（电气工程专业论文）基于profinet的熔炼车间自动控制系统的设计与研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h ed e v e l o p m e n to f m o d e mi n d u s t r i a ia u t o m a t i o nh a sb e e ni n f l u e n c e d s i g n i f i c a n t l yb y i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ( i t ) a n dt h et c p i pi n d u s t r i a ls t a n d a r d s u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t h e f i e l d b u s t e c h n o l o g y a n di n d u s t r i a le t h e r n e t t e c h n o l o g y a r et h em o s t p o p u l a r t e c h n o l o g y s t h ec u r r e n td e v e l o p m e n tt r e n di se v e r yb i gf i e l d b u s e sc o m b i n i n gt ot h e i n d u s t r i a le t h e r n e t i tm a k et h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yc a nn o to n l ym a k et h ef i e l d b u s g e ti n f o r m a t i o nf r o mm o r ef i e l d p l a c e s ，b u ta l s op r o v i d et h es o l u t i o nf o rt h ee n t e r p r i s e i n t e r n a la u t o m a t i o ns y s t e mo fg l o b a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nl o n g i t u d i n a le x t e n s i o n p r o f i n e tt e c h n o l o g yw a sb o r no nt h eb a c k g r o u n d i th a sn o to n l ya l l o w e da n da l l k i n d so ff i e l d b u si n t e r c o n n e c t i o ni nt h ef i e l dl a y e r 。a n di tc a nd i r e c t l yc o m m u n i c a t e w i t ht h ee n t e r p r i s e ja tl a s t ，r e a l i z e dt h eb e s te n t e r p r i s ec o m m u n i c a t i o ni n t e g r a t e df r o m p r o d u c t i o nt ot h ee n t e r p r i s em a n a g e m e n t t h ep a p e ri sb a s e do nt h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e md e s i g no fas m e l t e rm e l t i n g w o r k s h o p m a k ef u l l u s eo fi n d u s t r i a le t h e r n e tt e c h n o l o g y , c o m b i n i n gp r o f i n e t s t a n d a r db u s e sm a t u r ep r o f i b u sf i e l d b u st e c h n o l o g y d e s i g n e da n df o r m e dak i n do f h y b r i dn e t w o r ks t r u c t u r eo fc o n t r o ls y s t e ma n dr e a l i z e dt h ei n d u s t r i a le t h e r n e ta n d s e a m l e s si n t e g r a t i o no ff i e l d b u ss u c c e s s f u l l y t h en e t w o r kw a si n t e g r a t e dt h r e e d i s t r i b u t e da u t o m a t i o ns t a t i o n e sf o rac o m p l e t ew o r k s h o ps c h e d u l i n gc e n t r e ，u s i n g p r o f i n e t t h ei n t e l l i g e n te q u i p m e n to ft h r e ed i s t r i b u t e da u t o m a t i o ns t a t i o n e s a r e c o n s i d e r e dp r o f i n e t1 0 ，a n dm a d eu n i f i e dm a n a g e m e n t a l lo ft h o s em a k et h ec o n t r o l s y s t e m h a v et h e l a r g e s t n e t w o r ko p e n n e s s ，i n t e r o p e r a b i l i t ya n d r e a l t i m e ，a n d t r a n s p a r e n ti n f o r m a t i o na c c e s sf r o me n t e r p r i s ei n f o r m a t i o nl a y e rt of i e l dl a y e na c t u a l o p e r a t i o np r o v e si ti sak i n do fv e r yr e a s o n a b l ea n da d v a n c e dd e s i g ns c h e m e d u r i n gt h ed e s i g na n dd e b u gp r o c e s s ，w em a d ef u l lu s e so ft h es i e m e n s t o t a l i n t e g r a t e da u t o m a t i o n ”a n dt h es i m u l a t i o n - t e s t i n gm e t h o d s i tn o to n l ye n s u r e st h e r e l i a b i l i t ya n ds a f e t y ，a n dg r e a t l yr e d u c e st h ec o s ta n dt h ed e v e l o p m e n tc y c l e i nt h e a s p e c t so fh a r d w a r ed e s i g n ，w eu s e dt h en e t w o r ki n t e r f a c ec o n t r o l l e r e s ，r e m o t e1 0 m o d u l e s a n dc o m m u n i c a t i o n e di n t e r f a c ec o n v e r t e r r e a l i z e dn e t w o r k e dc o n t r o l f u n c t i o no fi n t e l l i g e n te q u i p m e n t s ，i ns o f t w a r e d e s i g n a s p e c t ，t h et r a d i t i o n a lp i d c o n t r o lc o m b i n i n g f u z z yc o n t r o lm e t h o dw a sd e s i g n e d t h ef u z z ys e l f - t u n i n gp i d c o n t r o la u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mw e r ed i s i g n e da ts o m ei m p o r t a n tp a r t so fp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：f i e l d b u s ；i n d u s t r i a le t h e r n e t ；p r o f i n e t ；p r o f i bu s ；t o t a li n t e g r a t e d a u t o m a t i o n ；e u z z yc o n t r o l _ l l 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要 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：抑j 数 日期：纠年协月7 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，同意 学校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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内 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。 本学位论文属于 不保密m 。 导师签名： 签字日期沁1 年咖f 硇 乡 缸夕 3z 趴 月 幸 名 年 签 f 者 p 佑 砂 文 期 沦 日 位 字 学 签 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 金属铅和锌有着广泛的用途，在国民经济中占有重要的地位。铅和锌不仅可 以大量用于电气工业、军事工业、冶金工业、化学工业、轻工业和医药业等领域， 而且它们各自的化合物有着各种各样的用途。因此，随着铅、锌金属的应用领域 不断扩展，当今世界对铅、锌的需求量也日益增长。 目前，世界十大锌冶炼企业中，我国仅有株洲冶炼厂居第9 位，但在国际上 的排序仍有下降的趋势。随着全球竞争日趋激烈，工业生产企业面临着更为严峻 的挑战。我国铅锌冶炼过程的操作条件以前相对比较恶劣，由于部分检测和控制 装置难于适应这种恶劣条件，检测精度变低、检测实时性差、或控制灵敏度不高， 严重阻碍了铅锌冶炼过程自动控制的实施。近年来我国一些铅锌冶炼大中型骨干 企业针对这一系列的问题进行了企业技术改造工作。采用了集散控制系统，但是 由于缺乏优化控制的支持，这些控制系统仅仅取代了原有的i i i 型仪表，远没有发 挥其控制作用，难于保证整个过程运行达到最优状态。 因此提高我国铅锌冶炼的自动化控制水平，已经直接影响到企业生产经济效 益，资源能耗，环境保护等多方面的问题，对于我国这样的矿产大国，将先进的 控制技术应用于有色金属冶炼的实际生产中是企业最为关注并且有待解决的问 题。 1 1i s p 熔炼基本工作原理 1 1 1i s p 过程工艺 密闭鼓风炉铅锌冶炼( i m p e r i a ls m e l tp r o c e s s ，简写成i s p ) 工艺起源于英 国，是近代火法炼铅锌的先进方法之一1 2 j 。密闭鼓风炉炼铅锌是基于鼓风炉熔炼的 基本原理，但又和蒸馏法有相似之处，是将氧化锌，氧化铅还原成金属铅和锌， 只是由于锌的沸点低( 9 0 7 ) ，在高温条件下，锌成蒸汽状态会发出来；而金属铅 和炉渣则成液态从炉缸中排出。其技术特征是【3 】： l ，鼓风炉内焦点区要保持很高的温度，以提高氧化锌的还原程度，降低渣含 锌。为此需要鼓入热风，采用熔点较高的渣型，尽量使炉料中的氧化锌在排出前 被还原。但又必须控制适当的还原气氛( 强于铅鼓风炉，弱于炼铁高炉) ，避免金 属铁的产生，防止炉缸积铁。 2 要保持炉顶高温和一定的还原气氛，防止锌的再氧化。因此需要从炉顶鼓 入一定量的热风使炉气中的部分c o 燃烧产生热量，提高炉顶温度至锌蒸汽的再氧 化温度之上。 3 采用铅雨冷凝器冷凝铅蒸汽。由于鼓风炉炼锌产生的炉气含锌浓度低( z n 5 7 ) ，c o 。浓度高，要从这种混合气体中冷凝得到液体锌，必须采取不同于蒸馏 法的特别措施，而利用锌在铅中的溶解度随温度升高而升高的特点，使炉气中锌 江苏大学硕士学位论文 蒸汽尚未再氧化时被铅雨急骤冷凝并溶解在铅液中，含锌的铅液在一系列降温冷 却设备中进行冷却，以锌铅的溶解度降低和比重不同的原理，使锌从铅中析出得 到液体粗锌。 从生产任务、地域分布以及设备情况来看，铅锌火法冶炼过程主要包括铅锌 烧结过程和密闭鼓风炉熔炼过程两部分，前者以鼓风烧结机为主体，后者以密闭 鼓风炉为主体。熔炼过程是整个铅锌生产过程的主要过程，只有熔炼过程顺利进 行，才能保证粗铅和粗锌的正常生产，因此，熔炼过程是否顺利进行，是能否提 高整体产量和质量的关键所在。 经过几十年的铅锌冶炼的实践经验表明，密闭鼓风炉铅锌冶炼法具有对炉料 的适应性强、有较高的热效率及较好的可控性等优点，且可以在同一冶炼过程中 冶炼铅锌两种会属，所以密闭鼓风炉铅锌冶炼法逐渐成为当前我国乃至世界铅锌 冶炼的主要方法之一【4 j 。其工艺流程图如图1 1 所示。 铅锌混合精矿 图1 1 ls p 工艺流程图 1 1 2i s p 熔炼基本工作原理 i s p 工艺最终的目的是还原出一定质量的铅、锌，而熔炼过程最终的产品是粗 铅和粗锌，只有熔炼过程顺利进行，才能保证一定产量的粗铅和粗锌，因此熔炼 过程是否顺利进行，是能否提高整个i s p 生产产量和质量的关键所在【5 1 。 2 江苏大学硕士学位论文 当含锌铅的烧结块还原熔炼时，密闭鼓风炉不同高度各区域内的相互反应是 在复杂的系统中进行的。这个系统主要是由c o 、c 0 。、c 及金属氧化物所组成( 包 括造渣部分) ，只是锌氧化物的还原与挥发占有特别重要的位置。 1 炉料中各组分在还原熔炼时的行为 a 锌的化合物：炉料中的锌绝大部分呈氧化锌( z n o ) 、硅酸锌和铁酸锌的形态 存在，硫酸锌和铁酸锌的形态存在，硫酸锌与硫化锌含量甚微。炉料中的z n o 一 般按下式被还原： z n o + c o = z n ( 气) + c 0 2 c 0 2 + c = 2 c 0 为了使反应顺利进行，就要控制一定技术条件，z n o 还原过程是在高温和强还 原气氛条件下进行的，c o c o 。比值以大为宜，但极限是不让f e o 还原。这一点是 由鼓风炉熔炼的特定条件规定的。因在高温条件下，要求z n o 还原金属锌，而f e 。o 。、 f e 。o ，只能还原f e o 进入炉渣，而不能成金属铁，以免炉缸积铁。但只有控制适宜 的还原气氛，才能抑制f e o 的还原。密闭鼓风炉正是运用炉内的高温条件，控制 还原气氛，使z n o 还原而抑制会属铁产生。还原气氛用c o c o ：比值表示，生产中 一般控制c o c o ：比值在1 9 - 2 2 ，焦点区温度1 3 5 0 左右。 z n o 的还原需要在高温下进行，还有一个重要原因是鼓风炉内的氧化锌在还原 过程中有6 0 是在熔体中进行的。由于渣中氧化锌的活度不同，从渣中还原液态氧 化锌比从固体物料中还原要困难。因此，在鼓风炉炼锌的作业中，要尽量使炉料 中的氧化锌在进入炉渣前被还原。这就要求烧结块的熔化温度要高，即要采用高 熔点的炉渣。生产实践中，增加碱性氧化物( 如氧化钙) ，有助于改善渣中氧化锌 的活度，同时还能提高炉渣熔点，使鼓风炉获得较高的熔炼温度，以利于降低渣 含锌。但实践证明，渣含锌降低到2 以下时，f e o 将还原为金属铁，因此理论上 渣含锌可以控制在2 左右，但实践中由于种种原因一般渣含锌控制在5 8 ，这就 为鼓风炉渣的进一步贫化提出了要求。 其它锌化合物的还原 铁酸锌在还原熔炼过程中，其还原速度很快。 硅酸锌的还原过程较氧化锌及铁酸锌的还原复杂，需要有强碱性氧化物( 氧 化钙) 存在，才能将氧化锌从中置换出来，还原为金属锌。硫酸锌在熔炼过程中， 部分离解成氧化锌，部分硫酸锌被一氧化碳还原成硫化锌，硫化锌的一部分最后 溶解在炉渣和冰铜中。 b 铅的化合物：烧结块中的铅大部分呈氧化铅，硅酸铅和铁酸铅的形态存在， 少量呈硫酸铅、硫化铅和金属铅的形态存在。 在鼓风炉强还原气氛下，氧化铅是比较容易还原的。在炉子上部，氧化铅被 c o 还原，反应式为： p b o + c o = p b + c 0 2 铁酸铅、硅酸铅比氧化铅难还原，而炉料中，碱性氧化物( 如c a o 、f e o ) 的 存在，有利于硅酸铅的还原。当温度在5 5 0 ( 2 以上时，硫酸铅在还原气氛中变为硫 化铅或单质铅。在熔炼过程中，由于p b o 的还原反应是放热的j 因此不需要额外 江苏大学硕士学位论文 补加焦炭便可得到金属铅。在炉子上部还原出来的铅往下流动时，能很好地吸收 炉料中的金、银、铜、锑等有价金属元素；同时铅可以与挥发的硫化合成p b s ，溶 解易挥发的砷，从而减少进入冷凝器的砷量，以利于锌的冷凝吸收。 2 铅雨冷凝的原理 密闭鼓风炉炼锌炉气含锌低、c o ：浓度高。一般炉气组成为：z n5 - 7 ，c o ， l l 一1 4 ，c o1 8 2 2 。从炉气中用铅雨冷凝吸收得到液态锌的方法与其它的火法炼 锌相比，有相同之处，但也有其独特之处。 a 防止锌的再氧化 采用高温密闭炉顶是为了防止锌蒸汽的再氧化，z n o 的还原反应为： z n o + c o 毒z n ( 气) + c d 2 因为存在可逆反应，结合鼓风炉炼锌的实际状况，必须控制炉顶温度大于9 5 0 ，从而保证锌蒸汽不被再氧化。 对任何一个化学反应来说，反应速度总是随着温度的下降而急剧减慢。将炉 气骤冷至较低的温度，可以大大地减缓再氧化反应的速度。炉气在冷凝系统中的 热交换强度越大，温度就降得越快，锌蒸汽被再氧化的数量也就越少。 强化锌蒸汽的物理凝聚过程，能够防止或削弱再氧化反应。锌蒸汽一旦变成 液态锌，再氧化速度就大为降低。向冷凝系统提供大量的凝聚核心，保持锌蒸汽 的过饱和度是保证凝聚过程迅速进行的重要措施。 j 下是由于铅雨冷凝器的发明能够满足炉气骤冷和强化凝聚过程的要求，密闭 鼓风炉炼锌才获得成功。 b 锌的铅雨冷凝 锌蒸汽在铅雨冷凝器内的冷凝过程是气态锌转变为液态锌的两相平衡过程： z n ( 气) 寻祟历( 液) 密闭鼓风炉炼锌是采用铅液冷凝、溶解锌蒸汽形成液态铅锌合金。 铅雨冷凝的特点： 铅雨冷凝能够满足使含锌浓度低的炉气的锌蒸汽在短时间内冷凝成液体锌的 要求。铅雨冷凝的主要特点如下： 在操作温度下( 5 5 0 左右) ，铅的蒸汽压低，挥发很少； 铅的熔点比较低，为降低冷凝器出口温度接近锌的熔点提供有利条件； 铅对锌的溶解度随温度升高而增大，铅雨对锌蒸汽的吸收效果好； 铅的密度大( 用小体积的铅可以得到大的热容量) ，以及铅雨的表面积大， 并且逆向运动时对炉气相对速度高，这些因素使铅雨对炉气具有很好的骤冷性能。 铅雨是由设在冷凝器内铅液中的扬铅转子转动造成的。当炉气由炉顶经炉喉 进入冷凝器时，铅雨喷洒的方向与炉气方向相对。铅雨与炉气充分接触，吸收炉 气的热量，是炉气由1 0 0 0 左右骤冷至6 0 0 以下。炉气在通过冷凝器的过程中， 不断被冷却，离开冷凝器时，其温度为4 5 0 - 4 6 0 。温度4 4 0 左右的铅液从冷凝 器炉气出口端连续进入，在此温度下，铅液中锌的溶解度为2 0 2 ( 达到饱和) ， 经过与炉气进行热交换和对锌蒸汽的吸收溶解温度升高到5 0 0 - 5 1 0 ，含锌量为 2 2 6 ( 为不饱和) ，比进冷凝器时铅中的含锌量提高了0 2 4 。高温铅液被连续从 4 江苏大学硕士学位论文 冷凝器内泵出，经冷却分离系统处理后，回流到冷凝器。 锌的冷凝效率： 锌蒸汽从炉气中冷凝为液体锌的效果用冷凝效率表示 冷凝效率( ) = 塑翌1 0 0 式中：q ，冷凝前炉气中锌的浓度 溯 q 。一一冷凝后炉气中锌的浓度 由上式可知，为了提高锌的冷凝效率，就必须提高炉气中锌的浓度，减少进 入炉气中其它气体的量和杂质，适当的控制冷凝条件。 生产实践表明，包括铅锌冷却分离系统在内的冷凝效率大约为8 5 - 9 0 ，其余 5 的锌未被铅雨吸收而进入气体净化系统，约5 1 0 的锌从冷凝器的清除物和分离 系统的浮渣产出。 3 铅锌的分离 在冷凝器内，铅雨吸收锌蒸汽后变成含锌的合金。铅液温度升高后，需要通 过冷却分离系统分离出液体会属锌。 从含锌铅液中分离出锌的理论依据是：液体锌在液体铅中随温度的变化而有 不同的溶解度。温度较高的含锌铅液在温度下降后，可析出锌液，由于比重不同 而分层，上层为密度较小而含有少量铅的锌液；下层为密度较大而含锌的铅液。 上层锌液中的含铅量和下层铅液的含锌量，均随温度的下降而减少。 从冷凝器泵出的铅液温度为5 0 0 左右，含锌约为2 2 6 ( 不饱和) ，当通过 冷却溜槽时，铅液温度降低，锌被析出，铅锌开始分层。铅液温度被降至4 4 0 ( 2 左 右，其含锌为2 0 2 ( 饱和) ，析出的锌液含铅约1 4 。铅液和锌液最后在分离槽 开始澄清分离。 为了保证铅和锌分离完全和减少锌液中机械夹带的铅量，生产通常采用以下 措施： a 保持系统具有良好的冷却能力，严格控制系统各槽的温度。 b 往溶剂槽适当而均匀的加氯化铵溶剂。其作用是：它与浮渣混合后，可生 成一种低熔点、含砷较高、流动性好的熔渣；熔剂浮渣覆盖在液体金属表 面成为一层保护层；降低浮渣量和补充铅量，提高分离效率。 氯化铵加进溶剂槽后，在高温下受热分解为n h 3 、h ：o 与z n o 、砷化锌起作用， 生成氯化锌和氯化砷，它们一部分成气体挥发，一部分组成浮渣。因此，原来受 氧化物薄膜包着的金属珠，可以露出新鲜的金属表面，并重新聚积在一起，从而 降低了补充铅量和浮渣量。 如果熔剂槽内缺少氯化铵，则积集的砷化锌往往与铅、锌乳化，形成一种“牙 膏”状的软物质交互层，使得铅锌分离不好，产出的锌含铅和砷高。 c 适当加长分离槽，增大分离槽的截面积，并保持锌层有一定的厚度( 此厚 度由回铅坝与锌溢流口高差决定) ，可使铅锌混合液体在槽内流动缓慢，也有利于 铅和锌的分离。 熔炼工艺流程图如图1 2 所示。 江苏大学硕士学位论文 1 2 研究与应用现状 返鼓风炉返烧结配料 图1 2 熔炼工艺流程 1 2 1 国外研究与应用 从8 0 年代开始，有色金属冶炼过程自动化控制技术有了长足的进展。这一时 期先进的智能仪表或集散控制系统来实现生产过程的自动控制已在国外许多冶炼 企业采用。如加拿大科明科一特雷乐电锌厂采用h o n e y w e l l 的t d c - 2 0 0 0 集散系统 和i b m l 8 0 0 上位机系统对焙烧、浸出及制酸工艺进行自动控制：澳大利亚的旱斯 登电锌厂采用f o x b o r o 的s p e c 2 0 0 过程装置，对炼锌过程的沸腾焙烧工艺进行控 制，采用k e n t 的智能单回路调节器对锌浸出及过滤等工艺进行自动控制；意大利 维斯姆港电锌厂采用f i s h e r 的p r o v o x 集散系统与s i c m e n s 的s i m a t i c 系列p c 机 对焙烧、浸出及制酸等工艺进行自动控制，并用h p 3 0 0 0 计算机作为过程级的上位 监控与管理机。这些集散控制系统实现了有色金属冶炼过程中过程参数的单回路 稳定控制。同时，在i s p 工艺过程的模型和优化方面也做了很多工作，并且有了 一些通过优化控制鼓风炉增产增效的例子【6 j 。在i s p 过程的数学模型方面也进行了 1 0 多年的研究，并取得一定的成果。如美国h h 凯洛特教授提供的数学模型曾对 阿旺茅斯、杜依斯堡、盘纳罗亚三座i s p 炉的j 下常操作条件做过预测，达到了一 定的精度。同本八户冶炼厂探讨建立了i s p 生产过程各种参数模型，根据烧结机 混合水分与透气性曲线，有效控制了烧结块的水分。欧洲金属公司与金属矿产研 究院合作研究了法国谱耶尔一高督的i s p 炉的操作条件模型，按此操作条件对i s p 6 江苏大学硕士学位论文 进行规范化操作，取得了显著的效益1 7 】。 日本八户根据铅锌鼓风烧结机内混合水分与透气性的曲线，自动控制烧结混 合料的水分，最终使烧结块产量增加l - 2 9 6 。法国谱耶尔一高督的密闭鼓风炉熔炼生 产过程基于操作条件模型，实现密闭鼓风炉铅锌冶炼生产的规范化操作，使密闭 鼓风炉的产量增加了1 0 。德国杜伊斯堡的密闭鼓风炉铅锌冶炼生产厂家通过确定 最佳的烧结块和焦炭粒级分布，改善了密闭鼓风炉的透气性，稳定了鼓风炉的生 产，可延长鼓风炉休风周期l 周左右。 1 2 2 国内研究与应用 我国有色金属大中型骨干企业的生产工艺技术已达到或接近世界较高水平， 然而在计算机过程控制、自动化技术装备方面，则与世界先进水平差距较大【8 】。由 于有色金属冶炼过程反应过程异常复杂，影响因素众多，生产目标难以直接控制 等特点，国内关于有色金属冶炼过程优化控制的研究工作尚在探索中，其中研究 较早的是基于机理模型的离线指导操作优化，如由同本全套引进的贵溪冶炼厂铜 闪速熔炼过程和自行开发的金川镍闪速熔炼过程，这种控制手段属于优化控制的 初级阶段，研制周期长，移植性差l 9 j 。目前已有学者进行了基于神经网络( n n ) 的 有色金属冶炼过程稳态优化控制研究i l ，但这仅是对复杂过程描述的一些尝试， 离实际工业过程优化控制的实现目标尚远。 就i s p 而言，由于国内开展工作较晚。对于鼓风炉各个运行参数之间，生产 目标与工艺参数之间的关系缺乏研究。尽管现场有了比较先进的计算机控制系统， 但缺少和先进的控制理论相结合。 总而言之，我国在有色冶金尤其是i s p 的控制研究方面，落后于发达国家水 平。为了增加企业的市场竞争能力，有色金属企业的综合自动化与信息化水平急 需提高l l 。从国内外发展现状来看，我国有色金属冶炼过程应该在保留原有生产 工艺优势的前提下，进行合理的技术改造，保证企业从管理层到生产层信息通道 的畅通。系统控制要从简单装置控制进入到考虑过程非线性、时变性和耦合性等 因素的先进控制系统。过程控制的目标从保持安全平稳进入到提高产品质量、降 耗节能、降低成本、减少污染，最终以效益为驱动力来重新组织整个生产系统， 最大限度地满足动态多变的市场需求，提高产品的市场竞争力。充分发挥自动控 制装置的作用，改变铅锌生产仍处于初级自动化的状况。 1 3 系统介绍与分析 1 3 1 系统构成 某冶炼厂是一个铅锌冶炼的老企业，由于历史原因，原来生产效率低下，环 境污染严重，为提升企业生产发展水平，实现企业高效、环保、可持续发展，该 厂启动了i s p “三废”治理及综合利用技改项目。 该厂由烧结、熔炼、精炼、电解等车间组成，其中熔炼车间是其中的最核心 的车间，是整个厂的心脏，直接关系到全厂的生产效益。它的最大特征就它是一 个控制设备较多，各设备分布比较分散，而且工艺过程最复杂的车间，所以是本 7 江苏大学硕士学位论文 次技改的一个重点所在。熔炼车间之所以重要，是因为全厂生产主要围绕的一个 核心设备就是密闭鼓风炉，它是整个冶炼工艺的核心设备，为了配合它的工作专 门设置了另外两套大型设备热风炉和原料预热装置。分别为密闭鼓风炉提供熔炼 工艺所必须的热j x l 和原料的预加工。由于这两个附属设备的重要性所在，熔炼车 间专门设置两个分站进行单独控制。所以整个熔炼车间由三个分站组成，分别是 鼓风炉、热风炉和备料( 原料预加工) 。 1 3 2 控制要求及系统分析 由以上的系统组成可知，熔炼车间主要由鼓风炉、热风炉、备料三个工作站 组成。其中鼓风炉是全厂核心的冶炼设备，热风炉站为鼓风炉提供连续、适宜温 度的热风。备料站则为鼓风炉配送热焦炭和烧结块原料的站点。 见于各站点工艺控制的重要性和地理位置分散性等原因，厂方要求本次技改 中，三个站点都要求有独立设置监控站，同时各个站点又要相互紧密配合来实现 熔炼车阳j 最佳的生产运作模式。故要求将鼓风炉站作为熔炼车间总调度站，除了 完成对鼓风炉的实时监控外，还要同时对热风炉站和备料站的所有重要工艺参数 进行全面实时监控，以便及时掌握整个熔炼车间的生产状况。另外，熔炼车问作 为该厂的最重要的车间，厂方管理层急切需要掌控熔炼车间及其它车问的全厂生 产信息。所以鼓风炉调度站还要具有向厂方上传实时生产信息的功能。 其中熔炼设备装置中的热风炉是铅锌冶炼的重要热交换装置，它的作用是把 鼓风加热到要求温度，以保证密闭鼓风炉内化学反应顺利有效的进行。热风炉所 提供温度的情况直接影响到排出废渣中的含锌量和焦炭的消耗量。热风炉自动控 制系统由仪控和电控两个子系统配合实现各种监控功能。仪控主要完成工艺生产 过程参数控制和调节阀的自动调节及控制，电控主要完成换炉自动控制。原来热 风炉的控制为落后的电气控制、手动控制方式，本次技改的另一个目标就是要求 利用计算机实现三台热风炉自动换炉及远程监控。 备料站它的主要作用是对焦炭进行预热和烘干，以及进行对烧结块和焦炭进 行配比，并将配好的原料运送至鼓风炉料口。除了一些简单的顺序控制和过程控 制外，没有特殊控制要求，在对本站独立监控的同时将本站各种工艺参数发送至 鼓风炉调度站。 由上面的分析可总结出熔炼车间控制系统构成有以下特点：一方面，各站点无 论从地理位置还是从工艺上都是极具分散性而又自成系统：另一方面，各站点之 间要相互通信进行互操作；其次，管理阶层要对下面的现场级做全面到掌控。 1 3 3 研究内容 基于以上分析且结合本厂的现场特点，很明显该系统属于典型的分布式控制 系统。这就要求一种全分散且全开放的通信作为技术支撑。在和传统方案比较后， 采用基于以太网丌放的工业以太网标准p r o f i n e t 和p r o f i b u s 现场总线结合的网络 系统构架，完成该车间的自动控制系统设计。 本课题以某冶炼厂的熔炼车间自动控制系统的设计为例，应用基于工业以太 网技术的自动化总线标准p r o f i n e t 技术，结合成熟的p r o f t b u s 现场总线技术，设 8 江苏大学硕士学位论文 计并组建一种混合式网络结构的控制系统，实现了工业以太网和现场总线的无缝 集成。具体工作如下： ( 1 ) 熟悉有色金属熔炼的基本工艺流程，深入研究有色会属冶炼中熔炼自动 控制系统的基本构成和国内外的发展现状，以及计算机网络控制系统在过程控制 中的应用问题。 ( 2 ) 根据现场实际情况，设计出符合现场需要的网络结构和控制系统。并 根据各站点的工艺控制要求，设计出三个分布站点独立的监控系统。 ( 3 ) 学习和研究p r o f n e t 技术及其应用。利用p r o f i n e t 将三个分布式自动化 分站利用集成为一个完整的车间级调度中心，并设计一个车问调度室的监控层网 络系统，实现集中监控各站点工艺状况，并且实现各站点信息互通。将车间的所 有数据传送到厂调度，实现和管理层网络的连接。 ( 4 ) 深入研究模糊控制的基本原理及其各种控制算法在实际过程控制中的 应用效果。根据熔炼自动控制系统中热风炉的助燃空气、l c v 煤气、发生炉煤气流 量控制的大延迟、非线性和时变的特点，挑选出具体的控制算法，并进行实验性 研究。 ( 5 ) 掌握可编程序控制器的基本结构和工作原理，并利用其软件编程的方法 实现模糊控制器的功能。利用w i n c c 组态软件实现上位机的实时监控，实现熔炼车 间内部各站之间的通讯以及熔炼车间与冶炼厂指挥调度中心之间的通讯。 9 江苏大学硕士学位论文 第2 章系统控制网络结构设计 本章对整个熔炼车间的网络结构进行了分析和设计，设计了基于现场总线和 工业以太网的混合网络结构的车间级控制系统。很好的保证了不同级别对通信的 要求，并且选择了适合这种控制网络的核心硬件设备，最终对整个系统的网络在 通信平台上作了配置与组态。同时对整个项目的软件设计思想和调试方法傲了策 划。 2 1 控制系统主要功能分析 1 电气设备的控制 熔炼车问电气设备主要包括生产现场的电机、丌关阀、调节阀等。监控系统 对电气设备的启动和停止进行控制，属于数字量的控制。电机的启停和丌关阀的 开关有三种控制方式，分别是手动方式、自动方式和现场手动方式。每个电机和 开关阀在生产现场控制柜面板上配有一个远程本地方式设定丌关，可以进行远程 和本地选择。当设定为本地方式，启停控制由现场操作人员决定，实现现场手动 控制：当设定为远程方式，由监控系统控制。监控系统又可以确定其自动方式和手 动方式，自动方式和手动方式分别由p l c 和上位机实现。在自动控制方式下，电 气设备运行与否受到连锁信号的控制，连锁关系是根据工艺要求和工艺过程建立 的，连锁条件主要是其它一些相关的工艺参数和电气设备的状态条件，或以它们 之间逻辑运算后的结果作为条件，连锁条件满足与否决定电气设备启动还是停止。 在手动方式下，电气设备的启停由上位机指令控制。在这三种控制方式中，以现 场手动控制优先级最高。而且，监控系统对部分电机的工作电流和工作频率进行 检测，并通过上位机进行监视。 2 工艺参数的监控 熔炼控制系统在整个生产流水线的适当位置上安装了流量计、温度传感器、 压力传感器等现场智能仪表，经变送器将流量、压力和温度等工艺参数值送至p l c 控制站，监控系统对其进行模拟量控制。因为整个生产过程是连续的，各个工艺 环节较为复杂，控制对象又较多，所以控制回路之间连锁关系复杂，通过互锁信 号建立它们之间的关系。使工艺参数和技术参数符合要求，保证设备的正常工作 和后继工艺的正常运行。 3 网络通信功能 整个车间本身就是一个分布式控制系统，在这种结构的控制系统中网络功能 也是重中之重。随着现代化工业将网络渗透到现场趋势的发展，网络化是控制系 统中很重要的一部分，在控制系统中扮演的角色越来越大。所以本次设计除了要 设计各个车间单独的控制功能之外，还要考虑到网络通信和网络化控制的功能。 有可能的情况下将考虑到和信息层网络的接口问题。 1 0 江苏大学硕士学位论文 2 2p r o f i b u s 现场总线 p r o f i b u s 是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的 现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网 络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供可行的解决方案【l2 1 。由 p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s p a 和p r o f i b u s f m s 三个兼容部分组成。 2 2 1p r o f i b u s 协议结构 p r o f i b u s 协议结构是根据i s 0 7 4 9 8 国际标准开放式系统互联网络o s i 作为参考 模型的【1 3 】。该模型共有七层，如下图2 1 所示： 1 p r o f i b u s d p ：定义了第一、二层和用户接口，第三到七层未加描述。用户 接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同 p r o f i b u s d p 的设备行为。 2 p r o f i b u s f m s ：定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范 ( f i e l d b u s m e s s a g es p e c i f ic a t i o n f m s )和低层接口( l o w e rl a y e rl a y e r i n t e r f a c e l l i ) 。f m s 包括应用协议并向用户提供可广泛选用的强有力的通信服务。 l l i 协同的通信关系并提供不依赖没备的第二层访问接口。 3 p r o f i b u s p a ：p a 的数据传输采用扩展的p r o f i b u s d p 协议，另外还描述 了现场设备行为的p a 行规。根据i e c l l 5 8 2 标准，p a 的传输技术保其本征安全 性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在d p 上扩展p a 网络。 3 6 用户层l ( ) 一( ) i 数据链路l ( 2 )i 物理层i ( 1 )土 一f m s 、 o1n寄厢 m7uu心伪工100oo 互uox1辛旧 西mn伪工100oo 三时1口ouxna 西mqun1广ooo、6 仂王uj一xj专l_i 西m叫ufq(10oo 王uu1j81o l _ 西mquj叫刁1 j 1 - o a 田o 王u j ajxf毒i_i om叫uuj叫i(10o田o 王f a i x t o 压 西mnuu17，卫f：1i0a田o 王u1a181专阿 西mquu1q(10”oo 互i aix刀1-o晤 西m7，uuf。7r可101oo 互j a i 8 x 1 2 宣斤 西muuf7(10oo 互j ai刀1o压 西mq17r可101-o田o 互uuj一j”膏广 西m叫17(10no田o omq。u_1伪”m工1uoo 互uuf一1一膏1h 西mu。u17r(10o田。 一王jp1 可oq母魏 ，on母麓 西mq-307一mdo_o吕 开关电源 一卜 77 书 77 篁 ，) 7 器2霉蓦k ，) 7 由q 7 7 矗 p _ j o z j 篥i 口o o 叫 毖 j o髂oo 熊口zs 嚣 口z口z i d i 未 j j器产! ；3 i 马苫l 苫窘； - i )m - i- 、i f d y , k 、o , l 再。 j2 军：弓! i 荦 于；宰；手i ； + 1 皇金 占8 暑 o o j ” 仂互u j 013n厶o 互douno 要u n - 1 013nn厶o 王un口onx心j4o 至j口13no 互心oou时x心4o 王时1 013”4o 互u心1口13”心o ；u u j a 1 j 寄 西mn。uu|1q天100a田o 互u n j 013nnao 互uu1一x1”奇 om7，uui7|(10n。0ao 饥王u n j 013nno o可cu1卫z，d可 omqui伪2m工1o田o 王u ”j d|uo 至153-i 屯oq母箍 西m7o叫-1 m00-9参。 可uo毋麓 西mqo1 m 凸9 0 o 开关电源 7 7 o 77 n 7 7 蕾 叫 - q o血 口oj 一 o a _ l 心 o ) 口 蕾 o 厶o o 黠 n z口z口 o o ou答 ) 毒o 8az n 2q ooa n k o n g c r * t i n g “1 c e n t r d a i r c 。n a i t i 。走压闻候护 u n n t ue d a b l ecen t r da i r c o n & i t l 。一失压阈惧护c t i i | l l | n l l n l l l n l l l | u u | 1 1 3 1 1 1 1 1 | l l | l l p w s o f v l u l l l i i i i i | i l u l ! 竺：! !| j 图52 下位变量全集成到上位的过程画面 5 22 系统集成 车间调度对各个分站点整体监控，是通过鼓风炉上位机w i n c c 中同时集成了和 四个p l c 通信连接来实现的，在它上分别集成来自各分站的要集中监控的过程量。 调度站w i n c c 上位全集成四个p