摘 要:以乳化炸藥生產(chǎn)線油、水相流量控制系統(tǒng)為研究對象，分析油、水相流量添加過程的滯后性，針對傳統(tǒng)PID控制理論的不足，詳細分析了自校正PID理論，采用自校正PID控制策略來實現(xiàn)流量的實時控制?，F(xiàn)場運行情況表明，這種控制策略符合工業(yè)實際，采用的控制器穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞:乳化炸藥;流量控制;自校正PID;軟件設(shè)計

中圖分類號:TP29文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)05-151-03

Oil and Water Flow Control of Emulsion Explosive

ZHANG Yuchi，WANG Suiping

(Information Science and Engineering College，Central South University，Changsha，410012，China)

Abstract:Studying emulsion explosive production line control system，analyzing the emulsion explosive production line control system design of the system software.Considering the oil，the process of water flow lag，in view of the inadequacy of the traditional PID，a detailed analysis of the self-tuning PID theory，using the self-tuning PID control strategy to achieve the flow of real-time control.Operation at the scene show that the control strategy in line with industry practice，usage of the controller is stable and reliable.

Keywords:emulsion explosive;flow control;self-tuning PID;software design

21世紀前20年是我國國民經(jīng)濟發(fā)展重要的戰(zhàn)略機遇期，民用爆破器材行業(yè)作為基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，肩負著為國民經(jīng)濟建設(shè)服務(wù)的重要任務(wù)。實現(xiàn)機械化裝藥及提供高性能、低成本炸藥，對提高礦產(chǎn)資源規(guī)?；咝ч_采及保障生產(chǎn)效率，使其適應(yīng)我國國民經(jīng)濟快速發(fā)展的步伐，都有重要意義?；谶@個行業(yè)背景，實現(xiàn)乳化炸藥生產(chǎn)線的自動化就變得尤為迫切。從乳化炸藥生產(chǎn)線生產(chǎn)工藝得知，水相流量與油相流量的調(diào)節(jié)是工藝上的重點，其調(diào)節(jié)準確性直接影響炸藥的質(zhì)量，因此合理設(shè)計水相流量與油相流量的調(diào)節(jié)在連續(xù)乳化炸藥生產(chǎn)過程中十分重要。

1 炸藥生產(chǎn)線油水相流量控制研究現(xiàn)狀

目前，發(fā)達國家使用的小直徑炸藥大部分為乳化炸藥[1]。美國的乳化炸藥生產(chǎn)線使用的水、油相流量控制系統(tǒng)，技術(shù)水平先進，機械化、自動化水平高，除極個別產(chǎn)品采用間斷生產(chǎn)以外，所有的乳化炸藥生產(chǎn)都采用連續(xù)化生產(chǎn)工藝。從自動配料開始，連續(xù)乳化，連續(xù)敏化，直到連續(xù)自動裝藥。連續(xù)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)是操作命令由電腦程序控制和物料管道輸送。配制好的水相和油相分別過濾后混合通過管道系統(tǒng)送入乳化器[2]，整個生產(chǎn)過程實現(xiàn)計算機自動控制。輸送管道上有測溫裝置和自動流量計系統(tǒng)，通過計量泵、計量儀的雙重檢測，監(jiān)控成分配比，生產(chǎn)安全可靠，產(chǎn)品性能穩(wěn)定[3]。日本從美國引進該技術(shù)，然后結(jié)合日本的實際情況進行了研究和改進，使炸藥的狀況己由原來的漿狀成為現(xiàn)在的膠質(zhì)狀，同時開發(fā)了無需乳化劑的乳化炸藥。隨著微處理芯片的出現(xiàn)，水、油相流量控制技術(shù)已在日本的乳化炸藥生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，使乳化炸藥生產(chǎn)技術(shù)取得了突飛猛進的發(fā)展，幾乎所有的乳化炸藥水、油相流量的控制都采用微機控制，全連續(xù)、全自動的生產(chǎn)工藝。

我國自20世紀70年代末開始研制乳化炸藥[4]，北京礦冶研究院率先研究發(fā)明了EL系列乳化炸藥。進入20世紀90 年代，乳化炸藥水、油相流量的半自動控制方式以模擬屏為代表，其主要特點是控制室內(nèi)設(shè)有模擬屏，它將現(xiàn)場儀表采集的流量信號通過變送器送到模擬屏上進行顯示;操作人員通過觀察模擬屏上顯示的流量過程參數(shù)和電機、閥門的開啟狀態(tài)，對生產(chǎn)過程進行監(jiān)控[5]。隨著計算機的高速發(fā)展和工藝技術(shù)與設(shè)備水平的進步，出現(xiàn)了連續(xù)乳化型生產(chǎn)線。連續(xù)乳化是指水相材料和油相材料分別制備后，按照配方要求，通過各自的計量系統(tǒng)將其連續(xù)不斷地按比例加入到連續(xù)乳化機中形成基質(zhì)，其主要特點是由自控系統(tǒng)完成從配料到生產(chǎn)整個過程的控制，操作人員在控制室內(nèi)即可完成生產(chǎn)控制[6]。

國內(nèi)乳化炸藥生產(chǎn)水、油相流量的控制理論研究發(fā)展很快，內(nèi)容包括水相和油相流量的控制過程與原理，計算機的數(shù)據(jù)采樣與存取、系統(tǒng)因素造成的流量控制滯后原因。在乳化炸藥連續(xù)乳化生產(chǎn)中，水相和油相流量的動態(tài)特性及數(shù)字調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法，采用單閉環(huán)流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制方案，數(shù)字調(diào)節(jié)器采用比例積分調(diào)節(jié)完全能夠達到流量控制要求[7]。構(gòu)造模糊自適應(yīng)PID控制器，對傳熱性能測試系統(tǒng)中的水相和油相流量進行控制，通過模糊規(guī)則進行推理和決策，在線整定PID控制器的三個參數(shù)。實際系統(tǒng)運行結(jié)果表明，此方法提高了流量的控制性能，實現(xiàn)了水相和油相流量控制的自動化。

2 乳化炸藥生產(chǎn)線油、水相流量控制

2.1 系統(tǒng)控制思想

乳化炸藥油、水相流量生產(chǎn)過程有兩個控制目標[8]，一是按照配方模型的要求保證油相的流量合理配比;二是將水相流量控制在一定的范圍內(nèi)，這樣才能保證泵的效果達到最好，保證油相與水相以最佳的效果混合產(chǎn)出炸藥成品，從而保證炸藥成品的質(zhì)量。在控制策略上，本文使用了自校正PID控制策略，利用自校正修正PID參數(shù)，改變PID控制方式，以達到最佳PID控制效果。

2.2 油、水相流量自校正PID控制器

基于生產(chǎn)工藝考慮，構(gòu)造油、水相流量PID控制器，其控制框圖如圖1所示。

圖1 流量控制框圖

圖1中，油、水相流量設(shè)定值與實際值的偏差e作為油、水相流量PID控制器的輸入，同時分析檢測數(shù)據(jù)中的油、水相流量值將根據(jù)配方模型的參考比例作為油、水相流量的設(shè)定值[9]。油、水相流量PID控制器經(jīng)過運算修改油控制器的參數(shù)，由PID控制器給出油泵的控制量u。選擇油、水相流量的控制方案是將系統(tǒng)按四輸入二輸出的多變量處理，并設(shè)計一個自校正控制器，該控制原理框圖如圖2所示。

圖2 控制原理框圖

系統(tǒng)的輸入:u(k)=T;

系統(tǒng)的輸出:y(k)=T。

該系統(tǒng)的數(shù)學模型是:

A(z-1)y(k)=z-dB(z-1)u(k)+ξ(k)

式中:ξ(k)為白噪聲。

A(z-1)y(t)=z-dB(z-1)u(t)+ξ(t)

(1)

式中:

A(z-1)=1+a1z-1+a2z-2+…+anz-n;

B(z-1)=b0+b1z-1+b2z-2+…+bmz-m;

d為被控對象的純滯后;

z-1為后移算子;

y(t)和u(t)分別為過程的輸出和輸入;

ξ(t)為隨機干擾。

為了便于分析問題，式(1)可以表示為:

y(t)=-(a1+a2z-1+…+anz-(n-1))y(t-1)+

(b0+b1z-1+…+bmz-m)u(t-d)+ξ(t)

(2)

設(shè):

A1(z-1)=a1+a2z-1+…+anz-(n-1)

則有:

y(t)=-A1(z-1)y(t-1)+B(z-1)u(t-d)+ξ(t)

選擇估計模型為:

y(t)=-A1(z-1)y(t-1)+B(z-1)u(t-d)+(t)

=xT(t)Q(t)+(t)

(3)

式中:(t)為擬和誤差。

由輸入和輸出組成的數(shù)據(jù)信息向量為:

x(t)=y(t-1)，-y(t-2)，…，-y(t-n)，

u(t-d)，…，u(t-d-m)〗T

(4)

被控過程的參數(shù)向量為:

Q(t)=T

(5)

應(yīng)用加權(quán)遞推最小二乘法進行參數(shù)估計:

Q(t)=Q(t-1)+k(t)y(t)-xT(t)Q(t-1)〗

(6)

k(t)=P(t-1)x(t)xT(t)P(t-1)x(t)〗

(7)

P(t)=xT(t)〗P(t-1)/ρ

(8)

式中: ρ為遺忘因子;P(t)為正定協(xié)方差矩陣。

系統(tǒng)辨識環(huán)節(jié)根據(jù)u(k)和y(k)在線辨識變化的系統(tǒng)工藝參數(shù)，再根據(jù)給定的優(yōu)化指標進行參數(shù)估計，改變控制器參數(shù)。

3 油、水相流量自校正PID控制系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 硬件實現(xiàn)

乳化炸藥油、水相流量控制工序段硬件組成結(jié)構(gòu)如圖3所示，其基礎(chǔ)是底層的集散控制系統(tǒng)(DCS)。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)至少有三層，與DCS系統(tǒng)相連接的可編程控制器(PLC)以及處于PLC上一層的若干臺實時監(jiān)控計算機構(gòu)成現(xiàn)場控制層，優(yōu)化計算機構(gòu)成上一級管理優(yōu)化層。

監(jiān)控級主要完成:現(xiàn)場溫度、壓力、料位的記錄及電機狀態(tài)顯示等工藝過程的監(jiān)控;完成工藝數(shù)據(jù)的存儲、曲線顯示;生產(chǎn)過程工藝及設(shè)備故障預(yù)警與報警;專家系統(tǒng)監(jiān)控以及系統(tǒng)的調(diào)度。

現(xiàn)場級主要完成:接收來自監(jiān)控計算機遙控的開關(guān)量輸出和模擬量設(shè)定值，并作用于執(zhí)行機構(gòu);檢測現(xiàn)場開關(guān)量的輸入，采集水相流量、油相流量、油相溫度、料位、等傳感器的工藝參數(shù)，并傳輸給監(jiān)控計算機，以完成油、水相流量控制的在線控制。

執(zhí)行機構(gòu)主要有異步電動機、油相泵、水相泵、電動閥等。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集機構(gòu)主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集及預(yù)處理[10]。由于乳化炸藥的生產(chǎn)過程具有很高的危險性，所以現(xiàn)場采集機構(gòu)都需要具有隔爆特性。根據(jù)工藝要求、控制需要和成本考慮，系統(tǒng)選用了如下的傳感器:由于水相的滯后性，采用HXLDE型智能電磁流量計測量其流量值;根據(jù)油相特性，采用科里奧利質(zhì)量流量計測量其流量值;同時系統(tǒng)還采用了溫度傳感器、壓力傳感器、電流傳感器和電壓傳感器。

3.2 控制系統(tǒng)軟件功能實現(xiàn)

控制軟件采用組態(tài)軟件“組態(tài)王” 6.5版。 “組態(tài)王”是建立工業(yè)控制對象人機接口的一種智能軟件包，它以Windows NT中文操作系統(tǒng)作為其操作平臺，充分利用了Windows的完備圖形功能、友好界面及易學易用的特點。界面實時監(jiān)視窗口提供了形象、直觀的工藝流程圖畫面，在畫面上顯示所有設(shè)備的工作狀況、控制點的控制參數(shù)、過程控制系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)顯示，給用戶提供重要的參數(shù)信息。

4 工業(yè)應(yīng)用效果及分析

乳化炸藥生產(chǎn)線油、水相流量自校正PID控制系統(tǒng)已于2008年6月在廣西柳州威奇化工有限公司投入生產(chǎn)使用。在產(chǎn)能保持恒定的前提下，將油、水相流量自校正PID控制器投入運行，截取了不同時刻的運行曲線，如圖4所示。圖中，上方的曲線表示經(jīng)過PID控制后水相流量的檢測值，下方的曲線表示經(jīng)過PID控制后的油相流量的曲線圖(由于兩檢測值相差一個數(shù)量級，為了顯示的方便，把油相流量的檢測值加一個定值后再顯示輸出)。圖4中，曲線1表示水相流量實際值，曲線2表示水相流量設(shè)定值，曲線3表示油相流量時實際值，曲線4表示油相流量設(shè)定值。由圖4可以看出，經(jīng)過自校正PID控制器的調(diào)節(jié)，油、水相流量輸出能按流量設(shè)定值變化，其誤差范圍在0.5%以內(nèi)，滿足了工藝控制精度的要求，最終達到炸藥組分的質(zhì)量要求。

圖4 油、水相流量運行曲線

5 結(jié) 語

系統(tǒng)采用基于以太網(wǎng)的集散控制結(jié)構(gòu)，使得控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)具有更大的靈活性。通過把自校正PID控制思想轉(zhuǎn)化為實際的應(yīng)用軟件嵌入到炸藥生產(chǎn)過程油、水相流量控制系統(tǒng)中，有效地實現(xiàn)了流量的自動控制。投入工業(yè)運行后，從現(xiàn)場的運行效果來看，該乳化炸藥生產(chǎn)線流量控制系統(tǒng)達到了生產(chǎn)工藝的要求，保證了油、水相流量穩(wěn)定運行，實現(xiàn)了乳化炸藥生產(chǎn)過程的自動控制，得到了令人滿意的效果，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

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