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1、工业过程智能综合自动化系统,柴天佑东北大学国家冶金自动化工程技术研究中心,1.引 言 2.工业生产过程控制与管理流程3.智能综合自动化系统4.选矿生产过程的工程应用5.结 论,提 纲,1.1 过程工业对实现综合生产指标优化的综合自动化系统的需求不断增长（1）国际工业界在全球市场环境下，改进产品质量、生产效率和成本的需求不断增长，实时优化受到过程工业的重视并广泛采用。（Tosukhowong，2003）为了适应变化的经济环境，减少消耗，降低成本，提高生产效率，提高运行安全性，必须对于控制、优化、计划与调度以及生产过程管理实现无缝集成（Havlena，IFAC semi-plenary,2005）
2、对于降低生产成本、提高产品质量、减少环境污染和资源消耗，只能通过全流程自动控制系统的优化设计来实现（欧洲钢铁工业技术指南，1999）,1.引 言,（2）国内工业界 流程工业是我国国民经济的重要支柱产业之一国民经济的支柱产业，工业产值占全国工业总产值的66；钢产量连续9年世界第一；氧化铝、镁、稀土等产量世界第一；流程工业面临的突出问题是能耗高，资源消耗大单位能耗高出先进国家30以上 需要通过优化控制实现流程工业节能、降耗,实现综合生产指标优化的综合自动化系统成为过程控制的新的研究方向,过程控制、过程优化、生产调度、企业管理和经济决策五层结构的综合自动化系统(Theodore J.Williams
3、,1989),1.2.1 系统结构的研究现状,1.2 综合自动化系统的研究现状,过程稳定化、过程优化、过程管理三层结构组成的选矿生产过程自动化系统(Houseman,et al.2001),基于企业资源计划（ERP）/制造执行系统（MES）/过程控制系统（PCS）三层结构的金矿企业综合自动化系统(柴天佑、金以慧等,2003),石化行业静态优化控制（万百五，1990）基于模型预测控制的在线 动态优化控制方法（Nath，2000）提出了采用三层结构将生产全流程中的多个模型预测控 制器进行协调控制实现全流程的优化方法（Lu，2003，Qin，2003）,1.2.2 优化控制的研究现状,其他流程行业停
4、留在过程单元的优化控制，以控制系统自身的性能指标为优化控制目标，要求优化指标能用控制系统的输入与输出的精确数学模型来描述（Smets，2004；Hrovat，1997）冶金工业过程的热轧层流冷却和步进式加热炉提出了由底层控制与上层监控两层结构组成的基于工艺指标的集成优化控制方法（Chai，1998；Li，2001；Guan,2001;Wang,2004）提出的方法只适合具体的工业过程，还没有形成流程工业的全流程优化控制的一般理论与方法通过全流程优化控制和计划与调度实现综合生产指标分解与协调研究甚少,1.3 主要工作,实现综合生产指标优化的混合智能控制方法工业过程智能综合自动化系统成功应用于中国
5、最大的赤铁矿选矿生产过程，取得明显应用成效,过程控制系统,设备起停顺序,工业生产过程,产量,质量,成本,利润,生产计划部,控制回路设定值（工艺参数、给料量）,产量、能源、成本、设备检修及运行、原料、质量,作业计划：原料、能源、设备（运行、检修）、产量,作业班,资源供应系统,水、煤、电、气、原料,操作员,操作员,经营决策部,质量(产品质量)成本（生产成本）产量,生产过程数据,资源调配,生产过程管理部,质量、能源、成本、设备（运行、检修）,综合生产指标,生产计划,作业计划,作业标准,工艺指标,生产过程数据,生产过程管理与控制流程图,2.工业生产过程控制与管理流程,生产指令,经营决策部决定与质量、产
6、量、成本和消耗相关的综合生产指标计划部门将综合生产指标分解为产量、能源、成本、设备检修及运行、原料、质量的生产计划调度部门将生产计划分解为原料、能源、设备运行及检修、产量作业计划生产过程管理部门接受质量、能源、成本、设备（运行、检修）生产计划和原料、能源、设备（运行、检修）、产量作业计划，将其转化为作业标准，下达给作业班工艺技术部门接受质量、成本、产量生产计划和原料、能源、设备（运行、检修）、产量作业计划，将其转化为工艺指标，下达给作业班作业班将作业标准变为生产指令，将工艺标准变为控制回路设定值（包括工艺参数、给料量）；通过资源供应系统和过程控制系统来操作与控制生产过程,生产过程管理与控制流程
7、,早期生产过程操作与控制实施中主要由人来完成，造成金字 塔式管理结构,关键问题是如何构建综合自动化系统来实现扁平化管理和综合生产指标优化,3.智能综合自动化系统,3.1 智能综合自动化系统3.1.1 系统结构,智能综合自动化系统由企业资源计划系统（ERP）、生产执行系统（MES）、生产过程控制系统（PCS）、综合生产指标优化系统和集成支撑系统组成,ERP、MES 和 PCS的主要功能:将综合生产指标转化为生产计划、作业计 划，作业计划转化为作业标 准，作业标准转化为生产指令，由操作者 去操作和控制生产过程,过程控制系统,设备起停顺序,工业生产过程,生产计划部,产量、能源、成本、设备检修及运行、
8、原料、质量,作业计划：原料、能源、设备（运行、检修）、产量,作业班,资源供应系统,水、煤、电、气、原料,操作员,生产过程数据,资源调配,生产过程管理部,质量、能源、成本、设备（运行、检修）,ERP,MES,PCS,产量,质量,成本,利润,经营决策部,企业资源计划（ERP）主要完成经营决策部、生产计划部确定综合生产指标，并按其制定生产计划（产量、能源、成本、设备检修及运行、原料、质量等）的工作制造执行系统（MES）主要完成生产调度部、生产过部管理部将生产计划变为作业计划、作业标准、生产指令的工作过程控制系统（PCS）根据作业班下达的生产指令和控制回路设定值操作和控制生产过程,综合生产指标优化系统
9、的功能将综合生产指标分解为生产计划、作业 计划、工艺指标、控制回路优化设定值,综合生产指标优化,工艺指标优化,过程控制系统,工业生产过程,生产计划部,控制回路设定值（工艺参数、给料量）,产量、能源、成本、设备检修及运行、原料、质量,作业计划：原料、能源、设备（运行、检修）、产量,作业班,操作员,操作员,质量(产品质量)成本（生产成本）产量,生产过程数据,过程控制,产量,质量,成本,利润,经营决策部,综合生产指标优化系统由综合生产指标优化子系统、工艺指标优化子 系统和过程控制子系统三层结构组成,综合生产指标优化子系统主要完成生产计划部、调度部、工艺技术部将综合生产指标转化为 工艺指标的工作工艺指
10、标优化子系统主要完成作业班操作人员将工艺指标转化为控制回路的优化设定值的工作过程控制子系统实现对控制回路优化设定值的跟踪,3.2 混合智能优化控制策略将智能行为和常规控制方法相结合，提出如下图所示的混合智能优化控制策略该策略由综合生产指标智能优化、工艺指标智能优化和智能解耦控制三层组成,4.智能综合自动化系统在选矿生活过程的工程应用,上述智能综合自动化系统已经在钢铁、冶金、选矿、氧化铝和稀土等行业成功应用下面仅以选矿生产过程为例，介绍智能综合自动化系统的应用,4.1 赤铁矿选矿生产过程描述4.1.1 酒钢选矿厂介绍甘肃酒钢选矿厂是酒泉钢铁（集团）公司的原料-铁精矿的生产厂年处理铁矿石一期500
11、万吨，二期300万吨矿石含铁品位33%,4.1.2 工艺流程图,图 铁矿选矿生产过程流程图,选矿生产的主要过程矿石处理输入:原矿石设备:振动筛,皮带运输与卷扬系统输出:粉矿和块矿竖炉焙烧 输入:块矿设备:竖炉,干选机,磁滑轮输出:有用矿石和废石磨 矿输入:粉矿和有用矿石设备:球磨机,螺旋分级机,水力旋流器输出:矿浆,磁选输入:矿浆设备:强磁机、弱磁机、脱水槽输出:磁选精矿和尾矿精矿生产输入:强磁选精矿和脱水精矿设备:精矿浓缩大井输出:浓缩精矿尾矿处理输入:尾矿设备:尾矿浓缩大井输出:浓缩尾矿,4.1.3 酒钢选矿厂主要设备,被控系统的主要设备共525台矿石处理:99台:振动筛、皮带运输与卷扬系
12、统等竖炉焙烧:89台:22竖炉,4 干选机等 磨 矿:77台:15球磨机,5分级机,20旋流器等强 磁 选:68台:15 磁选机等弱 磁 选:99台:中磁机8台，弱磁机41台浓缩脱水:93台:过滤机18台，真空泵18台等,Photograph of the Factory,Technical indices optimal-setting system,Optimal system ofproduction indices,Production process management system,Optimal control system,Process control system,Min
13、erals processing,optimal setpoints,on-off instruction of the equipment,rawores,finished ores,relational database,real-time database,Control system of minerals processing,Multimedia monitoring system,production scheduling,equip-mentmanage-ment,statistic and analysis system,energymanage-ment,quality m
14、anage-ment,viewing and decision support,produc-tioncost control,process data,technical indices,costplan,energy plan,quality plan,Production plan system,equipment plan,Fig.Structure of the intelligent integrated automation system for minerals processing,Production plan,Computer support system,materia
15、l plan,material manage-ment,4.2 选矿过程综合自动化系统 4.2.1 系统结构将智能综合自动化系统与选矿生产过程相结合，提出如下综合自动化系统,computer network,硬件平台,Fig.5 Hardware structure of the integrated automation system,Photograph of the hardware,软件平台,Interface of control software of raw ores processing,Interface of control software of roasting pro
16、cess,Interface of control software of milling process,Interface of control software of magnetic dressing process,Interface of control software of condensing process,4.2.2 选矿过程混合智能优化方法,优化控制结构图如下图所示,综合生产指标智能优化,磨矿过程优化控制系统,磨矿过程控制,生产过程,磁选管回收率,磨矿粒度,竖炉过程优化控制系统,竖炉过程控制,磨矿过程,竖炉焙烧,燃烧室温度还原煤气流量搬出时间,给矿量给水量溢流浓度,综合
17、生产指标,控制回路优化设定值,工艺指标,矿石种类K原矿品位TEr矿石成分Er矿石性质Cr,精矿品位TE金属回收率RM,处理量,处理量,Interface of optimal control software of roasting process,优化软件,Interface of optimal control software of milling process,竖炉焙烧过程 竖炉台时产率:提高 0.7 T/h(从 24.9 T/h 到 25.62T/h)磁选管回收率:提高 2%磨矿过程 磨矿粒度(-200目):强磁选：提高 3.76%(从 72.96%到 76.72%)弱磁选：提高
18、2.46%(从 73.70%到 76.16%)强弱磁粒度合格率 强磁选：提高6.75(从86.89到93.64)弱磁选：提高7.43(从86.68到94.11)球磨机断料次数：平均减少53.5次/月 磁选过程：泵的运行周期提高了50以上 阀门使用周期延长2倍以上,4.3 实施效果,实现了酒钢选矿厂综合生产指标的优化：,金属回收率：提高 2.01%(从77.24%到79.25%)精 矿 品 位：提高0.57%原矿处理量：增加12万吨年设备运转率：提高 2.98%减 员:50%（减员237人）全 厂 节 电：725.40千瓦时/年 成 本：降低2.14元吨,5.结 论,提出了实现综合生产指标优化的智能综合自动化系统 提出了以综合生产指标为目标的由综合生出指标智能优化、工艺指标智能优化和智能解耦控制三层结构组成的混合智能优化控制方法。该方法将综合生产指标自动转换为控制回路的优化设定值，实现综合生产指标的优化智能综合自动化系统在选矿过程的应用，实现了选矿生产过程的优化控制、优化运行和优化管理，取得了显著应用成效成功的工业应用表明所提出的系统和方法具有良好的性能，在过程工业具有广泛的应用前景,谢谢！,
