涂延安，魏 偉，劉建群

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424)

1 引言

1#閃速爐優(yōu)化控制系統(tǒng)是應(yīng)用在江西銅業(yè)集團(tuán)公司貴溪冶煉廠(以下簡(jiǎn)稱貴冶)一系統(tǒng)閃速爐的一套計(jì)算機(jī)在線優(yōu)化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)于1993年開始構(gòu)建，1994年投入運(yùn)行，由于系統(tǒng)當(dāng)時(shí)是基于VAX小型機(jī)+Onspec實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)構(gòu)建的，系統(tǒng)已經(jīng)過(guò)17年的穩(wěn)定運(yùn)行，VAX小型機(jī)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其設(shè)計(jì)的生命周期，并且VAX小型機(jī)廠商DEC公司已經(jīng)被并購(gòu)無(wú)法繼續(xù)提供服務(wù)，其備品備件已經(jīng)很難從市面上找到，Onspec實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)廠商也已經(jīng)停止提供服務(wù)，一旦這個(gè)專用系統(tǒng)出現(xiàn)災(zāi)難性故障，一時(shí)很難用其他平臺(tái)來(lái)替代予以恢復(fù)。因此為了確保不影響今后生產(chǎn)，2011年工廠利用1#閃速爐冷修時(shí)機(jī)針對(duì)一系統(tǒng)閃速爐優(yōu)化控制系統(tǒng)進(jìn)行了更新改造，主要內(nèi)容是采用先進(jìn)成熟、穩(wěn)定可靠的最新計(jì)算機(jī)技術(shù)，重新構(gòu)建一套適合于一系統(tǒng)閃速爐工況的計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制系統(tǒng)，以在線控制并指導(dǎo)工藝操作人員進(jìn)行閃速爐爐況的管理，從而達(dá)到閃速爐生產(chǎn)控制、工藝操作管理優(yōu)化的目的。

2 貴冶閃速爐優(yōu)化控制系統(tǒng)應(yīng)用

貴冶現(xiàn)有2座閃速爐銅冶煉系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱一系統(tǒng)和二系統(tǒng))，其閃速熔煉計(jì)算機(jī)在線優(yōu)化控制系統(tǒng)[1]是以日本東予式冶金數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)而實(shí)現(xiàn)的。閃速爐優(yōu)化控制系統(tǒng)主要功能是通過(guò)采集現(xiàn)場(chǎng)DCS控制系統(tǒng)、化驗(yàn)分析設(shè)備數(shù)據(jù)，利用所構(gòu)建的閃速爐冶金數(shù)學(xué)模型計(jì)算相應(yīng)的工藝風(fēng)量、工藝氧量和燃料量操作參數(shù)并設(shè)定輸出給現(xiàn)場(chǎng)DCS控制系統(tǒng)，從而使得閃速爐冰銅Cu品位、冰銅溫度和渣中鐵硅比Fe/SiO2控制參數(shù)達(dá)到目標(biāo)值。

2.1 一系統(tǒng)閃速爐優(yōu)化控制系統(tǒng)

一系統(tǒng)閃速爐計(jì)算機(jī)在線優(yōu)化控制系統(tǒng)[2]是1978年隨江西銅業(yè)集團(tuán)公司貴溪冶煉廠全套引進(jìn)日本住友金屬礦山的閃速爐煉銅工藝同時(shí)引進(jìn)的技術(shù)和裝備。1994年成功完成了對(duì)該套引進(jìn)閃速熔煉數(shù)?？刂葡到y(tǒng)的更新改造。與引進(jìn)的原系統(tǒng)比較有下列進(jìn)步:仍然采用小型計(jì)算機(jī)群集軟、硬件系統(tǒng)，確保系統(tǒng)軟件和冶金數(shù)模控制應(yīng)用軟件的運(yùn)行平臺(tái)穩(wěn)定可靠;采用的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和FDDI光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)達(dá)到20世紀(jì)90年代初期的世界先進(jìn)水平;控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用小型計(jì)算機(jī)群集服務(wù)器與工廠局域網(wǎng)絡(luò)和DCS集散控制系統(tǒng)構(gòu)成;冶金數(shù)?？刂茟?yīng)用軟件根據(jù)工廠的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了修改和調(diào)整，在這個(gè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了操作和控制參數(shù)的“貴冶化”;實(shí)現(xiàn)了管理信息系統(tǒng)和過(guò)程控制系統(tǒng)的一體化，擴(kuò)大了計(jì)算機(jī)信息處理的范圍和實(shí)現(xiàn)資源共享的目標(biāo)。

2.2 二系統(tǒng)閃速爐優(yōu)化控制系統(tǒng)

二系統(tǒng)閃速爐計(jì)算機(jī)在線優(yōu)化控制系統(tǒng)[3]是在一系統(tǒng)原有引進(jìn)東予式冶金數(shù)模模型機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合二系統(tǒng)新30萬(wàn)t閃速爐的生產(chǎn)工藝，采用了全新的設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)理念和技術(shù)開發(fā)手段，在冶金計(jì)算模型方面和功能方面都做了較大改進(jìn)。例如:各配料倉(cāng)物料可靈活放置;支持三種新增不定物料的處理;考慮了中央氧油燒嘴、風(fēng)動(dòng)溜槽和沉淀池鹽化氧等新工藝設(shè)計(jì)對(duì)冶金模型的影響;改進(jìn)了多套制氧機(jī)協(xié)同供氧分配處理機(jī)制;取消了自動(dòng)升降料過(guò)程中風(fēng)、氧和油設(shè)定的自動(dòng)鎖定等。該系統(tǒng)采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法來(lái)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與構(gòu)建，采用SUN小型機(jī)群集+Solaris操作系統(tǒng)+OSI PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)+PC機(jī)Windows XP作為整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)，充分結(jié)合了SUN小型機(jī)穩(wěn)定可靠、安全高效的特點(diǎn)和PC機(jī)Windows XP操作維護(hù)方便、界面美觀等的特點(diǎn)。

3 一系統(tǒng)閃速爐優(yōu)化控制系統(tǒng)改造實(shí)踐

本次更新改造的目標(biāo)是為貴冶一系統(tǒng)閃速爐建立一套穩(wěn)定可靠的在線運(yùn)行優(yōu)化控制系統(tǒng)，使之能夠完成對(duì)一系統(tǒng)閃速爐生產(chǎn)過(guò)程的在線控制，使所產(chǎn)出的冰銅Cu品位、冰銅溫度以及渣中鐵硅比Fe/SiO2達(dá)到目標(biāo)值，從而使得爐況、冰銅品質(zhì)穩(wěn)定，達(dá)到優(yōu)化控制的目的。在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中融合了二系統(tǒng)閃速爐計(jì)算機(jī)在線優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，并結(jié)合一系統(tǒng)閃速爐過(guò)去以往的操作習(xí)慣來(lái)設(shè)計(jì)，綜合考慮以下幾方面的因素:先進(jìn)性與成熟性、開放性與可擴(kuò)充性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性以及可繼承性，以實(shí)現(xiàn)當(dāng)前需求為目標(biāo)，并能最大程度滿足未來(lái)生產(chǎn)和工藝條件不斷變化發(fā)展的需要。

(1)一系統(tǒng)閃速爐優(yōu)化控制系統(tǒng)在系統(tǒng)平臺(tái)和應(yīng)用架構(gòu)方面跟二系統(tǒng)類似，主要區(qū)別是其小型機(jī)群集系統(tǒng)采用了不同的硬件和軟件，WEB瀏覽和操作功能則由單獨(dú)設(shè)立的WEB服務(wù)器實(shí)現(xiàn)。其最新改造后的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 一系統(tǒng)閃速爐優(yōu)化控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

(2)仍然采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法來(lái)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與構(gòu)建，采用IBM小型機(jī)群集+AIX6操作系統(tǒng)+OSI PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)+PC機(jī)Windows XP作為整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)，充分結(jié)合了IBM小型機(jī)穩(wěn)定可靠、安全高效的特點(diǎn)和PC機(jī)Windows XP操作維護(hù)方便、界面美觀等的特點(diǎn)。

(3)在優(yōu)化控制功能方面較二系統(tǒng)又有了較大改進(jìn)和擴(kuò)充:將參與控制計(jì)算的物料元素成分從6種擴(kuò)充到12種，并對(duì)物料物相擴(kuò)充預(yù)留接口，便于今后處理微量元素;冶金數(shù)學(xué)模型計(jì)算兼容支持多種燃料 (主要是重油和天然氣等);將沉淀池鹽化風(fēng)的影響考慮并引入了沉淀池冶金數(shù)模計(jì)算;信息報(bào)表以實(shí)時(shí)顯示為主兼顧打印，既能節(jié)省耗材也便于維護(hù)管理;對(duì)人機(jī)交互界面的使用功能和響應(yīng)性能進(jìn)行了各方面優(yōu)化，提高了操作使用的效率。

(4)一系統(tǒng)閃速爐優(yōu)化控制系統(tǒng)改造的實(shí)施方案是保留系統(tǒng)原有的主機(jī)房及通訊光纜，但是必須將原機(jī)房的各種設(shè)備撤出;利用一系統(tǒng)閃速爐35天冷修作業(yè)期間，要完成原機(jī)柜的拆除，新機(jī)柜的就位，電纜敷設(shè)、對(duì)接、調(diào)試及所有相關(guān)的工作;前期已經(jīng)按照軟件工程規(guī)范進(jìn)行了用戶需求調(diào)研，系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的規(guī)劃和人機(jī)界面的性能優(yōu)化，并進(jìn)行了系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)、軟件代碼開發(fā)，以及離線單體測(cè)試等。最后將整個(gè)優(yōu)化控制系統(tǒng)安裝就位，對(duì)其所有功能進(jìn)行在線聯(lián)機(jī)測(cè)試。

4 貴冶閃速爐優(yōu)化控制系統(tǒng)發(fā)展展望

閃速熔煉工藝作為重有色金屬(銅、鎳、鉛等)提取的先進(jìn)技術(shù)已被世界廣泛認(rèn)同和采納，為適應(yīng)“四高”新技術(shù)特點(diǎn)的冶金數(shù)模優(yōu)化控制技術(shù)仍在繼續(xù)研究中。筆者一直從事閃速熔煉冶金數(shù)模優(yōu)化控制系統(tǒng)實(shí)踐工作，對(duì)其未來(lái)的發(fā)展也有一些思考如后:

(1)完全多(控制和操作)變量的優(yōu)化控制模型。

在閃速爐冶金數(shù)模中對(duì)冰銅Cu品位、冰銅溫度等已經(jīng)采用了多變量前饋-反饋控制技術(shù)，而對(duì)渣中鐵硅比Fe/SiO2采用的是單變量前饋-反饋控制技術(shù)。今后為適應(yīng)閃速煉鉛和閃速吹煉等工藝需要對(duì)閃速爐渣也可采用多變量前饋-反饋控制技術(shù)。例如基輔賽特閃速煉鉛爐和肯尼科特閃速吹煉爐就使用了石英和石灰等至少兩種熔劑來(lái)控制其爐渣中的參數(shù)。完全多(控制和操作)變量?jī)?yōu)化控制模型流程如圖2所示:

圖2 閃速爐優(yōu)化控制數(shù)學(xué)模型流程圖

(2)擴(kuò)充多元素和物相的優(yōu)化控制模型。

現(xiàn)有控制模型建立年份久遠(yuǎn)，列入模型計(jì)算的各物料成分主要元素和物相較少(主要是Cu，F(xiàn)e，S，SiO2等)，隨著原料成分日益復(fù)雜，雜質(zhì)含量上升，導(dǎo)致現(xiàn)有控制模型計(jì)算精度降低，隨之帶來(lái)爐況不穩(wěn)定。因此應(yīng)根據(jù)需要增加相應(yīng)元素和物相來(lái)重新構(gòu)建閃速爐冶金數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)(主要是Pb，Zn，As，Al2O3等)。在這次系統(tǒng)改造中已經(jīng)為此預(yù)留了擴(kuò)充接口。

(3)兼容多種燃料并用的優(yōu)化控制模型。

閃速熔煉工藝所使用的能源一直以來(lái)主要是采用重油，目前為了適應(yīng)節(jié)能降耗、清潔生產(chǎn)等需要已經(jīng)引入使用天然氣等清潔能源。因此閃速熔煉優(yōu)化控制模型要能兼容使用多種燃料，同時(shí)也可以考慮摻入焦粉所帶來(lái)的影響。本次系統(tǒng)更新改造已經(jīng)為貴冶后續(xù)的天然氣改造工程做好了對(duì)接準(zhǔn)備。

(4)開發(fā)更多應(yīng)用功能的優(yōu)化控制模型。

隨著貴冶閃速爐優(yōu)化控制系統(tǒng)的不斷更新改造，其系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)也不斷采用著當(dāng)今流行的多種平臺(tái)和各種先進(jìn)技術(shù)。在此基礎(chǔ)上也就可以實(shí)現(xiàn)更多實(shí)用功能，比如有了海量實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)就可以進(jìn)行配料配方的存儲(chǔ)管理，以及具有增值應(yīng)用特點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制SPC和統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制SQC等等。

5 結(jié)語(yǔ)

江西銅業(yè)集團(tuán)公司貴溪冶煉廠一系統(tǒng)閃速爐優(yōu)化控制系統(tǒng)自1978年隨閃速爐工藝設(shè)備成套引進(jìn)投入運(yùn)行到1994年10月，系統(tǒng)未出現(xiàn)過(guò)引起閃速爐停產(chǎn)的重大事故;而自1994年對(duì)其首次更新改造后投入一直可靠穩(wěn)定運(yùn)行至2011年底，未發(fā)生引起閃速爐停產(chǎn)的重大事故。自2011年6月開始再次對(duì)其進(jìn)行了更新改造，于2011年12月與閃速爐冷修期間重新構(gòu)建的現(xiàn)場(chǎng)DCS控制系統(tǒng)同步投入在線運(yùn)行，目前整個(gè)系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)較改造前均有較大提高。有力地確保了一系統(tǒng)閃速爐冷修后作業(yè)較快恢復(fù)穩(wěn)定、繼續(xù)維持較高產(chǎn)量和質(zhì)量。其年修前后主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 一系統(tǒng)閃速爐主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

[1]涂延安，劉建群，等.貴冶閃速熔煉冶金數(shù)?？刂葡到y(tǒng)的應(yīng)用[J].有色金屬(冶煉部分)，2011(2):38-41.

[2]劉建群.小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在貴冶生產(chǎn)及管理中的應(yīng)用[J].銅業(yè)工程，2006，90(4):52-54.

[3]馬英奕，余齊漢，涂延安，等.江銅30萬(wàn)噸閃速爐計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制系統(tǒng)介紹及試生產(chǎn)實(shí)踐[C].第12屆國(guó)際閃速熔煉大會(huì)論文集，2008.

[4]涂延安.采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建閃速爐冶金計(jì)算模型[C].重慶:第六屆全國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)儀表及自動(dòng)化技術(shù)交流研討會(huì)，2007.

[5]童長(zhǎng)仁，吳衛(wèi)國(guó)，周小雪，等.銅閃速熔煉多相平衡數(shù)模的建立與應(yīng)用[J].有色冶金設(shè)計(jì)與研究，2006，27(6):6-9.

[6]周榮華譯，黃毓英校.閃速熔煉 (過(guò)程的分析、控制和最佳化)1987年第一版[M].貴溪:貴溪冶煉廠檔案館情報(bào)組，1990.