CN112882506B - 用于控制熔炼炉操作参数的智能系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于控制使矿物集聚物熔融的过程中涉及的变量的集成智能系统，所述集成智能系统包括四个特定的子系统：用于在将干铜集聚物注入转化炉或熔融炉之前通过X射线衍射(XRD)对所述干铜集聚物的矿物学种类进行检测和定量的一个子系统；用于确定熔融炉内的液态或熔融金属的相或水平的高度的一个子系统；用于测量熔融炉的耐火材料的温度和厚度的一个子系统；以及用于在线并实时地测量熔融炉的主要产物中的铜的百分比的一个子系统，每个子系统都具有特定地用于其各自功能的测量传感器，并且所述子系统集成到结合有高级控制软件以控制四个子系统的处理器中，所述处理器与用于从所述熔融炉传输的数据的接口连接。

Description

用于控制熔炼炉操作参数的智能系统
技术领域
该申请涉及一种用于控制使矿物集聚物熔融的过程中涉及的变量的集成智能系统。具体地，该申请涉及一种集成智能系统，该集成智能系统允许整个熔融过程操作得到控制，从而测量注入熔融炉中的集聚物的矿物学质量和数量以及变量诸如炉内的温度、液体相的水平和铜的百分比。以这种方式，通过读取所述变量，该集成智能系统考虑到不确定性自主地对所操纵的变量采取行动，从而允许在反应器中维持稳定的温度，允许获得所需质量的产物并控制其中的液体相及其他受控变量，以实现有效的熔融。
背景技术
由于对改进火法冶金熔融过程的不断探究，因此越来越需要具有下述控制工具，所述控制工具允许及时对涉及的变量执行动作，以在全部过程本身中获得最佳结果。在现有技术中，可以看到旨在控制或测量过程中的特定变量诸如那些在反应器或炉内出现的变量的解决方案。然而，这些解决方案既不是自主的或智能的，它们也没有被集成到所涉及的其他相关变量的控制或测量中，以对熔融过程进行全部自动化智能控制。
例如，专利注册CL49,311描述了用于确定金属熔炼、轴类件、锍或炉渣反应器内的液体或熔融金属的高度的方法和系统。该系统通过在熔炼熔池外部施加信号在线确定相的高度，使得能够获得熔渣-锍界面的高度和熔池的总水平。该系统是观察反应器内相发生的情况的非常好的工具，但是该系统没有集成有熔融所涉及的其他变量诸如温度和注入集聚物的矿物学特征。
专利WO2017066348的公开描述了用于开发分层智能资产控制应用和优化集成智能资产控制系统的系统和方法。该系统可以开发分层资产控制应用和对应的控制硬件要求。这可以用于创建集成智能资产控制系统以针对一组装备元素执行各种过程。与系统相关联的智能资产可以使用智能代理来平衡操作限制和操作对象，以实时确定用于过程的优化操作参数，并实现适当的控制以促进实现改进的操作对象。与本发明不同，该公开总体上示出了如何控制反应器中涉及的一些变量。然而，它没有示出如何控制与注入的集聚物的矿物学特征、反应器内的液体相的高度有关的变量或所述变量可以如何互连以自主地影响炉或反应器的操作。
专利US2014107810的公开描述了用于控制对提供虚拟机环境并经由IP网络进行通信的现场设备和控制设备的使用的方法和仪器。例如，现场设备可以是发射器或“智能”致动器，该发射器或“智能”致动器包括低功率处理器及随机存取存储器、只读存储器、FlashRAM和传感器接口。处理器可以实时执行操作系统及Java虚拟机(JVM)。Java字节码在JVM上执行，以配置现场设备执行典型的过程控制功能，例如，用于比例积分微分(PID)控制和信号调节。控制网络可以包括经由IP网络诸如以太网互连的多个所述现场设备和控制设备。在该公开中，可以观察到一种用于控制机器的智能系统，但是该公开没有以任何方式提及该发明集成到系统中的变量。但是，该公开是下述一般方向的良好示例，在所述一般方向中，就具有允许设备被自主控制的工具而言，该技术是领先的。
专利CN105334736的公开描述了一种基于用于扩展空间的分数阶模型预测控制来控制炉的加热温度的方法，以维持分数阶系统的稳定性并保障良好控制性能。用于基于分数阶模型预测控制来控制炉的加热温度的方法包括采用该方法的步骤。首先，使用Oustaloup近似方法将分数阶模型近似为总阶以上的阶模型，然后基于近似的较高的阶模型建立扩展状态空间模型。接下来，将分数计算算子引入目标函数，并基于扩展状态空间模型和选取的目标函数设计函数分数阶预测控制器。用于基于分数阶预测控制来控制炉的加热温度的方法可以应用于由分数阶对象描述的实际过程对象。这克服了系统的分数阶控制在控制方面的总阶MPC方法的缺陷。同时，这提高了调整控制器参数的自由度，获得了良好的控制性能，并满足了实际工业过程的需要。
发明内容
上述公开示出了如何对炉的温度进行智能控制。但是，该公开没有示出如何使所述变量与过程中涉及的其他变量连接，而本发明的系统做到了这一点。
因此，需要有一种系统，该系统允许熔融过程中的相关变量诸如注入的集聚物的矿物学特征、炉内的反应温度、铜百分比和包括炉内的相的液体的高度得到控制，使它们通过集成智能系统诸如本发明的集成智能系统相互作用。
根据一种实施方式，提供了一种用于控制使矿物集聚物熔融的过程中涉及的变量的集成智能系统。所述集成智能系统允许基于预测模型实时进行操作优化，以便控制熔融炉(熔池熔炼)的温度并随后使所述熔融炉的温度稳定、从而以一(某一)操作点为中心，并获得所需质量的产物，从而集成来自现场仪器的关键变量。所述集成智能系统包括四个特定的子系统：用于在将干铜集聚物注入转化炉或熔融炉之前通过X射线衍射(XRD)对所述干铜集聚物的矿物学种类进行检测和定量的一个子系统；用于确定熔融炉内的液态或熔融金属的相或水平的高度的一个子系统；用于测量熔融炉的耐火材料的温度和厚度的一个子系统；以及用于在线并实时地测量熔融炉的主要产物中的铜的百分比的一个子系统，每个子系统都具有特定地用于其各自功能的测量传感器，并且所述子系统集成到结合有高级控制软件以控制四个子系统的处理器中，所述处理器与用于从所述熔融炉传输的数据的接口连接。
附图说明
图1示出了说明咨询模式下的集成智能系统的图。
图2示出了说明自动模式下的集成智能系统的图。
具体实施方式
本发明包括预测控制系统，该预测控制系统集成了控制子系统、火法冶金模型、来自传感器(S1、S2、S3等)的信息、操作限制和过程不确定性，其目的在于确定旨在提高熔融炉中的过程的关键变量的稳定性的控制动作。由于本发明的系统计算了控制动作，因此对过程的生产率、质量和连续性产生了积极的影响，这转化为炉的运动时间的增加。作为积极的结果，避免了由于过热或者喷嘴或通道泄漏造成的炉损坏。
该系统包括四个特定的子系统：用于在将干铜集聚物注入转化炉或熔融炉之前通过X射线衍射(XRD)对干铜集聚物的矿物学种类进行检测和定量的子系统；用于确定熔融炉内的液体或熔融金属的相或水平的高度的子系统；用于测量熔融炉的耐火材料的温度和厚度的子系统；以及用于在线并实时测量熔融炉的主要产物中的铜百分比的子系统。这四个子系统相互连接以通过测量关键变量来提高熔融过程的可靠性，从而维持过程的稳定性，从而通过测量变量诸如集聚物的矿物学和化学组成并通过对熔融炉中内的相的高度进行控制和测量来优化循环剂的消耗、增加耐火材料的持续时间、降低成本并提高熔融能力，上述变量被馈入指示最佳操作(条件)的过程的模拟器中。
构成本发明的系统的四个子系统被集成到处理器中，该处理器结合了用于四个子系统的高级控制软件。所述处理器与传输来自熔融炉的数据的接口连接。所述传输可以通过与用于四个前述子系统中的每个子系统的传感器的有线或无线连接进行。
在本发明的优选实施方式中，在那里获得关键变量的测量值的数据接口与动态过程模拟器连接，该动态过程模拟器允许基于温度变量的度数、集聚物的矿物学特征、相的高度和炉内铜的百分比来观察当这些变量被集成智能系统更改或影响时反应器内发生的情况。如果在动态模拟器中观察到的结果有利于熔融过程，则只有这时才将传输数据以改变或影响炉内的参数。另外，动态模拟器将用作虚拟传感器，该虚拟传感器将在任何子系统的传感器之一发生故障的情况下在线提供炉内相的水平的测量值、白金属中铜的百分比、集聚物的矿物学分析以及炉内温度。严格地说，集聚物的矿物学分析是用于模拟器的输入，并且基于这些特征，可以确定其他三个缺失变量(铜的百分比、温度、相的水平)，这是由于其基础结合了现象学方程(质量和热的平衡)。
在这方面，动态过程模拟器允许针对每个相应子系统基于火法冶金模型、来自温度传感器的测量值、矿物学特征、集聚物的化学分析和相的高度，实时对操作进行优化。
作为控制目标，本发明的系统允许熔融炉(熔池熔炼)内的温度稳定并获得所需质量的产物——白金属和矿渣，并集成了来自现场仪器的关键变量。
用于在将干铜集聚物注入转化炉或熔融炉之前通过X射线衍射(XRD)对干铜集聚物的矿物学种类进行检测和定量的子系统包括：通过X射线衍射(XRD)对熔池熔炼炉中的铜集聚物在线并实时进行矿物学分析的设备，这允许关于硫化铜(Cu2S)-白金属、硫化铁(FeS)-炉渣和硫铁矿(S2)-温度针对优化过程对理想混合进行控制。
用于确定熔融炉内的液体或熔融金属的相或水平的高度的子系统包括配备有无线发射器-接收器设备的可编程逻辑控制器(PLC)，该可编程逻辑控制器具有与固态继电器和机电继电器的电路连接的模拟输入和离散输出。该电路连接到布置在熔融炉内的电极(该电极最终是用于该子系统的传感器)。电极浸没在炉内的冶金熔池的特定相中，并且可编程逻辑控制器通过发射器-接收器设备与控制接口连接。该系统允许通过下述算法在线并实时地确定熔融相的水平，所述算法包括通过电压注入和电流循环产生的与熔池中的电阻有关的变量。
用于测量用于熔融炉的耐火材料的温度和厚度的子系统包括具有用以容置传感器阵列的孔的耐火钢条，该耐火钢条用作热导体和用于该阵列的支撑或底盘。钢条放置在熔融炉的覆盖物和/或头部中。该系统允许通过下述算法在线并实时确定炉内温度，所述算法包括来自由传感器阵列提供的信息的相关变量。
用于在线并实时测量熔融炉的主要产物中的铜含量的百分比的子系统包括至少四个对准的电极，该至少四个对准的电极插过熔融炉的耐火壁，使得每个电极的一端在炉的外部，并且另一端在于其处发生熔炼反应的内部，也就是说，每个电极插入在熔炼熔池中。电极连接到信号放大器，信号放大器又连接到信号发生器。功率发生器从信号发生器发送复制的信号，从而发送用于电阻小于0.1欧姆的负载并且带宽为3MHz的电流增强信号。功率放大器将功率信号发送到位于线路端部的电极，使得一旦信号已经被发送，中心的电极就接收电阻率读数。
反过来，本发明的系统可以在咨询模式或自动模式下操作。咨询模式用于支持操作，获得要应用到系统的控制动作，这些动作通过操作接口被可视地观察为建议。严格地说，在咨询模式下，它不会使用系统的致动器执行控制动作，而是提供对由操作员操纵的变量进行调整的建议。相反，自动模式执行控制动作，并且操作员可以通过操作接口监测性能。动态模拟器充当用于每个子系统的传感器的备份。如果发生任何故障，它将切换到自动模式，在该自动模式下，动态过程模拟器可以采取行动，提供数据来替换有缺陷或缺失的数据。动态过程模拟器可以以任何一种操作模式进行操作。

Claims (8)

1.一种用于控制使矿物集聚物熔融的过程中涉及的变量的集成智能系统，所述集成智能系统允许基于预测模型实时进行操作优化，以便控制熔融炉(熔池熔炼)的温度并随后使所述熔融炉的温度稳定、从而以一(某一)操作点为中心，并获得所需质量的产物，从而集成来自现场仪器的关键变量，其特征在于，所述集成智能系统包括四个特定的子系统：用于在将干铜集聚物注入转化炉或熔融炉之前通过X射线衍射(XRD)对所述干铜集聚物的矿物学种类进行检测和定量的一个子系统；用于确定熔融炉内的液态或熔融金属的相或水平的高度的一个子系统；用于测量熔融炉的耐火材料的温度和厚度的一个子系统；以及用于在线并实时地测量熔融炉的主要产物中的铜的百分比的一个子系统，每个子系统都具有特定地用于其各自功能的测量传感器，并且所述子系统集成到结合有高级控制软件以控制四个子系统的处理器中，所述处理器与用于从所述熔融炉传输的数据的接口连接，其中，所述数据接口与动态过程模拟器连接，其中，所述动态过程模拟器被配置为允许基于温度变量的度数、集聚物的矿物学特征、相的高度和炉内铜的百分比来观察当这些变量被所述集成智能系统更改或影响时反应器内发生的情况，并且如果在所述动态过程模拟器中观察到的结果有利于熔融过程，则只有这时才将传输数据以改变或影响所述熔融炉内的参数。
2.根据权利要求1所述的用于控制使矿物集聚物熔融的过程中涉及的变量的集成智能系统，其特征在于，所述传输是通过与所述四个子系统中的每个子系统的传感器的有线连接进行的。
3.根据权利要求1所述的用于控制使矿物集聚物熔融的过程中涉及的变量的集成智能系统，其特征在于，所述传输是通过与所述四个子系统中的每个子系统的传感器的无线连接进行的。
4.根据权利要求1所述的用于控制使矿物集聚物熔融的过程中涉及的变量的集成智能系统，其特征在于，用于在将所述干铜集聚物注入所述转化炉或熔融炉之前通过X射线衍射(XRD)对所述干铜集聚物的矿物学种类进行检测和定量的所述子系统包括：通过X射线衍射(XRD)对熔池熔炼炉中的铜集聚物在线并实时地进行矿物学分析的设备，在考虑到材料可用性并考虑到所述子系统在线提供所述铜集聚物的矿物成分作为测量值的情况下，这允许关于硫化铜(Cu2S)-白金属、硫化铁(FeS)-炉渣和硫铁矿(S2)-温度、针对优化过程对理想混合进行控制。
5.根据权利要求1所述的用于控制使矿物集聚物熔融的过程中涉及的变量的集成智能系统，其特征在于，用于确定熔融炉内的液态或熔融金属的相或水平的高度的所述子系统包括：配备有无线发射器-接收器设备的可编程逻辑控制器(PLC)，所述可编程逻辑控制器具有与固态继电器和机电继电器的电路连接的模拟输入和离散输出，所述电路与布置在所述熔融炉内的电极(所述电极最终是用于该子系统的传感器)连接，所述电极浸没在所述炉内的冶金熔池的特定相中，并且所述可编程逻辑控制器通过发射器-接收器设备与控制接口连接，所述系统允许通过下述算法在线并实时地确定熔融相的水平，所述算法包括通过电压注入和电流循环产生的与熔池中的电阻有关的变量。
6.根据权利要求1所述的用于控制使矿物集聚物熔融的过程中涉及的变量的集成智能系统，其特征在于，用于测量用于熔融炉的耐火材料的温度和厚度的所述子系统包括：具有用以容置传感器阵列的孔的耐火钢条，所述耐火钢条用作热导体和用于所述阵列的支撑件或支架，所述钢条放置在所述熔融炉的覆盖物和/或头部中，所述系统允许通过下述算法在线并实时地确定炉内温度，所述算法包括来自由所述传感器阵列提供的信息的相关变量。
7.根据权利要求1所述的用于控制使矿物集聚物熔融的过程中涉及的变量的集成智能系统，其特征在于，用于在线并实时地测量熔融炉的主要产物中的铜的百分比的所述子系统包括：至少四个对准的电极，所述至少四个对准的电极插过所述熔融炉的耐火壁，使得每个电极的一端在所述炉的外部，并且另一端在于其处发生熔融反应的内部，也就是说，每个电极插入在熔炼熔池中，所述电极连接到信号放大器，所述信号放大器又连接到信号发生器，功率发生器从所述信号发生器发送复制的信号，从而发送用于电阻小于0.1欧姆的负载并且带宽为3MHz的电流增强信号，功率放大器将功率信号发送到位于线路端部的所述电极，使得一旦所述功率信号已经被发送，中心的所述电极就接收电阻率读数。
8.根据权利要求1所述的用于控制使矿物集聚物熔融的过程中涉及的变量的集成智能系统，其特征在于，所述集成智能系统能够在咨询模式或自动模式下操作。
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