（控制理论与控制工程专业论文）造球工段自动控制系统的设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 球团矿是现代高炉炼铁流程一种不可缺少的优质冶金炉料，如何提高其质量一直 是冶金行业密切关注的问题。提高球团矿质量的方法多种多样，在生产过程中运用自 动控制即是其中之一。此次大冶铁矿球团厂为提高产品质量，实施了全厂的自动化改 造。本文研究主要是从工业控制的角度出发，对球团厂造球工段控制系统的设计和应 用作了研究和探讨。 首先，本文介绍了国内外球团工业和造球技术发展的概况。接着，在对造球技术 详细介绍和造球与配料过程机理分析的基础上，基于工控机一智能模块一现场仪表和执 行器的分层次硬件结构，本文依次建立了造球工段的自动造球系统和自动配料系统；基 于模糊控制原理和p i d 控制原理，设计了自动造球系统的模糊控制器和自动配料系统 的p i 控制器，并通过实验方法确定了p i 参数；运用v i s u a lb a s i c 编程语言，编制了模 糊算法和p i 控制算法。最后，本文综述了系统整体实现，给出了系统硬件及软件配 置；选用m c g s 组态软件作为监控软件，完成了人机界面的设计；基于c a n 总线网 络，实现了系统的通讯功能。 目前，本文设计的计算机控制系统已投入使用。经过现场测试证明，采用这种控 制系统可提高产品质量，降低生产成本，提高球团厂的生产效率和市场竞争能力，确 保球团厂生产的稳定与安全，符合设计要求。同时，该系统以其信息完整、功能齐全、 操作简便、使用灵活、人机界面友好等特点赢得了用户的满意和认可。 关键词：球团矿a d a m 模块s 7 - 2 0 0 p l c 模糊控制p i 控制 m c g s 组态软件c a n 总线 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t p e l l e ti sas o r to f i n d i s p e n s a b l em e t a l l u r g yc h a r g i n g o f h i 曲q u a l i t y h o w t oi m p r o v ei t s q u a l i t yi sa l lt h r o u g h m u c ha c c o u n t e do fm e t a l l u r g yi n d u s t r y t h ea p p l i c a t i o no f a u t o m a t i o n i np r o d u c t i o ni sa m o n gt h el a r g en u m b e r so f w a y st oi m p r o v eq u a l i t yo f p e l l e t t h i st i m et h e a l t e r a t i o nw a sa c t u a l i z e dt oi m p r o v eq u a l i t yo fm a n u f a c t u r eb yd a y ef a c t o r yt h a tp r o d u c e s r o u n di r o nn l i n e b eb a s e du p o ni n d u s t r yc o n t r o lt h e o r y ，t h ed e s i g ni d e aa n da p p l i c a t i o no f c o n t r o ls y s t e mi np a l l e t i z i n gw o r k s h o pw e r ei n v e s t i g a t e da n dd i s c u s s e di nt h i st h e s i s f i r s t l y ，t h eg e n e r a ld e v e l o p m e n t a l s i t u a t i o no fi r o no r ep e l l e ta n di t s t e c h n o l o g y a b r o a da n di no u rc o u n t r yw a si n t r o d u c e d i n s u c c e s s i o n ，g r o u n d so nt h ep a r t i c u l a r i n t r o d u c t i o nf o rp a l l e t i z i n gt e c h n o l o g ya n dt h ea n a l y s i so f p a l l e t i z i n ga n dm i x i n gp r o c e s s ， t h es y s t e m so fa u t o m a t i cp a l l e t i z i n ga n da u t o m a t i cm i x i n gw e r ee x p o u n d e db a s eo nt h e l a y e r e d h a r d w a r es t r u c t u r e c o m p o s i n g o fi n d u s t r y c o m p u t e r i n t e l l i g e n t m o d u l e i n s t r u m e n ta n di m p l e m e n t f o u n d so nt h ep f i n c i p l eo ff u z z yc o n t r o la n dp i dc o n t r o l ，t h e f u z z yc o n t r o l l e ro f a u t o m a t i cp a l l e t i z i n gs y s t e ma n dt h ep ic o n t r o l l e ro fa u t o m a t i cm i x i n g s y s t e m w e r e d e s i g n e d ，p ip a r a m e t e r s w e r ea l s oa s c e r t a i n e d b ye x p e r i m e n t a t i o n a f t e r w a r d s ，f u z z ya r i t h m e t i ca n dp ia r i t h m e t i cw e r ep r o g r a m m e du s i n gv b e v e n t u a l l y ， t h ew h o l er e a l i z a t i o nm e a n sw a ss u m m a r i z e da n dt h es y s t e m c o n f i g u r a t i o no f h a r d w a r ea n d s o f t w a r ew a s p r e s e n t e d i nt h i s t h e s i s c h o o s i n g m c g sc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea s m o n i t o r i n g a n dc o n t r o ls o f t w a r e ，m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ew a s p r o j e c t e d t h e c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o nw a sa c t u a l i z e dm a k eu s eo f c a nb u sn e t w o r k p r e s e n t l y ，t h ec o m p u t e r c o n t r o ls y s t e mt h a tw a sd e s i g n e di nt h i st h e s i sh a sb e e n p u t t o r i s e t h ea u t o p t i cr e s u l th a sp r o v e dt h a tt h ea p p l i c a t i o no ft h i ss y s t e mw i l li m p r o v ep r o d u c t q u a l i t y ，d e c r e a s ep r o d u c t i o nc o s t ，i n c r e a s ee f f i c i e n c ya n dc o m p e t i t i o nc a p a b i h t y ，e n s u r e s m o o t h i n go p e r a t i o n a n d s a f e t y ，a c c o r dw i t ha d v a n c ed e m a n d s y n c h r o n o u s l y ，t h es y s t e m w i n st h eu s e r ss a t i s f a c t i o na n d r e c o g n i t i o nw i t l li t sf u l li n f o r m a t i o n ，c o m p l e t ef u n c t i o n s ， s i m p l ea n d f l e x i b l eo p e r a t i o n ，a n df r i e n d l yu s e r - c o m p u t e ri n t e r f a c e k e y w o r d s ：i r o n o r ep e u e ta d a mm o d u l es 7 - 2 0 0 p l c f u z z y c o n t r o lp ic o n t r o l m c g s c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e c a nb u s u 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：辛曦啉 日期： - z , 0 0 1 1 - 年毕月z 6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密团。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：毕反讲 三l 期：7 , 一, o q - 年 月2 6 日 指导教师签名 廷坦 日期：婶年蝴伊 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的来源、目的和意义 1 绪论 本课题是武钢矿业公司下属大冶铁矿球团厂生产自动化改造项目。项目开发分两 阶段，造生球的自动控制主要属于第一阶段。这部分研究的主要内容是造球工段中自 动配料和自动造球控制。 本课题目的在于采用工业控制计算机和现场仪器仪表相结合的集散式网络结构， 通过适当的控制算法，实现对大冶铁矿球团厂生产过程的自动控制，最终提高球团厂 产品的产量和质量。并且在满足工艺要求的前提下，优化生产过程，提高原料的投入 产出比，降低能源消耗。 随着现代高炉炼铁向着高产、低耗、长寿目标发展和钢铁冶炼新流程的迅速兴起， 球团矿的使用将会越来越显得迫切和重要。为了充分发挥球团矿在钢铁冶金中的优越 性和功效，其质量也是有严格要求的。如果球团产品达不到一定的质量要求其优越 性也就难以在冶炼中表现出来，反而可能会带来不利的影响。作为商品化后的球团矿， 更是要十分重视球团矿的质量口j 。提高球团矿质量有多种方法，对生产过程实施自动 控制是其中之一。 在大冶球团厂三个工段中，造球工段是整个生产过程的重要一环，它的主要任务是 根据生产工艺的要求，为期和二期竖炉烧结过程提供生球。造球工段包括配料、烘干 和造球等工序。其中，配料工序和烧结一起是球团生产的关键环节，生球的质量则是影 响球团质量的重要因素。目前，该工段生产过程过于依赖人工操作，配料工序的配比由 人工完成，难以保证配比精确稳定。烘干工序的煤气量以及造球工段的加水量由操作工 凭经验调整，无法保证物料烘后水分以及生球水分含量达标，并且波动很大。这一方面 非常严重地壹接影响了成品球团的质量，另一方面无法充分利用原材料，浪费严重。 对该工段进行生产自动化改造可以提高产品质量，降低生产成本，提高球团厂的 市场竞争能力。同时，在我们走向钢铁强国的今天，我们所做的大冶铁矿球团厂的生 产自动化改造项目也具有一定意义。 1 2 国内外球团工业发展的情况 球团矿的生产在世界已有五十年以上的历史，到上世纪s o 年代初已达到全盛时 华中科技大学硕士学位论文 期。其理论研究、生产工艺和装备技术都相当成熟。近二十年来，由于世界钢铁产量 总量的变化不大，其发展处于停滞的状态。近年来，由于直接还原铁生产的迅速发展 和高炉中球团矿的使用量增加，又有了扩大生产规模的契机。 随着优质球团矿生产的成功，膨胀、低温还原粉化和高炉布料过程中的滚动问 题的克服，球团矿在高炉冶炼中的优越性越来越明显。因而，在高炉炼铁原料中的 用量和比例都有较大幅度的提高。根据球团矿供应的可能和现有造块设备的能力状 况，在当前高炉炼铁技术最先进的西欧，其球团矿的用量比例平均已高达3 0 7 0 2 。 1 2 1 球团矿发展简史及国外发展的概况 将细磨铁精矿进行球团，最初是由瑞典的安德逊于1 9 1 2 年提出，在当时并没有 被注意。3 0 年代，在德国、前苏联和美国曾断续地进行研究。1 9 3 7 年前苏联乌拉尔 金属研究所提出了：在圆筒中滚动成型随后在带式隧道干燥机中干燥生球的方法，由 于干燥费用和球团质量差，因此没有在生产上应用。第二次世界大战末，美国开始了 球团矿方面的研究。1 9 4 4 1 9 4 6 年发表了第一批研究结果，当时世界上许多国家开始 了球团矿的研究。瑞典在1 9 4 7 年就建立了生产率为7 吨昼夜的试验装置。1 9 5 0 1 9 5 2 年在生产能力为2 0 万吨，年的试验厂中进行工业性试验。 加拿大第一个球团厂，在1 9 5 5 年初投入了生产，生产率为每年1 0 0 万吨。 前苏联及其他社会主义国家、美国、西德和法国都开展了广泛的实验室和半工业 性研究。 目前世界上使用得较广的球团法，是先造球后焙挠。造球设备是旋转的圆筒或圆 盘，焙烧设备是链篦机一回转窑和带式焙烧机。由于各国的具体条件不同所以在球团 矿的生产和研究上也各有不同。 芬兰在制得黄铁矿渣球团的同时，由于在配合料中加入氯化剂进行氯化焙烧而回 收其中所含的钢、铅、锌等有色金属。 美国和加拿大用球团方法，主要是处理粒度极细的铁矿岩精矿与贫镍矿中选出的 铁精矿，精矿的品位较高。球团矿主要是供炉使用，因此对球团矿的质量要求不像瑞 典那样严格。焙烧设备主要为生产率大的带式焙烧机，球的粒度不大，最初为2 2 毫 米，现在逐渐降低到9 ，5 1 2 7 毫米。 前苏联大力开展了球团研究，制订了一些独特的造球和焙烧的流程与方法：如用 含s i 0 2 很高的铁精矿生产自熔性球团矿，用造球和化学催化法生产矿煤球团。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 我国球团矿的发展情况 1 2 2 1 历史 我国进行铁精矿球团的研究工作，在1 9 5 5 年即已开始，当时只有北京钢铁研究院 进行了含钒铁精矿球团的研究。到1 9 5 6 年科学技术委员会把球团的研究工作列入到科 学1 2 年规划，作为重点研究项目。1 9 5 8 年是我国取得大跃进的伟大胜利的一年，在党 的总路线的光辉照耀下，在“以钢为纲”的方针指导下，工农业、科学文教事业都得 到了空前的发展。不能例外，球团矿的研究工作也取得了辉煌的成绩，在1 9 5 8 年3 月 冶金工业部聘请在中南矿冶学院工作的苏联专家b m 。维邱金同志作为技术指导， 组织了我国的有关高等学校、科研机关和生产单位，对我国铁精矿进行了有组织的和 有计划的研究工作，其中中南矿冶学院对鞍山铁精矿球团进行了系统的研究，东北工 学院进行了本溪铁精矿球团的研究，钢铁研究院继续在3 5 0 毫米直径的直井炉中进行 了钒精矿球团的扩大性试验。北京化工冶金研究所进行了自熔性球团矿显微结构的研 究，中南矿冶学院进行了大冶铜矿在球团过程中挥发有色金属的探索性研究。为了推 动钢铁工业的迅速发展，同年9 月，本溪第一钢铁厂开始利用原有团矿隧道窑焙烧球 团。随后鞍钢烧结总厂又将原隧道窑改建为炉底抽风的焙烧球团炉并投入生产。经过 现厂、中南矿冶学院、鞍钢设计院和中央试验室协作进行了球团工业试验后，生产正 常，球团的质量良好。经鞍钢二号高炉冶炼试验亦获得良好的指标。所以鞍钢烧结总 厂在改建一个隧道窑之后，在1 9 5 9 年第二个窑亦在短时间内改建完毕投入生产，第三 个窑亦在开始建设不久投入生产，每个隧道窑的日生产能力达1 0 0 0 1 2 0 0 吨。1 9 5 9 年 中南矿冶学院划团研究室进行了包钢铁精矿球团的研究和继续进行大冶细磨矿在焙 烧球团过程中回收有色金属的研究；鞍山黑色金属矿山设计院进行了利用固体燃料在 直井式焙烧炉中焙烧球团矿的研究【3 】。 由以上分析可知，我国球团矿生产技术的研究和球团厂的建设，起步并不算晚， 早在五、六十年代就已开始。雨且在六十年代中期还刮起一次“球匿风”。但是，由 于对球团矿生产技术的科学规律的不尊重，在工厂设计中盲目地确定工艺和造球、焙 烧设备( 例如用烧结机作焙烧机，不考虑温度和材质的重要性；赤铁矿采用竖炉焙烧工 艺；铁精矿性能不能满足造球和焙烧的要求等) ，而导致了生产的失败。也由于这几次 的失败( 如武锅二烧带式球团和昆钢竖炉球团等) 和在8 0 、9 0 年代激增钢铁产量的客观 需要，忽视了球团矿生产这技术，使我国球团生产技术的发展长期处于缓慢和裹足 不前的状态。仅在磁铁矿的竖炉球团方面有了长足的进步州【5 1 。 3 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 2 现状 1 ) 目前我国竖炉约有3 0 $ 座( 分布于各中、小型企业) 。绝大部分的规格为8 o m 2 ， 也有5 5 m 2 ( 萍乡) 和1 0 5 m 2 的( 由8 o m 2 扩大而来) ，年产球i 司矿约1 3 0 0 万t 以上。 2 ) 带式焙烧机球团：目前仅有包钢( 1 6 2 m 2 ) 和鞍n ( 3 2 1 6 m 2 ) 各一座。其主体设备 均来自国外。包钢球团的主厂房设计来自日本的库存设备：鞍钢球团来自澳大利亚罗 布河的二手设备。包钢球团在长期的技术攻关后，到9 0 年代中期才实现了正常生产， 但热耗仍然很高。鞍钢球团投产后，生产顺利，产品质量良好，满足了大高炉炼铁的 要求。 3 ) 链蓖机回转窑球团目前生产的仅有承德的中3 0 3 0 m 窑，年产约3 8 万t ，和首 钢迁安球团厂由4 7 3 5 m 窑，年产球团矿1 0 0 万t 以上。承德窑原按焙烧钠化球团设计， 虽经改造和攻关，但主要工艺参数和设备与氧化球团的生产不符。因而在生产中，产 品质量较差，能耗较高，作业率也不高。窑容利用率也很低。首钢迁安球团厂，原设 计为生产金属化球团，后改生产氧化球团。经2 0 0 0 年的改造，基本上满足了酸性氧化 球团矿生产的要求。因而达到了产量的要求，并实现了较低的能耗，但仍需迸一步提 高球团矿的强度【4 】。 1 3 国内外造球技术的发展现状和趋势 “造好球”是球团焙烧的基础。没有质量好的生球，再好的焙烧工艺和技术也不 可能生产出优质的球团矿。因而造球这一工艺环节在球团生产中非常重要。为此，要 选择好的造球方法和设备，做到合理加水，严格控制生球水分，不断提高造球工艺的 技术水平。 1 3 i 国外造球技术的发展现状 国外从6 0 年代初就开始在球团生产中应用电子计算机。起初仅利用计算机进行检 测、报警、记录和打印等，后来逐步用于开环和闭环控制。球团生产自7 0 年代始采用 集散型控制系统( d c s ) ，着重解决企业的整体管理自动化问题。在8 0 年代将人工智能 技术应用于球团过程控制以来，球团过程控制达到了一个较高的水平，即在计算机控 制的硬件系统和软件系统两方面，都达到了管理信息系统自动化与生产过程自动化相 结合的三级计算机控制水平，实现了球团过程的优化控制。例如，e t 本川崎钢铁公司 水岛厂和干叶厂，新日铁公司室兰厂和名古屋厂等，采用了集散型控制系统1 6 7 】脚。 4 华中科技大学硕士学位论文 l k a b 公司是欧洲最大的铁矿石生产者和先进控制技术的率先应用者。8 0 年代后 期，l k a b 公司在硝典基律纳的选矿一球团厂引用了先进的控制技术，使每一工序实 现更大的生产率、更高的效率和更低的成本，改善了全厂的生产面貌。而目前，据1 9 9 0 年制订的2 0 0 0 年发展计划，l k a b 公司正在以先进的优化控制策略逐步实施从单元 到全厂的自动化，并取得了初步效益：使生产率提高3 5 ；产量增加1 0 ，并降 低了成本，改善了产品质量 9 1 【川。 1 3 2 国内造球技术的发展现状 8 0 年代以来，我国球团技术进步的一大显著特点是球团过程广泛采用计算机控制 系统。许多老厂结合技术改造对个剐关键生产设备及环节或重要工艺参数实现了微机 控制。“七五”期间，本钢1 6 m 2 竖炉原料、混合造球系统以及热工系统分别采用计算 机控制，使我国球两厂的自动化控翩水平向前迈进了一大步。部分老厂，如攀钢、太 钢、马钢、安钢等厂，对定量配料、混合料水分、矿槽料位、点火温度实行微机控制， 对稳定生产、提高产品质量、减轻工入劳动强度取得了很好的效果i 】。 随着球团技术的进步，国内许多厂家不断进行技术改造和自动控制系统的改造， 以期提高球团的产量、质量和球团厂的竞争能力。下面以几个球团厂为例，对其配料 控制系统和造球系统予以介绍。 1 ) 承钢球团n 2 1 承钢球团采用链蓖机一回转窑工艺，球团矿原料使用铁精矿和皂土。生产中要求皂 土的配入准确而稳定；皂土过少，不能满足造球要求；配加过多，则会使球团矿品味 降低，直接影响炼铁生产。自公司回转窑1 9 8 2 年投产起，配料系统一直采用人工跑 盘配料，即铁精粉与皂土均采用圆盘给料，在皂土料斗与圆盘接口处设一活动挡板， 生产时，由操作人员手动控制铁精粉圆盘下料后，对下料量进行估测及跑盘，按一定 的配加比例，采用调节挡板位置的方式来控制皂土加入量。整个配料过程为人工操作， 配料精度差，加上皂土中杂质较多，经常出现堵斗、跑料现象、现场粉尘大，环境恶 劣，工人操作困难，皂土配加量时多时少，直接影响了球团矿的质量，同时也造成了 皂土的浪费。 针对上述问题，承钢对球团配料系统进行了改造。改造后效果显著。系统功能有： ( 1 ) 称量物料，累积计量及配料控制功能，它可以根据铁精粉实际下料量控制皂土 配料称电机速度，准确实现设定的皂土下料量；( 2 ) 具有6 个铁精粉圆盘、皂土配 料称的启停控制功能及圆盘启动顺序自动控制功能。开机前或生产过程中，如某个正 华中科技大学硕士学位论文 在运行的圆盘缺料或发生故障，可及时打开其它圆盘供料，以避免铁精粉下料中断或 减少。 2 ) 济钢球团厂竖炉球团生产自动配料系统【1 3 济钢球团厂配料系统最初通过滑差电机调控配料圆盘进行配料。由于受当时技术 限制，配料秤精度不够和受安装部位及环境的影响，使用一年即被淘汰，改用人工配 料。人工配料使配料比的准确性无法保证，配料误差在1 0 以上。造成物料投入产出 不易控制，原料消耗无法计量( 依靠进厂量、盘点进行) ，膨润土消耗高达4 0 k g t 以上。 同时工人劳动强度和不安全因素增加。随着技术和管理水平的不断提高，又将人工配 料方式改为自动配料。 在济钢竖炉自动配料系统改造中，结合生产实际，采用核予秤作为计量手段，配以 计算机及强电控制，构成自动配料系统。具体为利用原有配料圆盘、螺旋绐料机，强 电驱动将原有1 0 台滑差电机改造为交流变频电机，新上4 台核子秤，计量信号通过工 控机处理后经变频调节电机转数实施系统控制，最终达到自动配料的目的。 配料控制系统实现的功能为：( 1 ) 接收上位机所发出的各种运行指令，并将采集 的i o 状态传递给上位机：( 2 ) 工具连锁条件启动和停止给料设备，对核子秤的瞬时 流量及瞬时速度进行读取处理等：( 3 ) 配料控制模块与核子秤之间的信息交换通过o 5 0 k h z 频率信号方式实现，这样系统抗干扰及远传能力大大提高；( 4 3 能够实现信 号的采集、计算并和给定流量进行比较，将误差量按照控制算法进行计算，转换成4 2 0 m a 模拟量信号，发出绘变频调速器，调节电机转数，从而改变配料量，确保控制 精度；( 5 ) 由于隙3 b 3 配料控制模块其操作面板上具有该配料系统的全部操作及数 据显示功能，因此当上位机出现故障时，按一下配料控制模块的脱机键，指示灯亮， 此时系统全部的配料控制及计量参数设置均由配料控制模块完成。 强电驱动部分采用常规的变频调速方式，变频调速虽然一次性投资较大，但是系 统的可靠性要明显增加。给料部分充分利用原有的圆盘给料机和螺旋给料机，分别配 加铁精粉和膨润土。 3 ) 鞍钢球团【”1 鞍钢球团原控制系统由一套d c s 系统实现。改造后的控制系统由8 个控制站组成。 1 号站( 主控制室) 控制焙烧炉系统；2 、3 号站控制配料系统，4 、5 号站控制上料系统； 6 号站控制成品系统；7 号站控制风路系统；8 号站控制造球系统。整个系统共计约1 6 0 0 点d i d o 和5 3 0 点a i a o ，控制系统由3 台c p u 控制，其中1 号c p u 控制焙烧炉东侧风路 6 华中科技大学硕士学位论文 系统和成品系统；2 号c p u 控制焙烧炉西侧风路系统；3 号c p u 控制上料系统和配料系 统。控制系统有3 个操作员接口，整个系统的通讯由两根7 5o 同轴电缆连成一体，网 络跨度9 0 0 m ，实现分散控制，集中管理。控制了除电除尘器和仓库吊车之外的所有工 艺设备。 配料系统的主要任务是向造球系统提供混合料。根据矿槽的料位，由操作人员设 定上料总量，程序根据上料总量计算、分配、控制1 4 个矿槽的下料量。其主要控制 内容为：( 1 ) 系统物料总量实行大闭环跟踪控制；( 2 ) 配料设备启停控制；( 3 ) 自动 换槽的切换启停控制；( 4 ) 下料闭环调节控制；( 5 ) 原料矿槽上，下料位控制。 配料设备启停控制与造球系统、焙烧系统及料流量等有严格的连锁关系。自动换 槽是指在生产过程中，当某一正在下料的矿槽料位到了下限位置或与该矿槽配套的配 料设备发生了某种故障而不能继续下料时，程序根据与该槽相邻( 前或后) 的矿槽的物 料品种号、先启动与该槽具有相同品种号的配料设备，后停止该槽不能继续配料的设 备，以保证该物料品种下料量的连续性和均匀性。圆盘下料量闭环自动调节是将电子 秤检测的实际下料量( 过程变量) 与设定值作比较，通过调节圆盘给料机的转速，改变 下料量来实现的。系统物料流量跟踪控制是根据物料平衡的原则，不断计算各种物料 的新设定值，使各工作矿槽下料量之和等于总配料量，并能在一个很小的范围内对配 比实行微调。当一个新的配比输入计算机时，计算机能自动使物料料头、料尾对齐。 造球系统实现了p l c 自动判断造球机启动的台数，按工艺殒序依次单台启动，避 免了由于同时启动造球机对电网造成的冲击。同时，在造球机油泵的管路上增加了8 台压力变送器，实现了造球机浊泵龅电动润滑控削。对摆动皮带的摆动位置进行了检 测，并控制摆动皮带在不同位置的摆动速度，以实现均匀布料。 4 ) 马钢球团【i 5 】 马钢自动控制系统一期电控部分选用华光电子工程有限公司的带远程i o 的华光 s u - 6 b 型p l c ，实现整个系统的皮带机、给料机、造球机、筛分设备、齿辊液压系统 的顺序、连锁控制。它的编程软件是基于w i n 9 5 的d i r e c ts o f t 软件，人机界面除有 传统的操作台、操作箱外，还有工控机f i x 画露通过p d ni o 驱动软件监控现场设备 状况。p l c 与上位机通讯通过s u - 6 bc p u 模块上的通用r s 4 2 2 2 3 2 串口连接工控机 r s 2 3 2 串口来实现。仪控部分采用研华工控机来代替一期仪表系统，完成数据采集、 显示，生成画面、趋势图等功能。整个系统实现的功能有：( 1 ) 数据采集，报警功能； ( 2 ) 各设备运转状况显示功能：( 3 ) 煤气量的统计功能：( 4 ) 配料秤信号的处理功 7 华中科技大学硕士学位论文 能；( 5 ) 趋势显示及奄询功能；( 6 ) 报表打印功能。一期工程系统是马钢及国内球团 工艺首次采用工控机作为自动化控制系统的工程，在设计上还过于保守。二期应用中， 将p l c 的电控监视等用工控机来代替。进一步把球团生产数据与厂生产调度系统或公 司的m i s 系统联网，方便了生产的组织和调度，为实现厂局城网及公司m i s 系统打 下了良好的基础。 5 ) 莱钢球团 1 6 】 1 7 1 莱钢1 号球团竖炉于2 0 0 1 年实施大修改造，主要包括：竖炉本体、配料控制系 统、造球系统和成品系统。改造后，其生产能力达到4 0 万“a 的水平，球团矿质量提 高，能耗下降。 原配料系统采用传统的人工跑盘检验，劳动强度大，操作繁琐，准确性较差。改 造后，采用工控机+ p l c ，模拟量、开关量通过模板与工控机和现场设各连接，加上 监控软件构成e i c z 电一体化自动控制系统。精矿计量设数字化配料皮带秤，膨润土 计量设冲板流量计，各料流信号迸p l c ，在操作室c r t 上实现监控。模板输出对应的 料流量信号接入a 1 人工智能调节器，再由越智能调节器输出控制信号，通过变频器跟 踪调节给料圆盘电机和螺旋给料机转速，改变下料量，达到自动配料的目的。该系统 可实现配比自动设定、数据自由格式打印、声光报警及故障自诊断、设备运行状态及 启停方式选择、设备逻辑控制等，大大提高了配料的准确性和稳定性。 原造球系统有7 台由4 2 0 0 m m 造球盘，在不改变现有厂房结构及基础的条件下，将其 中4 台造球盘加大到q b 4 5 0 0 m m ，提高了造球能力，使之与竖炉生产能力的提高相匹配。 造球盘电气系统中，采用变频调速技术替代了传统的接触器控告4 方式和原始的仓口闸门 调节，并选用先进的智能软起动技术，淘汰了落后的自耦减压起动器。改造后，实现了 连续均匀给料，并改善了造球枫的起动性能，使造球效果和焙烧效果均得到改善。 莱钢烧结厂2 # 球团竖炉计算机控制系统也实现了配料系统和造球系统的自动化 控制。 配料工艺中，输送机将膨润土和铁精粉送到配料室原料矿仓，仓下设圆盘给料机， 变频调速，电子配料称。膨润土与铁精粉按一定配比混合，经皮带机输送到混合烘干 室。混合烘干后的混合料经皮带机送到造球室混合料仓。造球工艺里，混合料从料仓 经圆盘给料机，变频调速，将料卸到圆盘造球机上，造好的生球经筛分后，筛下物返 回造球混合料仓。 配料控制室可进行料单输入，在实时监控表上，显示有每个配料称的设定流量， 8 华中科技大学硕士学位论文 实际流量，实际配比，偏差，相对偏差，当班流量累计。程序根据偏差值设定变频器 给定，调节圆盘机下料量的大小，使实际流量稳定于设定流量。当相对偏差大于0 7 0 时，偏差项显示变为黄色并闪烁以示报警。在各精矿粉和膨润土配料流量曲线画面上， 显示有配料称的p 、i 参数，可进行动态过程参数调整整定。在膨润土配料控制方式 上，可进行随动定位的选择，其中定值为常规控制。随动方式时，膨润土的设定流量 为计算总流量与膨润土设定配比的积，以保证在机械或其它原因使流量波动较大时， 膨润土与总流量的比值相对稳定。配料总流量有两个显示值，一个是混一皮带称输入 值，另一个是各配料称流量求和计算出的位。配料总量的累计是由混一称得出，各配 料称的相对配比是由计算流量得出。 6 ) 长钢球团【1 8 】 长钢烧结厂现有2 座8 m 2 竖炉，1 # 竖炉始建于1 9 8 8 年，投产于1 9 9 0 年，主体 工艺设计以杭钢竖炉为模式，设计年产酸性氧化球团矿2 5 万t 。在l o 年的生产实践 中，烧结厂结合自身生产情况对局部环节的生产工艺进行改造，现实际生产能力达3 5 万t 。2 # 竖炉始建于1 9 9 9 年3 月，于2 0 0 0 年7 月开始试产，8 月份正式投入生产。 近五年来，长钢进行了一系列的工艺技术改进和设备改造，使得球团产量逐年上升， 球团矿质量指标明显改善。 烧结厂球团配料原为人工跑盘称量法，配料准确性差，变更配比时，调整时间长， 劳动强度大。由于配料不准确，严重限制着球团矿的产品质量的提高。为改变球团生 产现状，烧结厂分别于2 0 0 0 年4 月和2 0 0 1 年1 2 月两次对配料控制系统做了改造， 实现了微机自动配料控制工艺。为增加膨润土配比的准确性，其给料方式由圆盘给料 改为螺旋称给料。改造后，大大提高了配料的准确性，同时减轻了工人的劳动强度， 为提高生球质量创造了条件。 烧结厂现有8 台造球盘，其规格和数量分别为巾4 2 m 3 、中4 5 m x l 、中5 o m x 4 。原有5 台审4 2 m 造球盘，2 # 竖炉投产时，增设了3 台造球盘其中有l 台巾4 5 m ， 2 台巾5 o m 。为增加造球盘的生产能力，2 0 0 1 年1 2 月又将3 台巾4 2 m 改为由5 o m 。 为提高生球质量和利用率，多次对造球盘盘底材料、刮刀方式以及加水方式等工艺参 数进行了改造或调整。 l 。3 3 造球技术发展的新趋势 1 3 3 1 计量设备的选择 1 ) 配料计量设备 9 华中科技大学硕士学位论文 配料系统的核心是计量装置的选择。一般认为，电子皮带秤的测量精度是很高的， 但实际运行中，由于受皮带运动时的张力、皮带跑偏、物料偏载、环境恶劣、实物标 定困难等因素的影响，电子皮带秤难以达到预期的准确度，从而影响系统精度。采用 核子秤由于其不与皮带机发生直接接触，不受皮带机运行状况和环境条件以及传感器 的安装调试等诸多因素的影响，保证了配料计量的准确度。因此，核子称成为配料系统 计量装置的新选择 】。 核子秤1 1 9 】1 2 0 】主要由辐射输出器，秤架，y 射线探测器，前置放大器，测速传感 器，计算机系统等组成。其工作原理为利用被测物料对同位素放射源发出的y 射线的吸 收和散射，其辐射强度衰减，衰减的幅度遵循一定的规律。同时，放射源对惰性气体 的激励作用使气体电离产生电流。通过测定电离电流即可得到射线衰减程度，亦可推 知物料的厚度和质量，从而计算出物料的累计重量和流量参数。 与电子皮带秤相比核予秤的主要特点是：( 1 ) 根据y 射线穿过物料时其强度按 指数规律衰减的原理，对皮带机上传送的各种物料的累计重量、流量进行非接触式在 线测量； ( 2 ) 非接触式测量，测量精度既不受网络温度和腐蚀性的影响，又不受皮 带磨损、张力、震动、跑偏等因素的影响，能够在恶劣环境下稳定、可靠的工作，日 常维护量极少，在现场实现无人执守；( 3 ) 动态测量糖度高，误差小于1 ；( 4 ) 秤架结构简单，安装方便，而且安装所需空间较小，无需对原有设备进行改造；( 5 ) 可用标准校验板方便地对系统进行简单标定；( 6 3 具有温度漂移和放射源衰减补偿， 使系统长期稳定可靠的工作； ( 7 ) 可通过智能仪表进行p i d 运算，对生产系统很方 便地进行流量定值或对多种物料配比的自动控制。 2 ) 测水装置 混合料水分测定是球团工艺不可缺少的环节。水分测定的目的是为了掌握和控制 混合料水分，使之达到工艺上最佳水分含量要求。测水方法主要有：热干燥测定法、 快速失重测定法、中子测定法和红外测定法。 热干燥法是采用零位法的人工测定物料全水的方法，使用仪器少，投资省，操作 安全可靠，适用于散装矿产品的水分测定。缺点是检测周期长，效率低，劳动强度大。 故其不适用于连续生产中的动态物料水分测定和控制。 快速失重法是对热干燥法的重大改进。它克服了手工操作和检测周期长的缺点， 将时间缩短n 5 分钟并可显示所测水分值。但该水分仪响应速度较慢，从试样经仪表 到显示水分值需1 4 0 秒，又测量精度较低，控制指标不离。 l o 华中科技大学硕士学位论文 中子测水是有触点的射线式测定物料体积范围内水分的方法。中子水分计是应用 较早的核辐射式测水仪。它可与计算机组成水分自控系统，但控制系统复杂，需多台 水分计分别测定混合料及各组分的原始水分，投资大。此法由于中子源有泄漏危害， 需要特殊的防护；同时，探头接触物料易被料流磨损，维修工作量大；此外，响应速 度较慢，从试样检测到显示一般需4 倍于时间常数，故现在在混合料水分测控中已很 少使用。 红外线测水是利用水分可以吸收特定波长的红外线特性来测量物料水分的。它能 代替中子测水，连续测定和显示记录水分值，但无公害，不磨损探头。这种光学式表 面水分测定法，响应速度快，精度高，事故少，红外水分计易与计算机配套进行动态 闭环控制，而且控制精度高，一个系统最多只需两台水分计分别测定一、二次混合料 水分，投资较省。使用该自动系统后，可从消除混合料异常水分造成的损失中获得经 济效益，并有利于改善产品质量和减轻劳动强度，因而受到用户欢迎。 近年来，测水技术迅速发展，出现了多种新型的测水装置，推动了我国散状物料 水分检测技术的研究和应用。当前最有前途的是以光脉冲测定为基础的无触点的光学 测定法。其中以红外线测水最安全，技术性能和使用效果最佳，完全适用于混合料等 散状物料的水分在线连续检测及自动控制。目前j r s - 3 型及其它红外水分仪性能优良， 适用范围广，可推广使用。 1 3 3 。2 p l c 等智能模块的应用 球团工业生产设备、生产过程及管理信息系统自动化，是球团工业技术进步和现 代化的一个重要标志。发达国家球团工业采用自动化控制技术已有几十年的历史。随 着电子技术的高速发展，自动化控制技术在球团工业上的应用越来越普及。在造球过 程中，p l c 等智能模块以其配置灵活、数据计算准确、便于协调各种模拟量与数字量 信号、强大的数据管理功能及方便快捷的维修等优势得到广泛应用【2 2 1 。 1 4 本文主要研究内容 本文的研究主要是从工业控制的角度出发，对工业控制系统的设计和应用作了研 究和探讨，全文分为六章，主要研究内容如下： 1 ) 本文先从造球技术等理论出发，介绍了改造对象的工程概况，为下一步的研 究工作作了铺垫。 2 ) 造球系统改造方案。在对造球系统机理全面分析的基础上，设计自动造球系 华中科技大学硕士学位论文 统的硬件结构；依据模糊控制原理，综合造球系统的影响因素和内部特点，设计自动 造球系统模糊控制器，并构造其模糊算法。 3 ) 配料系统改造方案。在对配料系统机理全面分析的基础上，设计自动配料系 统的硬件结构：依据比例积分控制原理，构造自动配料系统的p i 控制算法：通过实 验方法，得出p i 控制参数。 4 ) 运用v i s u a lb a s i c 编程语言，编制自动造球系统的模糊算法和自动配料系统的 p i 控制算法。 5 ) 最后介绍了系统实现。这部分给出了系统整体配置，监控软件的特点和具体 应用及系统通讯功能的实现。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 1 球团法概述 2 工程概述和系统总体设计 2 , 1 1 铁矿石球团定义 铁矿石球团是用各种不同矿物组成和化学成分的铁精矿和天然粉矿生产的球粒 状人造富矿，并且具有下述特性 2 3 】： 1 ) 粒度均匀，基本粒度范围为9 1 5 毫米； 2 ) 气孔分布均匀，气孔率高，为2 5 3 0 ； 3 ) 含铁品位高，在6 3 以上； 4 ) 实际上无烧损或挥发分： 5 ) 矿物成分均一，呈易还原的赤铁矿或含赤铁矿的化合物形态； 6 ) 机械强度高而稳定； 7 ) 运输过程中磨碎程度轻，状态良好： 8 ) 在还原气氛中承受热应力的状态下，机械强度仍然良好。 2 1 2 球团生产过程主要工序 第一个步骤是制取生球( 造球) 。粒度组成适宜的细粒铁矿石添加润湿剂( 一般是加 水) ，在合适的设备( 如圆筒或圆盘造球机) 内滚动成球。用这种方法制成湿的球粒，即 常说的生球。在造球过程中，还可以用其它添加剂，如添加膨润土( 亦称“皂土”) 来 改善生球或焙烧球团的特性；添加石灰石或白云石来改变焙烧球团的冶金特性。 第二个步骤是将生球干燥和焙烧，以使球团获得所要求的特性。在大多数情况下， 这点都是通过在氧化气氛中将球团认真加热到刚刚低于所处理矿石的软化点的方法 柬达到的。在球团加热过程中，不仅晶格结构产生变化，而且还出现其它形式的连接， 如造渣成分相互之间的反应以及造渣成分同铁氧化物的反应。 烧成的高温球团要认真冷却，以便尽可能地保持生成的晶格结构和其它连接，而 且要防止破裂。 生球还可以通过添加水硬性粘结剂( 例如水泥或氢氧化钙) 来固结，也可以在高压 下用蒸汽固结。但是，这类球团的某些特性是与焙烧固结的球团不相同的。 造球的目的就是获得具有适宜粒度范围和机械强度的生球，以使其能够完好地从 华中科技大学硕士学位论文 造球设备输送到焙烧设备。 2 2 造球理论基础 2 。2 。1 造球方式 在用细粒固体物料造球过程中，有多种不同的力在相互作用，即所谓的连接机理。 不同的造球方式1 下，各种连接机理所起作用的程度是不同的。 1 ) 压制成球法 固体物料颗粒是靠旋加很高的机械作用力来压制成团块的。四棱尖角的压块经过 反复滚动可以磨圆。单个物料颗粒借粘着力和内聚力的作用彼此粘结一起，这些作用 力本身又决定着压块的机械强度。 添加或者未添加粘结剂的物料颗粒经过混合后任意堆置，颗粒不产生任何相对运 动。各个颗粒面是相互无规则配置的，这种位置对于形成最大粘着力来说，不会是最 佳的。 这种压制成球技术，在团块和片剂压制生产方面是众所周知的，不过，在今天只