提高回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)生產(chǎn)穩(wěn)定性研究

李 斌，曹建國(guó)

（河鋼唐鋼青龍爐料有限公司，河北 唐山063000）

1 球團(tuán)焙燒過程概述

球團(tuán)法也稱為制粒法，它是將精礦通過添加添加劑或粘合劑等物質(zhì)，進(jìn)行精細(xì)研磨，并按照一定比例，然后在制粒機(jī)中滾動(dòng)以形成一定數(shù)量的球，然后使用干燥和焙燒或其他方法進(jìn)行一系列的物理和化學(xué)反應(yīng)，以加強(qiáng)硬化。該方法稱為顆粒法，所得產(chǎn)物稱為顆粒。在造粒過程中，材料會(huì)由于致密顆粒而改變其物理性質(zhì)，從而提高材料的冶金性能。

2 回轉(zhuǎn)窯氧化顆粒焙燒工藝

球團(tuán)生產(chǎn)的過程通常包括精礦的預(yù)處理，精礦的脫水，改善游離精礦的接受度，溶劑和燃料的制備，篩式膨潤(rùn)土的制備和粉碎，配料的制備，混合和制粒篩分，底球的設(shè)置，生球布的邊緣放置和干燥，生球的預(yù)熱，焙燒，潤(rùn)濕和冷卻，成品的存儲(chǔ)以及返回礦石存儲(chǔ)的生產(chǎn)，以及參與配料和加工的其他過程。球團(tuán)的生產(chǎn)過程由幾個(gè)連續(xù)的過程組成，每個(gè)過程都是在不同類型的設(shè)備上進(jìn)行的完整過程，是特定的具體的生產(chǎn)流程。如圖1 所示。

3 球團(tuán)焙燒過程需要解決的問題

球團(tuán)焙燒過程是非常復(fù)雜的物理和化學(xué)過程。整個(gè)退火過程涉及燃料的燃燒反應(yīng)，氧化物的分解反應(yīng)，固相的反應(yīng)，液相的形成和凝結(jié)等，其整個(gè)程序包括熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)，流體動(dòng)力學(xué)和晶體礦物學(xué)。影響球團(tuán)焙燒過程的因素很多，而影響焙燒過程的各種因素密切相關(guān)。通常，顆粒在焙燒過程中的影響因素不僅包括進(jìn)入生產(chǎn)過程的材料，例如原料和返回礦石的組成，濕度，粒徑和體積，還包括不同操作的參數(shù)，例如：層厚，透氣度顆粒的程度和大小，鏈機(jī)中回轉(zhuǎn)窯的速度，空氣壓力，風(fēng)量和覆蓋壓力等。

簡(jiǎn)而言之，顆粒焙燒過程是一個(gè)復(fù)雜的物理和化學(xué)變化過程，具有許多干擾因素，如：非線性、強(qiáng)協(xié)調(diào)性和嚴(yán)重的不確定性。它取決于許多檢測(cè)儀器的手動(dòng)監(jiān)控，并且控制參數(shù)的調(diào)整在技術(shù)上很難被意識(shí)到，這對(duì)生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行是非常不利的。因此，球團(tuán)焙燒過程的計(jì)算機(jī)過程控制應(yīng)主要解決以下問題：

（1）焙燒生產(chǎn)整個(gè)過程是大而復(fù)雜的，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行集中控制，并且對(duì)于局部控制和過程干擾具有足夠的協(xié)調(diào)控制能力。在滿足產(chǎn)品生產(chǎn)要求的情況下，將重要控制參數(shù)的變化保持在可控的范圍內(nèi)，避免了手動(dòng)調(diào)整導(dǎo)致的工作條件波動(dòng)，并穩(wěn)定了生產(chǎn)過程。

（2）對(duì)多個(gè)過程中可檢測(cè)參數(shù)的互聯(lián)網(wǎng)集中監(jiān)控，使現(xiàn)場(chǎng)操作人員能夠及時(shí)，準(zhǔn)確地了解球團(tuán)焙燒過程的運(yùn)行狀況。

（3）在長(zhǎng)期的生產(chǎn)和維護(hù)過程中，技術(shù)人員已經(jīng)積累了許多工作經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，但是他們還沒有針對(duì)復(fù)雜多變的過程條件和主觀變化形成一套完整的控制策略。在對(duì)工作生產(chǎn)的理解上，操作人員往往會(huì)做出不同的判斷，采用不同的控制方案，不利于維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定和優(yōu)化。因此，有必要形成一種有效的球團(tuán)焙燒工藝控制策略，并通過計(jì)算機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)。

（4）在生產(chǎn)過程中以自動(dòng)化方式執(zhí)行諸如存儲(chǔ)，管理和打印與生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)和記錄之類的功能，并執(zhí)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)共享。

4 球團(tuán)過程控制系統(tǒng)

硬件配置主要是整個(gè)系統(tǒng)的特定硬件配置，包括以下主要內(nèi)容：站的供電系統(tǒng)，中央處理器，輸入和輸出設(shè)備以及遙控器的特定配置，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

4.1 程序控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置

所謂的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)，就是每個(gè)通信站之間的通信設(shè)備的設(shè)計(jì)以及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)配置使用通信卡在狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)上交換數(shù)據(jù)。主站與現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備之間的接口在很大程度上認(rèn)可了西門子的遠(yuǎn)程通訊方式。

4.2 PLC 與PLC 之間的通訊

由于顆粒焙燒過程的計(jì)算機(jī)控制過程的不同站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換需要實(shí)時(shí)性強(qiáng)，數(shù)據(jù)量大，通信距離相對(duì)較長(zhǎng)，因此網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的選擇采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊。介質(zhì)為光纖，傳輸距離長(zhǎng)，抗干擾能力強(qiáng)，已選擇西門子工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議作為主要通信協(xié)議。

4.3 監(jiān)控系統(tǒng)通訊

監(jiān)視系統(tǒng)的主要功能是對(duì)電氣設(shè)備，儀器儀表和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制。操作人員通過監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)布現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制指令。通過設(shè)置兩個(gè)冗余交換服務(wù)器，監(jiān)視站直接與現(xiàn)場(chǎng)通信，而其他監(jiān)視站與兩個(gè)服務(wù)器的主服務(wù)器通信。當(dāng)主服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，通信會(huì)自動(dòng)切換到輔助服務(wù)器，并采用服務(wù)器通信方式，這也減少了網(wǎng)絡(luò)上的通信數(shù)據(jù)量，減少了監(jiān)控站之間的通信負(fù)載和通信協(xié)議選擇協(xié)議。

4.4 PLC 與遠(yuǎn)程I / O 之間的通訊

PLC 主站通過模塊收集數(shù)據(jù)并執(zhí)行控制指令，并通過協(xié)議與遙控器進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)模塊的數(shù)據(jù)收集。主站與遙控器之間的通信使用主從通信方法。

5 PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

球團(tuán)顆粒整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)過程是由下位機(jī)進(jìn)行控制，自動(dòng)控制各個(gè)組件通過開放式現(xiàn)場(chǎng)總線連接，由一個(gè)分布式控制系統(tǒng)組成，以此實(shí)現(xiàn)邏輯、聯(lián)動(dòng)、順序，以及收集信號(hào)、預(yù)警等功能，此外在這個(gè)操作過程中還有一個(gè)手動(dòng)急停按鈕，便于緊急情況下進(jìn)行人工干預(yù)。在整個(gè)自動(dòng)化控制過程中，工程師站提供了檢視和離線維護(hù)，及系統(tǒng)測(cè)試、開發(fā)等功能，并在該系統(tǒng)的軟件管理器窗口上進(jìn)行顯示。

本文所介紹的顆粒燒結(jié)生產(chǎn)控制系統(tǒng)是采用結(jié)構(gòu)化的編程方法，可分為功能塊、組織塊和共享數(shù)據(jù)塊。其中最常用的生產(chǎn)控制系統(tǒng)為鏈蓖機(jī)-回轉(zhuǎn)窯氧化顆粒生產(chǎn)控制系統(tǒng)，共分為啟動(dòng)階段、正常運(yùn)行階段和停止階段運(yùn)行三個(gè)階段，在啟動(dòng)和停止階段，需要完成回轉(zhuǎn)窯、循環(huán)冷卻器等設(shè)備的啟動(dòng)和停止操作，以確保實(shí)現(xiàn)設(shè)備的正常功能。正常運(yùn)行階段，主要涉及過程變量，在過程變量環(huán)節(jié)主要是對(duì)基本回路閉環(huán)控制操作和高級(jí)優(yōu)化控制操作，主要包括邏輯互鎖控制、基本回路控制和優(yōu)化控制功能等，這是確保實(shí)現(xiàn)顆粒燒結(jié)生產(chǎn)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是工藝和維修人員關(guān)注的焦點(diǎn)。

5.1 邏輯連鎖控制功能

邏輯連鎖控制功能可以實(shí)現(xiàn)每臺(tái)設(shè)備的獨(dú)立啟停，及全線所有設(shè)備的聯(lián)動(dòng)啟停運(yùn)行，是實(shí)現(xiàn)顆粒燒結(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵。邏輯聯(lián)鎖控制可自動(dòng)讀取附屬開關(guān)和觸點(diǎn)的狀態(tài)，自動(dòng)檢索每個(gè)設(shè)備的工作條件和連鎖關(guān)系，并按照系統(tǒng)預(yù)先設(shè)計(jì)好的條件發(fā)出開關(guān)量輸出信號(hào)，以控制每個(gè)設(shè)備的啟動(dòng)和停止，以及閥門的打開和關(guān)閉。同時(shí)強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)、風(fēng)門的順序控制不是手動(dòng)操作的簡(jiǎn)單安排，是按照整個(gè)系統(tǒng)的特性和變化規(guī)律，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行判斷，并操作。

5.2 基本的回路控制功能

基本的回路控制是結(jié)合程序設(shè)定的參數(shù)，對(duì)生產(chǎn)的過程進(jìn)行控制操作，本文所介紹的球團(tuán)顆粒生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)主要包括自動(dòng)配料、造粒水分、滾筒部分罩溫度、干燥部分罩和預(yù)熱部分罩的溫度等。燒結(jié)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中的主要控制功能是通過控制系統(tǒng)設(shè)備的基本操作設(shè)計(jì)的，即現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)模式和遠(yuǎn)程集中模式。系統(tǒng)會(huì)監(jiān)控所有過程和所連接的電氣設(shè)備。系統(tǒng)除了處理常規(guī)的控制信號(hào)（例如電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止，操作選擇，接觸器，熱繼電器等）外，還將大電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)送到系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視。

6 球團(tuán)焙燒生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的生產(chǎn)操作功能描述

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作規(guī)程的要求，有硬手動(dòng)、軟手動(dòng)和全自動(dòng)控制三種操作方式。硬手動(dòng)控制模式是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種控制臺(tái)、機(jī)柜的控制功能，設(shè)備調(diào)試過程中，設(shè)備大修及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)的情況下，此控制方法可確保實(shí)際需要滿足場(chǎng)地的一部分，以滿足基本生產(chǎn)的需求。操作員可以通過低壓配電柜或現(xiàn)場(chǎng)操作箱，操作按鈕或手柄開關(guān)，通過手動(dòng)直接在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上執(zhí)行啟動(dòng)和停止操作，以對(duì)手動(dòng)調(diào)節(jié)器和其他執(zhí)行器進(jìn)行硬手動(dòng)控制。在優(yōu)先級(jí)上，現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制模式是最高的。在此模式下，任何自動(dòng)模式均無效。軟手動(dòng)控制模式允許操作人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況直接操作各種設(shè)備的啟動(dòng)和停止，并調(diào)節(jié)控制室中各種閥門的開度。全自動(dòng)控制控制模式當(dāng)操作員選擇全自動(dòng)模式時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)將根據(jù)預(yù)制的應(yīng)用，聯(lián)鎖控制以及根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)和運(yùn)行狀況，根據(jù)一定的控制策略自動(dòng)啟動(dòng)和停止各種設(shè)備。