張偉平

(山西省自動(dòng)化研究所，山西 太原 030012)

隨著不銹鋼工業(yè)的迅速崛起和不銹鋼應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，從而使得不銹鋼的產(chǎn)量劇增，高碳鉻鐵做為生產(chǎn)不銹鋼所用鉻的主要來(lái)源，可改變鋼的特性，提高鋼的韌性、耐磨性和防腐性，其需求量也隨之急劇增加。為了適應(yīng)市場(chǎng)需要和降低生產(chǎn)成本，現(xiàn)階段生產(chǎn)高碳鉻鐵的大型礦熱電爐，開(kāi)發(fā)出了預(yù)處理工藝技術(shù)，將高溫含鉻預(yù)還原球團(tuán)與硅石、焦炭、回爐渣按照一定工藝配比，直接送入密閉電爐進(jìn)行冶煉鉻鐵［1］，這種工藝的特點(diǎn)就是電耗低、省焦炭、鉻回收率高，大大降低生產(chǎn)成本。采用這種工藝技術(shù)的密閉電爐冶煉鉻鐵的生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生C0 有毒氣體通過(guò)爐頂加料管排放出來(lái)，同時(shí)爐頂配料所加裝預(yù)還原球團(tuán)達(dá)到1 200 ℃的高溫，這樣的環(huán)境條件對(duì)人來(lái)說(shuō)具有很大的危險(xiǎn)性，為此就需要設(shè)計(jì)無(wú)人值守的配料及爐頂布料控制系統(tǒng)，降低事故發(fā)生概率，通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)，提高鉻鐵產(chǎn)品質(zhì)量。

1 工藝流程簡(jiǎn)述

布料系統(tǒng)工藝流程如圖1 所示，當(dāng)電爐爐頂某個(gè)或某幾個(gè)供料倉(cāng)發(fā)出求料信號(hào)時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)各缺料料倉(cāng)的料位高度，進(jìn)行缺料程度優(yōu)先級(jí)排序，然后控制軌道罐車(chē)啟動(dòng)一次布料流程，按照混合冷料和熱料球團(tuán)的工藝配比值，自動(dòng)移動(dòng)到混合冷料倉(cāng)下，通過(guò)給料皮帶進(jìn)行給料，地磅進(jìn)行稱(chēng)量，達(dá)到設(shè)定值后自動(dòng)停止給料，然后再移動(dòng)到預(yù)還原熱料球團(tuán)倉(cāng)下，通過(guò)振動(dòng)篩進(jìn)行給料，達(dá)到設(shè)定值后停止給料，關(guān)閉軌道罐車(chē)的上口插板，軌道掛車(chē)移動(dòng)到優(yōu)先級(jí)較高的求料供料倉(cāng)，打開(kāi)供料倉(cāng)口電動(dòng)插板，再打開(kāi)罐車(chē)下口插板，將混合料流入該爐頂供料倉(cāng)，然后關(guān)閉罐車(chē)下口插板，關(guān)閉供料倉(cāng)口插板，至此完成一批料的布料過(guò)程。然后控制系統(tǒng)根據(jù)缺料優(yōu)先級(jí)順序，控制軌道罐車(chē)進(jìn)行下一批料的布料過(guò)程。整個(gè)過(guò)程從定位、裝料、再到放料完全無(wú)人值守。

圖1 布料系統(tǒng)工藝流程圖

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要無(wú)人值守的整體工藝特點(diǎn)，系統(tǒng)總體采用三層結(jié)構(gòu)，管理層由管理計(jì)算機(jī)、工程師站和數(shù)據(jù)服務(wù)器組成:控制層由PLC 核心控制單元、數(shù)據(jù)采集單元和無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊構(gòu)成:執(zhí)行層由各信號(hào)采集變送設(shè)備和動(dòng)作執(zhí)行電機(jī)組成。系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖2 所示。

2.1 系統(tǒng)方案配置

2.1.1 軌道罐車(chē)定位

系統(tǒng)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一就是讓軌道罐車(chē)在給料設(shè)備位置、爐頂供料倉(cāng)下料口位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，隨著激光測(cè)距傳感器技術(shù)的發(fā)展和成本的下降，使得激光在工業(yè)自動(dòng)距離位移測(cè)量和位置控制領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用工業(yè)激光測(cè)距傳感器，通過(guò)測(cè)距的方式對(duì)罐車(chē)走行進(jìn)行準(zhǔn)確定位，而且可以獲得軌道罐車(chē)連續(xù)位置變化。

圖2 系統(tǒng)總體構(gòu)架圖

2.1.2 軌道罐車(chē)遙控

隨著無(wú)線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)控制領(lǐng)域開(kāi)始廣泛的應(yīng)用，鑒于本系統(tǒng)軌道罐車(chē)是移動(dòng)的設(shè)備，而且軌道車(chē)上的電動(dòng)設(shè)備(走行控制變頻器、插板電液推桿、電力液壓推動(dòng)器剎車(chē)裝置)需要和地面PLC 控制站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制，在這種場(chǎng)合下，使用有線(xiàn)電纜進(jìn)行信號(hào)傳輸和控制受到了很大的制約，施工布線(xiàn)麻煩。為此系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)罐車(chē)的走行、料罐上下口插板的控制選用無(wú)線(xiàn)數(shù)傳控制技術(shù)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)傳設(shè)備，完成模擬量信號(hào)和數(shù)字量信號(hào)的雙向傳輸。

2.1.3 速度控制

為了確保配料過(guò)程中料種的配比精度，就需要對(duì)給料設(shè)備的慣性沖量進(jìn)行嚴(yán)格控制，使各料種稱(chēng)量值之間的比例最大限度的接近工藝配比，為此系統(tǒng)對(duì)給料裝置給料速度采用了變頻速度調(diào)節(jié)，通過(guò)程序軟件建立速度控制方法的數(shù)學(xué)模型，對(duì)給料速度按照模型曲線(xiàn)進(jìn)行無(wú)極連續(xù)變化控制，既兼顧了配料效率，也使得慣性沖量對(duì)配比的影響降到最小程度。同樣，對(duì)軌道車(chē)的走行控制也采用了類(lèi)似的變頻控制手法，可以提高軌道車(chē)的走行效率和平穩(wěn)性。

2.1.4 PLC 控制核心

依據(jù)整體工藝特點(diǎn)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用西門(mén)子S7－300 系列PLC 為系統(tǒng)控制的核心，配置以太網(wǎng)通信模塊、模擬量輸入/輸出模塊、開(kāi)關(guān)量輸入/輸出模塊，接收來(lái)自上位管理計(jì)算機(jī)的控制指令和生產(chǎn)任務(wù)計(jì)劃指令，并將所控制設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和模擬數(shù)值量上傳給管理層計(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)［2］。采集爐頂供料倉(cāng)的重量信息獲得料倉(cāng)求料信號(hào)，再通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)傳遙控方式，采集軌道罐車(chē)的走行速度，進(jìn)而控制軌道車(chē)的走行和上下口插板的開(kāi)合;采集激光測(cè)距傳感器的距離信號(hào)，對(duì)軌道罐車(chē)進(jìn)行準(zhǔn)確的定位;采集地磅的稱(chēng)重信號(hào)和給料設(shè)備的速度信號(hào)，以上各模擬量信號(hào)通過(guò)4 mA～20 mA 傳輸給PLC，供PLC 控制軟件分析計(jì)算，根據(jù)控制要求，經(jīng)過(guò)控制軟件智能調(diào)節(jié)器的運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理，給出速度模擬量調(diào)節(jié)信號(hào)，完成自動(dòng)給料及稱(chēng)量，通過(guò)PLC 利用現(xiàn)代控制理論，自動(dòng)完成生產(chǎn)過(guò)程關(guān)聯(lián)集控設(shè)備的控制和調(diào)節(jié)。

2.1.5 上位管理軟件

遠(yuǎn)程管理計(jì)算機(jī)采用intouch 工業(yè)自動(dòng)化組態(tài)軟件，完成對(duì)生產(chǎn)任務(wù)的編排，生產(chǎn)過(guò)程的顯示、控制、操作和管理，對(duì)配料和布料數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)報(bào)表和數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)。以直觀(guān)動(dòng)態(tài)的方式真實(shí)反映生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備的位置、動(dòng)作情況、計(jì)劃執(zhí)行情況、故障報(bào)警信息，同時(shí)信息數(shù)據(jù)接入生產(chǎn)局域?qū)＞W(wǎng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享和上層監(jiān)督，管理功能框圖如圖3 所示意。

圖3 管理功能框圖

2.2 關(guān)鍵支撐技術(shù)

2.2.1 激光測(cè)距定位

激光測(cè)距是光波測(cè)距中的一種測(cè)距方式，如果光以速度c 在空氣中傳播在A、B 兩點(diǎn)間往返一次所需時(shí)間為t，則A、B 兩點(diǎn)間距離D 可用下列表示。

式中:D—測(cè)站點(diǎn)A、B 兩點(diǎn)間距離;

c—光在大氣中傳播的速度;

t—光往返A(chǔ)、B 一次所需的時(shí)間。

由上式可知，要測(cè)量A、B 距離實(shí)際上是要測(cè)量光傳播的時(shí)間t，根據(jù)測(cè)量時(shí)間方法的不同，激光測(cè)距儀通?？煞譃槊}沖式和相位式兩種測(cè)量形式［3］。相位式激光測(cè)距精度高，但為了有效的反射信號(hào)，需要配置反射鏡，并使測(cè)定的目標(biāo)限制在與儀器精度相稱(chēng)的某一特定點(diǎn)上，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的使用具有一定的局限性。

基于本系統(tǒng)是對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)直線(xiàn)移動(dòng)軌道車(chē)定位，選用SENST 系列一維工業(yè)激光位移傳感器，利用紅色激光瞄準(zhǔn)方式，動(dòng)態(tài)的對(duì)移動(dòng)物體的相對(duì)距離進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)采用數(shù)字測(cè)相脈沖展寬細(xì)分技術(shù)，無(wú)需合作目標(biāo)即可達(dá)到毫米級(jí)精度，測(cè)程已經(jīng)超過(guò)100 m。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用量程為0.2 m～70 m 的激光測(cè)距傳感器，測(cè)量精度達(dá)±2 mm，分辨率0.1 mm，測(cè)量結(jié)果以4 mA～20 mA 方式傳輸PLC 用于計(jì)算和控制，完全滿(mǎn)足使用要求。

2.2.2 無(wú)線(xiàn)數(shù)傳控制

無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊是數(shù)傳電臺(tái)的模塊化產(chǎn)品，借助DSP 技術(shù)和無(wú)線(xiàn)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)高性能專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)傳輸，具有數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字調(diào)制解調(diào)、數(shù)據(jù)前向糾錯(cuò)、均衡軟判決等功能［4］?？梢詫⒐I(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)(模擬量和開(kāi)關(guān)量)進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)傳輸和控制。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用的無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊采用中國(guó)新開(kāi)通的780 M 頻段，避免了2.4 GHz 和433 MHz 頻段內(nèi)民用無(wú)線(xiàn)設(shè)備的干擾，與其他ISM 頻段無(wú)線(xiàn)收發(fā)器相比，具有低功耗、高靈敏度和穿透力強(qiáng)、通信質(zhì)量更好等特點(diǎn)。

本系統(tǒng)通過(guò)PLC 連接無(wú)線(xiàn)監(jiān)控器的方式，遠(yuǎn)程管理多個(gè)無(wú)線(xiàn)開(kāi)關(guān)量控制器和模擬量控制器，數(shù)據(jù)傳輸原理如圖4 所示。采用GFSK 的調(diào)制方式;收發(fā)一體，半雙工，數(shù)據(jù)收發(fā)轉(zhuǎn)換自動(dòng)完成;信道速率選用19 200 bps;接口方式為RS－485;發(fā)射功率100 MW;工作溫度－40 ℃～+85 ℃。動(dòng)作過(guò)程:當(dāng)遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)控制器的輸入通道數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)生改變時(shí)，發(fā)送報(bào)告到監(jiān)控器，監(jiān)控器更新相關(guān)的映像寄存器或狀態(tài)，PLC讀取這些寄存器或狀態(tài)。PLC 可以通過(guò)寫(xiě)寄存器或狀態(tài)的方式，直接控制遠(yuǎn)程設(shè)備的輸出狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件

3.1 系統(tǒng)控制算法分析

系統(tǒng)的配料和布料過(guò)程是將混合冷料和高溫預(yù)還原熱料球團(tuán)按照工藝配比分批稱(chēng)量后，向電爐爐頂供料倉(cāng)內(nèi)投料，屬于典型的間歇工作模式，對(duì)于皮帶給料和振動(dòng)篩給料，由于慣性沖量的存在，無(wú)法做到每批料按照設(shè)定值進(jìn)行準(zhǔn)確的稱(chēng)量，必然存在稱(chēng)量值與設(shè)定值的偏差，為了彌補(bǔ)這種離散偏差對(duì)整體物料配比工藝的影響，為此在控制軟件上引入了基于速度調(diào)節(jié)控制的稱(chēng)量數(shù)學(xué)模型，提高單批配料過(guò)程的稱(chēng)量精度和效率，同時(shí)采用后批重量補(bǔ)償前批重量的算法，通過(guò)歷史數(shù)據(jù)優(yōu)化給定，來(lái)矯正每批料稱(chēng)量值的離散偏差，使多批料的總體配比最大限度的接近于工藝設(shè)定配比值。

主要控制算法用近似語(yǔ)言描述如下，分號(hào)后為注釋:

其中p 表示偏差，c 表示實(shí)際稱(chēng)量值，s 表示控制給定值(隨動(dòng)變量)，Q 表示給定值(常量)，n 是一個(gè)時(shí)間標(biāo)量，具體含義是n－1 表示前一次，n 表示本次。考慮到給料機(jī)有慣性沖量存在的因素，在控制給料停止的過(guò)程中，設(shè)置一個(gè)沖量預(yù)補(bǔ)提前量，來(lái)補(bǔ)償給料機(jī)停止后物料的慣性沖量，同時(shí)依賴(lài)歷史數(shù)據(jù)，構(gòu)造一個(gè)算法，使之每次產(chǎn)生一個(gè)新值，來(lái)盡量的縮小每批料稱(chēng)量值與控制給定值之間的偏差。

3.2 變頻速度調(diào)節(jié)控制數(shù)學(xué)模型的建立

3.2.1 給料速度控制方法

間歇式分批配料過(guò)程，不僅要控制稱(chēng)量的精度，而且要控制配料的速度，實(shí)現(xiàn)高精度、快速稱(chēng)量是該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，在傳統(tǒng)的雙速給料中，給料裝置振動(dòng)力大或速度快則給料快，但精度難以控制，振動(dòng)力小或速度慢則給料慢，精度可以保證，但稱(chēng)量時(shí)間長(zhǎng)，效率低，由于本系統(tǒng)的給料裝置屬于非線(xiàn)性，采用雙速給料不是理想的控制方式，為此提出了給料速度控制的方法，如圖5 所示，采用閉環(huán)控制，以給料速度為控制參數(shù)，根據(jù)稱(chēng)量重量控制給料速度，兼顧效率和精度。在稱(chēng)量初期，給料速度穩(wěn)定在V0，是一個(gè)定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，當(dāng)稱(chēng)量值接近設(shè)定值時(shí)，速度的趨于逐漸減小，從而變?yōu)殡S動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的分段速度控制改為無(wú)極連續(xù)調(diào)節(jié)。

圖5 控制方法原理框圖

3.2.2 給料速度調(diào)節(jié)控制數(shù)學(xué)模型

在皮帶給料和振動(dòng)給料過(guò)程中，根據(jù)稱(chēng)量控制設(shè)定值，在指定的時(shí)間內(nèi)完成物料稱(chēng)量，此稱(chēng)量物料過(guò)程是對(duì)物料重量的累積關(guān)系。設(shè)W 為物料的稱(chēng)量值(單位:kg)，V 為給料速度(單位:kg/s)，T 為給料時(shí)間(單位:s)，則有以下積分關(guān)系:

由(1)式得:

式中，W' 為單位時(shí)間的稱(chēng)料量

設(shè)物料的控制稱(chēng)量設(shè)定值為Ws，在0 到t1時(shí)間段，以恒定V0速度給料，到達(dá)t1時(shí)，物料稱(chēng)量值W 距設(shè)定值Ws的差量為Wx，此后稱(chēng)量速度V 開(kāi)始隨著稱(chēng)量值的增大逐漸降低，直至趨于零。設(shè)

式中，n 為速度下降速率，那么給料速度V 根據(jù)物料稱(chēng)量值可以分段為:

當(dāng)物料下料累計(jì)稱(chēng)量值W 未達(dá)到時(shí)WS－WX，給料速度為定值調(diào)節(jié)，當(dāng)物料累計(jì)稱(chēng)量值大于WS－WX，速度控制為隨動(dòng)調(diào)節(jié)。對(duì)于恒速調(diào)節(jié)階段，易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)于變速調(diào)節(jié)階段，由(2)、(3)和(4)式推導(dǎo)得出:

根據(jù)速度可以畫(huà)出物料稱(chēng)量值W、給料速度V 和稱(chēng)量時(shí)間t 的關(guān)系曲線(xiàn)如圖6 所示。實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)物料的特性，選擇適當(dāng)?shù)腤X和η 值，既可以保證稱(chēng)量精度，也可以兼顧稱(chēng)量速度，具有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。

圖6 關(guān)系曲線(xiàn)圖

4 系統(tǒng)運(yùn)行及調(diào)試

經(jīng)過(guò)前期的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和調(diào)試，最終將系統(tǒng)整體應(yīng)用到實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中，通過(guò)測(cè)試及功能完善，從軌道車(chē)自動(dòng)定位、給料裝置自動(dòng)給料、地磅自動(dòng)稱(chēng)量、軌道車(chē)自動(dòng)走行及放料，整體過(guò)程動(dòng)作連續(xù)，嚴(yán)格按照工藝要求執(zhí)行，PLC 控制軟件根據(jù)系統(tǒng)控制算法，對(duì)配料過(guò)程自動(dòng)修正和補(bǔ)償，取得了比較理想的配比工藝曲線(xiàn)，上位機(jī)軟件也能夠?qū)崟r(shí)、快速地將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示給操作人員，并進(jìn)行曲線(xiàn)生成和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

5 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)綜合了工業(yè)測(cè)控技術(shù)、無(wú)線(xiàn)數(shù)傳控制技術(shù)和現(xiàn)代軟件技術(shù)，使整體系統(tǒng)具有良好的智能性、擴(kuò)展性，通過(guò)無(wú)人值守控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地面對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的監(jiān)控指揮，大大提高了企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的簡(jiǎn)潔性和日常維護(hù)效率。

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