吳召明

（山鋼股份萊蕪分公司 自動化部，山東 萊蕪 271104）

0 引言

仿真，也稱模擬，是以計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字化建模技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、仿真支撐軟件技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)被仿真對象的結(jié)構(gòu)、原理、流程、特點(diǎn)，對真實(shí)的環(huán)境或過程進(jìn)行模擬和再現(xiàn)。利用仿真技術(shù)所開發(fā)的產(chǎn)品可用來進(jìn)行培訓(xùn)、設(shè)計(jì)、可行性論證、前期驗(yàn)證和實(shí)際運(yùn)行狀況分析及優(yōu)化［1］。本文將對高爐上料仿真平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 PLC仿真程序

1.1 高爐上料工藝流程

1.1.1 槽下工藝流程

高爐1＃～10＃燒結(jié)礦倉分別和11?！?0＃球團(tuán)塊雜礦倉公用稱量斗，槽下共配有燒結(jié)球團(tuán)塊雜礦稱量斗、焦炭稱量斗、焦丁稱量斗、碎焦倉、碎礦倉，所有稱量斗呈雙排式布置。燒結(jié)、球團(tuán)塊雜礦倉中的物料經(jīng)振動篩篩分，符合粒度要求的礦進(jìn)入各自配套的稱量斗，再分別經(jīng)供料膠帶機(jī)K1轉(zhuǎn)運(yùn)到上料主膠帶機(jī)到爐頂；小于粒度要求的碎礦分別經(jīng)SK1、SK2、SK3、SK4返礦皮帶送入碎礦倉，再經(jīng)機(jī)運(yùn)系統(tǒng)的返－1皮帶送走。焦倉流程與此類似。

1.1.2 爐頂工藝流程

焦炭、燒結(jié)礦等各種入爐原料由皮帶運(yùn)到爐頂，倒入受料罐中，稱量料罐放散完畢后打開上密封閥和上料閘向稱量料罐裝料。裝料完成后，關(guān)閉上料閘和上密封閥，稱量料罐進(jìn)行均壓，一旦探尺到料線就進(jìn)行布料。一批料中，允許焦／礦設(shè)定兩個(gè)不同的料線位置。

1.2 控制程序

由于仿真平臺運(yùn)行在現(xiàn)場之外的環(huán)境下，該環(huán)境中沒有現(xiàn)場的各種設(shè)備和儀器儀表，因此高爐上料系統(tǒng)中的各種輸入輸出信號都需要通過程序進(jìn)行模擬。對于開關(guān)量信號，可以在PLC控制程序中模擬，但是對于模擬量信號，需要建立設(shè)備模型進(jìn)行模擬。

根據(jù)上述的高爐上料工藝流程進(jìn)行PLC仿真程序的設(shè)計(jì)與編寫，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化控制和開關(guān)量信號的模擬。PLC仿真程序運(yùn)行環(huán)境的硬件為施耐德的機(jī)架和CPU模板，軟件為施耐德的Unity?？刂瞥绦蚓帉懲瓿珊笙卵b到CPU模板里，即可運(yùn)行，同時(shí)可以在Unity下進(jìn)行變量監(jiān)控。為避免PLC仿真程序在CPU模板上丟失或者重新下裝程序后部分信號和數(shù)據(jù)丟失，在PLC仿真程序中增加了一個(gè)初始化料單程序，包括礦槽的初始化料單及爐頂布料的初始化料單。

2 仿真監(jiān)控畫面

仿真監(jiān)控畫面運(yùn)行環(huán)境為施耐德的Citect軟件，監(jiān)控畫面主要用于對工藝流程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可顯示初始數(shù)據(jù)、設(shè)定數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)，可選擇手動和自動操作方式，可對儀器儀表進(jìn)行強(qiáng)制操作等。為了防止仿真系統(tǒng)終止運(yùn)行后重新啟動，引起監(jiān)控畫面上的工藝流程被卡住現(xiàn)象的發(fā)生，在畫面中增加了初始化按鈕。點(diǎn)擊“初始化”按鈕，使仿真監(jiān)控畫面程序能夠自動運(yùn)行。

在Citect軟件的Cicode文件中編寫函數(shù)，把監(jiān)控畫面的變量寫進(jìn)數(shù)據(jù)庫，提供給仿真系統(tǒng)使用；同時(shí)把仿真系統(tǒng)提供的變量通過數(shù)據(jù)庫讀進(jìn)Citect系統(tǒng)并顯示在監(jiān)控畫面上。槽下工藝監(jiān)控畫面如圖1所示，爐頂工藝監(jiān)控畫面如圖2所示。

3 基于MATLAB的數(shù)學(xué)建模［2］

本文根據(jù)現(xiàn)場采集到的各設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)，在MATLAB環(huán)境下對這些歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析、計(jì)算、擬合、仿真驗(yàn)證，最終得到符合現(xiàn)場實(shí)際情況的設(shè)備模型。

圖1 槽下工藝監(jiān)控畫面

圖2 爐頂工藝監(jiān)控畫面

3.1 槽下部分?jǐn)?shù)學(xué)建模

槽下部分的數(shù)學(xué)建模包括稱量斗稱重模型和料倉料位模型。圖3為稱量斗稱重和料倉料位實(shí)測數(shù)據(jù)曲線圖。

圖3 稱量斗稱重和料倉料位實(shí)測數(shù)據(jù)曲線圖

下面以稱量值為例進(jìn)行分析。對稱量值的相關(guān)變量進(jìn)行數(shù)據(jù)觀察，找出與稱量值有關(guān)的變量，然后進(jìn)行變量篩選和數(shù)據(jù)整理，每個(gè)上料周期具有明顯的下降、上升、等待狀態(tài)，對每個(gè)周期內(nèi)的各狀態(tài)轉(zhuǎn)換點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，按照標(biāo)記進(jìn)行數(shù)據(jù)分割，得到多個(gè)連續(xù)曲線段。

對每個(gè)曲線段尋找樣本中心，以樣本中心的擬合曲線進(jìn)行建模與仿真。建模步驟為：①樣本歸一化處理；②尋找樣本空間的中心；③曲線擬合；④仿真。樣本的歸一化從時(shí)長和幅值兩方面進(jìn)行。時(shí)長歸一化將同類波形處理成相同長度的波形，幅值歸一化則將波形的數(shù)值映射到區(qū)間［－1，1］。使用K均值聚類方法對樣本曲線進(jìn)行聚類，獲得樣本中心。對各樣本中心曲線進(jìn)行擬合，獲得可以滿足精度要求的最小多項(xiàng)式系次數(shù)。

3.2 爐頂部分?jǐn)?shù)學(xué)建模

爐頂部分的設(shè)備模型包括上料罐、稱量罐、頂壓、北探尺位置、南探尺位置、東探尺位置、西南頂溫、西北頂溫、東南頂溫、東北頂溫。圖4為探尺位置曲線圖。在MATLAB環(huán)境下采用曲線擬合方法建立各種設(shè)備模型。

圖4 北探尺、南探尺、東探尺位置曲線圖

4 基于動態(tài)鏈接庫的仿真系統(tǒng)

仿真系統(tǒng)的開發(fā)在Visual Studio 2005環(huán)境下進(jìn)行，采用了C＃開發(fā)語言。主要包括主界面的設(shè)計(jì)與開發(fā)、與數(shù)據(jù)庫的通訊、數(shù)據(jù)庫中變量的顯示、設(shè)備模型開發(fā)與調(diào)用等。高爐上料仿真平臺的數(shù)據(jù)流程圖如圖5所示。

圖5 高爐上料仿真平臺的數(shù)據(jù)流程圖

考慮到設(shè)備模型的通用性和保密性，采用動態(tài)鏈接庫的方法將設(shè)備模型的功能函數(shù)封裝起來，其他系統(tǒng)只要引用該動態(tài)鏈接庫，然后調(diào)用其中的函數(shù)就可以訪問和使用設(shè)備模型了。數(shù)據(jù)庫開發(fā)環(huán)境為SQL Server 2005［3］，數(shù)據(jù)庫的表用于存放礦槽工藝與爐頂工藝中監(jiān)控畫面與仿真系統(tǒng)需要交換使用的變量，實(shí)現(xiàn)兩者之間數(shù)據(jù)的通訊。

5 仿真平臺的應(yīng)用效果

高爐上料仿真平臺的實(shí)現(xiàn)，使得那些需要了解高爐生產(chǎn)工藝但又不能到生產(chǎn)現(xiàn)場觀看的人員在該仿真平臺上觀看到了與現(xiàn)場生產(chǎn)工藝一樣的流程；對那些不熟悉現(xiàn)場操作、容易操作失誤的新工人，利用該平臺可以獲得很好的培訓(xùn)效果；自主開發(fā)的基礎(chǔ)自動化控制程序經(jīng)該平臺驗(yàn)證后應(yīng)用到現(xiàn)場，優(yōu)化了現(xiàn)場控制系統(tǒng)的重要參數(shù)，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

目前該平臺硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)運(yùn)行都很穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)系統(tǒng)故障和通訊故障，操作維護(hù)方便，系統(tǒng)界面友好，子系統(tǒng)之間通訊正常，響應(yīng)速度快，仿真準(zhǔn)確率高，達(dá)到了預(yù)期的性能指標(biāo)要求。

［1］ 張列剛，張建康，劉興科.仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［2］ 卓金武.MATLAB在數(shù)學(xué)建模中的應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

［3］ 陳秋萍.C＃2005數(shù)據(jù)庫編程經(jīng)典教程［M］.北京：人民郵電出版社，2007.