球团生产线

球团综合自动化系统
1球团综合自动化系统的概述
1.1综合自动化系统的基本构成
了解一个综合自动化系统必须从以下几个层次对综合自动化系统分析：
（1）生产线、工艺平衡、物料平衡和物料跟踪；
（2）工艺设备、过程段和基本生产单元；
（3）电气控制、公辅控制和其他设备控制系统；
（4）过程控制系统；
（5）计算机控制和管理系统。

若从控制层次分级分析：
（1）基础自动化级（L1）
主要完成设备的顺序控制，联锁控制，位置控制，速度控制，参数调节，故障检测与报警，现场数据采集等任务，它是保证工艺设备正常运行的关键。

（2）过程计算机级（L2）
主要完成物流跟踪，过程数据收集及处理，数学模型计算及设定，操作指导，报表编制及打印，数据通信等任务，它是保证产品质量，取得生产效益的关键。

（3）制造执行计算机系统MES（L3）
主要完成生产计划管理、生产协调及调度、生产指令产生及下达、全线物料跟踪、质量信息管理、原材料管理、设备管理、生产报表编制及打印，数据通信等任务，它是保证全线稳定、协调、高效、高质量生产的关键。

图1-2 工厂综合自动化系统
1.2球团系统工艺流程
球团工艺流程
1.3 综合自动化系统的任务
综合工业自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其他信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的综合性高技术，包括自动化软件、硬件和系统三大部分。

自动化系统本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程起着明显的提升作用：
（1）提高生产过程的安全性；
（2）提高生产效率；
（3）提高产品质量；
（4）减少生产过程的原材料、能源损耗。

综合自动化系统控制和管理范围
自动化系统的控制和管理范围包括与工艺相关的自动化控制系统、低压供配电、电气传动及控制、检测仪器及仪表，对从原料开始到成品运输为止的生产过程进行控制和管理。

综合自动化系统分级
为有效地控制整个生产过程，根据生产工艺的连贯性、分布位置及控制要求，对控制系统分区域、分级进行配置，采用网络技术，构成生产工艺对象工厂综合自动化控制系统如图1-2所示：企业管理级、生产管理级、监控系统级、过程控制级和设备控制级。

前两级管理级涉及的高新技术主要是计算机技术、软件技术、网络技术和信息技术；监控系统级涉及过程数据收集及处理，数学模型计算及设定，操作指导，生产报表编制及打印，设备状态监控管理、数据通信等任务；生产过程控制级涉及的高新技术主要是智能控制技术和工程方法；设备控制级涉及的高新技术主要是三电一体化技术、现场总线技术和新器件交流数字调速技术。

2基础自动化级（主要部分）
自动化系统控制功能说明
自动化控制系统共设有2地4种操作方式，即在集中操作室HMI上的HMI自动、HMI手动、HMI检修模式和在机旁操作箱上的单机手动操作。

1）HMI自动操作方式：此种操作方式是当操作控制条件和工艺及设备联锁条件成立时，系统根据操作员经HMI人工设定自动地完成一个工艺过程的控制（或动作）的控制操作方式。

2）HMI手动操作方式：此种操作方式是当操作控制条件和设备连锁条件成立时，人工依照工艺顺序分别对设备进行各种操作（如起皮带机、打开阀门等）的单机控制操作方式。

3）HMI检修模式：此种操作方式是当某个系统中设备发生故障时，在HMI画面上按下系统检修按钮，这时烧结主控制室对该系统有绝对控制权，不允许在其他任何地点对该系统设备进行操作，确保检修人员的安全。

4）机旁手动操作方式：此种操作方式一般是用于单机设备自身操作，由人工在机旁进行单机设备检修和调试时使用的控制操作方式。

表3.1精矿干燥室
表3.2高压辊磨室
表3.3配料室
表3.4混合室
表3.5造球室
造球室
表3.6链篦机-回转窑-环冷机
表3.7主抽风机-主电除尘器
表3.8筛分室
表3.9烟煤煤粉制备系统
表3.10无烟煤煤粉制备系统
表3.11原煤破碎室
表3.12转运站
表3.13膨润土储存间
表3.14除尘系统
表3.15水道主要设备
3.2球团生产中的检测和自动控制系统
以弓长岭第二球团厂200万吨链篦机——回转窑球团生产线工程为例，由铁精矿粉、石灰石和膨润土等按一定重量配料造成生球，然后进链篦机—回转窑，机尾出来的熟球经过筛分，8～18mm的熟球作为成品球团矿送高炉，不合格的球团经球磨机磨细后，作为返矿重新配料造球焙烧。

其检测和自动控制系统包括下列几个主要系统：
（1）配料段。

包括：
①铁精矿给料槽给料量调节、指示、记录、累积仪表：LA1-1～LA4-1，
铁精矿给料槽料位指示、报警：LA1-2～LA4-2，
②膨润土、石灰石粉、无烟煤粉、除灰尘矿槽料量调节、指示、记录、累积仪表：LA5-1～LA8-1，
膨润土、石灰石粉、无烟煤粉、除灰尘槽料位指示、报警：LA5-2～LA8-2，
膨润土、石灰石粉、无烟煤粉、除灰尘槽来料量指示、记录仪表：LA5-3～LA8-3，
③原料称量及比例配料装置：WRS/A-20，WRCSA/A-2-1，WRCSA/A-2-6，
（2）造球段。

包括：
①造球机混合料矿槽精矿水分测定装置：MR/1，它使用中子水分计来测量。

②混合料矿槽料位检测及控制装置：9个料位槽共9个检测点，它检测混合料矿槽料位并在料空时发出警报信号，使卸料机往空的料槽装料。

③向造球盘定量给料量：9个圆盘造球机检测点共9个，
④生球量：检测点9个，
⑤返球散料量：检测点1个，
⑥造球机转速控制：控制量9个。

（3）链篦机段。

包括：
①两台电子秤WT1、WT2，指示控制器WCA1：在生球胶带运输机和返矿胶带运输机上分别装两台电子秤WT1、WT2，对未经过辊筛的生球瞬时流量和返球瞬时流量进行称量，两称量信号之差就是进入链篦机生球瞬时流量送给指示控制器WCA1。

由于链篦机的宽度和铺底料均为定值，因此将该生球瞬时流量作为指示控制器的机速设定值即可使链算机速度随生球瞬时流量而成比例变化，以使链篦机上的铺料厚度保持稳定值，以利于生球的干燥和
预热。

此外，还设有链篦机和除尘器各部分的温度、压力检测，并在中央监视CRT上监视干燥过程。

②链篦机鼓风干燥段烟罩内温度：东、西两侧各1个烟罩检测点共2个，链篦机鼓风干燥段烟罩内压力：东、西两侧检测点2个，链篦机鼓风干燥段风箱内温度：东、西两侧各2个风箱检测点共4个，链篦机鼓风干燥段风箱内压力：东、西两侧各2个风箱检测点共4个，
③链篦机抽风干燥段烟罩内温度：东、西两侧各1个烟罩检测点共2个，链篦机抽风干燥段烟罩内压力：东、西两侧检测点2个，链篦机抽风干燥段风箱内温度：东、西两侧各3个风箱检测点共6个，链篦机抽风干燥段风箱内压力：东、西两侧各3个风箱检测点共6个，
④链篦机预热段Ⅰ段烟罩内温度：东、西两侧各1个烟罩检测点共2个，链篦机预热段Ⅰ段烟罩内压力：东、西两侧检测点2个，链篦机预热段Ⅰ段风箱内温度：东、西两侧各2个风箱检测点共4个，链篦机预热段Ⅰ段风箱内压力：东、西两侧各2个风箱检测点共4个，
⑤链篦机预热段Ⅱ段烟罩内温度：东、西两侧各2个烟罩检测点共4个，链篦机预热段Ⅱ段烟罩内压力：东、西两侧2个烟罩检测点4个，链篦机预热段Ⅱ段风箱内温度：东、西两侧各4个风箱检测点共8个，链篦机预热段Ⅱ段风箱内压力：东、西两侧各4个风箱检测点共8个，
⑥.链篦机运行速度：检测点1个，
⑦链篦篦机料层厚度：检测点共4个。

除了上述的检测装置，链篦机还有一些其它的检测和控制装置，如预热段Ⅰ段和预热段Ⅱ段的燃气自动点火控制，低压关断控制，摆动胶带机指示、控制仪表，可燃气体报警监测装置。

（4）回转窑段。

包括：
①回转窑窑内气体焙烧温度：检测点2个，
②回转窑窑头密封罩内温度：检测点1个，
③回转窑窑尾密封罩内温度：检测点1个，
④回转窑传动冷却水给水压力：检测点1个，
⑤回转窑传动冷却水回水流量：检测点1个，
⑥回转窑运行速度控制：控制量1个，
⑦回转窑喷煤量：控制量1个，
⑧回转窑助燃风量：控制量1个。

除了这些主要的检测装置外，还有回转窑喷煤辅助烧嘴燃气自动点火，低压关断控制。

（5）环冷机段。

包括：
①环冷机Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ冷段回热风温度：检测点3个，
②环冷机排料料温：检测点1个，
③环冷机速度控制：控制量1个，
④环冷鼓干风机入口风门反馈控制：控制量1个，
⑤鼓干废气前温度：检测点1个，
⑥环冷Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段环冷机风门反馈控制：控制量3个
此外，还有环冷机卸料溜槽料位指示、记录、报警装置和成品球团矿球量指示、记录装置。

上面5个工作室中的检测装置是链篦机——回转窑球团法的主要装置，还有一些辅助设备的检测装置我们来简单介绍一下。

（6）主电除尘、主抽风系统和回热风机系统
①主电除尘入口温度、压力：检测点各1个，
②主抽风机入口温度和定子温度：检测点各1个，
③主抽风机前、后轴振动：检测点2个，
④主抽风机风门反馈控制：控制量1个，
⑤主抽风机液力耦合器开度控制：控制量1个，
⑥回热风机入口温度：2个回热风机共2个检测点，
⑦回热风机前、后轴振动：2个回热风机共4个检测点，
⑧回热风机定子温度：2个回热风机共2个检测点，
⑨回热风机风门反馈控制：2个回热风机共2个控制量，
⑩回热风机液力耦合器开度控制：2个回热风机共2个控制量。

3.3球团生产的过程优化控制
i. 3.3.1链篦机-回转窑机速自适应智能控制系统设计
近年来链篦机-回转窑法焙烧球团矿的工艺发展很快，在2003年和2004年鞍钢在弓长
岭矿先后建立了两条年产200万t 球团矿生产线。

链篦机-回转窑是一种联合机组，包括链篦机、回转窑、冷却机及其附属设备。

生球首先于链篦机上干燥、脱水、预热，而后进入回转窑内焙烧，最后在冷却机上完成冷却。

除了各个环节的温度控制外，链篦机、回转窑和环冷机的机速控制会直接影响球团质量。

因为，链篦机机速会影响料层厚度，从而影响生球在链篦机上的干燥、脱水、预热效果，回转窑的机速控制会影响球团回转窑内的停留焙烧时间和回转窑的填充率，同样还冷机的机速控制会影响球团的最终产品质量。

目前，在现有的弓矿链篦机-回转窑控制系统中，采用人工根据链篦机的料层变化情况，手动调节链篦机、回转窑和环冷机机速，从而造成了球团生产质量受到人为因素的影响，不利于球团生产质量的提高。

结合生产实践，设计基于动态专家控制的链篦机机速自动控制系统解决链篦机料层厚度的自动控制问题，并且根据链篦机机速和料层厚度变化采用智能控制策略实现回转窑和还冷机的速度自动调节。

3.3.1.1链篦机料层厚度控制工艺
为保持链篦机上料层的透气性和球团温度控制的稳定性，必须保证规定的球层厚度和球层厚度变化的稳定性。

球团布料系统如图3.8所示，其中L1为送料传送皮带、L6~L10、M1、M2、Z1和Q1为返料传送皮带，L2为摆动皮带，L3为宽皮带，L4为辊式布料器，L5为链篦机，WIC 为电子称，WIC1检测生球料量，WIC2检测生球的返矿量，SIC 检测链篦机机速，LIC 检测链篦机料层厚度。

原料经过球盘造球机成球，筛去尺寸大的生球，经皮带传送在辊式布料器筛去尺寸小的生球后在链篦机料层布料，返料经返料传送皮带传送至料仓。

M1
M2
Z1
Q1图3.8球团布料系统
3.3.1.2链篦机料层控制策略的分析
目前，弓矿关于链篦机料层控制方面采用人工手动控制方法，主要是根据组态画面的监控数据包括生球料量、链篦机料层厚度、当前链篦机机速设定值，另外链篦机监控画面中，从辊式布料器到链篦机之间的生球布料堆积角也是操作者参考的主要依据。

（1）链篦机机速前馈控制方法
链篦机机速前馈控制方法主要是根据WIC1测定生球布料量，按照公式3-1计算链篦机速度()，每2分钟进行一次机速前馈控制。

(3-1) 式中——链篦机速度，()，
——链篦机宽度，，
——链篦机料层厚度给定值，，
——生球布料量，，
——生球堆比重，
式中并非定值，它通过实际检测量按式3-2算得：
(3-2) 式中——生球布料量，，
——链篦机速度，，
——链篦机料层厚度测定值，，
每2分钟用WIC读一次生球布料量，用SIC读链篦机机速返回值，再用LIC读入料层厚度，计算值，每隔30分钟用平均值校正一次。

该算法计算简单且容易实现，但是现场实际情况，生球料量波动较大，且生球料量的测量绝对值不是十分准确（若要计量准确，WIC电子称需要经常校对），同时生球料量计量称现场安装位置，对于实时控制而言都有时间滞后的问题，而且链篦机料层厚度设定值一般是一个范围（弓矿设定为165~195之间），因此该算法在实际应用控制时，料层厚度波动较大、不利于温度控制，控制效果不好。

（2）链篦机料厚反馈控制方法
由于生球布料量无法检测，而链篦机厚度可以检测，因此可以采用链篦机料厚反馈控制方法，链篦机速度设定为：
(3-3)
(3-4) 其中——第时刻的链篦机料层厚度，——投入自动控制前的链篦机当前机速，、为链篦机料层厚度的允许偏差范围。

该方法解决了生球布料量无法直接测得的问题，但由于链篦机测厚仪现场安装位置距离布料点1.5m左右，相对于链篦机机速有20s~30s的滞后时间。

而且生球生球波动范围较大、波动的频率较快，因此该方法在实际应用控制时，当生球料量变化频率较大时，链篦机的机速调整幅度较大、且造成料层厚度周期性变化，不利于温度控制，控制效果不好。

（3）基于专家知识库料层控制方法的提出
根据对上述二种方法的分析，链篦机料层厚度的控制受到以下几个因素的影响：
球盘造球机生球产量不稳定造成生球量波动较大，
生球返矿量包含链篦机机前返矿和链篦机内部返矿，而且测量点安装位置较远存在时间滞后的问题，从而无法精确测量并参与控制，
链篦机料层厚度测厚点距离链篦机机头有一段距离，厚度反馈有时间滞后的问题存在，布料机摆动皮带布料控制的均匀性造成料层厚度波动。

基于上述原因考虑，提出采用链篦机机速动态自适应专家控制的厚度前馈控制系统方法，其控制原理图如图3.9所示。

链篦机机速
调整过程
专家控制器1专家知识库1
专家控制器2机速调整数据库料层厚度反馈值料层厚度
设定值
生球料量球盘数量
1u 2u L
v 图3.9链篦机机速自适应专家控制系统
如图3.9所示中，专家控制器1主要是由生球料量和球盘数量建立的专家控制系统，通过对现场生球料量和球盘数量的实时数据根据专家规则表输出链篦机机速控制量。

根据料层厚度变化经专家控制器2得到的速度控制量是对控制量的修正。

链篦机机速修正后进入机速数据库，根据机速修正原则更新专家知识库1的专家知识，实时修改专家控制器1的专家规则。

专家规则需要不断更新的原因是，生球料量自身的波动性和返矿量的不确定性。

3.3.1.3自适应专家控制系统的设计
链篦机料厚自适应专家控制系统中，其中包含2个专家控制器。

专家控制器1的设计首先根据球盘数量建立对应的链篦机生球料量与机速的专家规则库，专家控制规则如下：
IF 当前参与生产的球盘数量为i ，Then
：IF 生球料量
，Then 机速， ：IF 生球料量
，Then 机速
，
：IF 生球料量
，Then 机速， 链篦机料层厚度变化根据生产实际情况定义如下：
，，， 鉴于生球布料过程无法实现料层厚度决定平均，即在料层厚度波动较大，判定料层厚度实际上是判定料层厚度的趋势在上述那个范围内波动，因此专家控制器2规则设计思想主要
是根据实时料层厚度在上述厚度范围内出现的频率变化而决定是否改变链篦机机速，具体如下：
：IF在控制周期内出现频率且，Then，
：IF在控制周期内出现频率，Then，
：IF在控制周期内出现频率，Then，
：IF在控制周期内出现频率，Then，
：IF在控制周期内出现频率且，Then。

链篦机机速输出：
(3-5) 专家控制器1的机速自适应修正公式如下：
(3-6)
根据公式3-6计算机速修正值后，更新专家控制器的所有专家规则。

3.3.1.4程序设计和实现
（1）控制软件结构
数据采集和处理等功能由原有的监控软件完成，链篦机厚度自适应专家控制软件系统只需通过OPC接口读入数据，算法完成后在通过OPC接口下发控制量。

应用程序开发工具选择VB6.0可视化编程工具，是一种可视化的、面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言，可用于开发Windows环境下的各类应用程序。

在VisualBasic环境下，利用事件驱动的编程机制、新颖易用的可视化设计工具，使用Windows内部的广泛应用程序接口（API）函数，动态链接库（DLL）、对象的链接与嵌入（OLE）、开放式数据连接（ODBC）等技术，可以高效、快速地开发Windows环境下功能强大、图形界面丰富的应用软件系统。

本系统与WINCC监控软件的关系如图3.10所示。

链篦机料层厚度自动
控制系统
ActiveX控件
（OPC）
OPC服务器WINCC监控系统专家控制系统
图3.10控制系统框架示意图
（2）控制流程
链篦机料层厚度专家自适应自动控制流程图如图3.11所示，控制流程中主要包含控制系统初始化模块、球盘变化处理模块、生球料量—机速专家控制模块、料层厚度—机速专家控制模块和生球料量—机速专家控制自适应校正模块等子程序模块。

其中，控制系统初始化模块主要完成的功能除了部分数据参数初始化的工作外，还需进行生球料量—机速专家规则数据库的生成，生球料量、料层厚度对应的专家规则库算法原理如前所述。

另外，根据生产实践的实际情况专家控制规则库需要对产量不同时，即球盘的数量发生变化时建立不同的专家规则，因此建立了球盘变化处理模块以应对球盘变化而进行规则库的切换工作。

图3.11链篦机料层厚度自动控制程序流程图
（3）运行结果与分析
基于自适应专家控制的链篦机料厚自动控制系统应用于弓长岭球团二厂，图3.12所示的是该系统投入运行某一时间段，链篦机料层厚度、机速自动调节的过程。

从运行结果可以看出，生产实际情况除了链篦机生球料量的波动很大外，生球的返矿量波动也很大，对链篦机机速调整和料层厚度控制增加了难度。

从数据曲线上分析，在数据时间点50到80之间，生球料量在一定范围较小变化，而链篦机机速却做了较大的调整和变化，说明在此期间返矿量波动较大。

无论怎样，根据实际的控制效果而言，基于自适应专家控制的链篦机料厚自动控制系统很好的适应了工况变化能够自动调节链篦机机速，实现料层厚度的控制目标，减轻了操作工的工作强度和提高了链篦机料层厚度的控制精度，为链篦机—回转窑温度场优化控制打下了基础。

图3.12链篦机厚度自动调整的生产数据曲线
3.3.1.5小节
现有的链篦机—回转窑控制系统控制方式大多采用人工手动控制方式，球团的生产质量很大程度上取决于现场操作人员的操作经验、疲劳度和责任心。

而基于自适应专家控制的链篦机料厚自动控制系统是在总结现场操作者的操作经验并转化为专家控制规则基础上，针对生球料量返矿量检测存在大滞后，生球料量波动有很大的情况，提出来专家控制规则自整定的方法以实现自动控制。

系统的实际运行效果证明该控制方法的有效性，实现了链篦机—回转窑料层厚度自动控制，最终为链篦机、回转窑和环冷机实现三机联调和链篦机—回转窑温度场的自动控制打下坚实的基础。