（控制科学与工程专业论文）铁矿石热态性能测控系统的设计.pdf

摘要针对目前铁矿石热态性i i 沏, i 定系统相对落后的现状，研究开发基于工业以太网的集散控制监控系统，用于铁矿石热态性能的综合测试和过程控制，为炉料配比提供科学依据，对高炉生产具有重要的现实意义。在全面分析系统功能的基础上，本课题研究了基于工控机、p l c 、智能仪表的三级控制系统，将智能仪表应用到铁矿石热态性能测控系统中，使其具有良好的信号检测、控制的高精度与可靠性。采用d e l p h i7 0 编程环境开发了上位机监控软件，实现对试验过程的实时控制、数据显示、数据管理、实时特性曲线绘制、试验结果报表打印及信息调度等功能。为满足系统数据采集部分的实时性、高可靠性等要求，系统通过工业以太网完成智能仪表、p l c 和上位机之间的通信。还原气体的成分是影响铁矿石热态性能测定试验精度的关键因素。根据还原气体产生的机理，本文提出通过控制煤气发生炉温度来实现还原气体成分的控制。由于煤气发生炉具有大时滞、非线性、难以建立精确数学模型等特点，利用传统的控制策略对其进行控制，难以取得理想的控制效果。本文针对还原气体生产的具体情况，进行了煤气发生炉温度模糊专家控制系统的研究和设计。通过总结专家经验，构建了一个温度设定专家知识库，根据工艺参数的变化情况，适时调整炉温控制设定值；研究与设计了温度模糊白适应整定p i d 控制器，并基于s t e p7 和s i m a t i cs 7 2 0 0p l c 实现了模糊自适应整定p i d控制策略。仿真结果验证了该控制算法的可行性。系统投入现场运行，取得了良好的效果。关键词：热态性能，煤气发生炉，专家控制，p l c ，模糊白适应p i da bs t r a c ti nv i e wo ft h es i t u a t i o nt h a tt h em e a s u r i n gs y s t e mf o rt h e r m a lp r o p e r t i e so fi t o no r ei sr e l a t i v e l yb a c k w a r d ，t h i sp a p e rd i s c u s s e sad i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do ni n d u s t r i a le t h e r n e t w h i c hc o u l db eu s e df o rt h es y n t h e t i ct e s ta n dp r o c e s sc o n t r o lo fi r o no r e st h e r m a lp r o p e r t i e s 1 h er e s e a r c ho fi r o no r e st h e r m a lp r o p e r t i e sc a np r o v i d et h es c i e n t i f i cb a s i sf o rt h ef u r n a c ec h a r g ea l l o c a t e dp r o p o r t i o na n dh a v et h ev i t a lp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et ot h eb l a s tf u r n a c ep r o d u c t i o n t h eh i e r a r c h i c a lc o n t r o lm o d ei sc o m b i n e dw i t hi n d u s t r i a le t h e m e ti nt h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mf o rt h e r m a lp r o p e r t i e so fi r o no r e t h es y s t e mc a nb e d i v i d e di n t ot h r e el e v e l s ，n a m e l y , i n d u s t r i a lc o m p u t e r ,p l ca n di n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e np l ca n di n d u s t r i a lc o m p u t e ri sb a s e do ni n d u s t r i a le t h e r n e t t h ea p p l i c a t i o no fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t si m p r o v e st h ec o n t r o lp r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m t h em o n i t o r i n gs o f t w a r ei sb a s e do nt h ed e l p h i7 0p r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n td e v e l o p m e n t i t sf u n c t i o n sa r ea sf o l l o w s ：c o m m u n i c a t i o nw i t l li n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t sa n dp l c r e a l - t i m ep r o c e s sc o n t r o l ，d a t ad i s p l a y , d a t am a n a g e m e n t ，r e a l t i m ec h a r a c t e r i s t i cc u r v ep l o t ，d a t as h e e tp r i n t ，i n f o r m a t i o nd i s p a t c h ，a n ds oo n t h ec o n t r o lo fr e d u c t i v eg a si n g r e d i e n ti sa c h i e v e db ym e a n so fc o n t r o l l i n gt h et e m p e r a t u r eo fg a sp r o d u c e rf u m a c e i t sak e yp o i n ti nt h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mf o rt h e r m a lp r o p e r t i e so fi r o no r e t h eg a sp r o d u c e rf u r n a c eh a ss o m ef e a t u r e ss u c ha sl a r g et i m e d e l a y , n o n l i n e a r i t ya n dd i f f i c u l t i e so fp r o c e s sm o d e l i n g i t sd i f f i c u l tt oa c h i e v et h ee x p e c t i n gc o n t r o le f f e c tb ym e a n so ft r a d i t i o n a la l g o r i t h m t a k i n gt h er e d u c t i v eg a sp r o d u c t i o ni n t oa c c o u n t ，t h i sp a p e rh a sd e s i g n e dt h et e m p e r a t u r ef u z z ye x p e r tc o n t r o ls y s t e mo fg a sp r o d u c e rf u m a c e a c c o r d i n gt ot h ee x p e r te x p e r i e n c ea n dt h ep r o c e s sp a r a m e t e r s ，t h et a r g e tv a l u eo ft h eg a sp r o d u c e rf u m a e ec a nb ep r o p e r l yr e g u l a t e d t h i sp a p e rh a sd e s i g n e dt h et e m p e r a t u r ef u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o l l e r b a s e do ns t e p 7a n ds i e m e n ss 7 2 0 0p l c ，t h et e m p e r a t u r ef u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o la l g o r i t h mh a sb e e nr e a l i z e d t h es i m u l a t i o nr e s u l th a sp r o v e dt h a tt h i si ic o n t r o la l g o r i t h mi sf e a s i b l e t h et e m p e r a t u r ef u z z ye x p e r tc o n t r o ls y s t e mo fg a sp r o d u c e rf u r n a c eh a sb e e np u ti n t ou s e t h es y s t e mo b t a i n sag o o dp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：t h e r m a lp r o p e r t y , g a sp r o d u c e rf u r n a c e ，e x p e r tc o n t r o l ，p l c ，f u z z ya d a p t i v ep i di 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已在在论文中作了明确的说明。作者签名：独生垒日期：一2 吐年上月上生日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：烂导师签嗍毕眨月必中南人学硕士学位论文第一章绪论1 1 课题来源第一章绪论“铁矿石热态性能测控系统”来源于我院和中南大学资源加工与生物工程学院钢铁冶金系共同开发的“铁矿石冶金性能实验室 。本文研究该系统的工艺过程监测和电气控制部分，用于实现该试验系统的数据采集、过程控制、数据分析等功能，以提高铁矿石热态性能测控系统的智能化程度，取得理想的控制效果。1 2 课题研究的目的和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。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【1 1 。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。2 0 世纪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。合理化的高炉炉料结构是高炉生产顺利进行的重要保障。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。铁矿石的还原度是评价其质量好坏的重要标准，准确检测铁矿石的相关数据如还原度、还原速率指数等对制定合理的炉料结构及正确的冶炼工艺，提高冶炼生产的技术指标具有重要意义1 2 1 。焦炭测定系统的检测结果对冶金焦炭进行改质可改善其冶金性能，具有显著的工业应用价值：改质技术可提高冷态和热态强度，焦化经济效益显著，高炉增产节焦效能巨大；可节约大量的主中南人学硕士学位论文第一章绪论焦煤和肥煤等优质资源，极大缓解采购压力和采购成本；可增加焦炭总量和焦炉煤气量，增产效益尤为显著【3 j 。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。依托中南大学在冶金方面的科研优势，我院发挥专业特长与中南大学资源加工与生物工程钢铁冶金系共同开发“铁矿石热态性能测控系统 ，模拟铁矿石在高炉中反应的不同过程并在此条件下获取相关参数。该系统的成功开发提高了国内钢铁行业的铁矿石冶金性能检测水平，为高炉炼铁过程控制提供更多有效数据，为钢铁企业提高钢材质量提供帮助，具有重要的实际意义和重大的经济价值。1 3 课题背景与国内外研究现状随着全世界钢铁需要量逐年增加，人们对作为钢铁来源的铁矿石的研究也越来越深入。近几十年来，国内已经有高校和科研单位进行了铁矿石冶金性能检测的相关理论研究，并制定了部分国家标准。在实验室试验中，试样为烧结球团矿，参照g b t1 3 2 4 1 9 1 标准进行还原度r t 、还原速率指数测试；试验焦样均选取工业生产的冶金焦炭，参照g b t4 0 0 0 1 9 9 6 标准进行焦炭反应性c r i 、反应后强度c s r 的测试工作。荷重软化和熔融滴落测定由于没有国家标准，目前国内有多个标准，我校资源) j u t 与生物工程学院制定有相关标准，并在全国多家大型钢铁企业得到了推广应用。2 0 世纪9 0 年代初马鞍山钢铁公司钢铁研究所于进行了铁矿石还原性、还原粉化、球团膨胀三项冶金性能检测装置的研制，该装置是为制定和执行国标方法自行研制的检测装置，主要由还原装置、还原气供应、冷态转鼓、球团体积测定等附属设备组成。还原炉虽然采用了p l c 控制系统，但仅用于开关量顺序控制，温度由具有p i d 调节功能的温度仪表控制。但是与国外先进水平相比在检测手段、控制策略、生产工业连续性等方面还存在一定差距【4 】。北京科技大学是制定铁矿石冶金性能检测方法国家标准的主要参加单位，铁矿石冶金性能方法测定设备和方法于1 9 9 7 年荣获北京科技大学实验技术成果奖，2 0 0 1 年已实现数字化控制、计算机数据采集及打印报告。东北大学炼铁研究所研制开发了采用计算机测控技术的新型还原炉，可以对铁矿石的还原度和还原速率指数进行准确地试验检测。江苏苏钢集团通过加强对烧结全过程的控制，使烧结矿冶金性能得到了改善，收到了明显的效果。许多科研单位对铁矿石冶金性能领域进行了有益的探索和发展，在检测手段和试验设备等方面提出了新的思路；但总体来说仅仅是在某一方面取得了进展，没有将快速发展的自动控制技术和检测2中南人学硕士学位论文第一章绪论技术全面应用在实验系统中，使得系统得技术水平没有得到质的飞跃【5 】。科学技术的快速发展和巨大进步对系统和控制科学提出了新的更高的要求。自动控制科学正面临新的挑战。传统的反馈控制、近代控制理论和大系统理论在应用中遇到不少难题，影响到它们的推广应用。首先，这些控制系统的设计和分析都是建立在精确的系统数学模型的基础上的，而实际系统由于存在非线性、不确定性、时变性和不完全性等因素，一般无法获得精确的系统数学模型。因此，采用传统的控制方法，包括基于现代控制理论的控制方法，往往还不如一个有实践经验的操作人员的手动控制效果好。目前，解决这种问题，一般采用以专家系统、模糊控制和神经网络控制为主体的智能控制理论和技术【6 】。研究专家控制系统的突出代表首推瑞典学者k j a s t r o m ，他于1 9 8 3 年发表“i m p l e m e n t a t i o no fa na u t o t u n eu s i n ge x p e r ts y s t e mi d e a s 一文，明确建立了将人工智能中的专家系统技术引入控制系统的思想，从而形成专家控制系统e c s ( e x p e r tc o n t r o ls y s t e m ) 。1 9 8 6 年，他在另一篇论文“e x p e r tc o n t r o l ”中以实例说明智能控制，正式提出了“专家控制”的概念1 7 l 。k j a s t r o m 的研究成果对于专家控制技术的发展应用起到了重要的先导作用，体现着专家控制技术的原理本质和功能特剧引。国内对专家控制的研究也很活跃，被广泛应用于过程控制中。比较典型的有湖南大学王耀南教授等于1 9 9 3 年设计开发的实时专家智能控制系统开发工具r e i c t ，这是一种用p r o l o g 和c 语言编程，在微机p c a t 上实现的实时专家智能控制开发工具 9 1 ；华中理工大学的徐正权等构造的工业过程控制专家系统壳体，这是一个用以构造和执行实时专家系统的多任务系统【lo 】；中南大学吴敏教授等研究开发的锌湿法冶炼过程专家控制系统【l ，将专家控制的思想应用于有色金属冶炼过程，实现了锌湿法冶炼中浸出、净化和电解这三个过程的优化控制；南京大学陈世福教授等将专家系统技术和实时控制技术相结合，设计并实现了应用于实时问题求解的专家系统开发工具n u r e s t ，用该工具开发的“上海宝钢炼钢实时专家系统r e s c ，实现了炼钢过程控制机制的静、动态模型和炼钢中实时数据的接收，实时控制机制保证了系统的实时响应【1 2 1 。模糊控制理论由美国著名学者、加利福尼亚大学教授l a z a d e h 于1 9 6 5 年首先提出【1 3 , 1 4 1 ，它是以模糊数学为基础，用语言规则表示方法和先进的计算机技术，由模糊推理进行判决的一种高级控制策略【l 卯。从线性和非线性控制的角度划分，模糊控制是一种非线性控制。从控制器的智能性角度划分，模糊控制属于智能控制的范畴，目前已经成为实现智能控制的一种重要而有效的形式，尤其是模糊控制和神经网络、遗传算法、专家系统及混沌理论等新学科相融合后，更显示出其巨大的应用潜力。模糊理论发展极为迅速，目前研究成果主要体现在以下中南大学硕士学位论文第一章绪论几个方面：自适应、自学习模糊控制理论的研究 1 6 - 1 8 j ，模糊推理策略的研究，模糊辩识模型及模型预测的研究【1 9 乏1 1 ，模糊控制系统稳定性的研列2 2 , 2 3 1 ，模糊控制器的硬件实现【2 4 2 5 1 。现在模糊控制在化工、机械、钢铁冶金、工业炉窑、水处理、食品生产等领域中都得到了实际的应用【2 6 2 7 1 ，充分显示了在大规模系统、多目标系统、非线性系统中的良好应用优势。2 0 世纪8 0 年代以来，以专家控制、模糊控制、学习控制和神经控制为主体的智能控制技术得到不断发展和完善，并广泛应用于钢铁冶金、化工、材料加工、电力、炼油和核反应等行业【2 8 】。铁矿石热态性能测控系统中煤气发生炉的还原气体生产过程，其温度气氛的控制，可借鉴高炉控制系统，采用模糊专家控制。1 4 本课题的研究内容和论文构成本课题研究的具体内容包括如下几个方面：( 1 ) 根据铁矿石热态性能检测的国家标准和试验流程提出系统设计的要求和目标；( 2 ) 研究铁矿石热态性能测控系统的总体结构和控制系统硬件设计，分析煤气发生炉温度控制的工艺，建立煤气发生炉温度控制系统的总体结构；( 3 ) 总结现场生产经验，构建合适的煤气发生炉温度设定专家系统，并运用模糊控制理论，实现煤气发生炉温度模糊专家控制；( 4 ) 采用d e l p h i7 0 编程环境实现铁矿石热态性能测控系统的上位机监控软件。同时，基于s t e p7 和s i m a t i cs 7 2 0 0p l c 实现了煤气发生炉温度的模糊专家控制。论文的安排如下：第一章分析我国钢铁行业铁矿石热态性能检测的生产技术现状，结合国内外主流的工业监控系统的构建理念和控制策略，根据还原气体产生的机理，提出建立煤气发生炉温度模糊专家控制系统。第二章简述了铁矿石热态性能测定的试验方法和工艺流程，分析了测控系统的控制要求，提出了控制系统的总体框架。第三章根据铁矿石热态性能测控系统的总体研究，提出了控制系统的总体硬件结构组成，进行了系统硬件配置及p l c 电气控制设计；同时，介绍了煤气发生炉温度控制的工艺，提出了煤气发生炉温度控制系统的总体设计；第四章简述了专家控制的基本思想，对专家控制系统的特点和类型进行了简要的分析，在总结工艺师现场经验的基础上，按照产生式规则的描述方法，构建了煤气发生炉温度设定专家系统知识库；同时，根据模糊控制系统的组成和工作4中南大学硕士学位论文第一章绪论原理，结合还原气体生产的实际情况，设计了煤气发生炉温度模糊自适应整定p i d 控制器，建立了煤气发生炉模糊控制查询表。第五章主要介绍了煤气发生炉温度模糊专家控制系统的工程实现以及调试运行结果，重点讲述了下位机p l c 控制程序的设计过程。第六章是总结和展望，对本论文的研究成果进行简要的总结，并提出今后努力地方向。1 5 本章小结在查阅大量国内外文献资料的基础上，综合介绍了本课题的来源、研究目的和意义，然后重点阐述了铁矿石热态性能检测的生产技术现状，以及本控制系统中相关应用技术在国内外各领域内的发展状况，最后提出了本课题研究的主要任务和内容。5中南大学硕士学位论文第二章系统：1 = 艺介绍及系统总体结构研究第二章系统工艺介绍及系统总体结构研究随着高炉炼铁技术的发展，对铁矿石( 烧结矿、球团矿) 不仅要求在冷态时应有良好的物理性能和化学性能，而且应具备能适应高炉冶炼的各种热态性能，有良好的低温、中温和高温冶金性能1 2 9 1 。铁矿石热态性能的检测内容主要包括：还原性能( ) 、低温还原粉化性能( i m i ) 、球团矿还原膨胀性能、荷重还原软化性能、高温熔融特性等【3 0 1 。2 1 铁矿石热态性能测定方法2 1 1 铁矿石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。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 o ) 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 o4 6 9 5 8 4 、i s o7 2 1 5 8 5 ) ，我国参照i s o4 6 9 5于1 9 9 1 年拟订出中华人民共和国国家标准【3 1 g b t 1 3 2 4 1 1 9 9 1 “铁矿石还原性的测定方法”。铁矿石高温还原性能测定过程如图2 1 所示。试样质量为5 0 0 9 士l 粒，精确至0 1 9 ，将试样放入还原管中，试样表面要铺平。可以把试样直接放到多孔板上，但是为了使还原气体气流均匀，在多孔板和试样之间放两层粒度为1 0 0 1 2 5 m m的高氧化铝球，但此时需要在高氧化铝球上再放一块多孔板，试样则放在这块多孔板上。弋| c9 0 0 ot v 1 0 m i nn 2 流量为还原气体流鼍为n 2 流量为n 2 流量为5 1 d i n i n1 5 l r a i n1 5 l r a i n5 l r a i ni升温段恒温段降温图2 1 还原性能测定过程6段中南人学硕士学位论文第二章系统工艺介绍及系统总体结构研究封闭还原管的项部，将n 2 通入还原管，标态流量为5 l r a i n ，接着将还原管放到还原炉里，并把它悬挂在称量装置的中心，保证反应管不与炉子或加热元件接触。还原管放入炉内时，炉内温度不得大于2 0 0 ( 2 。然后开始加热，升温速度不得大于1 0 。c m i n 。当试样达多 9 0 0 。c 时，增大惰性气体标态流量至1 1 5 l m i n 。在9 0 0 ( 2 恒温3 0 m i n ，使试样的质量m l 达到恒量，温度波动在9 0 0 - a ：1 0 。c 之内。恒温3 0 m i n 结束后，通入标态流量为1 5 l m i n 的还原气体代替惰性气体，还原1 8 0 m i n 。在开始的1 5 m i n i 为至少每3 m i n 记录一次试样的质量，之后每1 0 m i n 记录一次，还原1 8 0 m i n 后，试验结束。在切断还原气体后，向还原管通入标态流量为5 l m i n 的惰性气体，然后将还原管冷却至1 0 0 。c 。检测结果用还原度指数( r t )和还原速率指数( r v i ) 表示。1 还原度指数的计算用下式计算时间t 后的还原度r t ，t 为3 h 。据此可以画出还原度r t ( m m ) 】对时间t ( m i n ) 的还原度曲线。还原指数表达式为砒- | 糌一丽- 丽m 2 1 0 0i 1 0 0( 2 - ，)io 4 3 o 4 3 i、式中，试样质量( g ) ；碍还原开始前试样质量( g ) ；还原开始后试样质量( g ) ；彬一还原前试样q b f e o 的含量( ) ；暇试验前试样的全铁含量( ) 。2 还原速率指数的计算从还原曲线读出还原度达到3 0 和6 0 时相应的时间( m i n ) 。还原速率指数( r v i ) ，用原子比o f e 为0 9 时的还原速率表示，量百分数每分钟，即r v ：垫：旦讲f 6 0 f 3 0式中，t 3 0 一还原度达到3 0 时的时间，m i n ；t 6 0 还原度达到6 0 时的时间，m i n 。2 1 2 铁矿石低温还原粉化性能的测定单位为质( 2 2 )铁矿石进入高炉炉身上部在5 0 0 6 0 0 区间，由于受气流冲击及铁矿石还原f e 2 0 3 斗e 3 0 r 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7中南人学硕士学位论文第二章系统工艺介绍及系统总体结构研究直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，rdi+3每提高5，煤气中co的利用率提高5，产量提高15，焦比下150降1 5 。铁矿石低温还原粉化试验按g b t1 3 2 4 2 1 9 9 1 国家标准执行1 3 2 1 ，测定过程如图2 2 所示。试样质量为5 0 0 9 + 1 粒，精确至0 1 9 ，并记为m o 。把试样放到还原管中，将其表面铺平。封闭还原管的顶部，将n 2 通入还原管，标态流量为5 l m i n ，然后把还原管放入还原炉中。放入还原管时的炉内温度不得大于2 0 0 1 2 。是否使用连续称量的检测装置，可以自由选择，不作硬性规定。在测定铁矿石低温还原粉化指数r d i 的同时，如果还需要了解相应的还原度时，可参照公式计算。1 5 0 0 0t v 1 ) 、3 1 5 m m ( m 0 2 ) 、5 0 0 u m ( m d 3 ) 各粒级筛上的试样质量。本标准规定以大于3 1 5 m m粒级的出量r d i + 3 ”作为低温还原粉化的考核指标，r d i + 6 3 和r d i _ o s 为参考指标，即m r d i “3 = 生l o o ( 2 3 )m o o8中南大学硕士学位论文第二章系统工艺介绍及系统总体结构研究皿3 1 5 ：啦1 0 0 m r 4( 2 4 )r d i _ o 5 _ 鱼型堡竺生100(2-5)m “式中，7 一还原后转鼓前试样的质量( g ) 。m d i 一转鼓后大于6 3 n 瑚的质量( g ) ；一转鼓后3 1 5 6 3 m m 的质量( g ) ；m d 3 一转鼓后0 5 - - 3 1 5 m m 的质量( g ) 。2 1 3 铁矿石还原软化熔融性能的测定高炉的炉腰到炉缸段有一层铁矿石受热软化进而熔融的软熔带，上面有固体炉料压覆，对下落的炉料起到缓冲的作用。高炉内软熔带的形成及其位置和厚度，对炉内气流分布和还原过程都将产生明显的影响。不同特性铁矿石在同等环境下产生的软熔带厚度不同，要合理控制其厚度就必须先清楚铁矿石的软熔性。为此，许多国家对铁矿石的软熔性能进行了广泛深入研究，各种有关软熔性的测定方法也相继出现。但到目前为止都没有统一的标准，对软熔性的评价指标也不尽相同。一般以软化温度及软化区间、软熔带的透气性、熔融滴下物的性状作为评价指标，近年来我国在这方面也进行了大量研究工作。铁矿石还原软化熔融性能的测定过程如图2 3 所示，荷重软化透气性能测定过程如图2 - 4 所示。将试样放到石墨坩埚中，装料高度为1 0 0 m m ( 或7 0 m m ) ，将石墨活塞放入坩埚使试样表面封闭。然后把坩埚放入软化脯滴炉中，放入时的炉内温度应为室温左右。将传动杆和位移传感器与石墨活塞连接，按照2 k 咖m 2 的荷重在活塞上加砝码。将n 2 通入还原管，标态流量为5 l m i n 。l1 1 ”里月1 1 t ，黾川1 5 l m i n5 l r a i ni1 5 l r a i nii一_ _ ，一图2 - 3 还原软化一一熔融特性测定过程9中南大学硕士学位论文第二章系统下艺介绍及系统总体结构研究t 1 2 0 0 9 0 0 t v ： 1 0 c m i “n 2 流景为t v ： 1 3 0 0 ) 还原气氛下，铁矿石试样熔化成铁水并形成液滴滴落，对第一滴铁水滴落时的物料温度进行记录，即为熔滴开始温度。软熔层透气性：在试样加热过程中通入还原气体，测量试样上下表面的压力差作为评价铁矿石在软熔状态下透气性的依据。l o中南大学硕士学位论文第二章系统工艺介绍及系统总体结构研究2 2 测控系统总体研究2 2 1 系统工艺流程介绍铁矿石热念性能测控系统主要由煤气发生炉、气体处理系统、气体分析仪、还原试验炉、软化试验炉、熔滴试验炉、动力学试验炉及其相对应的控制系统组成，其工艺流程如附录所示。煤气发生炉的作用是产生还原炉、软化炉、熔滴炉、动力学炉等试验所需的还原气体。空气压缩机将空气鼓入煤气发生炉，高温下( 大约1 1 0 0 。) 空气与焦炭( 或木炭) 反应产生c o 气体。n 2 和c o 的混合气体经过气体处理装置，除去焦油和灰尘、干燥、之后才能通入炉内进行反应。气体分析仪用来测量煤气炉产生的气体中h 2 、c o 、c 0 2 、0 2 的含量。其它试验炉的作用在2 1 节已有介绍，这里不再重复。2 2 2 系统要求与总体框架图2 - 5 监控系统结构框图铁矿石热态性能测控系统，需要对现场的诸如温度、压力、流量、位移、气体成分等多种信号进行精确测量与控制，造成传感器和智能仪表的种类繁多，空中南大学硕士学位论文第二章系统工艺介绍及系统总体结构研究间分布范围大。现场环境电磁干扰严重，系统长期不问断运行，对设备可靠性要求高；多种型号和品牌的设备整合到一个系统中就必须要考虑系统兼容性、可靠性、不同格式和协议的信号处理等诸多问题。同时，系统还要求能够实时对数据进行分析，并根据生产过程工况变化实时地进行监测和控制，因此决定采用可靠性高、抗干扰能力强的p l c 作为控制系统主体，其上位机为工控机，构成铁矿石热态性能测控系统。铁矿石热态性能测控系统结构框图如图2 5 所示。工业过程控制是计算机的一个很重要的应用领域，也是一种不同于一般计算机应用的特殊领域，工控机正是为了满足这些需求而发展起来的。工控机能将工业生产的过程控制与管理调度相结合，从而使工业自动化在就地控制、集中控制的基础上，向综合自动化方向发展。工控机具有可靠性高，环境适应能力强，控制实时性高，完善的输入输出通道，丰富的软件，适当的计算机精度和运算速度等优点。虽然不具备开关量i o 功能，但可以通过安装扩展卡或p l c 作下位机实现。可编程控制器是系统的信息交换和控制中心，不仅有逻辑运算、条件控制、计时等控制功能，而且还能完成a d 转换，d a 转换、数据处理以及网络通讯等功能，因此它既可对开关量进行控制，又可对模拟量进行控制，是铁矿石热态性能测控系统的核心。2 2 3 测控系统网络设计工厂级网络用于将大型主机、小型机和工作站进行互联。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。工厂级网络通讯是面向管理层和决策层的，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 )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。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。另外，系统网络必须具有较好的扩展性和可维护性。系统采用三级测控网络结构：现场设备层、集中监控层和厂级管理层。现场设备层通过以太网串口服务器与集中监控层相连接，集中监控层与厂级远程监控层之间通过工业以太网连接。铁矿石热态性能测控系统网络结构如图2 6 所示。1 2中南大学硕士学位论文第二章系统工艺介绍及系统总体结构研究调节阀2 2 4 监控软件需求分析图2 - 6 系统测控网络结构图差压变送器电子天平铁矿石热态性能测控系统的监控软件设计是除系统硬件设计之外最复杂的工作，在课题开始之初进行细致而且高质量的需求分析是非常重要而又容易忽视的。软件需求分析的最终目的就在于通过深入细致的调查研究和反复深入地同用户交流信息分析硬件特点，尽可能全面、准确地了解用户的需求，尽早发现问题、解决问题，避免在软件设计中后期在功能上和结构上对软件设计进行较大地调整，引发设计混乱和延误进度。上位机监控软件通过工业以太网，与挂接在网络上的现场智能节点完成信息交换。根据系统特点和用户需求，上位机监控软件需要实现的主要功能如下：( 1 ) 实时采集现场仪表数据和p l c 输入状态，并将数据存入数据库；( 2 ) 准确直观地对各种数据和设备状态集中显示并绘制曲线；( 3 ) 在线分析数据，可生成试验结果报表并打印；( 4 ) 能够对现场的智能仪表进行实时控制；( 5 ) 能够实时控制下位机p l c 的相应操作；( 6 ) 完备的数据库管理功能，并且能够对用户实现权限分级；( 7 ) 监控软件还能够通过工业以太网把现场数据传送到厂级管理层。1 3中南大学硕士学位论文第二章系统工艺介绍及系统总体结构研究2 3 本章小结本章首先具体介绍了铁矿石热态性能测定方法，阐述了各实验的内涵与检测原理。从工艺流程、测控网络结构、上位机监控软件等几个方面分析了系统设计的原理和要求，提出了铁矿石热态性能测控系统的总体结构构成。本章的阐述和分析，为下一章课题的总体方案设计提供了依据。1 4中南大学硕士学位论文第三章铁矿石热态性能测控系统硬件设计第三章铁矿石热态性厶匕n ：m 、l ，i 控系统硬件设计铁矿石热态性能测控系统主要由炉温控制部分、气体处理部分、现场传感器与智能仪表信号采集部分以及上位机监控软件组成，本章详细地介绍了系统整体结构的设计。铁矿石热态性能测定试验过程中，煤气发生炉所产生还原气体中c 0 2 、0 2的含量必须低于标准规定的上限值。还原气体的成分控制是通过控制煤气发生炉的温度实现的，是整个系统的重点和难点。煤气发生炉温度控制是一个具有纯滞后、多变量耦合、时变、非线性等特性的过程。实现其智能控制，对于提高还原气体生成质量、减少电力消耗都具有非常重要的意义。本章后半部分详细地介绍煤气发生炉的生产工艺，并对此特殊的控制对象进行分析，进而得到煤气发生炉温度智能控制的基本思想及其整体结构的设计。3 1 测控系统的硬件分析和设计3 1 1 测控系统的组成在第二章功能分析的基础上，将该系统从结构和功能上划分为四个部分，硬件结构框图如图3 1 所示。土位t 控机i一一一壬：l|!璺查璺一一1f二二二至二二l一一一一一| 套稿下位p l c 及电气控制传感器和智能仪表图3 1 测控系统硬件结构框图1 5中南大学硕士学位论文第三章铁矿石热态性能测控系统硬件设计( 1 ) 上位工控机。工控机在系统中用于控制过程的实时监测，包括各种参数的显示与查询，实时曲线的显示，历史曲线的显示与查询，报警信息的显示与记录；修改与发送试验炉温度、c o 气体流量、配置n 2 气体流量、配置c 0 2 气体流量等工艺数据；发送命令给下位p l c ，进行电气动作的实时控制。( 2 ) 下位机p l c 及电气控制部分。可编程控制器用于系统的电气控制和熔滴信号采集。输入口输入主回路电气控制状态、电磁阀通断信号和熔滴信号并实时传送至上位机；接收上位机发送的电气动作命令，控制各电气柜电源和电磁阀动作。其中煤气发生炉的温度控制也是通过p l c 的模拟量控制模块实现的。( 3 ) 传感器和智能仪表。智能显示仪表精确采集现场多达几十个传感器的实时数据，并将模拟量转换成数字信号通过工业以太网发送至上位工控机。智能控制仪表与p l c 电气控制部分相结合完成还原炉、软化炉、熔滴炉、动力学炉的温度控制，并将控制参数通过工业以太网发送至上位工控机。( 4 ) 工业以太网。工业以太网将现场分布的智能仪表、p l c 、上位工控机、工作站组成网络，完成现场设备层、集中监控层、厂级管理层之间的数据传输。3 1 2 控制系统硬件配置及p l c 电气设计铁矿石热态性能测控系统采用分层控制和工业以太网相结合的控制方式。其中工控机、p l c 、智能仪表采用分层控制方式，p l c 、智能仪表和上位机之间通过工业以太网进行通信。系统结构采用一台研华工控机作为上位机，通过监控组态软件显示系统运行状态，发出控制命令并完成记录、存档和打印等消息处理。上位机通过a d a m 4 5 7 0 与p l c 通讯，p l c 向上位机传递设备的实时状态，接受并执行上位机的实时控制指令。同时，p l c 通过控制继电器、接触器、可控硅调压器、电磁阀等电气元件对现场设备实现控制。铁矿石热态性能测控系统采用了下列的硬件设备：( 1 ) 研华工控机i p c 6 10 h 一台，c p u 为p 42 8 g ，主板为p c a 6 0 0 6 l v ，51 2 m内存，8 0 g 硬盘，用来作上位机；( 2 ) 1 7 英寸a o c 7 1 2 s 液晶显示器一台，h p l 0 1 8 激光打印机一台；( 3 ) s i e m e n ss 7 2 0 0p l c 一套。根据现场所要检测和控制的点数，开关量输入通道数2 5 个，开关量输出通道数2 3 个，模拟量输入通道2 个，模拟量输出通道2 个。系统中p l c 的硬件配置如表3 1 所示，p l c 硬件资源分配及电气设计原理如图3 2 所示。1 6中南人学硕士学位论文第三章铁矿石热态性能测控系统硬件设计表3 1p l c 硬件配置一一k m 0 1 f + 2 c 1 一g n 0 0 )_ 1 m1 l 一g n o ( 1 )一0 0匣口空压机控制+ 2 a o )一l +m i罕斥帆k m 0 2一o，0c煤气炉k m l0 20 t 一固娣气炉控材一焉8 + j f 镕炉k m 24 -b - 软化炉k i m 3。0 j 3p l co 2回妊朦炉控制熔滴炉k m 4回软化炉控制”巾c + 。确 1 妒k m 50 50 2- i 卜奄d - 川0 6q -od + ok f ，雠气炉进c 0 2 j z 70 7扎o - -k f ，煤t 炉进空气j z 8芯b k f ! 冲却术j z 9：留回信_ 炉控翻匿占_ k f 爆气护放空j z l 0尽日动力学炉控卅巨j制c ol：t 珥气炉进c 0 7t , ：气炉进j 2制3气炉进空气翩c 0 24：回虾，冲却承折“进气j 5压原气体6焉o碌炉进气j ?6燃气炉敢空软化妒迸气j 8配制动力学炉进气j z 2 03 器=气炉进屿1* 用1熔滴炉净却水j 2 2 2k f i 随 n 2-1i e 制。0 2分析仪避气f ，o 还孽气佛 )l0 g 还曩妒避气蠢合气体垃空j z 2 3：，2 软化妒避气t 3 嬉一妒进气0_l0 3。动力学炉进气恚l用甲据_ 炉狰却木f , ? l l 台气体放空0 一2p l c 件资源分配与电气原理1 7妒中南大学硕士学位论文第三章铁矿石热态性能测控系统硬件设计3 1 3 数据采集及智能仪表应用铁矿石热态性能测控系统要求现场信号数据采集部分具备高精度、高可靠性和实时性，选择具有通讯功能的智能仪表才能满足设计要求【3 3 1 。现代智能仪表采用了大规模集成电路技术、微处理器技术、接口通信技术，利用嵌入式软件协调内部操作，使仪表具有智能化处理的功能，在完成输入信号的非线性处理，温度与压力的补偿，量程刻度标尺的变换，零点的漂移与修j 下，故障诊断等基础上，还可完成对工业过程的控制，使控制系统的功能及可靠性进一步增强1 3 4 1 。智能仪表可以通过键盘或网络接口接受命令和信号，并用来控制现场执行机构的运行，执行常规测量，对数据进行智能分析和处理，传送和显示测量数据，还可通过网络组成新型的、开放式的工业过程控制系统【3 5 1 ，这些是传统测量仪表难以做到的。智能仪器仪表具有如下特点：( 1 ) 通过传感器和变送器采集信号，按处理器的要求对电量或非电量进行转换；( 2 ) 通过智能接口与外界完成人机对话及与外部仪器设备对话，可以接入总线网络，甚至接入工业以太网1 3 6 1 。使用者可以借助面板上的键盘和