1 引 言 選礦生產(chǎn)是鋼鐵工業(yè)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(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(chǎn)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(chǎn)現(xiàn)狀是自動化程度低，生產(chǎn)成本高，資源消耗大，環(huán)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(shù)難以在線連續(xù)測量。因此采用傳統(tǒng)的控制結構難以對其進行有效的控制。歐洲鋼鐵工業(yè)技術發(fā)展指南指出：“對于降低生產(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控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計來實現(xiàn)[2]”。采用計算機控制系統(tǒng)是對豎爐焙燒過程實現(xiàn)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(tǒng)是解決上述問題的關鍵。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)濟決策五層結構的綜合自動化系統(tǒng)。文[4]提出了由過程穩(wěn)定化、過程優(yōu)化、過程管理三層結構組成的選礦生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)。文[5]提出了基于企業(yè)資源計劃（ERP）/制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）/過程控制系統(tǒng)（PCS）三層結構的金礦企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)，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(yōu)化、過程控制和過程管理三層結構的綜合自動化系統(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)[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(huán)節(jié)，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(chǎn)品用的兩臺輥式排礦機。每臺排礦機有兩節(jié)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(jīng)由下料口落入爐膛內(nèi)。 預熱：當?shù)V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(nèi)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(fā)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(nèi)焙燒的時間，為了保證焙燒質(zhì)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(jù)經(jīng)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(nèi)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(xiàn)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(fā)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(shù)學模型，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(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，將會引發(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，同時說明了單一的常規(guī)控制理論與技術難以實現(xiàn)豎爐焙燒復雜的控制，難以達到生產(chǎn)過程的最終需求，如用戶對產(chǎn)品質(zhì)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(jīng)驗給出，帶有主觀性和隨意性，使產(chǎn)品質(zhì)量及其它工藝指標得不到有效可靠的保證。如果不對設備進行自動化系統(tǒng)的改造，所帶來的問題是：控制精度不高，浪費能源，最終的產(chǎn)品質(zhì)量得不到有效的保障。近年來，隨著工廠自動化程度的不斷提高以及先進控制技術的發(fā)展，各企業(yè)越來越重視工藝過程的自動控制實現(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化系統(tǒng) 結合選礦廠豎爐焙燒過程的特點，采用智能優(yōu)化、過程控制和過程管理三層結構的綜合自動化系統(tǒng)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(tǒng)。 3.1 系統(tǒng)結構 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)和計算機支撐系統(tǒng)組成。其中，智能優(yōu)化系統(tǒng)采用以綜合生產(chǎn)指標為目標的智能優(yōu)化設定技術，具有燃燒室溫度智能優(yōu)化設定模塊、還原煤氣智能優(yōu)化設定模塊和搬出制度智能優(yōu)化設定模塊。 過程控制系統(tǒng)采用EIC(Electric Instrument Computer)一體化計算機集散控制系統(tǒng)集成設計技術。其中基礎自動化系統(tǒng)具有回路控制模塊、邏輯控制模塊和關鍵工藝參數(shù)的監(jiān)控模塊。 過程管理系統(tǒng)采用綜合生產(chǎn)指標為目標的生產(chǎn)過程優(yōu)化運行與優(yōu)化管理技術，具有生產(chǎn)管理和系統(tǒng)管理兩部分。 計算機支撐系統(tǒng)有監(jiān)控軟件、實時數(shù)據(jù)庫和計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)組成，通過計算機支撐系統(tǒng)實現(xiàn)過程控制系統(tǒng)和過程管理系統(tǒng)的信息集成，從而實現(xiàn)豎爐焙燒過程的綜合自動化。 3.2 系統(tǒng)功能 豎爐焙燒生產(chǎn)過程綜合自動化系統(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)指標要求，根據(jù)選礦廠制定的指標：磁選管回收率，由回路智能優(yōu)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(yōu)化設定，實現(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)指標的優(yōu)化。 豎爐過程控制系統(tǒng)實現(xiàn)豎爐焙燒過程生產(chǎn)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(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、爐膛負壓等）、流量（煤氣、空氣等）的閉環(huán)控制。該系統(tǒng)通過上位機監(jiān)控系統(tǒng)對設備運行狀態(tài)、關鍵工藝參數(shù)和趨勢曲線進行實時監(jiān)控，從而保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定運行。 豎爐過程管理包括生產(chǎn)管理和系統(tǒng)管理，對豎爐焙燒生產(chǎn)過程和綜合自動化系統(tǒng)進行管理。生產(chǎn)管理具有系統(tǒng)監(jiān)測、故障診斷、設備管理、生產(chǎn)安全管理和系統(tǒng)通訊等功能。系統(tǒng)監(jiān)測功能對數(shù)據(jù)進行采集、處理以及生產(chǎn)過程的監(jiān)控；故障診斷功能對故障進行實時預測、及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)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(chǎn)安全管理功能包括設備間的連鎖保護，關鍵操作執(zhí)行前確認，現(xiàn)場設備起停前打鈴，以保證生產(chǎn)安全。系統(tǒng)通訊功能實現(xiàn)各個控制子系統(tǒng)和各級計算機網(wǎng)絡之間的通訊。操作指導功能是系統(tǒng)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)和人工輸入、設定信息判斷當前的生產(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。系統(tǒng)管理具有系統(tǒng)安全管理、用戶管理和系統(tǒng)導航等功能。系統(tǒng)安全管理保證系統(tǒng)不被惡意破壞和記錄所發(fā)生過的事件和所進行的操作，系統(tǒng)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(tǒng)導航實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部導航功能，實現(xiàn)監(jiān)控畫面之間的切換和各個子系統(tǒng)間的切換。 通過監(jiān)控軟件提供的強大組態(tài)功能、先進的OPC接口功能以及DDE數(shù)據(jù)交換功能，計算機網(wǎng)絡與實時數(shù)據(jù)庫的支持，編制了控制及智能優(yōu)化設定軟件，將<