贵冶闪速熔炼冶金数模控制系统应用综述1

收稿日期：2010-11-01;修改稿收到日期：2010-11-01
作者简介：涂延安(1969－)，男，江西安义人，工程师，学士，主要从事计算机过程控制应用工作。

刘建群(1956－)，男，辽宁天山人，优异高级工程师，主要从事计算机过程控制应用工作。

贵冶闪速熔炼冶金数模控制系统应用综述
涂延安，刘建群
（江西铜业集团股份有限公司贵溪冶炼厂计控车间，江西贵溪335424）
摘要：本文简要叙述闪速熔炼冶金数学模型的发展和应用情况。

重点描述在江铜贵溪冶炼厂的发展应用，系统改造升级过程中的创新思考、安全机制等问题。

关键词：闪速冶金控制数学模型；操作系统；网络；系统安全
An overview to the control system development and its application of Model in flash metal-smelting at Guixi Smelter
TU Yan-an,LIU Jian-qun
(Jiangxi Copper Corporation Guixi Smelter,Guixi,Jiangxi 335424,China )
Abstract:This article described in summary development and application of Mathematical Model in flash metal-smelting.Key described its development and application at Guixi Smelter of Jiangxi Copper Corporation,and problems in system upgrading process such as creative thinking,security mechanism,etc.
Key words:Mathematical Model in flash metal-smelting;Operating System;Network;System Safety
0前言
闪速熔炼是冶金工业中非常复杂的火法冶炼过程，它由许多非常复杂的化学反应过程组成。

这种工艺因为环保好、能耗低、产量大、效率高而被世界冶炼工业所推崇。

从系统的观点看，闪速熔炼是一个高温、多相反应过程和多输入多输出的非线性系统，具有操作变量多、变量间交互耦合效应复杂、各变量间具有强耦合、时变、分布式参数和显著的不确定性等特点。

对闪速熔炼的数学模型和采用计算机对其在线控制的系统研究一直是冶金和自动化专业工作者重视和关注的问题。

1闪速熔炼冶金数学模型的发展
闪速炉作为一种新型火法冶金反应装备，其闪速熔炼是一个连续的、变化复杂的冶金化学反应生产过程。

生产实践表明，在闪速炉入炉料量稳定不变时，其产出的冰铜品位、冰铜温度和渣中铁硅比这三大参数就是判断闪速炉熔炼过程是否稳定正常的重要指标。

只要稳定这三大指标，基本上就可保证闪速炉熔炼的工况稳定和其后续工艺的稳定。

由于闪速熔炼工艺操作的复杂性、瞬态性和相关性，单靠人工操作很难实现。

借助计算机技术、自动化仪表技术和现代控制理论，就可以实现上述目标。

1.1基于物料平衡和热量平衡计算的静态数学模型
此模型由浅入深地分析闪速熔炼过程的不同炉料成分、鼓风成分和温度、矿物燃料燃烧、冰铜品位、渣成分控制及炉温、炉子热损失等影响的矩阵式。

这种模型是日本住友金属矿山株式会社研发出来的,其核心是基于物理学的物质守恒和能量守恒原理，对闪速熔炼过程的主要环节采用4个金属平衡和2个热平衡来实现控制。

该模型的特点是：在对铜闪速熔炼热力学分析的基础上，基于物料平衡和热量平衡的计算模式和实际生产的操作数据，采用经典控制理论的前馈+
反馈结合的控制方法，通过计算机系统和自动化仪表实现对闪速炉熔炼过程的实时在线闭环控制。

1.2基于多相体系的热力学平衡计算的离线数学模型
江西理工大学研究建立了铜闪速熔炼多相平衡数学模型[1],并研发了具有自
主知识产权的铜闪速熔炼多相平衡仿真系统(MPES V1.0)。

该模式的特点是：在对铜闪速熔炼热力学分析的基础上,基于最小自由能原理,采用Rand 算法,研究建立了铜闪速熔炼多相平衡数学模型，数模能较好的反映铜闪速熔炼过程，研究了铜闪速熔炼过程各工艺参数对熔炼产物各相平衡组成的影响规律,输出了熔剂率、富氧浓度、吨矿氧量、温度与铜锍品位、渣含铜、铜锍含Fe 3O 4、渣含Fe 3O 4等关系曲线,为进一步优化工艺参数提供了理论依据和实践指导。

2贵冶闪速熔炼数模控制系统应用
贵冶现有2座铜冶炼闪速炉系统（以下简称Ｉ系统和II 系统），其闪速熔炼计算机控制系统是以日本东予式冶金数学模型为基础，进行优化而实现的。

2.1Ｉ系统闪速熔炼数模控制系统
I 系统闪速熔炼冶金数模控制系统[2]是随江西铜业集团公司贵溪冶炼厂全套引进日本住友金属矿山的闪速炉炼铜工艺同时引进的技术和装备。

这套控制系统采用由PDP11/34AP 小型计算机系统实现的SCC 控制方式，采用DI 和A/D 模件对过程仪表的模拟变量和状态进行数字化处理，提供给冶金数学模型应用软件进行计算，计算结果由D/A 和DO 模件转换后通过信号电缆输出到现场的EK 系列自动化仪表，实现对生产过程实时的监控。

（1）Ｉ系统闪速熔炼数模控制系统架构见图1；
（2）闪速炉数学模型控制方式。

在闪速炉冶炼计算机过程控制系统的应用软件中，冶金数学模型在对渣中
铁硅比Fe/SiO 2、冰铜Cu 品位、冰铜温度控制等采用了前馈-反馈控制技术[2]。

前馈-反馈控制的综合输出(即为调节变量的控制输出)到现场EK 系列仪表系统，实现对现场执行机构的调控，从而对工艺参量控制。

控制流程如图2所示。

图1I 系统闪速炉数模控制系统架构图
Fig.1Struction of Computer Control System for The First Flash Furnace
调整石英配比闪
速
炉
冰铜品位及温度测量
铁/硅比测量
铁硅比给定品位及温度给定配料物料平衡石英配比修正矿石含铁量
热平衡
风、氧气、油
修正
调整风、氧、油
R ∆R R +∆R
K ∆K K +∆K +-+-1994年成功完成了对引进I 系统闪速熔炼数模控制系统的技术改造。

与引进的原系统比较,有下列进步：仍然采用小型计算机软、硬件系统，确保系统软件和冶金数模控制应用软件的运行平台稳定可靠；采用的数据库管理系统和FDDI 光纤网络技术达到90年代初期的世界先进水平；控制系统结构采用小型计算机服务器与工厂局域网络和DCS 集散控制系统构成；冶金数模控制应用软件根据工厂的实际生产经验进行了修改、调整，实现控制参数“贵冶化”
；在这个平台上实现了管理信息系统和过程控制系统一体化，扩大了计算机信息处理的范围和实现资源共享的目标。

改造后的系统架构见图3。

2.2II 系统闪速熔炼数模控制系统
II 系统闪速炉计算机在线优化控制系统[3]在原有引进东予式冶金数模机
图2闪速炉数学模型控制流程图
Fig.2Control Flow of Computer Control System for Flash Furnace
图3改造后的I 系统闪速炉数模控制系统架构图
Fig.3Struction of Computer Control System for The First Flash Furnace After Upgrad
理模型的基础上，结合新闪速炉的生产工艺，采用了全新的设计方法、设计理念和技术开发手段。

在冶金计算模型方面和功能方面都做了一些改进。

（1）II 系统闪速熔炼数模控制系统架构见图4；
（2）冶金数模控制应用软件架构见图5；
（3）该系统采用了全新的面向对象的设计方法进行了重新设计与构建，采用Sun 小型机＋UNIX 操作系统＋PI 实时数据库＋Windows PC 机作为整个系统的基础平台，充分结合了小型机安全、稳定、可靠、高效的特点和Windows 操作方便、易维护、界面美观等的特点。

3结语
闪速熔炼作为重有色金属（铜、镍、铅等）冶炼先进技术已被世界各国认同，对其冶金数学模型控制技术仍在继续研究中。

江铜贵溪冶炼厂的2座闪速炉熔炼冶金数模控制系统均是采用基于物料平衡和热量平衡计算的模式，进行图5II 系统闪速炉数模控制系统应用架构图
Fig.5Application Struction of Computer Control System for The Second Flash Furnace
在线控制的。

其中Ｉ系统闪速熔炼冶金数模控制系统，自1985年引进投入在线运行到1994年10月，其主机未出现过引起闪速炉停产的重大事故；而自1994年对其改造更新后投入一直运行至今，未发生引起闪速炉停产的重大事故。

II 系统闪速熔炼冶金数模控制系统，采用SUN V440小型机系统平台，于2007年8月1日与闪速炉熔炼系统同步投运,截止到现在系统稳定、连续运行3年。

对此我们在实践中也得到了一些启示和体会：
（1）基于物料平衡和热量平衡计算的模式，是一种静态模型，由于其模型中的变量元素在内部的种类是根据以往的操作分析数据取得，相对固定。

因此当发生外部原料中元素发生较大变化时，对冶金数模控制和操作会带来不利影响，需要对此加以研究。

江铜集团对此作为一项科研课题立项进行研究，对冶金数模进行优化，以解决多元素复杂矿种对闪速熔炼过程的影响；
（2）冶金数模控制系统计算机平台的选择。

闪速炉是贵冶全厂产品生产线的龙头。

它的工况直接影响工厂产品的产量和质量。

而作为其核心的设备的计算机冶金数模控制系统，它不但要在线完成对闪速熔炼过程的控制，还要为操作人员提供实时生产信息数据画面和操作界面，因此冶金数模控制系统计算机平台的选择就非常重要。

因此，在考虑闪速炉冶金数模控制系统的设备选择方面，我们考虑选择小型计算机系统和UNIX（或VMS）操作系统；
（3）对于任何一个工业应用而言，可靠性、稳定性仍是第一位的。

小型机具有安全、稳定、可靠、高效的特点；小型机的价格也有比较优势，按照性能/价格来考虑，也优于PC服务器；PC服务器由于其体系结构与小型计算机存在很大不同，在硬件系统管理上（特别是内存储管理和多任务、多进程中断/调用、任务优先级管理、实时任务调度方面）存在差距，影响系统整体功能的实现；PC服务器长期运行的整体可靠性和稳定性均不如小型计算机系统；
（4）闪速炉冶金数模控制系统是一个重要的应用，应该做成一个专用系统。

该应用是一个多任务、多进程的系统，对操作系统有很多功能要求。

而Unix 或Open VMS操作系统都支持这种应用模式。

该产品是成熟的，可靠的，稳定的，而且有很多开发工具和应用产品可供选择使用，与数据库系统和微软Windows操作系统有接口。

因此系统设计人员可以方便的开发出针对闪速炉计算机控制系统的应用软件。

参考文献：
[1]童长仁,吴卫国,周小雪,等.铜闪速熔炼多相平衡数模的建立与应用[J].有色冶金设计与研究,
2006,27(6):6-9.
TONG Chang-ren,WU Wei-guo,ZHOU Xiao-xue,et al.Establishment and Application of Multiphase Equilibrium Mathematical Model for Copper Flash Smelting Process[J].NONFERROUS METALS ENGINEERING&RESEARCH.2006,27(6):6-9.
[2]刘建群.小型计算机系统在贵冶生产及管理中的应用[J].铜业工程,2006,90(4):52-54.
LIU Jian-qun.Application of Minicomputer Systems into Production and Management in Guixi Smelter [J].Copper Engineering,2006,90(4):52-54.
[3]马英奕,余齐汉,涂延安,等.江铜30万吨闪速炉计算机优化控制系统介绍及试生产实践.第12
届国际闪速熔炼大会论文集,2008,12(1).
MA Ying-yi,YU Qi-han,TU Yan-an,et al.Introduction to Computer Optimizing Control System for The Second Flash Furnace in Jiangxi Copper Corporation[J].12th IFSC,2008,12(1).
[编辑：]。