工控自動化技術文摘：基於Rockwell自動化技術的豎爐焙燒過程綜合自動化係統

1 引言
      選礦生產是鋼鐵工業的基礎，雖然我國的鐵礦資源豐富，但大多為品位較低的赤鐵礦等難選礦石，其品位一般為33％左(zuo)右(you)，利(li)用(yong)常(chang)規(gui)的(de)磁(ci)選(xuan)方(fang)法(fa)難(nan)以(yi)從(cong)這(zhe)些(xie)原(yuan)料(liao)中(zhong)提(ti)取(qu)出(chu)高(gao)品(pin)位(wei)的(de)鐵(tie)質(zhi)成(cheng)分(fen)。為(wei)了(le)改(gai)善(shan)對(dui)弱(ruo)磁(ci)性(xing)赤(chi)鐵(tie)礦(kuang)礦(kuang)石(shi)的(de)分(fen)選(xuan)效(xiao)果(guo)，采(cai)用(yong)豎(shu)爐(lu)預(yu)先(xian)對(dui)礦(kuang)石(shi)進(jin)行(xing)高(gao)溫(wen)還(hai)原(yuan)磁(ci)化(hua)焙(bei)燒(shao)，使(shi)弱(ruo)磁(ci)性(xing)礦(kuang)物(wu)變(bian)成(cheng)強(qiang)磁(ci)性(xing)礦(kuang)物(wu)，然(ran)後(hou)再(zai)用(yong)磁(ci)選(xuan)方(fang)法(fa)既(ji)可(ke)以(yi)得(de)到(dao)鐵(tie)精(jing)礦(kuang)。於(yu)是(shi)，豎(shu)爐(lu)磁(ci)化(hua)焙(bei)燒(shao)過(guo)程(cheng)直(zhi)接(jie)關(guan)係(xi)到(dao)選(xuan)礦(kuang)的(de)金(jin)屬(shu)回(hui)收(shou)率(lv)與(yu)精(jing)礦(kuang)品(pin)味(wei)等(deng)生(sheng)產(chan)指(zhi)標(biao)。控(kong)製(zhi)好(hao)豎(shu)爐(lu)磁(ci)化(hua)焙(bei)燒(shao)過(guo)程(cheng)是(shi)提(ti)高(gao)選(xuan)礦(kuang)過(guo)程(cheng)金(jin)屬(shu)回(hui)收(shou)率(lv)與(yu)精(jing)礦(kuang)品(pin)味(wei)的(de)關(guan)鍵(jian)。

      豎爐是將弱磁性鐵礦石（主要成分Fe2O¬3）在加熱帶進行加熱，然後落入還原帶，在一定濃度還原劑、一定溫度下，使Fe2O¬3還原成強磁性的磁鐵礦Fe3O¬4的熱工設備，工藝過程俗稱磁化焙燒。豎爐於1926年世界始建。我國首次於1966年由鞍山黑色冶金礦山設計院設計豎爐[1]。

      shulubeishaoshiwoguomuqianchuliruocixingkuangwudeyouxiaotujingzhiyi。qishengchanxianzhuangshizidonghuachengdudi，shengchanchengbengao，ziyuanxiaohaoda，huanjingwuranyanzhong。shulubeishaoguochengjuyoujilifuza，duobianliangqiangouhe，guochengzhongbuquedingyinsuduo，cixuanguanhuishoulvdengguanjiangongyicanshunanyizaixianlianxuceliang。yincicaiyongchuantongdekongzhijiegounanyiduiqijinxingyouxiaodekongzhi。ouzhougangtiegongyejishufazhanzhinanzhichu：“對於降低生產成本、提高產品質量、減少環境汙染和資源消耗隻能通過全流程自動控製係統的優化設計來實現[2]”。采(cai)用(yong)計(ji)算(suan)機(ji)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)是(shi)對(dui)豎(shu)爐(lu)焙(bei)燒(shao)過(guo)程(cheng)實(shi)現(xian)成(cheng)功(gong)控(kong)製(zhi)的(de)關(guan)鍵(jian)，采(cai)用(yong)新(xin)的(de)合(he)適(shi)的(de)控(kong)製(zhi)結(jie)構(gou)的(de)過(guo)程(cheng)綜(zong)合(he)自(zi)動(dong)化(hua)係(xi)統(tong)是(shi)解(jie)決(jue)上(shang)述(shu)問(wen)題(ti)的(de)關(guan)鍵(jian)。文(wen)[3]提出了采用過程控製、過程優化、生產調度、企業管理和經濟決策五層結構的綜合自動化係統。文[4]提出了由過程穩定化、過程優化、過程管理三層結構組成的選礦生產過程自動化係統。文[5]提出了基於企業資源計劃（ERP）/製造執行係統（MES）/過程控製係統（PCS）三層結構的金礦企業綜合自動化係統，並成功應用於中國排山樓金礦，取得了顯著成效。

      本文結合某選礦廠的實際，針對豎爐焙燒過程的特點，采用智能優化、過程控製和過程管理三層結構的綜合自動化係統體係架構，提出了基於Rockwell自zi動dong化hua技ji術shu和he智zhi能neng控kong製zhi方fang法fa的de豎shu爐lu焙bei燒shao過guo程cheng綜zong合he自zi動dong化hua係xi統tong，並bing成cheng功gong應ying用yong於yu該gai選xuan礦kuang廠chang豎shu爐lu焙bei燒shao過guo程cheng，取qu得de了le顯xian著zhu的de成cheng效xiao，為wei選xuan礦kuang廠chang綜zong合he自zi動dong化hua係xi統tong[6]的成功實施奠定了基礎。

2 工藝描述
      豎爐的焙燒過程是將礦石在加熱帶加熱到700-800℃，然後通過自重落入還原帶，在一定濃度還原劑存在下，保持一定溫度（550-600℃），使鐵礦石的主要成分Fe2O¬3還原成強磁性的磁鐵礦Fe3O4。
      焙燒過程包括預熱，加熱，還原，冷卻等幾個環節，其中加熱、還原是主要的工藝過程。和豎爐有關的機電設備包括抽煙機、鼓風機、搬出機和排礦機等。爐膛上部是預熱帶，中部為加熱帶，下部為還原帶，爐膛中部有一狹窄的爐腰（寬1米），爐腰下部有導火孔，與爐兩側的燃燒室相通，燃燒室有煤氣燒嘴與加熱煤氣相連，並配一台鼓風機，一台抽煙機，爐底有兩個承重梁（即水箱梁）laizhituozhenggelubidezhongliang。zaihaiyuandaixiabudeludishangyoumeiqipenchuta，meigetayoudulideguandaoyuluwaihaiyuanmeiqizhuguanxiangjie。luzixiabuliangcegeyouyonglaipaichukuangzhayongdepaizhaloudou。luziliangcesheyoupaichubeishaochanpinyongdeliangtaigunshipaikuangji。meitaipaikuangjiyouliangjiepaikuanggunzucheng。gunshipaikuangjizhouzhongxinxianyixiaquanbuyanmeizaishuifengchishuizhong，shuifengchizhongsheyouliangtaidoushibanchuji，yonglaibanchuluzhongdebeishaokuang。weileyanchangchouyanjiyelundeshiyongshouming，sheyouliangtaixuanfengchuchenqi，yonglaijianshaofeiqizhongdefenchen，zhenggeluzishizaifuyaxiagongzuode。rutu1所示，主要過程描述如下：

給礦：原礦通過爐頂貯礦槽，經由下料口落入爐膛內。
預熱：當礦石進入預熱帶，在廢氣的預熱下，礦石的平均溫度一般為150-200℃。
加熱：礦石通過自重下落進入加熱帶，加熱煤氣與加熱空氣在燃燒室混合燃燒時放出的熱量通過對流、輻射以及傳導的方式使礦石溫度達到700-850℃。礦石溫度高低不僅取決於搬出的快慢，還取決於燃燒室內煤氣和空氣的配比，配比適當，煤氣燃燒充分。燃燒室溫度一般控製在1050-1150℃，其熱量由導火孔傳導給礦石。
還原：加熱礦石進入還原帶，在570℃左右時與供給的還原煤氣發生還原反應。
冷卻：焙燒礦進入水封池冷卻到400℃以下，必須保持水溫在40-45℃，否則，焙燒礦不能有效冷卻，礦石反而被氧化，達不到還原的目的。
搬出：搬出製度決定礦石在豎爐內焙燒的時間，為了保證焙燒質量，必須有一個合理的搬出製度，一般以一個周期的時間來表示。

      shulucaozuozhezhuyaoyijujingyanzhishijinxingpanduan，zaicijichushangjinxinggezhongshougongcaozuo，zidonghuachengdufeichangdi。jiashangshulubeishaoguochengzhongbaokuoduozhongneiwaiyinsudejiaochabianhua，buquedingxingpubian，shebeizhongduo，shidebeishaoguochengkongzhibiandefuzaqilai，biaoxianzairuxiajigefangmian：
      1) 過guo程cheng本ben身shen具ju有you多duo變bian量liang強qiang耦ou合he的de特te點dian，輸shu入ru輸shu出chu眾zhong多duo。輸shu入ru有you空kong氣qi量liang，加jia熱re煤mei氣qi量liang，還hai原yuan煤mei氣qi量liang等deng，輸shu出chu量liang有you燃ran燒shao室shi溫wen度du，加jia熱re帶dai溫wen度du，還hai原yuan帶dai溫wen度du等deng，任ren何he一yi個ge輸shu入ru的de變bian化hua都dou可ke能neng引yin起qi所suo有you的de輸shu出chu發fa生sheng波bo動dong；2）機理複雜，有物料的進出、熱量的傳遞，還有化學反應，難以對燃燒室的溫度對象建立準確的數學模型，使得基於模型的精確控製理論難以發揮其長處；3）不(bu)確(que)定(ding)性(xing)因(yin)素(su)多(duo)，如(ru)礦(kuang)石(shi)的(de)性(xing)質(zhi)改(gai)變(bian)，加(jia)熱(re)煤(mei)氣(qi)成(cheng)分(fen)的(de)波(bo)動(dong)以(yi)及(ji)操(cao)作(zuo)工(gong)水(shui)平(ping)參(can)差(cha)不(bu)齊(qi)等(deng)，這(zhe)些(xie)不(bu)確(que)定(ding)因(yin)素(su)均(jun)會(hui)影(ying)響(xiang)關(guan)鍵(jian)工(gong)藝(yi)參(can)數(shu)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)；4) 焙燒過程中往往伴隨著一些故障的發生，一旦操作不當，將會引發生產故障，影響生產的連續性和穩定性。

      以(yi)上(shang)說(shuo)明(ming)了(le)手(shou)工(gong)操(cao)作(zuo)的(de)局(ju)限(xian)性(xing)，同(tong)時(shi)說(shuo)明(ming)了(le)單(dan)一(yi)的(de)常(chang)規(gui)控(kong)製(zhi)理(li)論(lun)與(yu)技(ji)術(shu)難(nan)以(yi)實(shi)現(xian)豎(shu)爐(lu)焙(bei)燒(shao)複(fu)雜(za)的(de)控(kong)製(zhi)，難(nan)以(yi)達(da)到(dao)生(sheng)產(chan)過(guo)程(cheng)的(de)最(zui)終(zhong)需(xu)求(qiu)，如(ru)用(yong)戶(hu)對(dui)產(chan)品(pin)質(zhi)量(liang)的(de)期(qi)望(wang)等(deng)，究(jiu)其(qi)原(yuan)因(yin)是(shi)因(yin)為(wei)基(ji)礎(chu)回(hui)路(lu)控(kong)製(zhi)級(ji)難(nan)以(yi)找(zhao)到(dao)合(he)適(shi)的(de)設(she)定(ding)值(zhi)。如(ru)燃(ran)燒(shao)室(shi)溫(wen)度(du)、還原煤氣流量、搬(ban)出(chu)製(zhi)度(du)等(deng)，往(wang)往(wang)是(shi)由(you)操(cao)作(zuo)員(yuan)借(jie)助(zhu)於(yu)其(qi)積(ji)累(lei)的(de)經(jing)驗(yan)給(gei)出(chu)，帶(dai)有(you)主(zhu)觀(guan)性(xing)和(he)隨(sui)意(yi)性(xing)，使(shi)產(chan)品(pin)質(zhi)量(liang)及(ji)其(qi)它(ta)工(gong)藝(yi)指(zhi)標(biao)得(de)不(bu)到(dao)有(you)效(xiao)可(ke)靠(kao)的(de)保(bao)證(zheng)。如(ru)果(guo)不(bu)對(dui)設(she)備(bei)進(jin)行(xing)自(zi)動(dong)化(hua)係(xi)統(tong)的(de)改(gai)造(zao)，所(suo)帶(dai)來(lai)的(de)問(wen)題(ti)是(shi)：控kong製zhi精jing度du不bu高gao，浪lang費fei能neng源yuan，最zui終zhong的de產chan品pin質zhi量liang得de不bu到dao有you效xiao的de保bao障zhang。近jin年nian來lai，隨sui著zhe工gong廠chang自zi動dong化hua程cheng度du的de不bu斷duan提ti高gao以yi及ji先xian進jin控kong製zhi技ji術shu的de發fa展zhan，各ge企qi業ye越yue來lai越yue重zhong視shi工gong藝yi過guo程cheng的de自zi動dong控kong製zhi實shi現xian，這zhe樣yang不bu僅jin能neng提ti高gao控kong製zhi精jing度du，而er且qie節jie約yue了le能neng源yuan，使shi產chan品pin質zhi量liang得de到dao了le大da幅fu提ti高gao。

3 豎爐焙燒過程綜合自動化係統
      結合選礦廠豎爐焙燒過程的特點，采用智能優化、過程控製和過程管理三層結構的綜合自動化係統體係架構，提出了如圖2所示豎爐焙燒過程綜合自動化係統。

3.1 係統結構
      該係統有豎爐智能優化係統、豎爐過程控製係統、豎shu爐lu過guo程cheng管guan理li係xi統tong和he計ji算suan機ji支zhi撐cheng係xi統tong組zu成cheng。其qi中zhong，智zhi能neng優you化hua係xi統tong采cai用yong以yi綜zong合he生sheng產chan指zhi標biao為wei目mu標biao的de智zhi能neng優you化hua設she定ding技ji術shu，具ju有you燃ran燒shao室shi溫wen度du智zhi能neng優you化hua設she定ding模mo塊kuai、還原煤氣智能優化設定模塊和搬出製度智能優化設定模塊。

      過程控製係統采用EIC(Electric Instrument Computer)一體化計算機集散控製係統集成設計技術。其中基礎自動化係統具有回路控製模塊、邏輯控製模塊和關鍵工藝參數的監控模塊。

      過程管理係統采用綜合生產指標為目標的生產過程優化運行與優化管理技術，具有生產管理和係統管理兩部分。

計算機支撐係統有監控軟件、實(shi)時(shi)數(shu)據(ju)庫(ku)和(he)計(ji)算(suan)機(ji)網(wang)絡(luo)係(xi)統(tong)組(zu)成(cheng)，通(tong)過(guo)計(ji)算(suan)機(ji)支(zhi)撐(cheng)係(xi)統(tong)實(shi)現(xian)過(guo)程(cheng)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)和(he)過(guo)程(cheng)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)的(de)信(xin)息(xi)集(ji)成(cheng)，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)豎(shu)爐(lu)焙(bei)燒(shao)過(guo)程(cheng)的(de)綜(zong)合(he)自(zi)動(dong)化(hua)。

3.2 係統功能
      豎爐焙燒生產過程綜合自動化係統包括：智能優化係統、過程控製係統和過程管理係統(係統功能圖參見圖3)。豎爐智能優化係統根據生產指標要求，根據選礦廠製定的指標：磁選管回收率，由回路智能優化設定模型對豎爐焙燒過程的燃燒室溫度、haiyuanmeiqiliulianghebanchuzhidudengkongzhihuiludegeidingzhijinxingyouhuasheding，shixianbeishaoguochengdecixuanguanhuishoulvyouhuakongzhi，congerbaozhengxuankuangguochengzongheshengchanzhibiaodeyouhua。

      豎爐過程控製係統實現豎爐焙燒過程生產設備的啟動、停止等邏輯控製，如抽煙機、鼓風機、搬出機和排礦機等，具有設備安全保護功能，實現了生產工藝參數，如豎爐溫度（燃燒室、加熱帶、還原帶等）、壓力（加熱煤氣壓力、還原煤氣壓力、爐膛負壓等）、流量（煤氣、空氣等）的閉環控製。該係統通過上位機監控係統對設備運行狀態、關鍵工藝參數和趨勢曲線進行實時監控，從而保證生產過程的穩定運行。

豎爐過程管理包括生產管理和係統管理，對豎爐焙燒生產過程和綜合自動化係統進行管理。生產管理具有係統監測、故障診斷、設備管理、生產安全管理和係統通訊等功能。係統監測功能對數據進行采集、處理以及生產過程的監控；故障診斷功能對故障進行實時預測、jishifaxianshengchanguzhang。shebeiguanligongnengduishebeiguzhangjinxingbaojing，duishebeideweihujinxingguanli，duishebeiweixiujihuajinxingyuce，bangzhuzhidingweixiujihua，baozhengshebeideanquanyunxing。shengchananquanguanligongnengbaokuoshebeijiandeliansuobaohu，guanjiancaozuozhixingqianqueren，xianchangshebeiqitingqiandaling，yibaozhengshengchananquan。xitongtongxungongnengshixiangegekongzhizixitonghegejijisuanjiwangluozhijiandetongxun。caozuozhidaogongnengshixitonggenjucaijideshujuherengongshuru、設定信息判斷當前的生產狀況和操作條件，由基於案例推理的專家係統給出操作指導。係統管理具有係統安全管理、用(yong)戶(hu)管(guan)理(li)和(he)係(xi)統(tong)導(dao)航(hang)等(deng)功(gong)能(neng)。係(xi)統(tong)安(an)全(quan)管(guan)理(li)保(bao)證(zheng)係(xi)統(tong)不(bu)被(bei)惡(e)意(yi)破(po)壞(huai)和(he)記(ji)錄(lu)所(suo)發(fa)生(sheng)過(guo)的(de)事(shi)件(jian)和(he)所(suo)進(jin)行(xing)的(de)操(cao)作(zuo)，係(xi)統(tong)的(de)進(jin)入(ru)需(xu)要(yao)用(yong)戶(hu)和(he)密(mi)碼(ma)，同(tong)時(shi)對(dui)運(yun)行(xing)中(zhong)的(de)活(huo)動(dong)和(he)報(bao)警(jing)進(jin)行(xing)記(ji)錄(lu)。用(yong)戶(hu)管(guan)理(li)用(yong)來(lai)增(zeng)加(jia)和(he)刪(shan)除(chu)用(yong)戶(hu)，對(dui)用(yong)戶(hu)的(de)權(quan)限(xian)進(jin)行(xing)設(she)定(ding)和(he)用(yong)戶(hu)密(mi)碼(ma)進(jin)行(xing)修(xiu)改(gai)。係(xi)統(tong)導(dao)航(hang)實(shi)現(xian)係(xi)統(tong)內(nei)部(bu)導(dao)航(hang)功(gong)能(neng)，實(shi)現(xian)監(jian)控(kong)畫(hua)麵(mian)之(zhi)間(jian)的(de)切(qie)換(huan)和(he)各(ge)個(ge)子(zi)係(xi)統(tong)間(jian)的(de)切(qie)換(huan)。