烧结配矿监控与信息管理系统的设计与研发.pdf

第3 3 卷第3 期 2 0 1 3 年0 6 月 矿冶工程 M ] I N I N GA N DM 哐T A L L U R G I C A LE N G I NE R I N G V 0 1 ．3 3 №3 J u n e2 0 1 3 烧结配矿监控与信息管理系统的设计与研发① 刘代飞1 ，李军2 ，石宪芳3 ，陆明珠4 1 ．长沙理工大学能源与动力工程学院，湖南长沙4 1 0 0 7 6 ；2 ．武汉钢铁股份有限公司烧结厂，湖北武汉4 3 0 0 8 0 ；3 ．中南大学信息科学与工程学院， 湖南长沙4 1 0 0 7 5 ；4 ．重庆钢铁股份有限公司 长寿 物运部料场作业区，重庆4 0 1 2 5 8 摘要为增强配矿烧结过程实时监控能力，提高配矿过程信息挖掘效率，构建了烧结配矿监控与信息管理系统。该系统由C ／S 模式的过程监控和B ／S 模式的配矿信息采集两大子系统组成。采用M o n g o D B 架构系统数据库，采用V C ”实现监控子系统的人机 交互界面、数据通讯接口、信息数据库、信息分析四大模块，采用E c l i p s eR A P 实现基于数据库的W e b 服务编程。系统具有多任务和 实时监控能力，信息采集功能强、适应性好，为烧结配矿监控和信息挖掘提供了一种有效的系统平台。 关键词烧结配矿；过程监控；信息管理；系统设计 中图分类号T F 3 2 5 ；T P 3 1 9 文献标识码A d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 - 6 0 9 9 ．2 0 1 3 ．0 3 ．0 2 2 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 3 0 3 0 0 8 3 0 4 D e s i g na n dD e v e l o p m e n to fM o n i t o r i n ga n dI n f o r m a t i o nM a n a g e m e n tS y s t e m f o rO r e P r o p o r t i o n i n gi nS i n t e r i n g L I UD a i f e i1 ，L IJ u n 2 ，S H IX i a n f a n 9 3 ，L UM i n g z h u 4 1 ．S c h o o lo fE n e r g ya n dP o w e rE n g i n e e r i n g ，C h a n g s h aU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，C h a n g s h a4 1 0 0 7 6 ， H u n a n ，C h i n a ；2 ．S i n t e rP l a n t ，W u h a nI r o na n dS t e e lC o m p a n yL i m i t e d ，W u h a n4 3 0 0 8 0 ，H u b e i ，C h i n a ；3 ．S c h o o lo f I n f o r m a t i o nS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，C e n t r a l S o u t hU n i v e r s i t y ， C h a n g s h a4 1 0 0 7 5 ，H u n a n ，C h i n a ；4 ．M a t e r i a l T r a n s p o r t a t i o nD e p a r t m e n t ，C h o n g q i n gI r o na n dS t e e lC o m p a n yL i m i t e d ，C h o n g q i n g4 0 1 2 5 8 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt oe n h a n c er e a l t i m em o n i t o r i n gp e r f o r m a n c ea n di m p r o v ei n f o r m a t i o ne f f i c i e n c y ，am o n i t o r i n ga n d i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mf o ro r ep r o p o r t i o n i n gi ns i n t e r i n gi se s t a b l i s h e d ，w h i c hc o n s i s t so fC ／Sm o d ep r o c e s s m o n i t o r i n ga n do r e p r o p o r t i o n i n gi n f o r m a t i o na c q u i s i t i o ns u b s y s t e m s ．W i t hd a t a b a s ee s t a b l i s h e db a s e do nM o n g o D B ， V C ”i sa d o p t e dt om o n i t o rf o u rm o d u l e so fs u b s y s t e mi n c l u d i n gh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n H C I ，d a t ac o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e ，i n f o r m a t i o nd a t a b a s ea n di n f o r m a t i o na n a l y s i s ，a n dE c l i p s eR A Pt e c h n i q u ei su s e dt or e a l i z eW e bs e r v i c e p r o g r a m m i n gb a s e do nd a t a b a s e ．T h i ss y s t e m ，b e i n gg o o da tm u l t i t a s k i n ga n dr e a l t i m em o n i t o r i n g ，a sw e l l 鹳i n f o r m a t i o n a c q u i s i t i o n ，w i t hm o r ea d a p t a b i l i t y ，p r o v i d e s a ne f f e c t i v ep l a t f o r mf o rO r e p r o p o r t i o n i n gm o n i t o r i n ga n di n f o r m a t i o n P m a n a g e m e n ti ns i n t e r i n gp r o c e s s ． K e yw o r d s o r ep r o p o r t i o n i n gi ns i n t e r i n g ；p r o c e s sm o n i t o r i n g ；i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ；s y s t e md e s i g n 烧结配矿是钢铁企业烧结生产中最为重要的工序 之一，其配矿任务完成的好坏直接决定了烧结矿质量 的优劣。在配矿过程中，必须深入了解和全面把握矿 种特性、配矿方案等因素对烧结产质量的影响。其中， 配矿烧结测试是探索配矿规律、获取烧结过程动态信 息的基本方法，也是开展烧结信息挖掘和推进技术储 备的重要手段，对烧结生产具重要意义以o 。现有烧 结测试系统的主要技术为一是新型烧结测试装置的 研发∞- 5 ] ；二是先进控制和管理系统软件的开发M ’7J 。 为了发挥烧结测试的信息挖掘和技术储备功能，必须 积极做好检测室和厂级两层的管理融合装置和信息 管理的技术优势，提升配矿特性挖掘能力；综合配矿测 试和烧结生产数据，增强配矿信息的管理能力。 从配矿信息管理的角度看，国内外现有的烧结检 测室大多为独立运作，呈信息孤岛之态∞，8J ，且配矿涉 及的信息具有多样性，应用常规关系数据库存在不足。 现有系统大多仅局限于配料的优化【9 。10 | ，缺乏整体配 矿烧结测试信息的综合管理、深入分析和挖掘。鉴于 ①收稿日期2 0 1 2 1 2 1 0 基金项目湖南省自然科学基金资助项目 1 1 J J 4 0 4 6 ；湖南省教育厅资助科研项目 1 1 C 0 0 2 5 作者简介刘代飞 1 9 7 7 一 ，男。湖南临武人，讲师，博士，研究领域为复杂工业过程建模、仿真优化与控制。 万方数据 矿冶工程 第3 3 卷 此，本文采用先进的计算机和信息技术设计了烧结配 矿监控和信息管理系统，开展测试过程的信息采集、监 控、分析和管理。目前C ／S 、B ／S 软件模式各有优缺 点1 1 ，关系数据库和N o S Q L 数据库也各有侧重u2 1 ，因 此系统架构过程须结合具体需求，扬长避短灵活应用 这些要素。本文根据钢铁企业典型烧结测试装置和过 程，详细分析了系统功能需求；依据烧结配矿测试监控 和信息管理的特点，开发了基于C ／S 的过程监控子系 统和基于B ／S 的配矿信息采集子系统，并采用M o n ． g o D B 组建系统数据库。架构的系统和研发的功能模 块为解决配矿信息孤岛提供了一种新的方案，系统的 应用将为配矿信息的收集、整理和挖掘、管理奠定坚实 的基础。 1 系统基本功能 烧结测试主要包括配料计算，小型化烧结，烧结矿 落下、转鼓、筛分、矿相等性能指标的检测。整个过程按 功能可划分为过程监控、信息处理、信息管理3 部分。 1 ．1 过程监控 工业烧结生产在烧结台车上进行，由布料器将混 合料 燃料、矿石和熔剂 装于台车上，通过主抽风机 在台车底部抽气形成负压，台车表层物料经点火器点 燃，在负压气流的引导下逐步实现台车上的混合料从 上往下烧结，整个过程伴随料层蓄热和矿石高温熔融， 是复杂的物理化学反应过程。实际生产过程必须对烧 结终点进行分析和判断，以实时调整烧结台车的运动 速度，保证烧结矿的产质量。检测室采用小型化的烧 结炉进行烧结，此时烧结参数对过程更为敏感。因此， 获得整个反应过程的动态信息对进一步分析和探索烧 结过程非常关键。过程关键参数主要有【l ’6J 点火温 度、煤气流量、煤气压力、空气流量、空气压力、烟气温 度、烟气流量、烟气压力、C O 含量、C O 含量、烧结料层 上、中、下三段温度。参数测点经传感器采集和信号变 送后，以数字信号送至微机进行信息处理。 1 ．2 信息处理 烧结测试信息处理包括3 部分一是烧结前的原 料处理，包括原料品种和化学成分的检测，混匀矿的配 料计算；二是烧结过程中的状态分析，如烧结终点的预 报；三是后期烧结矿化学成分等指标数据的分析，测试 分析报表的生成等。一个完整的烧结测试中，此三部 分内容缺一不可，否则不利于过程信息的挖掘和提取， 并会造成原料、人力、物力等资源不必要的浪费。 1 ．3 信息管理 目前很多企业的烧结测试信息没有融合到企业内 部信息网络中，为信息孤岛之势。在配矿信息交互、生 产管理等方面存在缺陷。为使配矿烧结测试更好地为 生产过程服务，必须依托企业内部网络构建烧结检测 室、烧结料场、烧结生产车间和烧结生产管理中心的信 息交互平台，提高信息的共享效率。 2 系统设计与实现 本文架构的烧结配矿监控与信息管理系统分为监 控子系统和信息采集子系统，如图1 所示。过程监控 子系统分服务端和客户端，信息采集子系统由服务器 和客户端两个模块组成。监控子系统的功能由人机交 互界面、数据通讯接口、烧结信息数据库、信息分析器 四个模块组成。其中烧结信息数据库是系统数据交互 中心，数据通讯接口实现过程数据采集，信息分析器实 现过程数据的分析和处理，人机交互界面实现关键参 数的输入和分析结果显示。 图1配矿烧结测试系统框架 万方数据 第3 期刘代飞等烧结配矿监控与信息管理系统的设计与研发 烧结测试的前、中、后期涉及众多环节，如成分化 验、粒度检测、矿相分析等，这些相关环节科室的地理 布局较为分散。考虑系统的适应性和实时性要求，本 文采用C ／S 模式架构监控子系统，通过V C ”实现子 系统的数据库和网络通讯编程 参见文献[ 1 3 ] 。 配矿信息的收集和管理涉及原料场、生产车间、厂 部调度室等多个部门，空间地理跨度更加大，信息收集 过程并不强调与烧结测试的实时性，因此配矿信息采 集子系统采用B ／S 模式架构，通过E c l i p s eR A P 开发 W E B 程序，实现配料信息在厂级相关部分进行网络发 布和信息交互。 2 ．1 过程监控子系统 2 ．1 ．1 数据通信接口数据通信接口是烧结测试过程 的S C A D A S u p e r v i s o r yC o n t r o lA n dD a t aA c q u i s i t i o n 中 的基础部分。根据烧结设备常用的检点配置，必须实 现两类信号的处理一是由A ／D 采集来的信号，如4 ～ 2 0m A 或0 1 0V 经A ／D 转换成数字信号；二是由一 体化仪表提供的总线数据，如M o d b u sR T U 协议数据。 本文采用V C ”实现数据采集通讯接口模块的编程。 利用采集卡匹配的动态库文件、串口通讯实现采集卡 和M o d b u sR T U 协议数据的打包和解析。 2 ．1 ．2 过程信息处理和显示监控子系统要求具有 实时监测、曲线分析、数据录入及计算等多任务，而烧 结信息分析器作为子系统核心，要实现与数据库和数 据文件的信息交互，如图2 所示。信息分析器的功能 有①烧结配料计算和原料化学成分验算；②混合料 粒度和烧结矿粒度组成的计算；③关键检测点的温 度、压力、流量、烟气成分的曲线显示和趋势分析； ④烧结指标计算，如烧结速度、烧结率、成品率、利用 系数、燃料消耗、平衡产量、平衡燃耗和平衡系数等； ⑤测试数据和打印报表生成。 烧结测试监控子系统 il 流程监视变化趋势 烧结计算 试 试试 关 温压流烟配 烧 烧 试 验 验 验键 度 力 量 气 料 结 结 验 条编时参曲曲曲曲计终 矿 报 件号间数线线线线算点 指 表 标 界面线程界面线程工作线程 ll 烧结信息分析器 l 甬一臣湫司一i 意南 图2 烧结测试监控子系统结构 烧结信息数据存储是过程监控子系统的重要内容， 考虑到烧结测试过程的特点，本系统采用s c h e m a f r e e 的N O S Q L 数据库M o n g o D B 来存储数据。M o n g o D B 是 一个基于分布式文件存储的数据库4 | ，它支持的数据 结构非常松散，适合于实验室经常变动和修改的实验 参数设置。同时它支持高效的二进制数据存储，包括 大型对象 如视频、图片等 ，能将烧结矿矿相图片信 息进行保存。与传统的S Q L 数据库相比，M o n g o D B 具 有很高的写入速度5 『，保证了监控子系统的实时性。 本文采用V C ”多线程技术建立流程监视和曲线 趋势两个界面线程，对烧结计算能根据处理任务需要 建立相应的工作线程，如图3 所示。子系统保证了监 控过程的实时性和多任务性，信息处理中的主要函数 为原料衡算多元线性方程求解，原料配料线性规划优 化，参数趋势曲线拟合和烧结终点判断。 参数数据信息数据库 流程信息 馒线数墒 板_ f 擞橱I M o n g o D B Il 流程监视IJ 曲线显示l l ●● 汹扇愿b离黼瓣黼分㈣ 趔塑彳 t1● I 调用函数． 调用 ．1 q Ⅲ缈￡一 信息添加线性规划配料 7 嫩斛包厂一 信息删除 烧结成分菝测 信息更新曲线趋势判断 信息查询曲线趋势判断 图3 监控程序的多任务处理 2 ．2 配矿信息采集子系统 B ／S 模式的配矿信息采集子系统中，客户端由浏 览器构成，服务器端由W e b 服务器和数据库构成。信 息交互操作时，用户通过浏览器向W e b 服务器发出请 求，W e b 服务器再与烧结测试数据库交互，并将信息 集反馈给用户。本文采用E c l i p s eR A P 实现配矿信息 采集子系统的编程。E c l i p s eR A P 是基于E c l i p s e 平台 的A J A X 框架。E c l i p s eR A P 采用O S G IB u n d l e 架构， O S G I 带来了规范化的模块划分，低耦合的模块问关 系，统一的模块开发方式，可动态插拔的模块管理 环境。 E c l i p s eR A P 通过J a v a 语言可以与M o n g o D B 数据 库进行通讯，将采集的配矿信息保存到烧结数据库。 配矿信息采集子系统由原料数据集、烧结数据集、烧结 矿指标集等B u n d l e 组成，如图4 所示。原料数据集主 要包括化学成分、粒度组成、常温和高温特性；烧结数 据集包括烧结状态、烧结性能、烧结参数、烟气成分；烧 结矿指标集包括混合料、矿相信息、烧结矿指标、综合 报表。 万方数据 矿冶工程第3 3 卷 配矿信息采集终端浏览器 化 学 成 分 W e b 页 雨压压 l 度l 温l 温 l 组I 特I 特 I 成l 性l 性 ．．1．．．．．．．．．J．．．．．．．．L 原料数据集 W e b 页 广厂厂 烧l 烧l 烧l 烟 结l 结l 结l 气 状l 性l 参l 成 态I 能I 数1 分 烧结数据集 W e b 页 孺 综 合 报 袁 烧结矿指标集 配矿信息采集服务器 瓣择巡型 勰詈 图4 配矿信息采集子系统 B u n d l e 架构方便以后的扩展。E c l i p s eR A P 可以 像开发普通的J A V A 本地界面程序一样，方便的开发 W E B 程序引。此外，考虑到与烧结配矿挖掘系统和 过程F L U E N T 数值模拟的信息交换需要7 ‘1 8J ，本系统 还提供了相应的数据接口。 2 ．3 系统的工业应用 本文构建开发的系统在多个烧结和配矿室中得到 应用，表1 是本系统与原有系统的操控对比情况，系统 在烧结信息和管理方面的主要优势如下 表l 系统性能分析 序号 项目 原有系统本文架构系统本系统特点 1 C ／S 模式的烧结测试监控子系统提升了系统的 适应性和灵活性；B ／S 模式的配矿信息采集子系统的构 建拓展了烧结测试的时空内涵，使传统、单一的测试数 据整理上升为在厂内大工序间开展配矿信息的收集。 2 系统人机交互功能友好，模块化结构提供了良 好的扩充性。V C ”程序保证了系统的实时性和信息 处理的多任务性，E c l i p s eR A P 使管理系统的架构和维 护更为容易，系统更加稳定、功能更加完善。 3 系统数据库采用M o n g o D B 组建，对烧结配矿 信息的多样性存储提供了机动灵活的数据平台。增强 了系统配矿信息管理能力，为后续的配矿信息深入挖 掘和分析奠定了坚实的基础。 系统可根据不同模块配置应用组态界面。图5 是 本系统在国内某烧结厂中的烧结杯设备平台上的组态 应用。该运行主界面包括烧结杯试验操作流程、参数 曲线动态显示和过程数据实时分析。系统于2 0 1 0 年 始投运至今，各项功能模块的测评表现良好，过程监控 和信息管理优势突出，系统运行稳定可靠。 羹辅霸■■■■窜鹭麓■秀雾叟孽■■碧饕蕈雳 m 二mm m ～ n口n●■●●}c6j，t 嚣 ’’磐’，⋯譬紫 囊孽释憎甓蓍擎荦畦肇冀晕饕摩譬襄孽馨襞虱拥 一 图5 系统运行的组态界面 3 结论 传统烧结测试的独立运作使得测试信息处理功能 单一、信息孤岛化严重，本文根据烧结测试中监控和配 矿信息处理的需求建构了烧结配矿测试监控和信息管 理系统。系统由过程监控子系统和配矿信息采集子系 统组成，C ／S 模式的监控子系统采用V C ”实现，B ／S 模式的配矿信息采集子系统采用E c l i p s eR A P 实现，系 统数据库采用M o n g o D B 组建。较之传统测试软件平 台，系统投运后运行稳定、信息交互优势突出。系统整 体设计方案合理、适应性强，提高了烧结操作效率，增 强了信息管理能力，是一个良好的烧结测试监控和配 矿信息管理应用平台。 参考文献 [ 1 ] 傅菊英，姜涛，朱德庆．烧结球团学[ M ] ．长沙中南工业大 学出版社，1 9 9 6 ． [ 2 ] 蒋大军．运用均匀设计实施烧结试验与参数寻优[ J ] ．中国冶 金，2 0 0 8 1 3 l 一3 6 ． [ 3 ]赵志星，潘 文，马泽军，等．热风烧结试验装置中国， c N 2 0 1 8 9 7 3 8 9 u [ P ] ．2 0 1 1 0 7 1 3 ． [ 4 ] 李贵阳，彭兆丰，刘晓明，等．利用微型烧结试验研究铁矿石烧 结性能的方法中国，C N l 0 2 2 1 3 6 5 9 A [ P ] ．2 0 1 1 1 0 1 2 ． [ 5 ] 严礼祥，施金良，李元廷，等．基于一体化全自动进口点火器和自 动监控技术的高性能烧结杯实验系统的研制[ D B ／C D ] ．中国知 网C N K I 国家科技成果数据库，2 0 1 0 ． 下转第8 9 页 万方数据 第3 期张风霞等粉煤灰加碱烧结过程的热力学分析 来石、石英和铝硅酸盐玻璃相。 由图3 可知，以碳酸钠为活化剂，在中温下烧结粉 煤灰，能快速分解其中的莫来石和铝硅酸盐，得到的烧 结产物N a A I S i O 。为活性更强的化合物，易溶于酸或 碱，为后续粉煤灰的有效利用提供了良好条件。因为 烧结反应时间不够，粉煤灰中还有少量的石英和莫来 石未能反应完全。实验结果与理论计算结果相吻合， 烧结主要产物均为N a A I S i O 。。 4 结论 1 对以N a 2 C O ，为活化剂的粉煤灰热分解过程进 行了热力学分析和计算。碳酸钠与粉煤灰中的A I 0 ， 2 S i 0 2 、S i 0 2 、A 1 2 0 3 发生交互反应，反应的吉布斯自由 能都随温度的升高而变负。当温度高于9 7 3K 时，各 反应的吉布斯自由能均为负值，反应可自发进行。 2 模拟粉煤灰与碳酸钠进行烧结反应，焙烧温度 8 5 0 ℃时，反应产物主要是N a A l S i 0 4 、N a 2 S i 0 3 、N a 2 0 m 2 0 1 和N 劬O F e 2 0 3 。 3 将粉煤灰与碳酸钠按质量比1 17 昆匀后，在 8 5 0 ℃下进行烧结，保温1h ，熟料X R D 分析结果表明 反应产物的主要物相为霞石 N a A l S i O 。 ，这与热力学 软件计算分析结果一致。 参考文献 [ 1 ]庆承松，升莲，宋传中．电厂粉煤灰的特征及其综合利用[ J ] ． 上接第8 6 页 [ 6 ]王海东，喻维纲，范晓慧．烧结试验实时监测系统的开发[ J ] ． 烧结球团，1 9 9 9 4 6 8 ． [ 7 ] 柏洪升，董立峰．基于P L C 的烧结监控系统的设计与实现[ J ] ． 软件，2 0 0 9 5 5 1 5 4 ． [ 8 ]W e n d o n gS ，B e t t i n g e rD 。S t r a k aG ，e ta 1 ．S i n t e rp l a n ta u t o m a t i o no n an e wl e v e l U n en o u v e U ee t a p ed a n sI ’a u t o m a t i s a t i o nd e si n s t a [ 1 a t i o n sd ’a g g l o m e r a t i o n [ J ] ．R e v u ed eM e t a l l u r g i e ，C a h i e r sD ’I n f o r - m a t i o n sT e c h n i q u e s ，2 0 0 1 ，9 8 1 1 “ - 9 9 9 1 0 0 8 ． [ 9 ]吴元修．分布式集散控制技术在烧结配料系统中的应用研究 [ J ] ．电子测量技术，2 0 0 7 9 1 8 0 1 8 3 ． [ 1 0 ] 王炜，陈畏林，贾斌，等．基于线性规划和神经网络的优化 烧结配料系统开发[ J ] ．烧结球团，2 0 0 6 1 2 7 3 0 ． [ 1 1 ] 张友生，陈松乔．C ／S 与B ／S 混合软件体系结构模型[ J ] ．计算 机工程与应用，2 0 0 2 2 3 1 3 8 1 4 0 ． [ 1 2 ] 陈超，王亮，闰浩文，等．一种基于N o S Q L 的地图瓦片数据 存储技术[ J ] ．测绘科学，2 0 1 3 1 1 4 2 1 4 3 ． 『1 3 ] D a iF e iL i u ，J a nL i ．AD e s i g na n dR e a l i z a t i o no fO r eS i n t e rD a t a 合肥工业大学学报，2 0 0 3 4 5 0 1 5 0 7 ． [ 2 ] A l l m m l l j ∞u mM ．Ar e v i e wo nt h eu t i l i z a t i o no ff l ya s h [ J ] ．P r o g r e s s i nE n e r g ya n dC o m b u s t i o nS c i e n c e ．2 0 1 0 ，3 6 3 2 7 3 6 3 ． [ 3 ] M a t h u rAK ．A s hu t i l i z a t i o ni nN T P C I C ] ∥P r o c e e d i n g so ft h ew o r k s h o po nf l ya s hu t i l i s a t i o n i s s u e sa n ds t r a t e g i e s ．2 0 0 0 4 1 4 5 ． [ 4 ] 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