有色金属冶炼安全控制技术发展探讨

张殿元

内蒙古包钢钢联股份有限公司工程服务公司内蒙古包头市014010

摘要：随着信息技术的快速发展,冶金工业控制系统面临各种安全威胁，为了确保冶金工业的生产稳定和信息安全,采取安全防护技术至关重要。 在铝合金的冶炼过程中，冶炼炉的温度控制是提升其冶炼效率和安全性的关键技术。冶金工业出版社出版的《有色轻金属冶炼过程优化与控制系统》总结了有色轻金属冶炼过程优化和控制方面的理论和方法,可以帮助他们理解并应用优化和控制技术,提高有色轻金属冶炼效率和质量。通过对系统的系统级危险的分析，确定了系统的安全约束，并运用系统控制算法描述出发生系统级危险时，系统符合安全约束的安全控制行为，以此实现了铅冶炼生产系统安全控制。

关键词：金属铅冶炼；生产系统 ；安全控制  

铅冶炼生产系统是工业生产的核心技术，对于铅冶炼生产质量和效率起着重要的作用，但是一旦系统对冶炼设备的生产参数设定不合理时，将有可能造成生产中断，甚至出现铅蒸汽泄露的事故发生。在铝合金冶炼过程中所设计的智能温度系统应该不仅考虑其温度控制能力，还需要满足铝合金冶炼安全生产标准，即在铝合金冶炼过程中保障生产人员安全，同时需要满足环境保护要求。为了保障铅冶炼生产系统的稳定性，必须采用科学、有效的安全控制分析方法对铅冶炼生产系统生命周期的各个阶段进行安全控制和分析，该方法运用逻辑分析思维，对铅冶炼生产系统进行合理安全控制分析，对保障铅冶炼生产安全性有着重要意义。

一、铝合金冶炼控制系统设计

1、系统硬件设计。在铝合金冶炼过程中，控制冶炼炉的温度是提升其生产质量和安全性的关键。智能技术的不断发展，为冶炼炉的温度自动化控制提供了方向和技术支持。过去的研究一般认为金属在冶炼时，温度控制系统设计要从硬件和软件设计入手。该研究在铝合金冶炼中，提出了冶炼炉智能温度控制系统，温度控制系统硬件中主要包括温度检测和变送模块、单片机输出控制模块、驱动器模块、过零检测模块以及显示与键盘模块。此外，在温度控制系统中还包括双向可控硅和变压器等硬件，其中双向可控硅的主要作用是控制硅碳棒的通断，进而升高或降低炉内温度。铝合金冶炼炉的工作原理是利用内部硅碳棒来实现炉内加热，在炉内加热的过程中，温度检测和变送模块能够通过热电偶来分析其温度变化。该研究选择 XTR101 变送器，用来接收热电偶的温度测量信号。

2、系统软件设计。铝合金冶炼的温度控制系统是基于软件实现硬件控制，进而调整冶炼炉的温度，为此该研究在智能温度控制系统硬件设计的基础上提出软件部分的设计策略。首先，针对智能温度控制系统的控制程序，在系统程序控制中，首先，将系统中的数据初始化，通过键盘对输入信号进行扫描和采集。其次，对采集到的温度信号进行中断处理，即进行 A/D 转换，并在与上位机通信中计算处理后得到的温度数据偏差。如果偏差值大于最大温度值，就进行全功率加热，如果偏差值小于最大值，就判断其余最小温度值之间的大小。当偏差值大于最小温度值时，采用模糊控制来实现温度控制，如果偏差值小于最小温度值时，就采用 PID 控制来实现温度控制。在系统程序控制中，上位机监控采用 KINGVIEW6.53来进行铝合金冶炼炉自动控制监控，并在设计过程中考虑噪声和振动等影响因素，采用 RS-485 总线来构建通信网络。此外，为了满足上位机和多台下位机之间的通信，研究在单片机内部采用 USART 作为收发器，在与上位机的通信中，研究采用 ASC Ⅱ来完成信息传输。

二、铅冶炼生产系统安全控制方法

采用 STRA 分析方法对铅冶炼生产系统的安全控制进行分析，该方法采用形式化技术，并且以坚实的数学理论为分析基础，将铅冶炼生产系统安全性的问题转变为系统控制的问题，通过一定的分析步骤找出铅冶炼生产系统危险出现的不安全控制行为，以此实现对铅冶炼生产系统的安全控制分析。首先从铅冶炼生产系统控制的角度分析出导致系统出现安全隐患的根本原因，并确定相应的保证系统安全控制的约束条件。然后根据约束条件建立系统的分层控制结构，用来组建铅冶炼生产系统各个软硬件之间的控制关系。最后通过引进系统控制算法对建立的控制结构进行计算，分析出系统在铅冶炼生产过程中出现的错误控制，并对其进行及时调整，以此实现了 STRA 对铅冶炼生产系统的安全控制分析。

1、确定系统安全约束。在对铅冶炼生产系统进行安全控制分析之前，首先要明确系统在生产中存在的系统级危险，根据 STRA 的分析思想，一旦系统在铅冶炼生产过程中出现了系统级危险，说明系统预先设定的安全约束已经被违反了，所以确定系统危险是分析铅冶炼生产系统安全控制的首要任务，以便 STRA 分析中确定或修改系统的安全约束，进而保证系统的安全控制。在铅冶炼生产过程中，冶炼生产系统、生产控制器以及生产人员共同对铅冶炼进行控制，用以保障和控制系统的生产危险，其所要控制的生产危险主要是防止铅泄露，当铅冶炼生产系统没有防止在生产中的冶炼设备参数不符合生产标准时，铅蒸汽泄露危险就会出现。由此可见，铅冶炼生产系统的系统级危险为“铅冶炼生产系统未能防止冶炼设备在生产中超出安全标准参数范围”，所以铅冶炼生产系统的系统级安全约束为“系统应该确保冶炼设备在生产中不会出现超出参数安全标准范围”，在 STRA 后续的分析中，以此作为识别系统安全控制的依据，对铅冶炼系统的安全约束进行修改和完善。

2、分析系统控制行为。根据铅冶炼生产系统的安全约束和控制行为的分析，若要实现对系统的安全控制，主要是控制系统在操控生产时的冶炼设备的参数，使其在标准生产范围内，防止铅蒸汽泄露危险事故的发生。所以此次引用一种系统控制算法，通过计算分析出系统是否违反安全约束，如果出现违反安全约束的行为对其进行相应的控制行为。其具体计算如下。假设系统的安全约束为Z，系 统级危险为X，根据STRA 分析理论，铅冶炼生产系统在运行中出现违反安全约束行为：

公式中，a 表示系统控制器集合，Kp 表示铅冶炼设备参数标准，e 表示系统出现违反约束行为的组件，T 表示原有系统安全约束，t 表示系统出现违反安全约束行为的时间。c2表示此时系统行为为不合理行为，b1表示需要提供新的控制指令，d1表示此时系统控制器应立即修改安全约束，以此实现了对铅冶炼生产系统安全控制分析。

3、试验

（1）实验设计。为了证明此次提出的铅冶炼生产系统安全控制分析方法的有效性，将其与传统的分析方法进行了一组对比实验。此次实验两种方法选用统一的铅冶炼生产系统，对其进行分析，并且铅冶炼生产设备和条件也是相同的，在系统操控铅冶炼生产过程中，所有的生产设备参数设定保持一致，以此保证实验结果的有效性。此次实验每种方法对铅冶炼生产系统进行分析，检验此次设计的分析方法的精准度。

（2）结果分析。此次实验两种控制分析方法的精准度，对铅冶炼生产系统安全控制分析结果精准度平均在 86% 左右，最高精准度达到 93%，而对铅冶炼生产系统控制分析结果的精准度平均在 68% 左右，并且精准度不够稳定。实验证明了此次提出的对铅冶炼生产系统安全控制分析方法具有较高的精准度。

通过对铅冶炼生产系统的安全控制，该方法可以精准的分析出系统在铅冶炼生产中存在的危险控制行为，有效降低了在生产过程中事故发生几率，同时也极大的提高了铅冶炼生产系统的稳定性和安全性，保障了铅冶炼从业人员的人身安全，促进了铅工业的稳定发展。

参考文献：

[1] 蔡龙生,张伟旗.冶金起重机电气装备技术创新及常见故障控制[J].中国特种设备安全,2018(4)：75-80.

[2] 张伟旗,蔡龙生.进口冶金专用行车技术装备设计创新及运行优化[J].世界有色金属,2019(3)：35-39.

[3] 王慧臣，黄引群. 有色金属冶炼安全控制技术技术创新[J].湖南有色金属,2020,36(6)：39-41.

[4] 袁春峰,李文唤. 有色金属冶炼安全控制技术发展的研究[D]. 济南:山东大学,2019.