烧结过程智能监测与优化控制系统
技 术 方 案
北京北科亿力科技有限公司
2015年3月
目 录
1 需求分析 .................................................................. 2
2 系统功能与控制目标 ........................................................ 3
系统功能 ................................................................ 3
控制目标 ................................................................ 3
3 技术方案 .................................................................. 3
设备管控 ................................................................ 3
设备精度控制 ........................................................ 3
设备运行监控 ........................................................ 3
烧结过程优化控制系统 .................................................... 3
无扰换堆模型 ........................................................ 3
配料计算模型 ........................................................ 3
水分跟踪与控制模型 .................................................. 3
烧透点分析与控制模型 ................................................ 3
燃烧一致性控制模型 .................................................. 3
烧结过程热状态分析模型 .............................................. 3
成品质量管控系统 ........................................................ 3
碱度分析与控制 ...................................................... 3
亚铁分析与控制 ...................................................... 3
精细化管理平台 .......................................................... 3
能源及原料消耗 ...................................................... 3
数据仓库 ............................................................ 3
生产报表 ............................................................ 3
数据采集 ............................................................ 3
质量管理 ............................................................ 3
4 烧结二级系统实现 .......................................................... 3
硬件系统 ................................................................ 3
建立数据库 .............................................................. 3
开发软件系统 ............................................................ 3
5 效益分析 .................................................................. 3
6 设备清单与供货范围 ........................................................ 3
1 需求分析
随着烧结设备的大型化和高炉对烧结矿质量要求的提高，烧结过程计算机控制技术的作用和成效更为显著，烧结自动控制水平已成为衡量烧结工艺水平的一个重要标志。近年来新建和大修改建的大中型烧结机都配置了计算机自动控制系统，但由于缺少品种齐全、性能优良的检测仪器仪表和必要的人工智能控制技术，我国的烧结自动控制系统与世界先进水平相比，在劳动生产率、生产成本、质量和能耗等方面仍存在着较大的差距。因此，如何利用烧结过程的全方位信息，采用先进的控制技术和优化方法，使整个烧结生产运行处于最优状态，仍是我国钢铁企业目前需要解决的关键问题之一。
烧结过程的控制非常复杂，它涉及到温度、压力、速度以及流量等大量物理参数，包括物理变化、化学反应、液相生成等复杂过程，以及气体在固体料层中的分布、温度场分布等多方面的问题。从控制的角度来看，烧结生产过程具有大滞后、多变量、强非线性以及强耦合性等特点，属于工艺流程长、控制设备大型化的连续复杂工业过程，传统的依靠人工“眼观—手动”的调节方法已经无法满足大型烧结设备的控制要求，需要更加精确和稳定的自动控制。
因此，为实现烧结过程稳定、提高烧结矿产量和质量以及降低能耗等目标，采用多种检测仪表和先进控制设备（计算机控制系统、集散控制系统、可编程序控制器），结合自动化技术、传统控制技术、智能控制技术、计算机技术、信息技术、网络通信技术，在实现生产过程自动化和稳定化的基础上，建立烧结过程智能优化控制系统，提高烧结过程控制的自动化、智能化、网络化水平，为企业取得显著地经济效益和社会效益。
2 系统功能与控制目标
系统功能
智能监测与优化控制系统主要由设备管控系统、过程优化控制系统、成品质量控制系统以及精细化管理平台四大部分组成，如图2-1所示。
智能监测与优化控制系统设备管控过程优化控制成品质量管控精细化管理平台设备精度控制设备运行监控无扰换堆模型配料计算及控制水分跟踪与控制烧透点分析与控制燃烧一致性控制能源消耗统计物料消耗统计生产报表数据采集质量管理碱度分析与控制亚铁分析与控制数据仓库烧结热状态分析
图2-1 智能优化控制系统主要功能
控制目标
智能监测与优化控制系统采用在线检测技术、自动控制技术以及数学模型等，通过与烧结工艺的完美结合，达到以下两个方面的目的：一是稳定烧结工艺参数，生产出化学成分稳定、粒度均匀、强度较好的烧结矿；二是最大限度地降低生产成本，提高劳动生产率，降低劳动强度。具体控制目标如下：
（1）精确控制混合料水分，控制精度±%；
（2）减少烧结矿碱度波动，平均偏差≤，提高碱度一级品率8%；
（3）提高亚铁稳定率，平均偏差≤，FeO稳定率提高5%；
（4）固体燃料消耗节约1kg/t以上；
（5）返矿率降低3%以上。
3 技术方案
设备管控
设备的稳定运行是确保烧结生产稳定的基础，也是实现烧结过程自动控制的前提条件，若设备控制精度下降或设备损坏，既影响自动控制的效果，又影响烧结矿的产量和质量。为此，采取以下两种措施对烧结生产中的关键设备进行管控：
（1）采用精度控制模型，提高设备尤其是下料设备的控制精度，确保自动控制的效果；
（2）采用设备运行监控及报警模块，提高设备的故障发现率及处理效率，减少因设备损坏给生产带来的损失。
设备精度控制
本系统所提及的设备精度控制，是指在原设备控制精度的基础上，通过采用精度控制模型，进一步提高设备的控制精度。以配料过程中料仓的下料控制为例，通过累计单位时间内料仓的实际下料重量来评估料仓的控制精度，如表3-1所示。
表3-1 不同情形下料仓的下料情况
时间/min 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 累计
设定重量/t 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 480
实际
重量/t 情形1 情形2 情形3 40 40
图3-1 各个料仓实际下料量对比
当出现前两种情况，即实际下料值与设定值一直存在负（或正）偏差时（见图3-1），通过将平均误差加在设定值上进行修正，以尽可能减少误差；当出现第三种情况，即实际下料值波动于设定值之间时，系统认为此种情况属于正常，不用修正。
通过每5min进行一次误差累计、每10min进行一次修正的方式，对下料精度进行控制，具体控制方法如下：
（1）每5min累计实际下料量，当与设定下料量的偏差在1%~2%时，修改下一次的设定值；当偏差＞2%时，建议校准或更换设备。
（2）每10min累计实际下料量，当与设定下料量的偏差连续2次大于%时，修改下一次的设定值；当偏差＞2%时，建议校准或更换设备。
设备运行监控
采用“设备运行监控及报警”模块来代替传统的人工巡检模式，高效及时地发现设备可能出现的故障，减少因设备损坏而给烧结生产带来的损失。主要功能如下：
（1）重点设备的实时在线监测；
（2）发现故障自动报警，并给出详细的报警信息；
（3）自动记录维护记录。
该模块通过采集设备的重要运行参数，并设定上下限报警值，来实时监控主要设备的运行情况，当设备的运行参数超过上下限报警值时，系统自动报警，操作人员可以方便、及时地做好维护工作。烧结生产过程中，重点监控的对象包括：
（1）料仓料位、秤、皮带；
（2）混匀、台车、环冷、破碎、料筛等设备的电机温度及润滑系统。
烧结过程优化控制系统
烧结过程包含许多复杂的物理、化学过程，烧结过程的优化控制是将烧结生产工艺与现代控制理论相结合，通过建立数学模型的方式来寻求实际生产过程中难以发现的控制规律，从而实现各种复杂的自动计算与控制。烧结过程优化控制系统主要包括以下六种模型：
（1）无扰换堆模型
烧结过程的原燃料来源较广，成分差异较大，如不能及时跟踪当前原燃料的成分，
