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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％左右，利用常規的磁選方法難以從這些原料中提取出高品位的鐵質成分。為了改善對弱磁性赤鐵礦礦石的分選效果，采用豎爐預先對礦石進行高溫還原磁化焙燒，使弱磁性礦物變成強磁性礦物，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系到選礦的金屬回收率與精礦品味等生產指標。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鍵。
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。豎爐于1926年世界始建。我國首次于1966年由鞍山黑色冶金礦山設計院設計豎爐[1]。
豎爐焙燒是我國目前處理弱磁性礦物的有效途徑之一。其生產現狀是自動化程度低，生產成本高，資源消耗大，環境污染嚴重。豎爐焙燒過程具有機理復雜，多變量強耦合，過程中不確定因素多，磁選管回收率等關鍵工藝參數難以在線連續測量。因此采用傳統的控制結構難以對其進行有效的控制。歐洲鋼鐵工業技術發展指南指出：“對于降低生產成本、提高產品質量、減少環境污染和資源消耗只能通過全流程自動控制系統的優化設計來實現[2]”。采用計算機控制系統是對豎爐焙燒過程實現成功控制的關鍵，采用新的合適的控制結構的過程綜合自動化系統是解決上述問題的關鍵。文[3]提出了采用過程控制、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系統。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系統。文[5]提出了基于企業資源計劃（ERP）/制造執行系統（MES）/過程控制系統（PCS）三層結構的金礦企業綜合自動化系統，并成功應用于中國排山樓金礦，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、過程控制和過程管理三層結構的綜合自動化系統體系架構，提出了基于Rockwell自動化技術和智能控制方法的豎爐焙燒過程綜合自動化系統，并成功應用于該選礦廠豎爐焙燒過程，取得了顯著的成效，為選礦廠綜合自動化系統[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，并配一臺鼓風機，一臺抽煙機，爐底有兩個承重梁（即水箱梁）來支托整個爐壁的重量。在還原帶下部的爐底上有煤氣噴出塔，每個塔有獨立的管道與爐外還原煤氣主管相接。爐子下部兩側各有用來排出礦渣用的排渣漏斗。爐子兩側設有排出焙燒產品用的兩臺輥式排礦機。每臺排礦機有兩節排礦輥組成。輥式排礦機軸中心線以下全部淹沒在水封池水中，水封池中設有兩臺斗式搬出機，用來搬出爐中的焙燒礦。為了延長抽煙機葉輪的使用壽命，設有兩臺旋風除塵器，用來減少廢氣中的粉塵，整個爐子是在負壓下工作的。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于搬出的快慢，還取決于燃燒室內煤氣和空氣的配比，配比適當，煤氣燃燒充分。燃燒室溫度一般控制在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：搬出制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制度，一般以一個周期的時間來表示。
豎爐操作者主要依據經驗知識進行判斷，在此基礎上進行各種手工操作，自動化程度非常低。加上豎爐焙燒過程中包括多種內外因素的交叉變化，不確定性普遍，設備眾多，使得焙燒過程控制變得復雜起來，表現在如下幾個方面：
1) 過程本身具有多變量強耦合的特點，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，任何一個輸入的變化都可能引起所有的輸出發生波動；2）機理復雜，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，使得基于模型的精確控制理論難以發揮其長處；3）不確定性因素多，如礦石的性質改變，加熱煤氣成分的波動以及操作工水平參差不齊等，這些不確定因素均會影響關鍵工藝參數的穩定性；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。
以上說明了手工操作的局限性，同時說明了單一的常規控制理論與技術難以實現豎爐焙燒復雜的控制，難以達到生產過程的最終需求，如用戶對產品質量的期望等，究其原因是因為基礎回路控制級難以找到合適的設定值。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驗給出，帶有主觀性和隨意性，使產品質量及其它工藝指標得不到有效可靠的保證。如果不對設備進行自動化系統的改造，所帶來的問題是：控制精度不高，浪費能源，最終的產品質量得不到有效的保障。近年來，隨著工廠自動化程度的不斷提高以及先進控制技術的發展，各企業越來越重視工藝過程的自動控制實現，這樣不僅能提高控制精度，而且節約了能源，使產品質量得到了大幅提高。

3 豎爐焙燒過程綜合自動化系統
結合選礦廠豎爐焙燒過程的特點，采用智能優化、過程控制和過程管理三層結構的綜合自動化系統體系架構，提出了如圖2所示豎爐焙燒過程綜合自動化系統。


3.1 系統結構
該系統有豎爐智能優化系統、豎爐過程控制系統、豎爐過程管理系統和計算機支撐系統組成。其中，智能優化系統采用以綜合生產指標為目標的智能優化設定技術，具有燃燒室溫度智能優化設定模塊、還原煤氣智能優化設定模塊和搬出制度智能優化設定模塊。
過程控制系統采用EIC(Electric Instrument Computer)一體化計算機集散控制系統集成設計技術。其中基礎自動化系統具有回路控制模塊、邏輯控制模塊和關鍵工藝參數的監控模塊。
過程管理系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，具有生產管理和系統管理兩部分。
計算機支撐系統有監控軟件、實時數據庫和計算機網絡系統組成，通過計算機支撐系統實現過程控制系統和過程管理系統的信息集成，從而實現豎爐焙燒過程的綜合自動化。

3.2 系統功能
豎爐焙燒生產過程綜合自動化系統包括：智能優化系統、過程控制系統和過程管理系統(系統功能圖參見圖3)。豎爐智能優化系統根據生產指標要求，根據選礦廠制定的指標：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、還原煤氣流量和搬出制度等控制回路的給定值進行優化設定，實現焙燒過程的磁選管回收率優化控制，從而保證選礦過程綜合生產指標的優化。
豎爐過程控制系統實現豎爐焙燒過程生產設備的啟動、停止等邏輯控制，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）的閉環控制。該系統通過上位機監控系統對設備運行狀態、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系統管理，對豎爐焙燒生產過程和綜合自動化系統進行管理。生產管理具有系統監測、故障診斷、設備管理、生產安全管理和系統通訊等功能。系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、及時發現生產故障。設備管理功能對設備故障進行報警，對設備的維護進行管理，對設備維修計劃進行預測，幫助制定維修計劃，保證設備的安全運行。生產安全管理功能包括設備間的連鎖保護，關鍵操作執行前確認，現場設備起停前打鈴，以保證生產安全。系統通訊功能實現各個控制子系統和各級計算機網絡之間的通訊。操作指導功能是系統根據采集的數據和人工輸入、設定信息判斷當前的生產狀況和操作條件，由基于案例推理的專家系統給出操作指導。系統管理具有系統安全管理、用戶管理和系統導航等功能。系統安全管理保證系統不被惡意破壞和記錄所發生過的事件和所進行的操作，系統的進入需要用戶和密碼，同時對運行中的活動和報警進行記錄。用戶管理用來增加和刪除用戶，對用戶的權限進行設定和用戶密碼進行修改。系統導航實現系統內部導航功能，實現監控畫面之間的切換和各個子系統間的切換。
通過監控軟件提供的強大組態功能、先進的OPC接口功能以及DDE數據交換功能，計算機網絡與實時數據庫的支持，編制了控制及智能優化設定軟件，將豎爐焙燒生產過程的控制、優化和管理集成，實現生產過程管理和過程控制的一體化，從而保證豎爐焙燒生產過程的優化控制、優化運行和優化管理。

3.3 控制策略
由于豎爐焙燒過程具有多變量強耦合、強非線性，磁選管回收率等關鍵工藝參數不能連續在線測量，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，難以采用常規的優化控制方法進行優化控制。本文采用圖4所示的智能優化控制技術，通過兩層結構：回路控制層和回路優化設定層來實現豎爐焙燒過程的優化控制。
智能優化系統優化目標值為磁選管回收率設定值，該系統通過燃燒室溫度、還原煤氣流量和搬出制度的智能優化設定模型產生豎爐焙燒過程的溫度、流量等控制回路和搬出制度的優化設定值，通過回路反饋控制使焙燒生產過程的溫度、流量等穩定跟隨優化設定值。利用焙燒過程的輸入、輸出量，通過智能預報模型[7]，產生磁選管回收率預報值，并與磁選管回收率的目標值進行比較，產生的誤差經過前饋補償來校正回路優化設定值，并通過化驗過程產生的磁選管回收率的化驗值與磁選管回收率的目標值進行反饋校正回路設定值，通過回路控制使豎爐焙燒過程實現優化。


燃燒室溫度Y1的回路控制原理如圖5所示。根據易于檢測的流量、溫度等物理量，應用智能控制技術解決豎爐焙燒過程中爐溫干擾因素與加熱煤氣量和空燃比之間的非線性耦合影響，采用智能控制與PID控制相結合的方法對燃燒室溫度進行控制，自動搜索并跟蹤最佳空燃比，以實現最佳燃燒和綜合自動控制，即燃燒室溫度的智能優化控制。從圖中可以看出，它是一個前饋—串級比值調節系統，加入了基于人工神經網絡的前饋動態補償，使得爐膛負壓n、加熱煤氣壓力p及熱值h發生波動時，能及時修正加熱煤氣的流量和空燃比，與單變量調節系統相比，相當于增加了微分作用的超前環節，加快了系統的調節過程。其中智能控制器由神經網絡動態補償器與模糊控制器組成。模糊控制器根據燃燒室溫度的設定值W1與實際檢測值Y1的誤差e和誤差變化率de/dt給出加熱煤氣流量的設定值。系統中空燃比的實時修正調節，使得燃料在諸多干擾因素的作用下仍能充分燃燒，節約了能源，避免了因燃燒不充分冒黑煙而污染環境的現象。


還原煤氣流量Y2控制原理如圖6所示，采用參數自整定PID控制器實現還原煤氣流量的快速、穩定化控制。
優化設定模型給出搬出制度Y3的設定值后，由軟件實現搬出電機的定時啟停，達到電機按規定動作而將焙燒礦搬出還原帶的目的，保證焙燒礦不發生“過還原”或“欠還原”的現象，使其質量得到保障。搬出制度的一個控制時序如圖7所示。其中，S11表示第1臺搬出機在第1個周期內的運行時間，S12表示第2臺搬出機在第1個周期內的運行時間，T1表示搬出機在第一個周期內的停止時間。搬出制度即1個周期為S11、2T1、S12之和。




4 系統實施及應用效果
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。豎爐焙燒生產過程基本采用人工根據經驗進行操作，用人眼看火孔觀察火焰的顏色來估計燃燒室和還原帶的溫度，然后，手動關小或開大閥門來調節溫度；觀察焙燒礦的顏色來判斷焙燒質量，然后，更改搬出制度和燃燒室溫度來控制焙燒礦的質量。有關的電機設備都是在現場操作箱進行起停控制。造成生產人員多，效率低，成本高，消耗大。豎爐區溫度高，霧氣大，工人的工作環境差，勞動強度大。結合該選礦廠豎爐焙燒生產過程的實際采用本文提出的方法，實施了豎爐焙燒過程綜合自動化系統。

4.1 系統硬件結構
系統的硬件結構，如圖8所示。模型機（5臺）及監控計算機（6臺）均為DELL公司PC機，操作系統為Windows2000。計算機控制系統采用美國Rockwell公司ControlLogix系統，包括CPU模塊，電源模塊，開關量輸入輸出模塊，模擬量輸入輸出模塊，控制網(ControlNet)通訊模塊，設備網(DeviceNet)通訊模塊等。控制網與設備網之間通過控制網(ControlNet)通訊模塊進行通訊，模型機和控制站的通訊通過以太網進行通訊，智能優化程序將計算結果通過以太網傳至各控制站。監控機直接通過控制網與PLC進行通訊。
控制站由1-11#豎爐控制站、一個豎爐測溫遠程站等共12個控制站組成，12個站總共有14個機架（11個本地站，每個站1個機架；1個遠程站，共3個機架）。1-11#控制站分別負責兩臺豎爐的控制，每個站對應1臺控制柜，安放在中央控制室；豎爐遠程控制站實現對22臺豎爐燃燒室溫度、還原帶溫度及加熱帶溫度的檢測。各控制站通過設備網(DeviceNet)實現對22座豎爐所有變頻器的狀態監測與頻率設定，以實現鼓風機的變頻調速。1-11#控制站的各處理器通過冗余的ControlNet網，以Producer/Consumer的通信模式實現數據開放。


4.2 系統軟件結構
整個控制系統所使用的軟件均為美國Rockwell公司的配套產品：RSLogix5000、RSLink、RSNetWorx、RSView32等。監控計算機配有RSLogix5000、RSLink、RSNetWorx、RSView32應用軟件，使用Microsoft Windows2000操作環境，編程軟件由RSLogix5000和RSView兩部分組成，其中RSLogix5000為PLC軟件開發環境，RSView為監控畫面及模型機開發環境，RSLink、RSNetWorx為網絡組態軟件。
各控制站的控制程序的開發基于RSLogix5000軟件[8]，ControlLogix系統的結構體系是一個技術先進的控制平臺，它集成了多種控制功能：順序控制，過程控制，運動控制等。ControlLogix系統是模塊化的，用戶可以根據其具體應用來選擇合適的內存量、控制器個數和網絡類型。這種柔性結構允許用戶在同一個機架內使用多個控制器、網絡通訊及I/O模塊。用戶能在多個控制器之間分配資源和劃分任務。ControlLogix數據傳輸總線利用Producer/Consumer技術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現ControlLogix與計算機、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。
在每個站的控制程序中，主要包括一個連續任務和一個周期性任務，其中連續任務下有1個主程序，主程序下有一個主例程(Main Routine)，主例程實現各設備的啟停以及搬出機的自動搬出控制，主例程有幾個子例程，包括故障處理子例程、電機故障子例程，信號處理子例程，溫度處理子例程，數據處理子例程，搬出機電流處理子例程等等。周期性任務下有有1個主程序(Loop Program)，主程序下有1個主例程(PIDLOOP)和一個子例程(PIDDataProcess)，實現對每個站的溫度、流量控制回路的數據處理及閉環控制。
控制網與設備網通過應用軟件RSLink和RSNetWorx進行組態[9-11]，在組態的過程中可以設定通訊節點，以便于網絡資源分配，可以設定網絡更新時間(NUT)等等。在RSLink中組態OPC接點后，就可以使PLC和監控機兩者經過組態的OPC接點進行通訊聯系，彼此交換數據與信息。
RSView32是一個功能強大的控制系統監控軟件[12]，可以按用戶的要求編制監控程序及友好的操作界面。基于RSView32的VBA軟件類似于VB，可以編制復雜的計算處理程序，智能優化模型的開發就是基于VBA軟件設計的。本系統中監控畫面的主要組成是：豎爐工藝圖、自動控制參數總覽、設定值及PID參數控制面板、儀表信號圖、實時趨勢圖、歷史趨勢圖故障報警畫面等。通過對這些操作界面的操作，可監視溫度、壓力、流量的變化趨勢，對故障報警進行顯示，對生產狀況分析，可以使操作員隨時對現場進行生產過程的操作指導及控制。

4.3 應用效果
豎爐焙燒控制是選礦生產過程控制的關鍵。豎爐生產過程輸入有空氣量、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耦合，過程機理復雜，如礦石的進出、熱量的傳遞、化學反應，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，磁選管回收率，還原帶的溫度難以在線連續測量。這些因素的存在使得焙燒控制任務非常復雜，合理的系統結構及先進的控制技術是保證可靠控制的關鍵。
豎爐焙燒綜合自動化系統具有智能優化、過程控制和過程管理三層結構，采用智能解耦控制技術和智能優化設定控制技術，通過對豎爐焙燒過程的燃燒室溫度、還原煤氣流量、搬出制度的優化設定及溫度、流量的回路控制，實現磁選管回收率的優化控制。重要工藝參數的監控畫面如圖9所示，重要參數的智能優化設定畫面如圖10所示。
豎爐焙燒過程的實際控制曲線如圖11所示。其中，W1表示燃燒室溫度設定值，Y1表示燃燒室實際溫度，W2表示還原煤氣流量設定值，Y2表示還原煤氣實際流量，U1表示加熱煤氣閥開度。圖中縱坐標表示燃燒室溫度(0-1300℃)，對應加熱煤氣閥開度(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定值根據工況的變化而變化，控制輸出能夠很好的跟蹤優化設定值。現場長期運行的效果表明，豎爐臺時產率從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％。設備運轉率提高2.98%，能耗降低了10%，操作人員減少50%。豎爐焙燒生產過程實現了優化控制、優化運行和優化管理。






5 結 語
本文針對豎爐焙燒過程的特點，應用Rockewll自動化技術和智能控制方法，提出了由智能優化、過程控制和過程管理三層結構組成的豎爐焙燒生產過程綜合自動化系統。本系統在某選礦廠豎爐焙燒過程中成功應用，可以實現豎爐焙燒生產過程的優化控制、優化運行和優化管理，從而提高了產品的質量、生產的穩定性，降低了工人的勞動強度，改善了操作環境，減少了資源消耗和操作人員，提高了設備運轉率，實現了磁選管回收率的優化控制。以Rockewll自動化技術為基礎，開發出的綜合自動化系統的結構還可以應用于其他行業，有很高的推廣價值。

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[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
作者簡介
嚴愛軍（1970－），男，博士生。 研究領域為復雜工業過程的建模與智能控制，工業過程綜合自動化理論、技術及應用等.
E-mail: ajy2004@126.com
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