1  引  言

    選礦生產(chǎn)是鋼鐵工業(yè)的基礎(chǔ)，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％左右，利用常規(guī)的磁選方法難以從這些原料中提取出高品位的鐵質(zhì)成分。為了改善對(duì)弱磁性赤鐵礦礦石的分選效果，采用豎爐預(yù)先對(duì)礦石進(jìn)行高溫還原磁化焙燒，使弱磁性礦物變成強(qiáng)磁性礦物，然后再用磁選方法既可以得到鐵精礦。于是，豎爐磁化焙燒過程直接關(guān)系到選礦的金屬回收率與精礦品味等生產(chǎn)指標(biāo)。控制好豎爐磁化焙燒過程是提高選礦過程金屬回收率與精礦品味的關(guān)鍵。

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

    豎爐焙燒是我國目前處理弱磁性礦物的有效途徑之一。其生產(chǎn)現(xiàn)狀是自動(dòng)化程度低，生產(chǎn)成本高，資源消耗大，環(huán)境污染嚴(yán)重。豎爐焙燒過程具有機(jī)理復(fù)雜，多變量強(qiáng)耦合，過程中不確定因素多，磁選管回收率等關(guān)鍵工藝參數(shù)難以在線連續(xù)測量。因此采用傳統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)難以對(duì)其進(jìn)行有效的控制。歐洲鋼鐵工業(yè)技術(shù)發(fā)展指南指出：“對(duì)于降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少環(huán)境污染和資源消耗只能通過全流程自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)[2]”。采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是對(duì)豎爐焙燒過程實(shí)現(xiàn)成功控制的關(guān)鍵，采用新的合適的控制結(jié)構(gòu)的過程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是解決上述問題的關(guān)鍵。文[3]提出了采用過程控制、過程優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度、企業(yè)管理和經(jīng)濟(jì)決策五層結(jié)構(gòu)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。文[4]提出了由過程穩(wěn)定化、過程優(yōu)化、過程管理三層結(jié)構(gòu)組成的選礦生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)。文[5]提出了基于企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）/制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）/過程控制系統(tǒng)（PCS）三層結(jié)構(gòu)的金礦企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于中國排山樓金礦，取得了顯著成效。

    本文結(jié)合某選礦廠的實(shí)際，針對(duì)豎爐焙燒過程的特點(diǎn)，采用智能優(yōu)化、過程控制和過程管理三層結(jié)構(gòu)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)體系架構(gòu)，提出了基于Rockwell自動(dòng)化技術(shù)和智能控制方法的豎爐焙燒過程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于該選礦廠豎爐焙燒過程，取得了顯著的成效，為選礦廠綜合自動(dòng)化系統(tǒng)[6]的成功實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。

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℃，然后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(qiáng)磁性的磁鐵礦Fe3O4。
焙燒過程包括預(yù)熱，加熱，還原，冷卻等幾個(gè)環(huán)節(jié)，其中加熱、還原是主要的工藝過程。和豎爐有關(guān)的機(jī)電設(shè)備包括抽煙機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、搬出機(jī)和排礦機(jī)等。爐膛上部是預(yù)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(dǎo)火孔，與爐兩側(cè)的燃燒室相通，燃燒室有煤氣燒嘴與加熱煤氣相連，并配一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，一臺(tái)抽煙機(jī)，爐底有兩個(gè)承重梁（即水箱梁）來支托整個(gè)爐壁的重量。在還原帶下部的爐底上有煤氣噴出塔，每個(gè)塔有獨(dú)立的管道與爐外還原煤氣主管相接。爐子下部兩側(cè)各有用來排出礦渣用的排渣漏斗。爐子兩側(cè)設(shè)有排出焙燒產(chǎn)品用的兩臺(tái)輥式排礦機(jī)。每臺(tái)排礦機(jī)有兩節(jié)排礦輥組成。輥式排礦機(jī)軸中心線以下全部淹沒在水封池水中，水封池中設(shè)有兩臺(tái)斗式搬出機(jī)，用來搬出爐中的焙燒礦。為了延長抽煙機(jī)葉輪的使用壽命，設(shè)有兩臺(tái)旋風(fēng)除塵器，用來減少廢氣中的粉塵，整個(gè)爐子是在負(fù)壓下工作的。如圖1所示，主要過程描述如下：

    給礦：原礦通過爐頂貯礦槽，經(jīng)由下料口落入爐膛內(nèi)。                                               

    預(yù)熱：當(dāng)?shù)V石進(jìn)入預(yù)熱帶，在廢氣的預(yù)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(jìn)入加熱帶，加熱煤氣與加熱空氣在燃燒室混合燃燒時(shí)放出的熱量通過對(duì)流、輻射以及傳導(dǎo)的方式使礦石溫度達(dá)到700-850℃。礦石溫度高低不僅取決于搬出的快慢，還取決于燃燒室內(nèi)煤氣和空氣的配比，配比適當(dāng)，煤氣燃燒充分。燃燒室溫度一般控制在1050-1150℃，其熱量由導(dǎo)火孔傳導(dǎo)給礦石。

    還原：加熱礦石進(jìn)入還原帶，在570℃左右時(shí)與供給的還原煤氣發(fā)生還原反應(yīng)。
冷卻：焙燒礦進(jìn)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(dá)不到還原的目的。

    搬出：搬出制度決定礦石在豎爐內(nèi)焙燒的時(shí)間，為了保證焙燒質(zhì)量，必須有一個(gè)合理的搬出制度，一般以一個(gè)周期的時(shí)間來表示。

    豎爐操作者主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行判斷，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行各種手工操作，自動(dòng)化程度非常低。加上豎爐焙燒過程中包括多種內(nèi)外因素的交叉變化，不確定性普遍，設(shè)備眾多，使得焙燒過程控制變得復(fù)雜起來，表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

    1) 過程本身具有多變量強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，輸入輸出眾多。輸入有空氣量，加熱煤氣量，還原煤氣量等，輸出量有燃燒室溫度，加熱帶溫度，還原帶溫度等，任何一個(gè)輸入的變化都可能引起所有的輸出發(fā)生波動(dòng)；2）機(jī)理復(fù)雜，有物料的進(jìn)出、熱量的傳遞，還有化學(xué)反應(yīng)，難以對(duì)燃燒室的溫度對(duì)象建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，使得基于模型的精確控制理論難以發(fā)揮其長處；3）不確定性因素多，如礦石的性質(zhì)改變，加熱煤氣成分的波動(dòng)以及操作工水平參差不齊等，這些不確定因素均會(huì)影響關(guān)鍵工藝參數(shù)的穩(wěn)定性；4) 焙燒過程中往往伴隨著一些故障的發(fā)生，一旦操作不當(dāng)，將會(huì)引發(fā)生產(chǎn)故障，影響生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。 

    以上說明了手工操作的局限性，同時(shí)說明了單一的常規(guī)控制理論與技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)豎爐焙燒復(fù)雜的控制，難以達(dá)到生產(chǎn)過程的最終需求，如用戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的期望等，究其原因是因?yàn)榛A(chǔ)回路控制級(jí)難以找到合適的設(shè)定值。如燃燒室溫度、還原煤氣流量、搬出制度等，往往是由操作員借助于其積累的經(jīng)驗(yàn)給出，帶有主觀性和隨意性，使產(chǎn)品質(zhì)量及其它工藝指標(biāo)得不到有效可靠的保證。如果不對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化系統(tǒng)的改造，所帶來的問題是：控制精度不高，浪費(fèi)能源，最終的產(chǎn)品質(zhì)量得不到有效的保障。近年來，隨著工廠自動(dòng)化程度的不斷提高以及先進(jìn)控制技術(shù)的發(fā)展，各企業(yè)越來越重視工藝過程的自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)，這樣不僅能提高控制精度，而且節(jié)約了能源，使產(chǎn)品質(zhì)量得到了大幅提高。

3  豎爐焙燒過程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

    結(jié)合選礦廠豎爐焙燒過程的特點(diǎn)，采用智能優(yōu)化、過程控制和過程管理三層結(jié)構(gòu)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)體系架構(gòu)，提出了如圖2所示豎爐焙燒過程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。

    3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)                                                                                            

    該系統(tǒng)有豎爐智能優(yōu)化系統(tǒng)、豎爐過程控制系統(tǒng)、豎爐過程管理系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)支撐系統(tǒng)組成。其中，智能優(yōu)化系統(tǒng)采用以綜合生產(chǎn)指標(biāo)為目標(biāo)的智能優(yōu)化設(shè)定技術(shù)，具有燃燒室溫度智能優(yōu)化設(shè)定模塊、還原煤氣智能優(yōu)化設(shè)定模塊和搬出制度智能優(yōu)化設(shè)定模塊。

    過程控制系統(tǒng)采用EIC(Electric Instrument Computer)一體化計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)技術(shù)。其中基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)具有回路控制模塊、邏輯控制模塊和關(guān)鍵工藝參數(shù)的監(jiān)控模塊。

    過程管理系統(tǒng)采用綜合生產(chǎn)指標(biāo)為目標(biāo)的生產(chǎn)過程優(yōu)化運(yùn)行與優(yōu)化管理技術(shù)，具有生產(chǎn)管理和系統(tǒng)管理兩部分。
計(jì)算機(jī)支撐系統(tǒng)有監(jiān)控軟件、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成，通過計(jì)算機(jī)支撐系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程控制系統(tǒng)和過程管理系統(tǒng)的信息集成，從而實(shí)現(xiàn)豎爐焙燒過程的綜合自動(dòng)化。

    3.2  系統(tǒng)功能

    豎爐焙燒生產(chǎn)過程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)包括：智能優(yōu)化系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)和過程管理系統(tǒng)(系統(tǒng)功能圖參見圖3)。豎爐智能優(yōu)化系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)指標(biāo)要求，根據(jù)選礦廠制定的指標(biāo)：磁選管回收率，由回路智能優(yōu)化設(shè)定模型對(duì)豎爐焙燒過程的燃燒室溫度、還原煤氣流量和搬出制度等控制回路的給定值進(jìn)行優(yōu)化設(shè)定，實(shí)現(xiàn)焙燒過程的磁選管回收率優(yōu)化控制，從而保證選礦過程綜合生產(chǎn)指標(biāo)的優(yōu)化。

    豎爐過程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)豎爐焙燒過程生產(chǎn)設(shè)備的啟動(dòng)、停止等邏輯控制，如抽煙機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、搬出機(jī)和排礦機(jī)等，具有設(shè)備安全保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)工藝參數(shù)，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(fù)壓等）、流量（煤氣、空氣等）的閉環(huán)控制。該系統(tǒng)通過上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、關(guān)鍵工藝參數(shù)和趨勢曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定運(yùn)行。

    豎爐過程管理包括生產(chǎn)管理和系統(tǒng)管理，對(duì)豎爐焙燒生產(chǎn)過程和綜合自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行管理。生產(chǎn)管理具有系統(tǒng)監(jiān)測、故障診斷、設(shè)備管理、生產(chǎn)安全管理和系統(tǒng)通訊等功能。系統(tǒng)監(jiān)測功能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理以及生產(chǎn)過程的監(jiān)控；故障診斷功能對(duì)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測、及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)故障。設(shè)備管理功能對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行報(bào)警，對(duì)設(shè)備的維護(hù)進(jìn)行管理，對(duì)設(shè)備維修計(jì)劃進(jìn)行預(yù)測，幫助制定維修計(jì)劃，保證設(shè)備的安全運(yùn)行。生產(chǎn)安全管理功能包括設(shè)備間的連鎖保護(hù)，關(guān)鍵操作執(zhí)行前確認(rèn)，現(xiàn)場設(shè)備起停前打鈴，以保證生產(chǎn)安全。系統(tǒng)通訊功能實(shí)現(xiàn)各個(gè)控制子系統(tǒng)和各級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間的通訊。操作指導(dǎo)功能是系統(tǒng)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)和人工輸入、設(shè)定信息判斷當(dāng)前的生產(chǎn)狀況和操作條件，由基于案例推理的專家系統(tǒng)給出操作指導(dǎo)。系統(tǒng)管理具有系統(tǒng)安全管理、用戶管理和系統(tǒng)導(dǎo)航等功能。系統(tǒng)安全管理保證系統(tǒng)不被惡意破壞和記錄所發(fā)生過的事件和所進(jìn)行的操作，系統(tǒng)的進(jìn)入需要用戶和密碼，同時(shí)對(duì)運(yùn)行中的活動(dòng)和報(bào)警進(jìn)行記錄。用戶管理用來增加和刪除用戶，對(duì)用戶的權(quán)限進(jìn)行設(shè)定和用戶密碼進(jìn)行修改。系統(tǒng)導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部導(dǎo)航功能，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控畫面之間的切換和各個(gè)子系統(tǒng)間的切換。

    通過監(jiān)控軟件提供的強(qiáng)大組態(tài)功能、先進(jìn)的OPC接口功能以及DDE數(shù)據(jù)交換功能，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的支持，編制了控制及智能優(yōu)化設(shè)定軟件，將豎爐焙燒生產(chǎn)過程的控制、優(yōu)化和管理集成，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程管理和過程控制的一體化，從而保證豎爐焙燒生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制、優(yōu)化運(yùn)行和優(yōu)化管理。

    3.3 控制策略

    由于豎爐焙燒過程具有多變量強(qiáng)耦合、強(qiáng)非線性，磁選管回收率等關(guān)鍵工藝參數(shù)不能連續(xù)在線測量，而且，難以用控制回路的輸入與輸出的解析式子來表示。因此，難以采用常規(guī)的優(yōu)化控制方法進(jìn)行優(yōu)化控制。本文采用圖4所示的智能優(yōu)化控制技術(shù)，通過兩層結(jié)構(gòu)：回路控制層和回路優(yōu)化設(shè)定層來實(shí)現(xiàn)豎爐焙燒過程的優(yōu)化控制。

    智能優(yōu)化系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)值為磁選管回收率設(shè)定值，該系統(tǒng)通過燃燒室溫度、還原煤氣流量和搬出制度的智能優(yōu)化設(shè)定模型產(chǎn)生豎爐焙燒過程的溫度、流量等控制回路和搬出制度的優(yōu)化設(shè)定值，通過回路反饋控制使焙燒生產(chǎn)過程的溫度、流量等穩(wěn)定跟隨優(yōu)化設(shè)定值。利用焙燒過程的輸入、輸出量，通過智能預(yù)報(bào)模型[7]，產(chǎn)生磁選管回收率預(yù)報(bào)值，并與磁選管回收率的目標(biāo)值進(jìn)行比較，產(chǎn)生的誤差經(jīng)過前饋補(bǔ)償來校正回路優(yōu)化設(shè)定值，并通過化驗(yàn)過程產(chǎn)生的磁選管回收率的化驗(yàn)值與磁選管回收率的目標(biāo)值進(jìn)行反饋校正回路設(shè)定值，通過回路控制使豎爐焙燒過程實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。

    還原煤氣流量Y2控制原理如圖6所示，采用參數(shù)自整定PID控制器實(shí)現(xiàn)還原煤氣流量的快速、穩(wěn)定化控制。    

    優(yōu)化設(shè)定模型給出搬出制度Y3的設(shè)定值后，由軟件實(shí)現(xiàn)搬出電機(jī)的定時(shí)啟停，達(dá)到電機(jī)按規(guī)定動(dòng)作而將焙燒礦搬出還原帶的目的，保證焙燒礦不發(fā)生“過還原”或“欠還原”的現(xiàn)象，使其質(zhì)量得到保障。搬出制度的一個(gè)控制時(shí)序如圖7所示。其中，S11表示第1臺(tái)搬出機(jī)在第1個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)行時(shí)間，S12表示第2臺(tái)搬出機(jī)在第1個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)行時(shí)間，T1表示搬出機(jī)在第一個(gè)周期內(nèi)的停止時(shí)間。搬出制度即1個(gè)周期為S11、2T1、S12之和。

4  系統(tǒng)實(shí)施及應(yīng)用效果                                                                                                                       

    某選礦廠年處理鐵礦石500萬噸，礦石含鐵品位33%。全廠用于礦石焙燒的豎爐22座。豎爐焙燒生產(chǎn)過程基本采用人工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作，用人眼看火孔觀察火焰的顏色來估計(jì)燃燒室和還原帶的溫度，然后，手動(dòng)關(guān)小或開大閥門來調(diào)節(jié)溫度；觀察焙燒礦的顏色來判斷焙燒質(zhì)量，然后，更改搬出制度和燃燒室溫度來控制焙燒礦的質(zhì)量。有關(guān)的電機(jī)設(shè)備都是在現(xiàn)場操作箱進(jìn)行起停控制。造成生產(chǎn)人員多，效率低，成本高，消耗大。豎爐區(qū)溫度高，霧氣大，工人的工作環(huán)境差，勞動(dòng)強(qiáng)度大。結(jié)合該選礦廠豎爐焙燒生產(chǎn)過程的實(shí)際采用本文提出的方法，實(shí)施了豎爐焙燒過程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。

4.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

    系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，如圖8所示。模型機(jī)（5臺(tái)）及監(jiān)控計(jì)算機(jī)（6臺(tái)）均為DELL公司PC機(jī)，操作系統(tǒng)為Windows2000。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用美國Rockwell公司ControlLogix系統(tǒng)，包括CPU模塊，電源模塊，開關(guān)量輸入輸出模塊，模擬量輸入輸出模塊，控制網(wǎng)(ControlNet)通訊模塊，設(shè)備網(wǎng)(DeviceNet)通訊模塊等。控制網(wǎng)與設(shè)備網(wǎng)之間通過控制網(wǎng)(ControlNet)通訊模塊進(jìn)行通訊，模型機(jī)和控制站的通訊通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，智能優(yōu)化程序?qū)⒂?jì)算結(jié)果通過以太網(wǎng)傳至各控制站。監(jiān)控機(jī)直接通過控制網(wǎng)與PLC進(jìn)行通訊。

    控制站由1-11#豎爐控制站、一個(gè)豎爐測溫遠(yuǎn)程站等共12個(gè)控制站組成，12個(gè)站總共有14個(gè)機(jī)架（11個(gè)本地站，每個(gè)站

1個(gè)機(jī)架；1個(gè)遠(yuǎn)程站，共3個(gè)機(jī)架）。1-11#控制站分別負(fù)責(zé)兩臺(tái)豎爐的控制，每個(gè)站對(duì)應(yīng)1臺(tái)控制柜，安放在中央控制室；豎爐遠(yuǎn)程控制站實(shí)現(xiàn)對(duì)22臺(tái)豎爐燃燒室溫度、還原帶溫度及加熱帶溫度的檢測。各控制站通過設(shè)備網(wǎng)(DeviceNet)實(shí)現(xiàn)對(duì)22座豎爐所有變頻器的狀態(tài)監(jiān)測與頻率設(shè)定，以實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速。1-11#控制站的各處理器通過冗余的ControlNet網(wǎng)，以Producer/Consumer的通信模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)開放。

4.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

    整個(gè)控制系統(tǒng)所使用的軟件均為美國Rockwell公司的配套產(chǎn)品：RSLogix5000、RSLink、RSNetWorx、RSView32等。監(jiān)控計(jì)算機(jī)配有RSLogix5000、RSLink、RSNetWorx、RSView32應(yīng)用軟件，使用Microsoft Windows2000操作環(huán)境，編程軟件由RSLogix5000和RSView兩部分組成，其中RSLogix5000為PLC軟件開發(fā)環(huán)境，RSView為監(jiān)控畫面及模型機(jī)開發(fā)環(huán)境，RSLink、RSNetWorx為網(wǎng)絡(luò)組態(tài)軟件。

    各控制站的控制程序的開發(fā)基于RSLogix5000軟件[8]，ControlLogix系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系是一個(gè)技術(shù)先進(jìn)的控制平臺(tái)，它集成了多種控制功能：順序控制，過程控制，運(yùn)動(dòng)控制等。ControlLogix系統(tǒng)是模塊化的，用戶可以根據(jù)其具體應(yīng)用來選擇合適的內(nèi)存量、控制器個(gè)數(shù)和網(wǎng)絡(luò)類型。這種柔性結(jié)構(gòu)允許用戶在同一個(gè)機(jī)架內(nèi)使用多個(gè)控制器、網(wǎng)絡(luò)通訊及I/O模塊。用戶能在多個(gè)控制器之間分配資源和劃分任務(wù)。ControlLogix數(shù)據(jù)傳輸總線利用Producer/Consumer技術(shù)為用戶提供一種高性能的、具有確定性的分布式方案。通過通訊接口模塊可以實(shí)現(xiàn)ControlLogix與計(jì)算機(jī)、分布式處理器和分布式I/O的互連。它們可以共享連接到通訊接口模塊上的任何EtherNet， ControlNet或DH+鏈路。

    在每個(gè)站的控制程序中，主要包括一個(gè)連續(xù)任務(wù)和一個(gè)周期性任務(wù)，其中連續(xù)任務(wù)下有1個(gè)主程序，主程序下有一個(gè)主例程(Main Routine)，主例程實(shí)現(xiàn)各設(shè)備的啟停以及搬出機(jī)的自動(dòng)搬出控制，主例程有幾個(gè)子例程，包括故障處理子例程、電機(jī)故障子例程，信號(hào)處理子例程，溫度處理子例程，數(shù)據(jù)處理子例程，搬出機(jī)電流處理子例程等等。周期性任務(wù)下有有1個(gè)主程序(Loop Program)，主程序下有1個(gè)主例程(PIDLOOP)和一個(gè)子例程(PIDDataProcess)，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)站的溫度、流量控制回路的數(shù)據(jù)處理及閉環(huán)控制。

    控制網(wǎng)與設(shè)備網(wǎng)通過應(yīng)用軟件RSLink和RSNetWorx進(jìn)行組態(tài)[9-11]，在組態(tài)的過程中可以設(shè)定通訊節(jié)點(diǎn)，以便于網(wǎng)絡(luò)資源分配，可以設(shè)定網(wǎng)絡(luò)更新時(shí)間(NUT)等等。在RSLink中組態(tài)OPC接點(diǎn)后，就可以使PLC和監(jiān)控機(jī)兩者經(jīng)過組態(tài)的OPC接點(diǎn)進(jìn)行通訊聯(lián)系，彼此交換數(shù)據(jù)與信息。

    RSView32是一個(gè)功能強(qiáng)大的控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件[12]，可以按用戶的要求編制監(jiān)控程序及友好的操作界面。基于RSView32的VBA軟件類似于VB，可以編制復(fù)雜的計(jì)算處理程序，智能優(yōu)化模型的開發(fā)就是基于VBA軟件設(shè)計(jì)的。本系統(tǒng)中監(jiān)控畫面的主要組成是：豎爐工藝圖、自動(dòng)控制參數(shù)總覽、設(shè)定值及PID參數(shù)控制面板、儀表信號(hào)圖、實(shí)時(shí)趨勢圖、歷史趨勢圖故障報(bào)警畫面等。通過對(duì)這些操作界面的操作，可監(jiān)視溫度、壓力、流量的變化趨勢，對(duì)故障報(bào)警進(jìn)行顯示，對(duì)生產(chǎn)狀況分析，可以使操作員隨時(shí)對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行生產(chǎn)過程的操作指導(dǎo)及控制。

4.3 應(yīng)用效果

    豎爐焙燒控制是選礦生產(chǎn)過程控制的關(guān)鍵。豎爐生產(chǎn)過程輸入有空氣量、加熱煤氣量和還原煤氣量；輸出有燃燒室溫度、加熱帶溫度和還原帶溫度。輸入與輸出之間具有強(qiáng)耦合，過程機(jī)理復(fù)雜，如礦石的進(jìn)出、熱量的傳遞、化學(xué)反應(yīng)，而且不確定因素多，如礦石的特性變化，加熱煤氣成分的波動(dòng)，磁選管回收率，還原帶的溫度難以在線連續(xù)測量。這些因素的存在使得焙燒控制任務(wù)非常復(fù)雜，合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及先進(jìn)的控制技術(shù)是保證可靠控制的關(guān)鍵。

    豎爐焙燒綜合自動(dòng)化系統(tǒng)具有智能優(yōu)化、過程控制和過程管理三層結(jié)構(gòu)，采用智能解耦控制技術(shù)和智能優(yōu)化設(shè)定控制技術(shù)，通過對(duì)豎爐焙燒過程的燃燒室溫度、還原煤氣流量、搬出制度的優(yōu)化設(shè)定及溫度、流量的回路控制，實(shí)現(xiàn)磁選管回收率的優(yōu)化控制。重要工藝參數(shù)的監(jiān)控畫面如圖9所示，重要參數(shù)的智能優(yōu)化設(shè)定畫面如圖10所示。

    豎爐焙燒過程的實(shí)際控制曲線如圖11所示。其中，W1表示燃燒室溫度設(shè)定值，Y1表示燃燒室實(shí)際溫度，W2表示還原煤氣流量設(shè)定值，Y2表示還原煤氣實(shí)際流量，U1表示加熱煤氣閥開度。圖中縱坐標(biāo)表示燃燒室溫度(0-1300℃)，對(duì)應(yīng)加熱煤氣閥開度(0-100%)和還原煤氣流量(0-5000m3/h)。從圖11可以看出燃燒室溫度和還原煤氣流量的設(shè)定值根據(jù)工況的變化而變化，控制輸出能夠很好的跟蹤優(yōu)化設(shè)定值。現(xiàn)場長期運(yùn)行的效果表明，豎爐臺(tái)時(shí)產(chǎn)率從24.90T/h提高到
    
    25.62T/h，提高0.72 T/h。豎爐的磁選管回收率提高2％。設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率提高2.98%，能耗降低了10%，操作人員減少50%。豎爐焙燒生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化控制、優(yōu)化運(yùn)行和優(yōu)化管理。

5  結(jié)  語

    本文針對(duì)豎爐焙燒過程的特點(diǎn)，應(yīng)用Rockewll自動(dòng)化技術(shù)和智能控制方法，提出了由智能優(yōu)化、過程控制和過程管理三層結(jié)構(gòu)組成的豎爐焙燒生產(chǎn)過程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。本系統(tǒng)在某選礦廠豎爐焙燒過程中成功應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)豎爐焙燒生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制、優(yōu)化運(yùn)行和優(yōu)化管理，從而提高了產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)的穩(wěn)定性，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了操作環(huán)境，減少了資源消耗和操作人員，提高了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率，實(shí)現(xiàn)了磁選管回收率的優(yōu)化控制。以Rockewll自動(dòng)化技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)出的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)還可以應(yīng)用于其他行業(yè)，有很高的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)(References)

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[10] ControlNetTM Networks Procedures Guide for Use with RSNetWorxTM for ControlNet Software, Rockwell Automation. Ver 3.0.2001

[11] RSNetWorxTM Procedures Guide for DeciveNetTM Software, Rockwell Automation. Ver 2.2 2000

[12] Developing Integrated RSView32TM Projects Using RSView32 Software. Rockwell Automation. Ver.6.1,1998

[13] 1336PlusII變頻器用戶手冊(cè)

作者簡介

    嚴(yán)愛軍（1970－），男，博士生。 研究領(lǐng)域?yàn)閺?fù)雜工業(yè)過程的建模與智能控制，工業(yè)過程綜合自動(dòng)化理論、技術(shù)及應(yīng)用等.