冶金自动化系统浅析

ComparativeAnalysis对比分析2008.01www.gongkong.com工控通讯冶金生产过程的自动控制包括对采矿、选矿、冶炼、浇铸、轧材等主体生产过程和供水、电、热、氧、气等辅助生产过程的控制。现代冶金企业采用计算机把生产过程控制和生产管理结合成统一的整体，大大提高了自动化程度。20世纪50年代在冶金生产过程控制中开始采用顺序控制器和模拟调节器。60年代英国首先建立全线采用计算机控制的热连轧机。随着微型计算机的推广，冶金企业已经采用计算机建立完整的计算机控制和管理系统。在我国冶金自动化及企业信息化系统中，企业资源管理ERP、制造执行系统MES、生产过程控制系统PCS已经建立，并日渐完善和成熟。目前国内常把冶金自动化系统分为5级，即企业管理级（L4级）、生产控制级（L3级）、过程控制级（L2级）、基础自动化级（L1级）、电气和液压传动控制系统（L0级），见图1所示。纵览冶金企业5级自动化系统，可以看出自动化软件、PLC、DCS、IPC、现场总线、高低压变频、传感器与仪表等自动化产品已经应用到冶金生产的多个环节，处处彰显冶金自动化技术应用的价值和发展空间。实现冶金自动化，可以大大提高劳动生产率和产品质量，减少流动资金的占用，改善劳动条件，获取很高的经济效益。1.L0级L0传动级主要完成传动设备本身的控制、I/O控制和管理。在现代化的控制系统中，变频器、直流调速器、执行机构等传动设备由本体CPU数字装置控制和监视，并与L1级在网进行数据通讯。2.L1级L1级基础自动化系统完成冶金轧线、高炉等顺序控制、逻辑控制和设备控制，通常使用PLC、DCS和IPC。完成炉区、粗轧机、热卷箱、精轧机、液压活套、层流冷却、卷取机、运输机等设备的位置、压力、速度、张力等控制功能。包括可逆轧制控制、热卷箱控制、飞剪控制、精轧速度控制、液压活套高度及张力控制、液压HAPC控制、精轧液压HAGC控制、终轧温度控制、卷取速度张力控制、液压助卷辊自动踏步控制（AJC）、自动厚度控制（AGC）、自动位置控制（APC）、自动宽度控制（AWC）、板形控制（ASC）、卷取温度控制（CTC）等。在基础控制方面，以PLC、DCS、IPC为代表的计算机控制取代了常规模拟控制，已在冶金企业全面普及。3.L2级L2过程控制级完成过程数据的收集、过程监视、原燃料管理、专家系统数学模型、生产操作指导、数据通讯、历史数据存储和处理、报表打印等功能。L2过程控制级的核心内容在于各种数学模型，包括：粗轧模型、精轧模型、板形模型、CTC模冶金自动化系统浅析中国工控网（www.gongkong.com）图1国内冶金系统自动化分级对比分析ComparativeAnalysis  www.gongkong.com2008.01工控通讯型和自学习模型等。精轧设定模型、卷取温度控制模型、卷取设定模型、板形设定和控制模型、自动宽度控制模型、加热炉自动燃烧控制模型。一般采用高性能PC服务器担任过程控制计算机，完成模型设定和计算以及自学习功能。主要功能包括：板坯初始数据及轧制计划管理、加热炉数据跟踪、轧制节奏计算、设定计算、模拟轧钢和轧辊数据及生产数据管理和历史数据管理，还可以生成班报、日报、工程记录和生产报告（包含质量分类报告）等各种类型的报表。4.L3级作为企业信息建设的重要组成部分，L3级生产控制级，MES系统包含多种不同的功能。功能的取舍，取决于特定的工厂环境以及所期望的效益。冶金企业MES肩负着L2和L4之间的桥梁作用，完成数据交互，进行设备维护管理、生产计划管理功能。目前从功能上来讲，MES用于信息集成和事务处理的层面多一些，决策支持和动态管理控制作用还没有完全发挥出来。近年来，冶金企业逐步认识到MES（制造执行系统）的重要性，在综合应用运筹学、专家系统和流程仿真等技术，协调生产线各工序作业，进行全线物流跟踪、质量跟踪控制、成本在线控制、设备预测维护等方面取得了初步成果。以SiemensMES为例，见图3所示，包括以下功能：资源分配、操作/详细排产、分配生产单元、文件控制、数据采集、劳动力管理、质量管理、生产管理、维护管理、产品的宗谱与产品跟踪、性能分析等。5.L4级L4级企业管理级，主要用于实现计划管理、质量管理、实绩跟踪、轧辊管理、板、方、管精整管理、板、方、管库场管理、发货执行管理、报表及设备状态管理、通讯管理、调度管理等等。随着企业管理水平的不断提高，信息化带动工业化在冶金企业成为共识，企业信息化方兴未艾，受到企业领导高度重视，各企业纷纷开始信息化规划和建设，很多企业已经构造了企业信息网，为企业信息化奠定了良好的基础。ERP不仅仅涉及MES，甚至和L2级、L1级关系也很大。水平涉及所有业务流程：原燃料采购、运输、计量、质检、收货流程，焦化、烧结、炼铁等投料、产出和质检流程，炼钢的投料、产出和质检流程，型棒、线材、中板、卷板等轧钢的投料、产出和质检流程，半成品和产成品的入库、移库、出库、计量、运输等流程；纵向涉及L0，L1，L2，L3级自动化。ERP是建立在信息技术基础上，以系统化的管理思想整合企业内部资源，对采购、生产、成本、库存、销售、运输进行计划，从而达到最优及最佳资源组合，为企业提供决策运行手段的管理平台。本文将重点对冶金系统选矿、高炉、转炉、连铸、连轧机的基础自动化和过程自动化控制系统进行说明。选矿自动化对矿石的破碎、磨碎、分级、选别、过滤脱水、精矿出厂和尾矿处图2冶金生产过程自动控制系统图3ComparativeAnalysis对比分析2008.01www.gongkong.com工控通讯理等过程进行的自动控制。实现选矿生产过程自动化，可以大大提高劳动生产率，提高选矿回收率和精矿品位，改善劳动条件，降低药剂和电能的消耗，使选矿生产更加经济合理。20世纪50年代前就已实现了选矿机械化。60年代初，开始应用选矿过程工艺参量自动检测仪表，如金属探测器、浓度计、pH计等。70年代初，检测金属含量的在线X射线荧光分析仪和计算机配合，实现了对浮选过程的实时控制。与此同时，以利用计算机研究选矿过程特性和确立数学模型为基础的最优控制随之用于生产。目前各种新技术，如超声波、激光、红外、微波和放射性同位素等，在自动检测技术中得到了广泛的应用。采用在线矿浆粒度分析仪直接对磨碎产品粒度进行分析和控制，提高了磨碎产品的分级效率。选矿自动化系统按其功能分为自动操纵系统、自动监视保护系统、自动检测系统、自动调节系统和调度管理系统。1.自动操纵系统　按预先设计的程序自动操纵某些生产设备进行周期性操作，在破碎过程中对某些设备（如各段破碎机、皮带运输机、振动筛、油泵等）按流程要求进行顺序的启动或停机，按照规定的时间顺序或逻辑顺序依次完成各种操作。2.自动监视保护系统　利用各种信号连锁装置和工业电视对破碎机、磨碎机、皮带运输机等的运转状态进行监测，对生产过程中各储矿仓排矿口和皮带转载漏斗等关键部位及料流进行监视。借助流程模拟盘、工业电视或屏幕显示器监视整个系统的运行状况。当某一工艺参数超出允许范围时，监视保护系统便自动地发出声光信号，进行报警或预报警，同时自动打开安全机构并停车。3.自动检测系统　对重要工艺参量（如矿物粒度、矿浆浓度、矿仓料位、泵池和浮选机的液位、矿浆酸碱度、金属含量、矿量、水量、药剂量、电耗量等）进行连续测量、分析、指示或记录，同时将上述参量变换成电信号，以便计算机进行处理和储存，实现选矿过程和调度管理的自动化。4.自动调节系统　在选矿过程中，各种工艺条件（如原矿硬度和粒度、磨碎机和分级机补加水的水压等）变化很大，为了使某一工艺参量在受到外界干扰影响时能恢复和保持在规定的数值范围内，需要采用各种专用自动检测仪表，控制设备或计算机与被控对象一起组成自动调节系统，对某些关键工艺参量进行自动调节。选矿厂的主要生产过程都在不同程度上实现了自动调节，其中以磨砂分级和浮选过程的自动调节最为重要，因为这两个过程决定选矿产品的产量、质量、金属回收率和电能消耗。图4表示一个典型的磨碎分级过程。计算机自动控制系统的控制目标是：保证水力旋流器溢流矿浆粒度合格，使有用矿物与脉石达到单体分离，满足选别过程要求；保证磨碎分级过程稳定，使球磨机处理能力最大。在线自动检测仪表连续检测主要工艺参量并将其变换成电信号，送给计算机。计算机则根据事先建立的数学模型计算出原矿给矿量以及球磨机和矿浆池给水量的最优值；向给矿机的调速电动机、调节阀的电动机执行机构和矿浆泵的变速装置发出执行信号，自动调节球磨机的给矿量、球磨机和砂浆池的给水量、给入水力旋流器的砂浆量，以保证磨砂分级过程的图4磨碎分级过程自然调节系统流程图图5浮选过程自动调节系统流程图对比分析ComparativeAnalysis  www.gongkong.com2008.01工控通讯阶段产品合格。图5为浮选过程自动调节系统的流程图。它利用浓度计、流量计、pH计、液位计和在线X射线荧光分析仪在线检测入选的砂量、砂浆的pH值、浮选机矿浆的液位和矿浆的原矿、精矿和尾矿的品位；计算机则根据矿量和品位等在线测量结果，并利用预先建立的浮选过程数学模型进行参量计算，自动调节各种药剂的添加量和浮选机的液位，以便获得最好的浮选结果。选矿自动化的发展集中于：在自动检测方面主要研究直接测量矿石的类型、轻金属含量、矿浆泡沫层厚度、矿物离解度和矿浆粘度等问题。在选矿过程控制方面主要研制多变量控制器，解决在磨碎分级过程控制中多变量相互影响的问题；用卡尔曼滤波器辨识矿石硬度扰动并对其进行补偿，实现最优控制。在浮选过程控制中，利用计算机在线连续估计模型系数，按最小方差目标不断修改系数，实现自校正控制。用多台微型计算机组成集中分散控制系统，对选矿各生产过程实行集中管理下的分散控制，则是选矿自动化的又一明显趋向。高炉自动化现代化的高炉炉容已超过5000立方米，日产生铁1万吨以上，实现高炉自动化对于降低能耗、提高产量和质量具有重要意义。20世纪50年代，高炉已采用了程序控制上料和仪表控制热风的技术，60年代中期开始用电子计算机对高炉进行局部控制。从70年代中期起，世界上已有40%左右的高炉使用计算机控制炉况，并进一步实现高炉管理的最优化。高炉自动控制系统由检测仪表、控制装置、程序控制器、微处理机和过程控制计算机组成，按功能可分为装料、布料、送风、炉况、炉顶煤气等自动控制系统。DCS，PLC，IPC是自动控制领域的三大支柱，它们之间竞争激烈，但又取长补短和相互渗透，相互融合。冶金行业高炉监控作为较典型的工厂自动化决定了其开关量逻辑控制的主导地位，同时模拟量的处理多为简单的显示和给定，控制回路基本上为并不复杂的单回路调节，目前市场以PLC为主导地位。例如常见的高炉控制系统分为2类，一类为PLC：如SchneiderModiconQuantum、SiemensS7-400、RockwellControlLogix等组成，另一类为DCS：如SiemensPCS7（太原钢铁1800立方米高炉）、ABBFREELANCE2000（马钢四铁厂1＃高炉TRT）和AC-800F（宣钢7#高炉）、Westinghouse公司的WDPFIIPlus（上钢一厂2500立方米高炉）等。1.装料自动控制　为保证高炉冶炼过程正常进行，必须使炉料保持一定的高度。一般采用探料尺在垂直方向周期地从炉顶探测料面高度和炉料下降速度（采用微波式的或激光式的探料尺可连续探测）。当炉料低于规定料面高度时，上料系统开始装料。机械式探料尺和上料系统采用无触点的程序控制器或可编程序控制器控制。为了提高装料的精度，广泛采用小型计算机控制炉料重量，并把每次实际装入漏斗的原料数量记录下来，求出与装料规定量之差，在下次称量时自动给以补正。计算机控制装料还可将单位时间内各种原料的给定量、总重量、水分含量、各原料仓的库存量等装料数据打印制表。2.布料自动控制高炉料面的M型分布是否匀称，直接影响炉内气流分布和炉况反应。现代化大型高炉的炉喉直径超过10米，若炉内反应不均匀，炉料下降速度不一致，料面便会偏斜，因此需要用布料装置来控制料面形