产流程的实时集中监视、工况异常报警提示、历史数据统计分析与决策目标 的实时显示功能，对于实现企业的信息化建设具有非常重要的意义。 1 3 研究目标与研究内容 本文以湖南省华菱涟源钢铁有限公司焦化厂新1 、新2 j f j 与老3 撑焦炉为研究 背景，以实现炼焦生产过程的实时集中监视，提高生产效益，保证焦炉稳顺运行 为研究目标，对焦炉生产工艺、工业过程的实时监视技术进行了详细的调研。 针对现存的问题和缺陷，开发出一套炼焦生产过程实时集中监视统。最后将 该系统投入实际运行，并分析和讨论了系统在设计过程中所采用的技术要点以及 实际应用效果，主要进行的研究工作包括以下几个部分： ( 1 ) 炼焦生产是一个是多输入多输出的复杂工业过程，包括焦炉加热燃烧 过程、焦炉煤气收集过程与焦炉作业过程。由于各局部过程分散，生产状态信息 众多且缺乏有效的集成，难以及时准确地评估当前的生产状态。为了实现炼焦生 产过程的实时集中监视，需要设计一种多层次的体系结构。 ( 2 ) 为了采集炼焦生产实时数据并存储备份，需要开发具有实时数据采集 功能的o p c 服务器与具有历史数据存储功能的数据库服务器，并实现不同服务 器间的数据自动转储，保证数据传输的实时性、可靠性，从而为系统提供稳定的 数据源。 ( 3 ) 由于炼焦生产涉及到多个局部过程，针对局部过程的实时监视难以反 映整个焦炉生产状态，因此需要综合设计出具有生产流程实时监视、工况异常报 警提示、实时与历史趋势显示、生产数据报表统计等功能的实时集中监视系统， 为焦炉技术人员更直观更清晰的反映炼焦生产全貌。 ( 4 ) 炼焦生产所包括的各局部过程分别以焦炉火道温度、集气管压力、结 焦时间作为设定值，目前一般凭借现场工人的操作经验来给定，没有考虑到不同 工况所带来的影响。需要实现目标火道温度、集气管压力、结焦时间的实时显示， 以便通过企业管理人员的比较分析选出合适的设定值并下发执行。 ( 5 ) 建成炼焦生产过程实时集中监视系统，经现场调试投入应用，并结合 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 现场实际运行情况进行可行性论证。 1 4 论文构成 本篇论文的后续章节安排如下： 第二章首先简要介绍了炼焦生产的工艺流程，分析了目前某钢铁企业炼焦生 产过程所存在的问题，并根据系统需求，提出了系统实现的三层递阶体系结构， 通过分析各层次关系给出了系统所具备的功能。 第三章详细介绍了服务器端的设计，包括具有实时数据采集功能的o p c 服 务器与具有历史数据存储功能的数据库服务器。首先简要介绍了o p c 数据访问 规范和现场o p c 服务器的设置，通过数据库的逻辑设计、物理设计描述了o r a c l e 数据库服务器的实现流程，最后基于v c + + 编程语言并结合o p c 、a d o 与c o m 技术实现了实时数据的自动转储。 第四章详细介绍了实时集中监视系统的设计。首先简要介绍了组态软件 w i n c c ，进而给出了监视系统应用软件的功能结构。按照模块化、结构化的设计 思路将监视系统软件划分为数据采集模块、实时监视模块、数据管理模块、系统 安全管理与综合生产目标显示模块，最后详细介绍了各模块的设计过程。 第六章为系统的工业应用，以某钢铁企业焦化厂三座焦炉为应用对象，介绍 系统应用后所带来的优点，并针对系统的工业运行结果进行分析。 第七章对全文进行总结，展望了以后可以进行的研究工作。 6 中南大学硕士学位论文 第二章系统总体结构 第二章系统总体结构 炼焦生产过程包括焦炉加热燃烧过程、焦炉煤气收集过程、焦炉作业过程， 当某个过程出现异常时( 如焦炉火道温度波动、集气管压力扰动、炭化室操作和 加热制度变化等) ，会导致其它过程的生产状况波动并导致一些列连锁反应。由 于生产状态信息众多且缺乏有效的集成，难以及时准确地评估当前的生产状态； 因此设计炼焦生产过程实时集中监视系统，对于保证焦炉的稳顺生产、提高焦炭 质量与产量、降低炼焦消耗和降低工人的劳动强度都具有非常重要的意义。 深入的了解炼焦生产工艺是系统设计的必要条件，本章首先简要的介绍了炼 焦生产的工艺流程，分析某钢铁企业炼焦生产过程实时集中监视的系统需求，进 而提出一种包括综合生产目标优化与集中监视层、局部优化控制层与基础自动化 层的三层递阶体系结构，最后简要介绍了系统所具备的功能。 2 1 炼焦生产工艺介绍 焦炉是冶金工业炼焦厂中大型的化工生产设备，其生产原理是将煤在隔绝空 气的情况下进行高温干馏，从而产生焦炭、煤气以及焦油等其他有机化学副产品， 其产品主要用于炼钢生产中。炼焦产生的煤气除了焦炉自身加热消耗一部分外还 可以回收再次利用或作为城市居民生活用煤气。焦炉由多个炭化室和燃烧室交替 配置而成，炭化室和燃烧室仅一墙之隔【3 5 】。炭化室是煤隔绝空气干馏的地方， 燃烧室是煤气燃烧的地方。炭化室与燃烧室的底部是蓄热室，煤气可从蓄热室进 入燃烧室进行燃烧。在焦炉顶部安装有集气管，用来收集炼焦过程产生的荒煤气。 炼焦生产工艺流程可以概述如下：首先根据焦炭质量要求，将各种品质的煤 按照一定的比例混合后，得到符合标准的混合煤，混合煤经皮带运送到达焦炉一 侧顶部的煤塔，作为炼焦的基本材料；装煤车在从煤塔装载合格的混合入炉煤后， 在一定的时刻将混合入炉煤运至焦炉炉顶，到达已经结束上一个炼焦周期并已经 推焦完毕的炭化室的上部，经装煤孔将混合煤注入到空的炭化室；在经过约二十 个小时的干馏后，炭化室中的煤被高温干馏变成焦炭，此时焦炭已经成熟；在确 定一个炭化室的焦炭已经成熟后，通过三大车( 推焦车、拦焦车和熄焦车) 的协 调将焦炭取出：推焦车打开机侧炉门将成熟的焦炭推出，同时在焦侧准备好的拦 焦车将焦侧的炉门打开，并且使推出的高温焦炭滑落到下侧轨道上的熄焦车内， 最后，熄焦车将炽热的焦炭运至熄焦塔进行熄焦，冷却后的焦炭被运输到储存地 7 中南大学硕士学位论文第二章系统总体结构 或冶炼现场。同时在炼焦生产过程中产生的荒煤气由于热值较高，可以通过各自 集气管收集并汇入煤气总管后，经冷却、脱硫、硫铵、终冷洗苯，几道工序后， 回收利用。 综上所述，在得到符合标准的混合煤后，炼焦生产过程包括了三个局部过程， 分别为焦炉加热燃烧过程、焦炉煤气收集过程、焦炉生产作业过程。针对这三个 过程的优化操作分别称为焦炉加热燃烧优化控制、焦炉集气管压力优化控制与焦 炉作业优化调度。炼焦生产的工艺流程如图2 1 所示。 一国图圈图国国国困国圈 图2 - 1炼焦生产工艺流程示意图 焦炉加热燃烧控制就是通过调节加热煤气( 焦炉煤气、高炉煤气及高炉煤气 与焦炉煤气的混合煤气) 的流量，同时调整空气流量，使之在焦炉燃烧室的火道 内混合燃烧产生热量，并维持合适且稳定的火道温度。燃烧室热量通过炉墙传导 给使炭化室，使炭化室温度上升到1 2 0 0 左右【3 6 1 。 焦炉集气管压力控制主要是通过调节鼓风机转速、煤气阀门开度来解除各座 焦炉集气管压力之间的耦合，保持集气管压力的稳定，避免压力波动过大造成荒 煤气外泄、空气回流、煤气燃烧不充分等现象，从而提高煤气的燃烧效率，减少 能源浪费，避免环境的污染。 焦炉作业优化调度主要是根据生产任务和工艺要求，制定焦炉作业计划方 案，指导炼焦生产中的机械设备，主要是装煤车、推焦车、拦焦车、熄焦车的协 调作业。根据预先制定的作业计划，指导焦炉炭化室按一定的推焦计划定期装煤、 出焦。 炼焦生产所包括的三个局部过程之间相互关联、相互影响。例如焦炉在进行 加热燃烧过程中，推焦操作是否均衡是影响焦炉火道温度的一个重要因素；炭化 中南大学硕士学位论文第二章系统总体结构 室的操作和加热制度的变化等，将对焦炉集气管压力产生直接扰动；当焦炉火道 温度不稳定时，焦炉作业四大车很难按照既定的生产计划出焦，从而影响正常的 炼焦生产。因此必须综合考虑整个炼焦生产过程，实现对焦炉加热燃烧过程、焦 炉煤气收集过程与焦炉作业过程的生产状态监视，当发生工况异常时及时发出报 警信号通知操作人员做出改进，从而保证焦炉的稳顺运行。 2 2 系统需求分析 面向国内某钢铁企业焦化厂的炼焦生产过程实时集中监视系统是根据炼焦 生产工艺的特点、实现企业的信息化建设和提高企业的经济效益为目的而设计开 发的。 2 2 1 系统现状及问题 某钢铁企业焦化厂有3 座焦炉，两新一老，其中1 、2 j | 焦炉是j n 6 0 型焦炉， 分别包括6 0 和5 5 个炭化室。3 焦炉是j n d k 4 3 型焦炉，包括4 9 个炭化室。1 、 2 撑焦炉相距很近( 约6 0 m ) ，这两座焦炉同时生产，共用一套四大车系统。操作 设备包括两台推焦车、两台拦焦车、两台加煤车和一台熄焦车。老焦炉与新焦炉 相距较远( 约6 0 0 m ) ，它采用单独的一套焦炉作业四大车系统。 针对焦炉的加热燃烧，该钢铁企业焦化厂所用加热煤气主要是焦炉煤气、高 炉煤气及高炉煤气与焦炉煤气的混合煤气三种方式。其中，焦炉煤气可燃成分浓 度大、发热值高、燃烧速度快、煤气和废气的密度低；用焦炉煤气加热时，加热 系统阻力小、炼焦能耗量低，焦炉燃烧室温度变化比较灵敏，但焦炉煤气价格相 对较高且对设备腐蚀严重；高炉煤气的热值较低，燃烧速度慢，用高炉煤气加热 时，废气和煤气密度较高，废气量也多，加热系统阻力大，炼焦能耗量高【3 7 】。 所谓混合煤气加热是指在高炉煤气中混入一定量的焦炉煤气，以提高煤气的热 值。目前该企业焦炉的加热燃烧优化控制系统采用主、副两个回路，以温度反馈、 煤气流量和烟道吸力的反馈控制为基础，实现火道温度的智能优化控制。主回路 为温度优化控制回路，通过实时地修正焦炉的煤气流量，保证火道温度稳定在目 标温度附近。副回路为阀门控制回路，通过实时地调节阀门开度，保证现场的煤 气流量与烟道吸力稳定且跟随设定值，是主回路温度优化控制的基础。虽然在考 虑加热煤气种类、加热制度等参数的情况下，通过改变焦炉供热量来稳定火道温 度，但是目标火道温度的设定是依赖于技术人员的实际经验和个人预测能力来决 定，现场一般将机、焦侧的火道温度设为1 2 5 0 、1 3 0 0 。 由于该企业的新老焦炉分散，老焦炉( 3 样) 生产的荒煤气经过一段6 0 0 多米 9 中南大学硕士学位论文第二章系统总体结构 的输气管道传输后，与两座新焦炉( 1 撑、2 群) 生产的荒煤气汇合。新、老焦炉生 产的荒煤气在新焦炉汇合管中央处汇合后，流往冷凝器、鼓风机处。因为冷凝器 前的负压很大，为千帕级，而三座焦炉集气管压力均为帕级，这样冷凝器方向的 吸力就很大，从而对两座新焦炉的集气管压力造成很大的影响，而且新老焦炉间 存在着严重的耦合。针对焦炉煤气集气过程，目前该企业的焦炉集气管压力控制 系统采用h o n e y w e l lr 4 0 0 集散控制系统实现生产数据的采集与控制功能的实施， 各集气管蝶阀开度的控制算法采用模糊p i d 与协调专家控制算法【3 8 1 。虽然集气 管压力基本稳定在在设定值+ 5 0 p a 范围内，但集气管压力的设定由技术人员凭操 作经验给定，一般都设置为为1 0 0 p a ，没有考虑到推焦、装煤、换向加热对集气 管压力的影响。 针对焦炉作业过程，该企业焦化厂采用目前国内应用比较广泛的一类推焦串 序，即“5 2 ”串序进行推焦【3 9 】。其中5 代表一座焦炉所有炭化室划分的组数( 笺 号) ，也即相邻两次推焦间隔的炉孔数；2 代表两趟笺号对应炭化室相隔的整数。 “5 2 ”推焦串序，其优点是操作较为紧凑，节省时间和电力，机械行程更短。虽 然“5 2 ”推焦在一定程度上做到了资源的合理利用，并提高了生产效率。但结焦 时间一般由现场技术人员按照2 0 小时的固定时间来选取，由于对最佳结焦时间 的选择缺乏一定的理论指导，没有考虑到火道温度对结焦时间的影响，难免导致 过早或过迟的推焦，从而影响到焦炭的质量。 针对炼焦生产过程的实时集中监视，目前该企业仅仅实现了各个局部过程生 产状态的分布式显示。由于分布在各生产车间，例如焦炉加热燃烧过程的实时监 视系统在焦炉本体调度室、焦炉煤气集气过程的实时监视系统在鼓风机房，焦化 厂总调度室不能实时了解整个炼焦生产过程的状况，也不能统计分析历史上某段 时间的焦炉运行状态，给上层技术人员的的决策与操作带来了一定的困难。而且 当出现异常工况时，不具备实时报警功能，不便于技术人与对炼焦生产过程进行 干预与操作指导，这无疑给炼焦生产带来了一定的安全隐患。 2 2 2 系统设计要求 为了向技术人员及时、全面的反映炼焦生产全貌，需要实时显示炼焦生产的 工艺流程。当出现工况异常时发出报警信号，以便焦炉技术人员进行干预使炼焦 生产恢复正常，并显示历史上某段时间内焦炉重要生产参数的趋势并打印报表， 从而为企业管理提供便利，为炼焦生产提供指导，实现焦炉的安全、稳定生产； 为了使得企业获得更大的经济利益，需要实现炼焦生产过程的综合生产目标优 化，即在保证焦炭质量的情况下，实现焦炭产量的增加、炼焦能耗的降低。 1 0 中南大学硕士学位论文第二章系统总体结构 根据以上分析，为了解决这些问题，系统的设计必须满足以下要求： ( 1 ) 实时采集并存储炼焦生产信息 获取的现场信息主要包括工艺信息和资源信息两个部分。其中工艺信息主要 为炼焦生产的工艺参数，包括煤气流量、煤气压力、烟道吸力、鼓风机转速、各 阀门开度、推焦时间、装煤时间等；资源信息主要包括焦炉炉体状态和炼焦所需 物质、设备的状态，包括火道温度、集气管压力、配合煤质量等，同时还必须获 取每天和每班组焦炭的质量、产量、炼焦能耗。 ( 2 ) 在线显示炼焦生产状态 以生产流程动态化显示的方式，根据所采集的现场工艺信息、资源信息，实 时集中显示炼焦生产的焦炉加热燃烧过程、焦炉煤气收集过程和焦炉作业过程的 生产状态，为焦炉技术人员更直观更清晰的反映整个炼焦生产流程。 ( 3 ) 针对异常工况提示报警 当焦炉工况出现异常时，如不及时调整，有可能造成焦炭质量的不合格，影 响企业的经济效益。如果工况异常严重，还有可能造成煤气泄露、焦炉停产等安 全事故。针对异常工况的实时报警提示有助于焦炉技术人员迅速的作出调整并加 以改善。针对异常工况的历史报警分析与查询有助于避免下一次异常状况的发 生。 ( 4 ) 统计分析炼焦生产的重要参数 对于炼焦生产某些历史数据的统计分析能够反映出历史上某工段焦炉的运 行状况。例如火道温度、集气管压力、结焦时间的历史趋势显示有助于推断出是 否增加装煤量、是否加大或减小煤气流量等信息。推焦时间的长短、结焦时间的 异常统计分析有助于判断焦炉炭化室是否存在病号炉、焦炉作业四大车的状态。 推焦系数的计算可以反映出某天、某班组的生产任务完成情况。通过分析这些关 键参数，并以曲线或报表的形式将结果反馈给技术人员。 ( 5 ) 在线显示局部优化目标 这个部分主要是周期检测并实时显示综合生产目标优化系统所计算的局部 优化目标设定值与综合生产目标预测值。企业管理人员通过分析优化设定值，从 中选择符合他们要求的作为目标火道温度、集气管压力、结焦时间并下发。 在炼焦生产过程中，为了保证在规定的结焦时间内焦饼中心达到要求的温 度，火道温度的设定值应该控制在适当的数值，该设定值称为目标火道温度。目 中南大学硕士学位论文 第二章系统总体结构 标火道温度的设定是否合理是保证焦炭质量与减少炼焦能耗的一个重要环节。集 气管是收集荒煤气的装置，在荒煤气收集过程中，集气管压力设定值过低，炭化 室会吸入空气导致焦炭燃烧，使得焦炭质量下降；压力设定值过高，会导致焦炉 跑烟、冒火，既污染环境又浪费大量能源，并且会影响焦炉炉体寿命。因此，目 标集气管压力的合理设定具有重要意义。焦炉作业计划的制定需要依据一个非常 重要的工艺参数，那就是结焦时间，结焦时间是指配合煤在炭化室内停留的时间， 即装煤时刻至推焦时刻的时间间隔。目标结焦时间的长短直接影响到焦炭质量产 量与能耗，因此保证结焦时间的合理性至关重要。 2 3 系统总体结构 根据系统上述设计要求，需要建立一种适合炼焦生产过程的、多层次的实时 集中监视系统，具备炼焦生产状态实时显示、工况异常实时报警、局部优化目标 显示等功能。 2 3 1 系统体系结构 针对炼焦生产过程的复杂性，采用如图2 2 所示递阶系统结构，包括综合生 产目标优化与集中监视层、局部优化控制层与基础自动化层。 t c p 协议 综合 生产 目标 优化 与集 中监 视层 jf = = 刁薰i 焦炉加热燃f = ；蓦l 焦炉集气管压= = 誊l 焦炉作业优； ：i 卜_ 叫烧控制p l ci 卜_ 1 力控制d c si 卜_ 叫化调度p l c ： i 主叫i 土i 圭i 主爿； l 豳圆豳圆圆圆； ：一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一- 图2 - 2系统体系结构图 1 2 - 一 一 一o p c 服务器重 一 一 一 数据库服务器一 重 一炉业化度统一 一焦作优调系一西罕 一 炉气压控系 斛觳雠舷躲统一 酉罕 一 - 一 一 炉热烧制统一 黼触黻洲张一 面空 中南大学硕士学位论文第二章系统总体结构 基础自动化层分布在工业现场，由现场检测仪表、执行结构、s i e m e n s $ 7 - 4 0 0p l c 和h o n e y w e l lr 4 0 0d c s 组成，是生产现场数据采集与系统控制功能 的实施部分。通过s 7 4 0 0p l c 完成对焦炉加热燃烧过程、焦炉作业过程各类参 数，包括温度、流量、压力、阀门开度、装煤量和推焦电流等的实时检测。部分 不能检测或难以检测的生产数据包括推焦时间、结焦时间等由人工记录并写入局 部优化控制层的关系数据库。通过r 4 0 0d c s 数据采集站完成对焦炉煤气收集过 程的各类参数，包括集气管压力、鼓风机转速、蝶阀开度、初冷器吸力和外送压 力等的实时检测。当得到局部优化控制层下发的控制指令时，基础自动化层将控 制指令转化为执行机构相应的执行动作，这里主要是指阀门的开度，并通过p l c 输出模块、d c s 控制站驱动相应的电机完成阀门开度的调整。焦炉作业方案则 依据焦炉作业优化调度系统所生成的推焦计划表，由现场工人指导焦炉四大车完 成装煤、推焦、拦焦、熄焦的操作。 局部优化控制层主要由o p c 服务器、数据库服务器与炼焦生产局部过程优 化系统组成，包括：焦炉加热燃烧过程控制系统、集气管压力控制系统和焦炉作 业优化调度系统。o p c 服务器以o p c 通信方式【加】获取基础自动化层所检测的实 时数据，并将实时数据转储到关系数据库，同时下发控制指令。数据库服务器用 于保存炼焦生产过程的历史数据。焦炉加热燃烧过程控制系统、集气管压力控制 系统采用智能控制技术得到控制指令，焦炉作业优化调度系统生成焦炉作业计划 表。局部过程优化控制层分布在不同的生产车间，完成生产数据的采集、存储与 优化控制功能。 综合生产目标优化与集中监视层是系统的最高层，包括综合生产目标优化系 统和实时集中监视系统。实时集中监视系统从o p c j 艮务器获取炼焦生产实时数 据，完成对炼焦生产状态的在线监视；从数据库服务器中获取历史数据，实现对 焦炉历史状态的统计分析；同时检测综合生产目标优化系统的最新计算结果，并 实时显示。 综合生产目标优化系统在企业期望的综合生产目标与过程操作参数之间引 入局部优化目标，寻求两者之间的映射关系，计算实现综合生产目标优化的火道 温度、集气管压力与结焦时间设定值。炼焦生产过程的综合生产目标包括焦炭质 量、焦炭产量以及炼焦生产能耗，由于它们之间存在着冲突，不可能同时为最优。 综合生产目标优化系统从数据库中获取综合生产目标实际值与其影响参数等，通 过建立焦炭产量、焦炭质量和煤气消耗量的关系模型，采用智能优化算法求解达 到焦炭质量满足要求，焦炭产量最大、炼焦能耗最小的局部优化目标设定值。 中南大学硕士学位论文第二章系统总体结构 臣堕回臣至圃 运蔓篓釜霄一 局部过程优化系统 l c = = io p c 服务器仁= = 割 数据库服务器 ， ， ，。， 。， i 生成控制命令 ： i 。，i 图2 - 3系统层次关系结构图 基础自动化层与局部优化控制层采用工业以太网进行物理连接，网络通信采 用t c p i p 协议【4 1 , 4 2 】，使用不同的i p 地址来标示网络中的主机，并采用t c p 方式与 不同设备间实现数据通信，以保证炼焦生产实时数据传输的可靠性。对于工业过 程控制与监视系统，一方面要维护大量过程数据，另一方面，要求在一定的时间 内完成相应的控制任务或响应，具有很强的时间性，因此系统设计过程中采用 o p c 服务器采集生产过程的实时数据，关系数据库保存生产过程的历史数据。 o p c 服务器通过工业以太网与现场设备相连，在基础自动化层( p l c 、d c s ) 与 局部优化控制层、综合生产目标优化与集中监视层之间建立了数据连接，使上层 系统能够实时地获取来自生产现场的实时数据。同时利用数据转储技术将o p c 服务器中的实时数据按照预定义时间保存到关系数据库。上层系统利用数据库访 问机制便能够获取需要的历史数据并完成统计、分析与计算功能。 局部优化控制层同综合生产目标优化与集中监视层之间采用工业以太网进 行连接，同样以t c p 协议作为数据传输协议。实时集中监视系统作为客户端，从 o p c 服务器中获取需要显示的实时数据。综合生产目标优化系统采用a d o 数据 访问机制获取关系数据库中所保存历史数据，并计算局部优化目标设定值。由于 a d o 技术支持客户服务器模式的数据库访问，因此综合生产目标优化系统作为 客户端，通过数据库应用程序的设计实现从数据库服务器中获取所需要的数据。 1 4 中南大学硕士学位论文 第二章系统总体结构 2 4 系统功能 结合某钢铁企业炼焦生产现状与系统需求分析，在原有系统已实现焦炉加热 燃烧过程优化控制、集气管压力优化控制与焦炉作业优化调度的基础上，炼焦生 产过程实时集中监视系统增添了以下的功能： ( 1 ) 炼焦生产过程的实时集中监视功能。通过采集焦炉现场实时数据，以 工艺流程的方式显示焦炉加热燃烧过程、焦炉煤气收集过程和焦炉作业过程的生 产状况，向技术人员实时反映焦炉生产的全貌。 ( 2 ) 焦炉工况异常的自动报警功能。焦炉工况异常总是对应着某个生产参 数的剧烈波动或超过限制值，根据工况异常的严重