（控制理论与控制工程专业论文）铜精矿闪速熔炼气流干燥混合气专家控制系统的研究.pdf

中南大学颈士学位论文 摘要 在铜闪速炉炼生产过程中，入炉铜精矿的水分是一个非常重要的 参数，必须通过气流干燥过程控制在0 1 0 3 之间。然而由于现场 工艺条件的限制，于燥后铜精矿水分难以实时的进行检测，导致入炉 精矿水分的波动。针对铜精矿水分难以稳定和充入一定量氮气后使现 场操作人员人身安全受到影响的问题，而且气流干燥过程是一个具有 强耦合、显著不确定性的复杂生产过程，基于数学模型的传统方法难 以实施，氮气和稀释风现为人工手动控制，效果不理想，故引入基于 人工智能的氮气和稀释风流量专家控制系统。 本文作者在详细分析贵溪冶炼厂三段式气流干燥工作原理基础 上，结合目前的控制现状，充分利用现d c s 控制系统已有的在线数 据采集和实时监测功能，以及数据库中存储的大量实时运行数据的支 持，设计了混合气流干燥专家控制系统。 详细分析了气流干燥专家控制系统知识的获取方法、规则库的建 立过程。在热量平衡及物料平衡的基础上研究了系统混气室含氧率的 求解过程，得到了满足工程应用的近似解。根据知识表示和知识的组 织方式，建立了基于数据库技术的知识库。然后针对本系统的特点， 基于前向推理方式提出了气流干燥专家控制系统的推理机制，并给出 了推理策略的实现。 系统软件在现场d c s 系统和实时数据库系统的基础上，采用三 层结构的设计方法，对气流干燥专家控制系统知识库、推理机、解释 机构和人一机界面分别进行了模块化实现。在系统投入试运行后，对 缓解现场操作人员的劳动强度，保证现场安全生产起到了一定的作 用。 关键词：气流干燥，专家控制系统，数据库技术，知识库，推理机 中南大学硬学位论文a b 蹋t ( t i nt h ep r o c e s so fc o p p e rf l a s hs m e l t i n g , b e c 羽l s et h em o i s t u r e c o n t e n t so f c o p p e ro r ei sav e r yi m p o r t a n tp a r a m e t e r , i tm u s tb ec o n t r o l l e d b e t w e e n0 1 o 3 b yp n e u m a t i cd r y i n g b u tw i t ht h el i m i to ft h e t e c h n o l o g yc o n d i t i o n s ，t h er e a l - t i m e v a l u eo f t h em o i s t u r ec o n t e n t so ft h e 0 1 1 ：c a nn o tb eo b t a i n e d , w l a i c h 埘1 1c a u s et h ef l u c t u a t i o no ft h em o i s t u r e c o n t e n t s t h a th u m i d i t yi sn o ts t e a d y , t h a tt h ei n p u to fn i t r o g e nc a l lc a i 坞e t h eh u m a ns e c u r i t yp r o b l e m , t h a tt h ep n e u m a t i cd r y i n gp r o c e s si ss t r o n g c o u p l i n ga n dt m e e r t a i n t h a tt h et r a d i t i o n a lm a t hm o d e lm e t h o dc a l lb c d i 伍c u l tc a r r i e do u ta n dt h a tt h en i t r o g e na n dd i l u t ew i n da r cn o w c o n t r o l l e db vw o r k e r sa r cn o ti d e a l 1 1 e x p e r tc o n t r o ls y s t e 衄ab a s e do l n a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ei si n t r o d u c e dt oc o n t r o lt h ef l o wr a t eo fn i t r o g e na n d d i l u t ew i n d i nt h et h e s i s ，t h es h o r t c o m i n g so f t h et h r e ep a r tp n e u m a t i c c o n v e y i n g d r y i n gp r o c e s sa r er e s e a r c h e di nd e t a i lb a s e do nt h et e c h n i q u ep r i a c i p l e s o ft l a eg u i x is m e l t e r u n d e rt h ep r e s e n tc o n t r o ls i t u a t i o n , t h er e a l - t i m e d a t aa c q u i s i t i o na n di ns i t um o n i t o ro ft h ed c sc o l l t r o ls y s t e ma n dw i t h t h es u p p o r to ft h eg r e a td e a lo fr t m n i n gd a t ai nt h ed a t a b a s e , ap n e u m a t i c d r y i n ge x p e r tc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d t h e nt h ea p p r o a c ht og e tt h ek n o w l e d g eo f t h ee x p c l - tc o n t r o ls y s t e m a n dt h ep r o c e s so fb u i l d i n gr u l eb a s ea 圮a n a l y z e d 皿es o l u t i o no ft h e o x y g e nc o n t e n tb a s e do nm a t e r i e le q u i l i b r i u ma n d h e a tq u a a t i t yb a l a n c e i sr e s e a r c h e da n da na p p r o x i m a t ea l l s v c e rw l a i e hs a t i s f i e se n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o ni so b t a i n e d a c c o r d i n gt ot l a er e p r e s e n t a t i o na n do r g a n i z a t i o n o ft h ek n o w l e d g e , t h ek n o w l e d g eb a s ei sb u i l t0 1 3 d a t a b a s et e c h n i q u e b y v i r t u eo ft h ef e a t u r e ，t h ei n f e r e n c em e c h a n i s mo ft h ep n e u m a t i cd r y i n g e x p e r tc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ef o r w a r dr e a s o n i n g i sp u tf o r w a r da n d t h er e a s o n i n gt a x i ci sr e a l i z e d t h es o t t w a r eo ft h es y s t e m , w h i e l ab a s e do i lt h ed c ss y s t e ma n d r e a l - t i m ed a t a b a s e ，a d o p t st h et r i p l el a y e rs t r u c t u r ed e s i g nm e t h o d t h e m o d u l e so fk n o w l e d g eb a s e , r e a s o n i n ge n g i l l e , e x p l a n a t i o nm e c h a n i s m a n dh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c ea i | es e p a r a t e l ya c c o m p l i s h e d a f t e rt h et e s t o ft h es y s t e m , t h ew o r ki n t e n s i t yo ft h el o c a l eo p e r a t i n gs t a f fi sr e m i t t e d 中南大学硕士学位论文a b s t r c t a n dt h ep r o d u c t i o ns e c u r i t yi sg u a r a n t e e d k e yw o r d s p n e u m a t i cd r y i n g , e x p e r tc o n t r o ls y s t e m ； d a t a b a s et e c h n i q u e ，k n o w l e d g eb a s e , i n f e r e n c e sm a c h i n e 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。论文主要是自己的研究所终，除了已注明的地 方外，不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中南大学或其它单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献，已在论文的致谢语中作了说明。 作二签名：垂趣 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门的规定，送交学位论文。对以上规 定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提供使用。 j 作者签名； 砂j 导师签名：邋 i 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 闪速熔炼生产过程智能自动化的发展概况 闪速炉在奥托昆普诞生以来，目前在国际上已经有4 0 余家采用这种装置， 包括我国的贵溪冶炼厂和金隆铜业公司，闪速炼铜已经占据了世界铜产量的4 5 以上这种方法利用了含硫铜精矿在富氧情况下氧化所释放出的热量实现自热熔 炼，在闪速熔炼过程中，干燥好的精矿颗粒喷入闪速炉内部，并与富氧空气以及 工业氧气( 9 6 ) 进行混合，形成充满颗粒的湍流射流。这些精矿颗粒被周围的热 空气以对流及辐射作用加热到着火点温度，随之即发生热分解和燃烧。同时这些 颗粒还和周围的热空气进行动量、质量和能量交换。最后，这些熔融的颗粒沉入 反应塔下的熔池中。 闪速熔炼由于反应迅速，操作严格，目前国内外工厂的自动化装备水平普遍 较高，东予冶炼厂、贵溪冶炼厂、金隆等闲速妒实现了计算机在线控镯j 铜锍品位、 炉渣f e , s i ( h 和铜锍温度这三大工艺参数l ，很多冶炼厂对各系统的操作采用了 先进的计算机集散控制系统( d c s ) ，保证了生产的稳定。 近年来，计算机的广泛应用，人工智能科学技术的迅速发展，为铜闪速熔炼 生产过程智能自动化。提供了先进的科学技术手段。智能化是当前及今后铜冶炼 生产的新技术、新工艺、新设备、新产品的重要发展方向，是芬兰、日本铜冶炼 工业生产技术领先，称雄世界的显著标志，是我国铜冶炼工业现代化，跨上。四 个新台阶”、跻身于世界铜冶炼强国的必由之路。人工智能及其应用已成为闪速 熔炼面临的新技术革命中不可缺少的先进科学技术手段，是闪速熔炼生产过程高 速化、连续化，铜企业大型化、现代化必要的科学技术条件 发展铜闪速熔炼智能自动化系统，主要侧重以下几个方面： ( 1 ) 闪速熔炼生产过程智能控制系统 应用人工智能与控制理论相结合的方法和技术( 专家系统、知识工程、神经 网络、模糊逻辑、模式识别、多媒体技术等) 对闪速熔炼生产过程( 精矿配料，干 燥、闪速熔炼、转炉吹炼、回转式阳极炉精炼、卡尔多炉熔炼等) 进行智能控制， 开发智能控制方法和技术，提高现有过程控制系统的智能水平、控制过程的快速 性、控制准确度与命中率，保证控制过程的稳定性、可靠性，提高产品的合格率 和优质率。 ( 2 ) 闪速熔炼生产过程智能建模方法 在人工智能方法和技术与系统建模方法和技术相结合的基础上，研究和开发 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 面向铜冶炼工业生产大系统的智能建模1 2 】方法和技术，建立铜冶炼工业生产过程 的典型对象，如：闪速炉、转炉、阳极炉、卡尔多炉，干燥过程等的广义智能模 型。为铜冶炼工业生产过程智能控制与智能管理等系统开发提供智能建模方法和 工具。 ( 3 ) 铜冶炼生产设备智能诊断系统 应用人工智能与故障诊断相结合的方法和技术，对铜冶炼工业和各种生产设 备，如：各种炉窑、辅助设备等，进行智能诊断，开发智能诊断方法和技术，提 高生产设备故障诊断、材料失效分析、寿命预测的准确性，以及故障处理、设备 维修的智能水平和及时性。 ( 4 ) 铜冶炼生产工艺状态智能观测系统 应用人工智能与自动检测相结合的方法和技术，对铜闪速熔炼生产过程的设 备运行状况和三大工艺参数进行智能观测，开发智能观测方法和技术。如：闪速 炉、转炉、阳极炉、卡尔多炉等炉况观测；铸锭等形状识别，提高炉况、铸锭识 别以及温度、压力、流量、液位成分等工艺参数观测的准确度、快速性和智能水 平。 ( 5 ) 铜冶炼企业智能管理系统 应用人工智能与管理科学相结合的方法和技术对铜冶炼企业进行智能管理， 开发智能管理方法和技术。提高现有计算机管理系统的智能水平，缩短进度计划 编制时间，提高物流运行速度，合理分配生产资源，节约原料与能源，优化作业 调度，保证产品质量，提高企业经济效益与经营决策科学水平 1 2 课题背景和任务 1 专家系统在过程控制中的应用现状 ( 1 ) 高炉冶炼专家系统 高炉冶炼专家系统是指根据人工智能的原理，由高炉冶炼专家提供的专门知 识和经验，借助于计算机技术，经知识专家进行推断和判断，模拟冶炼专家判断 炉况的过程，来解决高炉控制和管理等复杂问题。建立高炉冶炼专家系统的目的 就是要实现高炉动态控制技术的标准化和规范化，进而防止操作者的错判和误 判，并适应操作条件不断变化的炉况，形成高精度的炉况判断及管理系统。 管理系统使用人工智能开始于6 0 年代，但直至8 0 年代才实用化。初期的高 炉专家系统主要是用于炉热状态、异常炉况两个方面，现在还可用于炉料控制、 软融带位置及形状的推断、炉体炉底耐火材料砌体的侵蚀推断、炉体设备诊断以 及热风炉燃烧控制等许多方面。目前，高炉专家系统的功能类型也是很多的，除 有诊断型、解释型和控制型的专家系统外，还发展了计划型和设计型专家系统。 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 可以说高炉专家系统的应用是非常广泛而深入的 自8 0 年代中期以来，为控制高炉生产，日本、美国、韩国、芬兰、澳大利 亚、中国以及中国台湾地区等各地竞相开发高炉冶炼专家系统，以满足诸如供给 低成本优质铁水、急剧改变生产率以及延长高炉使用寿命等各种高炉操作需求。 其中较为有名的有日本川崎制铁所的a d v a n c e dc , - o - s t o p 3 、新日铁的a l i s 、日 本钢管公司( 卜i ( ) 的b a i s y s 以及住友金属的混和专家系统( i r y b r i d ) 4 5 1 等等。 ( 2 ) 烧结过程专家系统 专家系统在烧结行业中的应用主要体现在两个方面：烧结专家系统的开发和 应用。近几年，烧结人工智能专家系统的研究已经有报道，鞍钢和武钢等烧结厂 已经开始组织、落实开发工作。但是开发建立专家系统是一个极为复杂、涉及面 广，周期性长的工作。纵观全局，主要有以下几种典型的开发模式： 以生产现场为核心，开发工长模式的专家系统 在烧结生产中，由于正常的生产控制是由操作工根据各个控制点传送过来的 数据、信息，对生产状况做出统计、分析、判断，然后根据经验来调整，使生产 最大可能的得到改善。如，日本千叶厂开发的烧结操作指导系统o g s ，能够以 工长的方式综合仪表数据进行分析，做出判断，调整料层的透气性状况，降低焦 粉用量 以数学模型为核心，开发混合式专家系统 在建立该类型的专家系统时，尤其在设计知识原型时，就预先考虑哪些情形 是有数学模型处理的，哪些是由操作经验判断的，这类专家系统实际上是模拟了 机理模型专家和操作专家的知识和思维技巧，具有很大的潜力。 除了操作专家和机理模型专家之外，还结合了智能技术专家的知识和信息 智能处理专家的知识，并以知识工程的方法对知识进行规划、处理，建立专家系 统。 国内从年代开始将人工智能技术( 尤其是专家系统) 应用于烧结生产，目 前，中南大学烧结球团研究所开发的烧结生产过程控制系统，它包括烧结矿化学 成分控制专家系统、烧结过程透气性控制、烧结过程热状态控制和异常状态诊断 等系统。该系统已成功应用于鞍钢、武钢烧结生产。 2 课题来源 由于铜等有色金属工业在国民经济中占有重要的地位，而铜锭的生产又是铜 冶炼工业生产的重中之重，所以铜锭的生产就显得非常重要。同时随着我国工业 技术的蓬勃发展，用户对铜的需求日益增大。随着产能的扩大，闪速熔炼的智能 化与安全问题也成为需要研究的内容。 铜闪速冶金过程极为复杂，包括1 0 余道工序和1 2 6 个操作，其中入炉精矿 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 主要采用气流干燥和蒸汽干燥两种干燥方式。气流干燥也称“瞬间干燥”，是固 体流态化中稀相输送在干燥方面的应用。其技术特点是粉状或颗粒物料在具有一 定速度的热气流中呈悬浮运动状态，在良好的传热和传质条件下，迅速完成物料 的脱水过程。 在闪速熔炼过程中，由于炉料进入反应塔到落入沉淀池的停留时间大约为1 秒钟，炉料的干燥程度对闪速熔炼过程影响非常大，所以一般工艺要求入炉铜精 矿含水小于0 3 。但是，如果精矿含水率过低，水分含量低于o 1 ，会造成精 矿中的硫在干燥过程中与氧反应，导致精矿自燃。用浮选法生产的铜精矿经浓缩、 过滤两段脱水后得到的产品一般含水为7 1 5 嘲，这样的铜精矿在熔炼之前须 进行干燥处理，迸一步脱水。 在贵溪冶炼厂的生产过程中，采用的是三段式气流干燥系统进行干燥【7 】( 回 转窑、鼠笼、气流干燥管) ，各部分干燥比率分别为回转窑( 2 0 3 0 ) 、鼠笼 ( 5 肚6 0 ) 、气流干燥管( 2 0 3 0 ) 。目前，干燥过程中在干燥热风炉内须通入稀 释风，混气室内须通入氮气，其目的是为了避免热风炉的温度过高和控制混气室 的含氧率在l o 左右，其中氮气流量和稀释风量的调节采用的是电气阀门定位 器，检测信号和控制信号通过现场d c s 的i o 控制站进行传输。 3 目前存在的问题 目前对氮气和稀释风的控制基本上只是在现场d c s 的基础上根据多年的生 产经验得到了沉尘室温度与干矿水分的对应关系，来估测干矿中的水分，然后根 据测量沉尘室温度来调节稀释风流量，而为确保人身安全，把氮气量限定在一个 较低的数值内 从安全生产的角度来看，该方法有如下不足： ( 1 ) 生产过程中。常规的自动化系统总是把正常情况的信息和数据源源不断 地传给操作工人，而一旦出现异常情况时，却不能及时地加以智能化识别并给现 场提供操作上的决策支持。 ( 2 ) 缺乏对复杂的事故因素进行综合分析的能力。因为事故的发生往往并不 是取决于某单项参数的高低，而是多因素综合后引发的，d c s 的信号指示只能 表明某局部的控制偏离，不能依此判断事故的可能，不能对责任部门做出准确分 类。因此，操作工人和生产指挥中心即使发现了生产异常，也不能及时地预警并 快速的进行准确调度。 ( 3 ) 无法避免人本身的生理弱点，如紧张、遗忘等等，在许多紧急事故中， 不能作出准确的反应。 ( 4 ) 沉尘室温度和干矿水分的关系是根据经验总结出来的，存在偏差。 ( 5 ) 温度的测量容易受到测温点和信号转变的影响 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 6 ) 现场d c s 系统报警次数频繁，导致操作人员时刻保持警惕状态。 这个三段式干燥系统是一个非线性、有耦合的系统，涉及到气固相对运动、 传热等知识，而且干燥过程中精矿进料量及含水率时刻变化，其他不确定影响因 素多。因此，本课题研究的任务就是针对该厂目前的生产状况，在简易试验估测 到着火点和含氧率关系的基础上，结合现场工人的经验知识以及人工智能的方法 设计一个氮气与稀释风流量混合气专家控制系统，在保障人身安全的前提下控制 氮气的使用量，能确保系统不着火 4 课题研究的意义 计算机集中监控只是提高了操作员智力劳动的效率，并没有在操作员的智力 劳动自动化上发挥应有的作用计算机对闪速炉大量的生产信息，按照闪速熔炼 专家知识和判断规则进行处理，推理得出对工艺有指导价值的论断。气流干燥专 家控制系统的研制，使闪速熔炼自动化的研究从单纯的数值计算模型研究发展到 逻辑判断与智能推断的研究，对提高闪速熔炼的效率和质量，生产自动化程度， 提升我国铜产品在国际市场上的竞争力具有重要的意义，而且对建设和谐工厂， 创建和谐社会有着很好的促进作用。 1 3 研究内容及论文结构 1 主要研究内容 本论文针对闪速熔炼气流干燥过程数学模型建立复杂，终点铜精矿水分影响 因素多等问题，基于贵冶三段式气流干燥过程机理和长期积累的专家经验知识， 以现场氮气和稀释风的阀门为控制对象，提出系统总体设计方案，开发适用于气 流干燥特点的混合气专家控制系统，以工程实际应用为背景，注重理论与实际的 结合，主要研究内容如下： ( 1 ) 气流干燥知识获取及其知识库设计。知识库是专家控制系统的核心，而 知识获取是建立知识库的基础。知识获取需要解决的问题是从干燥机理、干燥文 献以及长期积累的经验中抽取有用的专家知识，然后采用合理的知识表示形式来 表示气流干燥知识。根据已有的知识设计知识库的物理结构，并采取某种组织原 则对知识进行合理的组织。 ( 2 ) 推理机制的确立它需要解决的问题是采用何种知识搜索策略来保证推 理机的推理效率。 ( 3 ) 基于v l + 6 0 编程语言和s q ls e r v e r ，如何开发适合贵冶生产的混合气 专家控制系统。 2 论文主要结构 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 本文主要研究的是铜闪速熔炼气流干燥混合气专家控制系统，全文总共分为 七章。 第一章，绪论，主要介绍课题研究的背景和任务，综述了闪速熔炼生产过程 智能自动化的发展，以及专家系统在过程控制领域的应用现状，并分析了课题的 研究背景和意义。 第二章，气流干燥过程控制分析，对气流干燥过程的工艺过程、主要设备和 影响干精矿水分的因素进行了分析，探讨了气流干燥模型的建立。 第三章，气流干燥专家控制系统设计，比较了串级控制系统p i d 调节、智 能p i d 调节以及模型控制在气流干燥过程中的不足，设计了混合气专家控制系 统的总体结构。 第四章，气流干燥专家控制系统知识库的设计，研究了如何从干燥机理、文 献以及长期积累的干燥经验中获取气流干燥的专家知识，并研究了该知识的知识 表示形式。 第五章，系统推理机制和解释机制的设计，首先介绍了推理的概念，然后分 别详细的设计了气流干燥专家控制系统的推理机制和解释机制。 第六章，气流干燥专家控制系统的开发与实现，结合现场实际，详细介绍了 由氮气和稀释风流量组成的混合气专家控制系统的开发与实现。 第七章，结束语，总结了本文的工作，并探讨了今后需要研究的工作。 6 中南大学硕士学位论文 第二章气流干燥过程控制分析 第二章气流干燥过程控制分析 针对目前贵溪冶炼厂气流干燥过程的生产工艺，对存在的问题进行了详细的 分析。三段式气流干燥过程是一个存在强耦合、显著不确定性的复杂工业过程， 采用传统的基于数学模型的方法比较复杂 2 1 气流干燥概述 1 气流干燥的基本原理 所谓气流干燥是指把泥状及粉粒体状等湿物料，采用适当的加料方式，将其 连续加入干燥管内，在高速气流的输送和分散中，使湿物料中的湿分蒸发得到粉 状或粒状干燥产品的过程。 气流干燥具有以下几个特点：干燥强度大，颗粒的全部表面积即为干燥的 有效面积，因此传热传质强度较大；干燥时间短，气一固两相之间的接触干燥 时间很短，一般为0 5 2 s ；气流干燥管结构简单，占地面积小，易于建造和 维修；处理量大，热效率高，当干燥非结合水时，热效率可达6 傩；系统阻 力大，压降较大，动力消耗大，分离系统负荷较重；干燥产品磨损较大，物料 易被粉碎、磨损，难以保持干燥前的形状和光泽。 2 气流干燥的适用范围 ( 1 ) 物料状态气流干燥以粉状或颗粒状物料为主，其颗粒直径一般为0 5 0 7 r a m 以下，对于块状或泥状物料，应选用带粉碎机、分散器或搅拌器等类型的 气流干燥器，使湿物料的干燥和破碎或分散同时进行，也使干燥过程得到强化。 气流干燥不适用于需要保持完整的结晶形状和光泽的物料。极易吸附在干燥管上 的物料不宜采用气流干燥。 ， ( 2 ) 湿分和物料的结合状态气流干燥采用高温高速的气体作为干燥介质， 且气固两相间的接触时间很短。因此气流干燥仅适用于物料湿分进行表面蒸发的 恒速干燥过程；待干物料中所含湿分应以润湿水、孔隙水为主。此时，可获得湿 分低达0 3 0 5 的干物料。对于湿分在物料内部的迁移以扩散控制为主的湿物 料，气流干燥一般不适用嘲 2 2 贵冶气流干燥过程工艺分析 1 气流干燥设备介绍 干燥系统是闪速熔炼前的一道重要准备工序，贵溪冶炼厂经过三期工程的改 7 中南大学硕士学位论文第二章气流干燥过程控制分析 造，使气流干燥系统的能力从l l o t h 提高到1 4 0 t h 。贵冶采用的是三段式气流干 燥技术，总体系统流程刚9 】如图2 1 ： 整个系统中三个主要设备分别为圆筒干燥机( 回转窑干燥机) 、鼠笼打散机、 气流干燥管，对各设备简要介绍如下： ( 1 ) 圆筒干燥机( 回转窑干燥机) 设置回转窑干燥机的目的就是为了保证进入鼠笼打碎机的物料水分低于7 左右，以避免鼠笼打散机容易发生精矿粘结、电机过载、烟气阻力增大、转子磨 损加剧等故障。圆筒干燥机( 回转窑干燥机) 的实例见图2 - 2 ： 田2 - 1 三段式气流干燥系统 其特点是窑内烟气流速高达1 3 1 5 m s ，而一般的圆筒干燥机仅为2 3 m s ，因此它的干燥强度高达8 0 k g ( m 3 埘以上。其次是设备的尺寸较小，贵冶采 用的回转窑为1 8 5 x l l m ，顺流式，倾斜度为6 。 ( 2 ) 鼠笼打散机 鼠笼打散机和圆筒干燥机排料端直接相连。工作时，由圆筒干燥机来的铜精 矿与热空气同时进入鼠笼打散机的壳体内，铜精矿与高速旋转的转子相碰，将可 能存在的颗粒或结团精矿打散，由此增大了气固相接触的面积，加速了铜精矿的 脱水，使之脱水达到后续工艺要求。打散后的铜精矿在高速气流的作用下处于悬 浮状态，有利于下一段气流干燥管的输送和进一步干燥。鼠笼打散机由壳体、转 子、驱动装置及转子移出装置组成。鼠笼打散机的实例见图2 - 3 ： 3 中南大学硬士学位论文第二章气流干爨过程控制分析 u 、，、 小 ! i k 。 1 l i 上i 一1 n fj ；， ； 委 茸 f f f f 哥拯 丑mj 吲芝璺咽f h | 蝇 j1 趟h 2 4 0 b 曲 i4 9 2 图2 - 2 青冶围筒干燥机简图 l - m 胃干j l 材o g ；2 - 置置秃体：3 - 置是转干；4 - 传动虎帝轮；孓移出轨道 图2 - 3 贵冶鼠茏打散枳简图 ( 3 ) 气流干燥管 气流干燥管直接与鼠笼打散机出口连接。由它实现最终的干燥并将铜精矿输 送到要求的高度从鼠笼打散机出口进入气流干燥管口，气流速度高达1 2 1 5 m s 。管内气固比为l 1 2 m 3 k g 干燥管的下部处于气流改变流向的位置，磨 损相对较大，采用内衬耐磨材料，中部以上为双层中空结构，以利于保温。并根 据设备配置选择适当的干燥管倾斜度，为减少铜精矿对干燥管的磨损，通常选择 较大的气流管仰角。为便于更好控制铜精矿终点含水，在气流干燥管出口的沉尘 室内设有测温装置，通过沉尘室温度控制铜精矿终点含水，一般控制在跎时 干矿水分可保证低于0 3 气流干燥管简图如图2 _ 4 所示。 9 中南大学硕士学位论文第二章气流干燥过程控制分析 l - 茏打碎机；2 方型村板管；3 - 方型伸缩f ；4 - 方圈村板管；5 - 支架；6 - 1 型村板f ；7 - g 型双屡f ； 3 - 托象；9 - 1 1 型双屡管；1 0 - 支架；1 1 一龃型伸缩节；1 2 - 嘲型双屡管；1 3 - 沉尘室 图2 - 4 贵冶气流干燥管简图 2 目前干燥过程存在的不足 目前在贵溪冶炼厂，对闪速炉入炉的铜精矿的水分是采用周期为八小时的离 线检测方式，因此就不能及时得到反馈的各种数据来调节系统参数，所以现场工 人只能依靠多年总结的经验来进行控制。经过贵冶几十年的干燥经验，总结得出 当系统稳定运行时，将容易测量的沉尘室的温度控制在8 2 c 左右【埘，就可以将 铜精矿干矿含水率控制在0 1 o 3 。 该方法的不足之处就在于，沉尘室温度和干矿水分的关系是根据经验总结出 来的，存在一定的偏差，而且检测的温度容易受到测温点和信号转变、传输的影 响再者，现场出于对操作员工的保护，通入的氮气量在严格控制范围之内，即 使干矿仓内精矿出现着火现象，也在操作许可的范围内。因此，本文决定采用智 能控制的方法对系统进行设计。 2 3 气流干燥模型的建立 干燥过程模拟是在建立表征干燥过程数学模型的基础上，通过计算机预测一 1 0 中南大学硕士学位论文第二章气流干燥过程控制分析 定操作条件下物料的行为，并完成实物在实验下难以进行的考察，从而确定最适 宜的操作模式与条件。 按照传质传热理论，干燥过程同时受物料内部结构和外部条件的影响，对于 干燥的恒速和降速阶段，这种影响将不同在恒速干燥阶段取决于外部条件即干 燥介质的性质，而在降速干燥阶段，控制因素是被干燥物料的内部阻力。气流干 燥的特点是：时间短、干燥快、颗粒表面较湿润，可认为气流干燥过程处于恒速 干燥阶段。 作基本假设如下，颗粒物料呈球形，在干燥管中均匀分布，浓度稀疏； 气固两相并流无反混( 即活塞流型) ，温度、湿度在横截面上均匀一致； 干燥速 率以恒速方程表达；忽略颗粒内部热质传递阻力；管壁绝热良好，气固悬浮 物与周围无辐射换热。由文献【1 1 艋1 3 1 可得到模型方程： ( 1 ) 颗粒运动微分方程： 业：三f掣一丛丝g(2-i)dz4 j p pp p 。 式o ov , ，匕为颗粒、气流速度，m s ；z 为干燥管的高度位置，m ；f 为阻力 系数，无因次；& 、纬为气体、湿物料的密度，k g m 3 ；为颗粒平均直径，m ； ( 2 ) 颗粒湿含量分布微分方程式： 掣：一_ 6 k x ( h , q - h ) ( 2 - 2 ) _ - - 一 0 2 p 一一p 式中，z 是物料的于基含水量，即单位质量绝干物料中所含水分的质量； k 是传质系数，k g ( m 2 s ) , 只。、日为气体饱和湿度、气体湿度；, , ：b f 8 t ：物丰4 的密度，k g m 3 ； ( 3 ) 介质湿度分布微分方程式： 7 d l t ：一6 k s ( h , v - h ) o ( 2 - 3 ) 一= = 一- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 d z 7 , v r l d p 式中g 、工为绝干物料、绝干气流量，k g s ； ( 4 ) 颗粒温度微分方程式： 掣一业业嚣舞产一羔+ e d x 警 q 哪 出 ( c ，+ 白田尼d p c j d z 、。， 式中，乞为物料表面气流温度，；口为对流传热系数，w ( m z k ) ；为 湿球温度下蒸发l k g 水所需的焓变；c ，、分别为物料、水蒸气、水的比 热j t k g c ) ： ( 5 ) 介质温度微分方程式： 中南大学硕士学位论文第二章气流干燥过程控制分析 业：一! 竺坠坠二里! 竺垒笠二垒塑二丝二业 出 工( + 研尼v ， 佗 f | + ，d 日l r d k ( t s 一乞) 。 6 + 似d z工( q + 式中，龟为干空气的比热，j ( k g c ) ；，为0 c 时水的汽化潜热，j k g ；d 为 干燥管直径；置为干燥介质与环境问的总传热系数，w m 2 c ；f d 为环境温度； ( 6 ) 干燥管压力降微分方程式： 掣= 畋簪+ 4 g 觑( 1 + x 。) 呼竽+ 掣( 2 - 6 ) 式中p 为干燥管高度z 处的压力降，p a ；a 为压损比，无因次；磊为气流 沿程阻力系数，无因次： 式( 1 ) ( 6 ) 构成一阶常微分方程组，表示了颗粒与介质的几个主要参数随干 燥管高度变化的关系，它是进行模拟和优化的基础，可通过选择正确的算法、合 理的物性参数及准数关联式进行数值解算。但是它是在很多假设条件下建立起来 的，与实际的干燥过程有一定的差距。 2 4 闪速熔炼气流干燥过程控制系统 因为气流干燥过程是闪速熔炼生产的一道重要工序，所以本节先研究闪速熔 炼控制系统。贵冶从建厂之初，为了最大限度地提高生产产量、降低系统总能耗、 缩短生产周期、减少库存、使控制装置满负荷运行，就采用了闪速炉计算机控制 系统【1 4 1 。经过几十年的发展，随着产量的提高、d c s 的更新、网络体系的发展 和健全，控制系统主要由d c s 及p l c 混合构成。 1 控制系统功能层次结构 贵冶的计算机控制系统采用了如图2 - 5 所示的四层结构，每一层作为上一层 的基础，接收上一层的控制指令，同时又将控制结果和各控制参数返回上一层， 各层完成的功能如下： ( 1 ) 直接控制层：是整个控制系统体系结构中的最底层，直接与被控过程相 连，完成过程数据采集、处理、传递，装置状态和设备运行状态监测与诊断，实 现d d c 控制和顺序逻辑控制等功能。 ( 2 ) 监督控制层：主要是计算出装置优化的工作条件，以控制指令给定的形 式给到其下一级去执行，主要工作有装置局部优化控制、装置监视与事故报警处 理、自适应控制、协调控制及与其它控制系统通信。 ( 3 ) 计划调度层：基于运筹学和资源管理的科学，根据用户订货单、库存量、 中南大学硕士学位论文第二章气流干燥过程控制分析 能耗约束条件和能耗指标等进行生产调度的功能 江铜中长期发展计划 财政分析 市场用户分析等 个个、l山 熔炼车间制定生产计划 生产调度、操作管理 个个山上 局部优化控制 d c s 先进控制 系统问通信 个个山山 数据采集、处理、传递 闪速炉运行状况的监视 熔炼基本顺序控制 图2 5 贵冶控制系统功能层次图 ( 4 ) 决策管理层：公司控制系统体系结构的最高层，广泛涉及工程、经济、 商务、人事以及其它各种功能。主要完成市场分析、订单统计分析、生产能力与 订货平衡、合同管理、利润成本等财务分析报表。 2 气流干燥系统先进控制研究 闪速熔炼车间的d c s 主要完成第一级和第二级的功能，而这两级的功能主 要是与装置生产过程密切相关的实时控制，气流干燥专家控制系统就是在第一、 第二级的基础上进行开发。 闪速炉的生产过程是非常复杂的，整个气流干燥过程不可能完全由一些固定 的精确的数学模型来描述【堋，控制过程也会遇到很多不确定因素，如结构和参 数的未知性、时变性、随机性，对这样的控制对象，仅应用经典的p i d 控制较 难以获得最佳的控制效果。 随着工业控制计算机的计算能力的大幅度提高和人工智能理论及技术的发 展，近年来人们推出、应用了许多从工业过程实际出发、对模型要求不高、在线 运算方便、对过程和环境的不确定性有一定的适应能力的控制策略和方法，如自 适应控制系统、预测控制系统和智能控制系统( 包括模糊控制、专家控制和神经 元网络) 等先进控制系统。 中南大学硕士学位论文第二章气流干燥过程控制分析 2 5 小结 本章首先简要的介绍了气流干燥的原理，三段式气流干燥的主要设备及气流 干燥过程，然后在此基础上详细分析了气流干燥过程模型建立的过程，以及采用 模型的缺陷，最后介绍了闪速熔炼气流干燥过程控制系统，并对气流干燥先进控 制进行了简要研究。 中南大学硕士学位论文 第三章气流干燥专家控制系统设计 第三章气流干燥专家控制系统设计 气流干燥生产过程铜精矿水分控制如果采用一般的控制方法，会存在不足， 本章将在分析这些不足的基础上，对气流干燥专家控制系统进行总体设计。 3 1 串级控制系统控制精矿水分的不足 1 串级控制系统p i d 调节 闪速熔炼车间通过d c s 实现气流干燥过程的多回路串级控制，系统主要使 沉尘室烟气温度保持在8 2 左右，为了达到控制效果，采用温度调节器、压力 调节器、流量调节器等组成的多回路串级控制系统，如图3 - 1 所示。 i ，l ( 们 沉尘室温度 r 2 ( k t ) f 重油压力 n 曲力 燃烧风量 ( 七力 置笼负压 型辅广_ 塑墒广坐墒 龠博稀梅赣量 气流干燥生产过程 图3 - 1 多曰路串锯控制系统 由图可知，沉尘室温度受重油流量、燃烧风量和鼠笼负压等影响，各影响因 素的值又分别由重油种类和重油温度、热风炉压力和热风炉温度、s h r h 烟气 量和精矿流量来进行控制，所以先控制各内环的值，层层递推，最后就可稳定沉 尘室的温度 当采样一批数据以后，由外到内回路连续进行p i d 运算，最后得到各调节 量。为简单分析起见，采用双回路串级控制系统，其结构方框图如图3 - 2 所示 由图可以看见，温度调节器4 ( 占) 和压力调节器见( s ) 是串联工作的。温度调节器 的输出作为压力调节器的输入，压力调节器的输出控制调节阀门的动作图3 - 2 所示串级控制系统分为主控回路和副控回路，主控回路是温度调节回路，副控回 路是压力调节回路；对象e ( s ) 和对象幺( s ) 分别为主控对象即沉尘室温度和副控 对象即重油压力；作用在两个回路中的扰动以( s ) 和版( s ) 分别称为一次扰动和二 中南大学硕士学位论文第三章气流干燥专家控制系统设计 次扰动。由此可见，气流干燥过程串级控制系统是基于反馈的p i d 控制，它无 法克服响应速度与超调量之间的矛盾，导致了现场d c s 系统频繁的发出报警信 息，使现场操作人员时刻保持高度警惕状态。所以，依靠p 、i 、d 这三个参数 的调节不能很好的利用被控对象的大量状态信息，是无法满足铜精矿水分的控制 要求的。 二次扰动 一次扰动 圈3 - 2 双回路串级控制系统结构 2 智能p i d 调节 随着人们把现代控制理论的方法溶入p i d 控制，如：非线性特性改进型p i d 控制、自适应p i d 控制、智能p i d 控制等等，使p i d 控制在过程控制中所占的 比例上升到9 0 以上无论采用那一种p i d 控制，均未能满足要求。这是因为 传统的p m 控制是基于线性调节理论，无法克服超调量与响应速度的矛盾。尽 管可用多种方法实时改变放大倍数、积分时间、微分时间这3 个参数，但在控制 中仅仅依靠3 种状态信息是无法控制好铜精矿水分的。大量的状态信息在p i d 图3 - 3 智能p i d 框图 1 6 中南大学硕士学位论文 第三章气漉干燥专家控制系统设计 控制中无法使用，因而也无法满足水分控制的要求。不管是美国f o x b r o 公司的 e x a c t 专家自整定p i d 调节器，还是日本东芝公司的m i c r e x 专家自整定p i d 调节器，它们与传统的p i d 的区别仅仅在于能在线自动修改p i d 参数。就其本 质而言它无法摆脱p i d 调节器的局限性，如图3 3 所示。 3 2 模型控制的不足 对气流干燥系统进行控制，往往遇到工艺所需的产品指标难以直接测量的问 题，如前所述被控制量是铜精矿的含水率，由于在工程上直接快速测量铜精矿的 含水率十分困难，而测量气流干燥管的排风温度( 即沉尘室温度) 却较为简便，同 时又发现排风温度与铜精矿的含水率有密切的相关关系，因此就可以用控制捧风 温度的方法间接控制铜精矿的含水率，这种控制方式称为推断控制。这是一种最 简单的模型控制。在这种控制方式中，只要建立了排风温度与铜精矿含水率对应 关系的模型，就能以此模型为依据进行有效的控制。 实际上，排风温度并非影响铜精矿含水率的唯一因素，进排风温度的温差、 空气湿含量、进料含水率、精矿颗粒大小等等因素都会影响干燥产品的含水率， 如果要对系统进行较为精确的控制，就需要对多个变量进行测量以及建立各变量 对被控制量影响大小的数量关系。抉句话说，也即建立一个更完整、更精确的模 型以进行控制。 下面对模型控制进行简要说明，按模型所描述关系的确定与否，可分成确定 性模型和非确定性模型两类。对于气流干燥系统，经过抽象和忽略一些次要因素， 可以用微分方程等数学工具确定的函数关系进行描述，称为确定性模型。还有一 些干燥系统由于人们对其信息掌握不太完备，或者会出现随机性的影响因素，使 其不能以确定的数学关系进行描述，称为非确定性模型 干燥条件 图3 - 4 模型参考自适应控制系统示意田 还有一种方法是根据控制目的先建立一个理