贵冶闪速熔炼冶金数模控制系统的应用.pdf

3 8 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年2 期 D O I 1 0 ．3 9 6 9 l ／j ．i s s n ．1 0 0 7 - - 7 5 4 5 ．2 0 1 1 ．0 2 ．0 1 0 贵冶闪速熔炼冶金数模控制系统的应用 涂延安，刘建群 江西铜业集团股份有限公司贵溪冶炼厂计控车间，江西贵溪3 3 5 4 2 4 摘要简要叙述闪速熔炼冶金数学模型的发展和应用情况。重点描述在江铜贵溪冶炼厂的发展应用，系 统改造升级过程中的创新思考、安全机制等问题。 关键词闪速冶金控制数学模型；操作系统；网络；系统安全 中图分类号T F 8 1 1文献标识码B文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 { 2 0 1 1J 0 2 一0 0 3 8 一0 4 T h e A p p l i c a t i o no fC o n t r o lS y s t e mM o d e l i n gi nF l a s hS m e l t i n ga tG u i x iS m e l t e r T UY a n - a n ．L I UJ i a n q u n G u i mS m e l t e r ，J i a n g x iC o p p e rC o r p o r a t i o n ，G u i x iJ i a n g x i3 3 5 4 2 4 ，C h i n a A b s t r a c t A b s t r a c t T h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fn u m e r i c a lc o n t r o lm o d e l i n gi nF l a s hS m e l t i n gw e r e d e s c r i b e db r i e f l y ．I t sR D ，u p g r a d i n gw i t hs o m en e wt h i n k i n g ，s e c u r i t ym e c h a n i s ma n dp r a c t i c ea p p l i c a t i o na tG u i x iS m e l t e ro fJ i a n g x iC o p p e rC o r p o r a t i o nw e r ei n t r o d u c e d ． K e y w o r d s ．． N u m e r i c a lm o d e l i n go fF l a s hS m e l t i n g ；O p e r a t i n gs y s t e m ；N e t w o r k ；S y s t e ms a f e t y 闪速熔炼由许多非常复杂的化学反应过程组 成。从系统观点看，闪速熔炼是一个高温、多相反应 过程和多输人多输出的非线性系统，具有操作变量 多、变量间交互耦合效应复杂、各变量间具有强耦 合、时变、分布式参数和显著的不确定性等特点。对 闪速熔炼的数学模型和采用计算机对其在线控制的 系统研究一直是冶金和自动化专业工作者重视和关 注的问题。 1闪速熔炼冶金数学模型的发展 闪速炉作为一种新型火法冶金反应装备，其闪 速熔炼是一个连续的、变化复杂的冶金化学反应生 产过程。生产实践表明，在闪速炉人炉料量稳定不 变时，其产出的冰铜品位、冰铜温度和渣中铁硅比这 三大参数就是判断闪速炉熔炼过程是否稳定正常的 重要指标。只要稳定这三大指标，基本上就可保证 闪速炉熔炼的工况稳定和其后续工艺的稳定。由于 闪速熔炼工艺操作的复杂性、瞬态性和相关性，单靠 人工操作很难实现。借助计算机技术、自动化仪表 作者简介涂延安 1 9 6 9 - - ，男。江西安义人，工程师，学士． 技术和现代控制理论，就可以实现上述目标。 1 ．1 基于物料平衡和热量平衡计算的静态数学模 型 此模型由浅入深地分析闪速熔炼过程的不同炉 料成分、鼓风成分和温度、矿物燃料燃烧、冰铜品位、 渣成分控制及炉温、炉子热损失等影响的矩阵式。 这种模型的核心是基于物理学的物质守恒和能量守 恒原理，对闪速熔炼过程的主要环节采用4 个金属 平衡和2 个热平衡来实现控制。该模型的特点是 在对铜闪速熔炼热力学分析的基础上，基于物料平 衡和热量平衡的计算模式和实际生产的操作数据， 采用经典控制理论的前馈 反馈结合的控制方法， 通过计算机系统和自动化仪表实现对闪速炉熔炼过 程的实时在线闭环控制。 1 ．2 基于多相体系的热力学平衡计算的离线数学 模型 江西理工大学研究建立了铜闪速熔炼多相平衡 数学模型[ 1 ] ，并研发了具有自主知识产权的铜闪速 熔炼多相平衡仿真系统 M P E SV 1 ．O 。该模式的 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年2 期 3 9 特点是在对铜闪速熔炼热力学分析的基础上，基于 最小自由能原理，采用R a n d 算法，研究建立了铜闪 速熔炼多相平衡数学模型。数模能较好地反映铜闪 速熔炼过程，研究了铜闪速熔炼过程各工艺参数对 熔炼产物各相平衡组成的影响规律，可以输出熔剂 率、富氧浓度、吨矿氧量、温度与铜锍品位、渣含铜、 铜锍含F e 。o 。、渣含F e 。O 。等关系曲线，为进一步优 化工艺参数提供了理论依据和实践指导。 2贵冶闪速熔炼数模控制系统应用 贵冶现有2 座铜冶炼闪速炉系统 以下简称I 系统和I I 系统 ，其闪速熔炼计算机控制系统是以 日本东予式冶金数学模型为基础，进行优化而实现 的。 2 ．1 I 系统闪速熔炼数模控制系统 I 系统闪速熔炼冶金数模控制系统[ 2 ] 是随江西 铜业集团公司贵溪冶炼厂全套引进日本住友金属矿 山的闪速炉炼铜工艺同时引进的技术和装备。这套 控制系统采用由P D P I l ／3 4 A 小型计算机系统实现 的S C C 控制方式，采用D I 和A ／D 模件对过程仪表 的模拟变量和状态进行数字化处理，提供给冶金数 学模型应用软件进行计算，计算结果由D ／A 和D 0 模件转换后通过信号电缆输出到现场的E K 系列自 动化仪表，实现对生产过程实时监控。 2 ．1 ．1I 系统闪速熔炼数模控制系统架构图 图1 幽垄丝煎全墼} ；型廛旦i 壁 F O R T R A N 编泽系统 磁盘文件管理系统 宏i 厂编晤吉 R T D O S 操作系统 H O C 舢I P D P Ii ／3 4 A 垒 塑塑丝鱼f 输入／输出信号电缆专用通讯电缆 报表打印机l 脚场显示终i { { ；|E K 仪表接 图1I 系统闪速炉数模控制系统架构图 F i g ．1 T h es y s t e ma r c h i t e c t u r ec h a r to fc o m p u t e r c o n t r o ls y s t e mf o rt h ef i r s tF l a s hF u r n a c e 2 ．1 ．2 闪速炉数学模型控制方式 在闪速炉冶炼计算机过程控制系统的应用软件 中，冶金数学模型在对渣中铁硅比F e ／S i O 、冰铜 C u 品位、冰铜温度控制等采用了前馈反馈控制 技术[ 2 ] 。前馈反馈控制的综合输出 即为调节 变量的控制输出 到现场E K 系列仪表系统，实现对 现场执行机构的调控，从而对工艺参量控制。控制 流程如图2 所示。 I ．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．⋯．．．．⋯．．⋯⋯⋯．．⋯．．． 渣铁硅比测量 图2 闪速炉数学模型控制流程图 F i g ．2 T h ef l o wc h a r to fc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mf o rF l a s hF u r n a c e 1 9 9 4 年成功完成了对引进I 系统闪速熔炼数 模控制系统的技术改造。与引进的原系统比较，有 下列进步仍然采用小型计算机软、硬件系统，确保 系统软件和冶金数模控制应用软件的运行平台稳定 可靠；采用的数据库管理系统和F D D I 光纤网络技 术达到2 0 世纪9 0 年代初期的世界先进水平；控制 系统结构采用小型计算机服务器与工厂局域网络和 D C S 集散控制系统构成；冶金数模控制应用软件根 据t 厂的实际生产经验进行了修改、调整，实现控制 参数“贵冶化”；在这个平台上实现了管理信息系统 和过程控制系统一体化，扩大了计算机信息处理的 范围和实现资源共享的目标。改造后的系统架构见 万方数据 4 0 有色金属 Y a 炼部分 2 0 1 1 年2 期 图3 。 图3改造后的I 系统闪速炉数模控制 系统架构图 F i g ．3 T h es y s t e ma r c h i t e c t u r ec h a r to f c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mf o rf i r s tF l a s h F u r n a c ea f t e rr e c o n s t r u c t i o n 2 ．2I I 系统闪速熔炼数模控制系统 I I 系统闪速炉计算机在线优化控制系统[ 3 3 在原 有引进东予式冶金数模机理模型的基础上，结合新 闪速炉的生产工艺，采用了全新的设计方法、设计理 念和技术开发手段。在冶金计算模型方面和功能方 面都做了一些改进。其控制系统架构图见图4 ，应 用软件架构图见图5 。 闪速炉冶金数模控制应用软件 S U NS o l a r i sU N I X C 编稚浯言 O S IH 实时数据库系统 T C P ／I P 刚络协议．W e b 服务 S U NS o l a mU N I X 操作系统 S U NV 4 4 0 主机 硬件平台 T C P ，I PIT C P ，l P P C W e b 客户机lP c 显示终端 D C S 接U O P C 协i 义 图4I I 系统闪速炉数模控制系统架构图 F i g ．4 T h es y s t e ma r c h i t e c t u r ec h a r to fc o m p u t e r c o n t r o ls y s t e mf o rs e c o n dF l a s hF u r n a c e 黔’ 槲 测点维护报表管理报警实时艘示 ” 接入J 鬈 簸f i f e 人枕再蕊 操作画筒综合查询系统管理界面 鎏赛计翁纂jl 裳孽寸打靶j [ 与o c s 数据潺汛l与化验分析设l 数据颡处理i } 报襄餐理 s e r v e r 备的数据通讯l 泳铜品位．冰铜温艘在线控制| i 潼中F e ／S i 0 2 在线控制l 。核心她务璧 髟c 调整计算 ，反应塔热负- 楠计算。’产出冰钢定周期计算 。熟平衡计算模型l 基础计算模型l f 金属平衡计锋模型} 戚用友撑麒 霞进程管壬霆弱露索凌调度强貔极限管理豹 ∥／- | 二一j ～_ 一一、 卜Y L 譬敷’■ 一一一一一习 7 数据支撵艨 迁璺除司罔已翻副 艮街用支撑软体。 操作系统、双机离可用软件，实时数据库系统．．． 图5I I 系统闪速炉数模控制系统应用架构图 F i g ．5 T h ea p p l i c a t i o ns y s t e ma r c h i t e c t u r ec h a r to fc o m p u t e r c o n t r o ls y s t e mf o rs e c o n dF l a s hF u r n a c e 该系统采用全新的面向对象的设计方法进行重 新设计与构建，采用S u n 小型机 U N I X 操作系统 P I 实时数据库 W i n d o w s P C 机作为整个系统的 基础平台，充分结合了小型机安全、稳定、可靠、高效 的特点和W i n d o w s 操作方便、易维护、界面美观等 的特点。 闪速熔炼作为重有色金属 铜、镍、铅等 冶炼先 进技术已被世界各国认同，对其冶金数学模型控制 技术仍在继续研究中。对此我们在实践中也得到了 一些启示和体会 1 基于物料平衡和热量平衡计算的模式，是 一种静态模型，由于其模型中的变量元素在内部的 种类是根据以往的操作分析数据取得，相对固定。 因此当外部原料中元素发生较大变化时，对冶金数 模控制和操作会带来不利影响，需要对此加以研究； 2 冶金数模控制系统计算机平台的选择。闪 速炉是贵冶全厂产品生产线的龙头。它的工况直接 影响工厂产品的产量和质量。而作为其核心设备的 计算机冶金数模控制系统，它不但要在线完成对闪 速熔炼过程的控制，还要为操作人员提供实时生产 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年2 期 4 1 信息数据画面和操作界面，因此计算机平台的选择 就非常重要。在考虑闪速炉冶金数模控制系统的设 备选择方面，我们考虑选择小型计算机系统和 U N I X 或V M S 操作系统； 3 对于任何一个工业应用而言，可靠性、稳定 性仍是第一位的。小型机具有安全、稳定、可靠、高 效的特点；小型机的价格也有比较优势，按照性能／ 价格来考虑，也优于P C 服务器；P C 服务器由于其 体系结构与小型计算机存在很大不同，在硬件系统 管理上 特别是内存储管理和多任务、多进程中断／ 调用、任务优先级管理、实时任务调度方面 存在差 距，影响系统整体功能的实现；P C 服务器长期运行 的整体可靠性和稳定性均不如小型计算机系统； 4 闪速炉冶金数模控制系统是一个重要的应 用，应该做成一个专用系统。该应用是一个多任务、 多进程的系统，对操作系统有很多功能要求。而 U n i x 或O p e nV M S 操作系统都支持这种应用模 式。该产品是成熟的，可靠的，稳定的，而且有很多 开发工具和应用产品可供选择使用，与数据库系统 和微软W i n d o w s 操作系统有接口。因此系统设计 人员可以方便地开发出针对闪速炉计算机控制系统 的应用软件。 3结语 江铜贵溪冶炼厂I 系统闪速熔炼冶金数模控制 系统，自1 9 8 5 年引进投入在线运行到1 9 9 4 年1 0 月，其主机未出现过引起闪速炉停产的重大事故；而 自1 9 9 4 年对其改造更新后投入一直运行至今，未发 生引起闪速炉停产的重大事故。I I 系统闪速熔炼冶 金数模控制系统，采用S U NV 4 4 0 小型机系统平 台，于2 0 0 7 年8 月1 日与闪速炉熔炼系统同步投 运，截止到现在系统稳定、连续运行3 年。 参考文献 [ 1 ] 童长仁，吴卫国，周小雪，等．铜闪速熔炼多相平衡数模 的建立与应用[ J ] ．有色冶金设计与研究，2 0 0 6 ，2 7 6 ； 6 9 ． 1 - 2 ] 刘建群．小型计算机系统在贵冶生产及管理中的应用 I - J ] ．铜业工程，2 0 0 6 ，9 0 4 5 2 5 4 ． [ 3 3 马英奕，余齐汉，涂延安，等．江铜3 0 万吨闪速炉计算 机优化控制系统介绍及试生产实践[ C ] ．第1 2 届国际 闪速熔炼大会论文集，2 0 0 8 ． 万方数据