貴冶閃速爐優化控制系統的應用實踐與發展

涂延安，魏 偉，劉建群

(江西銅業集團公司貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424)

1 引言

1#閃速爐優化控制系統是應用在江西銅業集團公司貴溪冶煉廠(以下簡稱貴冶)一系統閃速爐的一套計算機在線優化控制系統。該系統于1993年開始構建，1994年投入運行，由于系統當時是基于VAX小型機+Onspec實時數據庫來構建的，系統已經過17年的穩定運行，VAX小型機已經遠遠超過其設計的生命周期，并且VAX小型機廠商DEC公司已經被并購無法繼續提供服務，其備品備件已經很難從市面上找到，Onspec實時數據庫廠商也已經停止提供服務，一旦這個專用系統出現災難性故障，一時很難用其他平臺來替代予以恢復。因此為了確保不影響今后生產，2011年工廠利用1#閃速爐冷修時機針對一系統閃速爐優化控制系統進行了更新改造，主要內容是采用先進成熟、穩定可靠的最新計算機技術，重新構建一套適合于一系統閃速爐工況的計算機優化控制系統，以在線控制并指導工藝操作人員進行閃速爐爐況的管理，從而達到閃速爐生產控制、工藝操作管理優化的目的。

2 貴冶閃速爐優化控制系統應用

貴冶現有2座閃速爐銅冶煉系統(以下簡稱一系統和二系統)，其閃速熔煉計算機在線優化控制系統[1]是以日本東予式冶金數學模型為基礎而實現的。閃速爐優化控制系統主要功能是通過采集現場DCS控制系統、化驗分析設備數據，利用所構建的閃速爐冶金數學模型計算相應的工藝風量、工藝氧量和燃料量操作參數并設定輸出給現場DCS控制系統，從而使得閃速爐冰銅Cu品位、冰銅溫度和渣中鐵硅比Fe/SiO2控制參數達到目標值。

2.1 一系統閃速爐優化控制系統

一系統閃速爐計算機在線優化控制系統[2]是1978年隨江西銅業集團公司貴溪冶煉廠全套引進日本住友金屬礦山的閃速爐煉銅工藝同時引進的技術和裝備。1994年成功完成了對該套引進閃速熔煉數模控制系統的更新改造。與引進的原系統比較有下列進步:仍然采用小型計算機群集軟、硬件系統，確保系統軟件和冶金數模控制應用軟件的運行平臺穩定可靠;采用的數據庫管理系統和FDDI光纖網絡技術達到20世紀90年代初期的世界先進水平;控制系統結構采用小型計算機群集服務器與工廠局域網絡和DCS集散控制系統構成;冶金數模控制應用軟件根據工廠的實際生產經驗進行了修改和調整，在這個平臺上實現了操作和控制參數的“貴冶化”;實現了管理信息系統和過程控制系統的一體化，擴大了計算機信息處理的范圍和實現資源共享的目標。

2.2 二系統閃速爐優化控制系統

二系統閃速爐計算機在線優化控制系統[3]是在一系統原有引進東予式冶金數模模型機理的基礎上，結合二系統新30萬t閃速爐的生產工藝，采用了全新的設計方法、設計理念和技術開發手段，在冶金計算模型方面和功能方面都做了較大改進。例如:各配料倉物料可靈活放置;支持三種新增不定物料的處理;考慮了中央氧油燒嘴、風動溜槽和沉淀池鹽化氧等新工藝設計對冶金模型的影響;改進了多套制氧機協同供氧分配處理機制;取消了自動升降料過程中風、氧和油設定的自動鎖定等。該系統采用了面向對象的設計方法來進行重新設計與構建，采用SUN小型機群集+Solaris操作系統+OSI PI實時數據庫+PC機Windows XP作為整個系統的基礎平臺，充分結合了SUN小型機穩定可靠、安全高效的特點和PC機Windows XP操作維護方便、界面美觀等的特點。

3 一系統閃速爐優化控制系統改造實踐

本次更新改造的目標是為貴冶一系統閃速爐建立一套穩定可靠的在線運行優化控制系統，使之能夠完成對一系統閃速爐生產過程的在線控制，使所產出的冰銅Cu品位、冰銅溫度以及渣中鐵硅比Fe/SiO2達到目標值，從而使得爐況、冰銅品質穩定，達到優化控制的目的。在整個系統的設計中融合了二系統閃速爐計算機在線優化控制系統的設計理念，并結合一系統閃速爐過去以往的操作習慣來設計，綜合考慮以下幾方面的因素:先進性與成熟性、開放性與可擴充性、經濟性和實用性以及可繼承性，以實現當前需求為目標，并能最大程度滿足未來生產和工藝條件不斷變化發展的需要。

(1)一系統閃速爐優化控制系統在系統平臺和應用架構方面跟二系統類似，主要區別是其小型機群集系統采用了不同的硬件和軟件，WEB瀏覽和操作功能則由單獨設立的WEB服務器實現。其最新改造后的系統架構如圖1所示。

圖1 一系統閃速爐優化控制系統架構圖

(2)仍然采用了面向對象的設計方法來進行重新設計與構建，采用IBM小型機群集+AIX6操作系統+OSI PI實時數據庫+PC機Windows XP作為整個系統的基礎平臺，充分結合了IBM小型機穩定可靠、安全高效的特點和PC機Windows XP操作維護方便、界面美觀等的特點。

(3)在優化控制功能方面較二系統又有了較大改進和擴充:將參與控制計算的物料元素成分從6種擴充到12種，并對物料物相擴充預留接口，便于今后處理微量元素;冶金數學模型計算兼容支持多種燃料 (主要是重油和天然氣等);將沉淀池鹽化風的影響考慮并引入了沉淀池冶金數模計算;信息報表以實時顯示為主兼顧打印，既能節省耗材也便于維護管理;對人機交互界面的使用功能和響應性能進行了各方面優化，提高了操作使用的效率。

(4)一系統閃速爐優化控制系統改造的實施方案是保留系統原有的主機房及通訊光纜，但是必須將原機房的各種設備撤出;利用一系統閃速爐35天冷修作業期間，要完成原機柜的拆除，新機柜的就位，電纜敷設、對接、調試及所有相關的工作;前期已經按照軟件工程規范進行了用戶需求調研，系統概要設計，實時數據庫的規劃和人機界面的性能優化，并進行了系統詳細設計、軟件代碼開發，以及離線單體測試等。最后將整個優化控制系統安裝就位，對其所有功能進行在線聯機測試。

4 貴冶閃速爐優化控制系統發展展望

閃速熔煉工藝作為重有色金屬(銅、鎳、鉛等)提取的先進技術已被世界廣泛認同和采納，為適應“四高”新技術特點的冶金數模優化控制技術仍在繼續研究中。筆者一直從事閃速熔煉冶金數模優化控制系統實踐工作，對其未來的發展也有一些思考如后:

(1)完全多(控制和操作)變量的優化控制模型。

在閃速爐冶金數模中對冰銅Cu品位、冰銅溫度等已經采用了多變量前饋-反饋控制技術，而對渣中鐵硅比Fe/SiO2采用的是單變量前饋-反饋控制技術。今后為適應閃速煉鉛和閃速吹煉等工藝需要對閃速爐渣也可采用多變量前饋-反饋控制技術。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控制其爐渣中的參數。完全多(控制和操作)變量優化控制模型流程如圖2所示:

圖2 閃速爐優化控制數學模型流程圖

(2)擴充多元素和物相的優化控制模型。

現有控制模型建立年份久遠，列入模型計算的各物料成分主要元素和物相較少(主要是Cu，Fe，S，SiO2等)，隨著原料成分日益復雜，雜質含量上升，導致現有控制模型計算精度降低，隨之帶來爐況不穩定。因此應根據需要增加相應元素和物相來重新構建閃速爐冶金數學模型系統(主要是Pb，Zn，As，Al2O3等)。在這次系統改造中已經為此預留了擴充接口。

(3)兼容多種燃料并用的優化控制模型。

閃速熔煉工藝所使用的能源一直以來主要是采用重油，目前為了適應節能降耗、清潔生產等需要已經引入使用天然氣等清潔能源。因此閃速熔煉優化控制模型要能兼容使用多種燃料，同時也可以考慮摻入焦粉所帶來的影響。本次系統更新改造已經為貴冶后續的天然氣改造工程做好了對接準備。

(4)開發更多應用功能的優化控制模型。

隨著貴冶閃速爐優化控制系統的不斷更新改造，其系統軟硬件平臺也不斷采用著當今流行的多種平臺和各種先進技術。在此基礎上也就可以實現更多實用功能，比如有了海量實時和歷史數據庫就可以進行配料配方的存儲管理，以及具有增值應用特點的統計過程控制SPC和統計質量控制SQC等等。

5 結語

江西銅業集團公司貴溪冶煉廠一系統閃速爐優化控制系統自1978年隨閃速爐工藝設備成套引進投入運行到1994年10月，系統未出現過引起閃速爐停產的重大事故;而自1994年對其首次更新改造后投入一直可靠穩定運行至2011年底，未發生引起閃速爐停產的重大事故。自2011年6月開始再次對其進行了更新改造，于2011年12月與閃速爐冷修期間重新構建的現場DCS控制系統同步投入在線運行，目前整個系統各項性能指標較改造前均有較大提高。有力地確保了一系統閃速爐冷修后作業較快恢復穩定、繼續維持較高產量和質量。其年修前后主要技術經濟指標見表1。

表1 一系統閃速爐主要技術經濟指標

[1]涂延安，劉建群，等.貴冶閃速熔煉冶金數模控制系統的應用[J].有色金屬(冶煉部分)，2011(2):38-41.

[2]劉建群.小型計算機系統在貴冶生產及管理中的應用[J].銅業工程，2006，90(4):52-54.

[3]馬英奕，余齊漢，涂延安，等.江銅30萬噸閃速爐計算機優化控制系統介紹及試生產實踐[C].第12屆國際閃速熔煉大會論文集，2008.

[4]涂延安.采用關系數據庫構建閃速爐冶金計算模型[C].重慶:第六屆全國石油和化學工業儀表及自動化技術交流研討會，2007.

[5]童長仁，吳衛國，周小雪，等.銅閃速熔煉多相平衡數模的建立與應用[J].有色冶金設計與研究，2006，27(6):6-9.

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