王俊鵬,楊 衛(wèi),馮彩霞,馮媛媛
(1.北京礦冶研究總院 礦冶過程自動(dòng)控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100160;2.北方銅業(yè)股份有限公司銅礦峪礦選礦廠,山西 垣曲043700)
BPCSP系統(tǒng)平臺是北京礦冶研究總院開發(fā)的一種面向?qū)ο蟮腜LC系統(tǒng)平臺,它致力于建立起一套可重用的、易于擴(kuò)展和維護(hù)的、可靈活組態(tài)的過程控制控制系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)在一定條件下不用編程就能對PLC系統(tǒng)的過程數(shù)據(jù)分析、控制功能(控制回路、順序控制等)、特殊應(yīng)用包(專家系統(tǒng)等)進(jìn)行修改和調(diào)整[1]。目前BPCSP系統(tǒng)平臺已經(jīng)發(fā)展有基于GE Fanuc PAC System 3i/7i系列PLC和基于西門子S7-300/400系列PLC的兩套系統(tǒng),并在山東、新疆、廣東、山西、蒙古等多個(gè)大型自動(dòng)化項(xiàng)目中得以應(yīng)用。
BPCSP系統(tǒng)平臺的基本思想是面向?qū)ο蟮?,即系統(tǒng)中的每個(gè)被控對象、控制回路等都是一個(gè)獨(dú)立的對象。比如一臺電機(jī)、一臺閥門、一個(gè)儀表、一個(gè)控制算法等,都可以看作是一個(gè)對象。BPCSP系統(tǒng)平臺的對象被封裝為一個(gè)含有16通道模擬量數(shù)據(jù)(AI/AO通道,簡稱AIO通道)、16通道數(shù)字量數(shù)據(jù)(DI/DO通道,簡稱DIO通道)以及若干可根據(jù)對象特性由驅(qū)動(dòng)程序定義的UDA(User Define Attribute)數(shù)據(jù)。同時(shí),被封裝的對象中還包含有一定數(shù)量的定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、累加器、配置數(shù)據(jù)以及后臺使用的UDA數(shù)據(jù)等[1]。BPCSP系統(tǒng)平臺的靈活之處在于其所有的16個(gè)模擬量通道和16個(gè)數(shù)字量通道均可自由定義為輸入或者輸出通道,而且每個(gè)通道均可以通過配置參數(shù)的形式索引PLC內(nèi)部的所有輸入、輸出地址以及內(nèi)部寄存器和數(shù)據(jù)塊地址。同時(shí),各個(gè)實(shí)例之間還可以通過實(shí)例編號和變量在實(shí)例中存儲的相對位置(即偏移量)來相互進(jìn)行信息傳遞。修改通道的地址通過修改配置參數(shù)進(jìn)行,無需修改和下載控制程序。
BPCSP系統(tǒng)平臺以驅(qū)動(dòng)程序的方式對被控對象的數(shù)據(jù)和控制算法進(jìn)行歸類封裝。常用的基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)程序有:數(shù)據(jù)處理、通用電機(jī)類、PID類、連鎖控制類已經(jīng)恒定給礦、比例給水、泵池液位控制算法等。
數(shù)據(jù)處理類的主要功能是對模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行工程量歸一化轉(zhuǎn)換,并按照設(shè)定的濾波強(qiáng)度和規(guī)則對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理,可選的功能還包括:對數(shù)據(jù)進(jìn)行低低限、低限、高限、高高限報(bào)警;對需要累計(jì)的數(shù)據(jù)還可以采用高精度的方式求累積量等。數(shù)據(jù)處理的AIO通道定義如表1所示。
對于電機(jī)類設(shè)備,其控制邏輯依賴于其電氣二次回路圖。在常規(guī)的控制程序中,必須先得到二次回路圖才可以編寫電機(jī)的控制程序,這樣就造成了控制程序開發(fā)的滯后,而且還會形成很多版本的電機(jī)控制程序。BPCSP系統(tǒng)平臺將常見的二次回路圖中的控制信號進(jìn)行了歸類處理,歸類后的輸入、輸出只有五種(表2)。電機(jī)類驅(qū)動(dòng)中的DIO_1~DIO_12通道的含義是可以通過參數(shù)進(jìn)行配置的(即修改通道含義不需要修改和下載程序),每個(gè)通道都可以選擇表2中所列的信號類型。而DIO_13~DIO_16這4個(gè)數(shù)字量通道則用于連鎖控制,具體如表3所示。
表2 電機(jī)設(shè)備基礎(chǔ)信號列表
表3 電機(jī)設(shè)備連鎖控制信號列表
BPCSP系統(tǒng)平臺將電機(jī)的控制方式進(jìn)行了拆解歸類,如圖1所示。在電機(jī)控制邏輯中,最重要的是電機(jī)的遠(yuǎn)程連鎖控制。BPCSP系統(tǒng)平臺將遠(yuǎn)程連鎖模式分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種。在手動(dòng)連鎖模式下,電機(jī)的啟動(dòng)或者停車條件達(dá)到后,并不能立刻啟動(dòng)或停止,還需要手動(dòng)點(diǎn)擊畫面上的啟動(dòng)或者停車按鈕才能執(zhí)行動(dòng)作;在啟動(dòng)或者停車條件不具備時(shí),點(diǎn)擊按鈕無效。在自動(dòng)連鎖模式下,電機(jī)的啟動(dòng)或者停車條件達(dá)到后,電機(jī)將自動(dòng)開啟或者停車。
圖1 電機(jī)控制方式圖
BPCSP系統(tǒng)平臺PID控制器采用的是經(jīng)典的PID控制算法,且用戶可在增量式算法(公式2)和位置式算法(公式1)中二選一。BPCSP系統(tǒng)平臺還對經(jīng)典的PID算法進(jìn)行了優(yōu)化,增加了積分抗飽和及積分分離優(yōu)化功能。
位置式PID控制算法,見式(1)。增量式PID控制算法,見式(2)。
式中:k:采樣序號,k=0,1,2,……;uk:第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算輸出值;Δuk:第k次采樣時(shí)刻相對于第k-1次采樣時(shí)刻的計(jì)算輸出增量;ek:第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值;ek-1:第k-1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值;ek-2:第k-2次采樣時(shí)刻輸入的偏差值;T:控制周期;Kp:比例系數(shù);Ti:積分時(shí)間;Td:微分時(shí)間。
連鎖控制又分為局部連鎖控制和全局連鎖控制兩類。在對設(shè)備進(jìn)行連鎖啟??刂茣r(shí),可將相關(guān)聯(lián)比較緊密的設(shè)備作為一個(gè)局部連鎖段進(jìn)行控制。比如在破碎段,可以以礦倉為分界點(diǎn)對礦倉前后的設(shè)備分為兩個(gè)局部的連鎖段,多個(gè)局部連鎖段可以組成一個(gè)全局連鎖段。一個(gè)局部連鎖控制程序最多可以將16臺電機(jī)歸入一個(gè)局部連鎖段;一個(gè)全局連鎖實(shí)例可以管理16個(gè)局部連鎖控制程序。
連鎖程序只負(fù)責(zé)對程序中配置的各個(gè)電機(jī)實(shí)例(或者局部連鎖實(shí)例)進(jìn)行歸納管理,并統(tǒng)一發(fā)送一鍵啟動(dòng)、停止指令,但并不負(fù)責(zé)各個(gè)電機(jī)設(shè)備(或者局部連鎖實(shí)例)的具體啟停順序。各個(gè)電機(jī)實(shí)例(或者局部連鎖實(shí)例)號的先后順序并不是設(shè)備開停的具體順序。各個(gè)設(shè)備的開停順序由各自的“連鎖啟動(dòng)許可”以及“連鎖停車許可”位來控制。
山西某銅礦選礦廠設(shè)計(jì)礦石處理能力為600萬t/a,設(shè)計(jì)日處理礦石能力為18000t/d,現(xiàn)日處理礦石能力已接近20000t/d。主要配置有:碎礦7臺套破碎機(jī)及皮帶運(yùn)輸系統(tǒng),磨浮3臺套大型球磨及浮選系統(tǒng)、石灰乳化系統(tǒng),以及配套的濃縮、過濾系統(tǒng)等。
碎礦系統(tǒng)的流程如圖2所示。對于碎礦工段,其控制邏輯設(shè)計(jì)的基本原則是:①逆著物料流動(dòng)的順序開車:首先開啟物料輸送流程中最末端的設(shè)備,物流輸送流程中所有下游設(shè)備全部開啟后才可以開啟給料設(shè)備;②順著物料流動(dòng)的順序停車:正常停車時(shí),必須先停止給料設(shè)備,才能停止流程中的下一級設(shè)備。故障時(shí),立刻停止故障設(shè)備上游的所有帶料設(shè)備。
圖2 碎礦流程畫面
按照上述基本原則,將碎礦工段主流程設(shè)備劃分為4個(gè)分段,公共段:包含6#、7#、8#皮帶,篩分段:包含5#、39#皮帶以及7臺振動(dòng)篩和7臺給礦皮帶機(jī),中細(xì)碎段:含38#皮帶、7臺圓錐破碎機(jī)、8臺給礦皮帶機(jī),預(yù)先篩分段:含0#、1#、2#、3#、4#皮帶,預(yù)先篩,5臺震動(dòng)放礦機(jī)以及相關(guān)皮帶的抱閘電機(jī)和油泵。此處以公共段為例簡要介紹使用BPCSP系統(tǒng)平臺如何通過修改參數(shù)即可完成連鎖邏輯的設(shè)計(jì),而無需編輯和下載程序。
公共段的開車順序?yàn)椋?#皮帶→7#皮帶→6#皮帶;公共段的停車順序?yàn)椋?#皮帶→7#皮帶→8#皮帶。則這三條皮帶的連鎖控制信號在BPCSP平臺上的配置如表4所示。
表4 公共段皮帶連鎖位配置表
表4中,BCR*_Run為皮帶的運(yùn)行狀態(tài)信號,皮帶運(yùn)行時(shí)該信號ON,停車時(shí)該信號OFF;BCR*_Stop是皮帶的停止?fàn)顟B(tài)信號,其狀態(tài)與BCR*_Run相反;Stop_Lk和Start_Lk則分別是來局部連鎖控制程序的連鎖停車和連鎖開車指令。
在對電機(jī)進(jìn)行順序連鎖啟停時(shí),電機(jī)需要處于“遠(yuǎn)程”(“連鎖”(“手動(dòng)連鎖”狀態(tài),與之相關(guān)的局部連鎖控制程序則需要向其所轄的所有設(shè)備發(fā)送“連鎖”指令。連鎖控制畫面窗口如圖3所示。
圖3 公共段連鎖控制窗口
該選廠磨礦、浮選系統(tǒng)有3個(gè)相似的系列。其中一個(gè)磨礦回路如圖4所示。該磨礦回路共有3條給礦皮帶,15臺圓盤給礦機(jī)(其中8臺為變頻控制),2個(gè)磨機(jī)前給水回路(圖中①和②),2個(gè)磨機(jī)后給水回路(圖中③和④),渣漿泵為變頻控制??刂苾x表的安裝情況為:No.14-1皮帶上裝有電子皮帶秤,4個(gè)給水回路分別裝有電磁流量計(jì)和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥,泵池上裝有雷達(dá)液位計(jì),旋流器給礦和溢流管路上分別裝有電磁流量計(jì)和濃度計(jì),旋流器頂裝有壓力變送器。
磨礦控制系統(tǒng)的應(yīng)用的控制回路主要有:恒定給礦控制回路、比例給水控制回路和泵池液位控制回路。
2.2.1 恒定給礦控制
恒定給礦控制的目的是穩(wěn)定球磨機(jī)的給料量。恒定給礦采用經(jīng)典PID或者大間隔采樣積分控制算法(根據(jù)需要可以算作)??刂葡到y(tǒng)框圖如圖5所示。Q*表示給礦量的設(shè)定值,e表示給礦誤差,T為采樣周期,u表示控制器輸出的控制量,y′表示給料機(jī)輸出礦量,y表示皮帶秤處的礦量。
圖4 磨礦控制系統(tǒng)圖
每個(gè)磨礦系統(tǒng)有多達(dá)15臺給料機(jī),實(shí)際給料時(shí)一般選取4~6臺給料機(jī)開啟,其中有1~3臺變頻給料機(jī),再在運(yùn)行的變頻給料機(jī)中選取1臺作為主控設(shè)備接受大間隔采樣控制算法的輸出,另外的變頻給料機(jī)作為粗調(diào)設(shè)備。
在BPCSP系統(tǒng)平臺中,15臺給料機(jī)為通用電機(jī)類實(shí)例,控制算法為PID類或者大間隔采樣類的實(shí)例程序,皮帶秤數(shù)據(jù)濾波采用數(shù)據(jù)處理類實(shí)例??刂扑惴ㄍㄟ^AIO通道直接引用皮帶秤數(shù)據(jù)處理實(shí)例的數(shù)據(jù)濾波結(jié)果,同時(shí)控制算法根據(jù)選擇的主控給料機(jī)將控制量直接通過給料機(jī)的實(shí)例編號傳送給給料機(jī)。設(shè)定礦量為275t/h時(shí),恒定給礦控制回路運(yùn)行1小時(shí)的控制數(shù)據(jù)分析如表5所示。
2.2.2 比例給水控制
比例給水控制的目的是控制磨礦系統(tǒng)的濃度,其算法的中心思想是物料平衡,即進(jìn)入球磨系統(tǒng)的礦量和水量與旋流器溢流的礦量和水量相等。根據(jù)工藝要求的溢流濃度C、給礦量Q、修正系數(shù)k、前給水所占總水量的比例p可以計(jì)算出前給水水量F1和后給水水量F2,從而控制整個(gè)磨礦系統(tǒng)的溢流濃度y,控制系統(tǒng)框圖如圖6所示。其中前給水水量F1和后給水水量F2還可以再根據(jù)設(shè)定的比例值在所在回路的兩個(gè)水口中進(jìn)行按比例分配。
圖5 恒定給礦控制框圖
表5 恒定給礦控制效果
一個(gè)比例給水控制回路由6個(gè)BPCSP系統(tǒng)實(shí)例構(gòu)成,其中1個(gè)控制算法實(shí)例,4個(gè)PID類實(shí)例,1個(gè)數(shù)據(jù)處理實(shí)例。控制算法通過AIO通道直接引用濃度數(shù)據(jù)處理實(shí)例的數(shù)據(jù),同時(shí)控制算法實(shí)例將計(jì)算出的各個(gè)水口的設(shè)定量直接通過實(shí)例編號傳送給各個(gè)PID實(shí)例作為PID的設(shè)定值。
2.2.3 泵池液位控制
泵池液位控制以控制球磨機(jī)泵池液位為基礎(chǔ),同時(shí)兼顧穩(wěn)定旋流器壓力。其控制思路為:將泵池液位按照低低限、低限、高限、高高限劃分為5個(gè)區(qū)域,當(dāng)泵池液位處于高限和低限之間的穩(wěn)定區(qū)時(shí),泵速維持不變;當(dāng)泵池液位低于低低限時(shí),自動(dòng)以設(shè)定的最低頻率運(yùn)行;當(dāng)泵池液位高于設(shè)定的高高限時(shí),自動(dòng)以設(shè)定的最高頻率運(yùn)行;當(dāng)泵池液位低于低限但高于低低限時(shí)或者高于高限但低于高高限時(shí),采用PID算法調(diào)整液位,直到液位回到高限和低限之間的穩(wěn)定區(qū),再次維持泵速不變;在PID調(diào)節(jié)期間,還需要監(jiān)視旋流器壓力,當(dāng)旋流器壓力低于設(shè)定的壓力低限時(shí),不再調(diào)低泵速;當(dāng)旋流器壓力高于設(shè)定的壓力高限時(shí),不再調(diào)高泵速??刂茽顟B(tài)圖如圖7所示。
一個(gè)泵池液位控制回路由2個(gè)數(shù)據(jù)處理類實(shí)例(液位和壓力)、2個(gè)通用電機(jī)類實(shí)例和1個(gè)泵池液位控制算法實(shí)例構(gòu)成??刂扑惴ㄍㄟ^AIO通道直接引用壓力數(shù)據(jù)處理實(shí)例的數(shù)據(jù),通過實(shí)例編號直接引用液位數(shù)據(jù)處理實(shí)例的數(shù)據(jù)液位值和各個(gè)狀態(tài)的報(bào)警位,同時(shí)控制算法實(shí)例將計(jì)算出的頻率設(shè)定量直接通過實(shí)例編號傳送給當(dāng)前運(yùn)行的渣漿泵。泵池液位控制回路24小時(shí)運(yùn)行效果如圖8所示。
圖6 比例給水系統(tǒng)框圖
BPCSP系統(tǒng)平臺采用結(jié)構(gòu)化的編程方法,將基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)處理功能、電機(jī)控制功能、PID控制功能、連鎖控制功能以及類似恒定給礦算法、比例給水算法和泵池液位控制算法等設(shè)計(jì)成基礎(chǔ)的模塊式的程序單元,配合靈活的數(shù)據(jù)IO接口和內(nèi)部數(shù)據(jù)的引用機(jī)制,可以采用搭積木的方式用基礎(chǔ)的程序單元配置成各種復(fù)雜的連鎖和控制回路,而且其配置過程無需編譯和下載程序,極大的方便了控制系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)。
圖7 泵池液位控制狀態(tài)圖
圖8 泵池液位回路24小時(shí)運(yùn)行效果圖
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