潘佳月，吳明亮，張鴻強(qiáng)

（1.蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730050；2.甘肅煙草工業(yè)有限責(zé)任公司天水卷煙廠，天水 741020）

配料工序是冶金、化工、食品、建材等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是眾多生產(chǎn)作業(yè)的源頭工序。配料系統(tǒng)的精度和效率對生產(chǎn)過程起著決定性的作用。在硅鐵生產(chǎn)過程中，對配料系統(tǒng)的要求更是如此，而當(dāng)前大部分硅鐵配料控制系統(tǒng)，盡管實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，但是對于配料精度的控制，大部分仍需要人為調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)，這不僅對操作員的綜合素質(zhì)要求較高，而且無法有效地實(shí)現(xiàn)精度控制。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)一套技術(shù)先進(jìn)、配料準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的自動(dòng)配料控制系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。

1 系統(tǒng)工藝流程

在硅鐵生產(chǎn)過程中，將木屑、硅石、煤和焦炭等原料經(jīng)配料設(shè)備均勻混合之后送至礦熱爐內(nèi)進(jìn)行冶煉，其配料過程整體上可以分為給料過程、混合輸料過程以及爐頂加料3個(gè)階段，涉及生產(chǎn)設(shè)備有物料倉、稱重斗、電振給料機(jī)、運(yùn)料皮帶、布料小皮帶和環(huán)軌小車等，其工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程示意Fig.1 Process flow diagram

在配料系統(tǒng)啟動(dòng)后，系統(tǒng)通過原料倉下的電振給料機(jī)，將原料倉的物料傳送至稱重料倉，再由稱重料倉下的稱重傳感器將秤斗中的實(shí)時(shí)重量值以Modbus通訊方式傳至PLC控制中心，控制器通過配方設(shè)定值和實(shí)時(shí)重量值，進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算之后，發(fā)出相應(yīng)的控制命令。在輸送控制階段，卸料小皮帶開始準(zhǔn)備卸料時(shí)，水平運(yùn)料皮帶及大傾角皮帶自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，然后通過設(shè)定好的時(shí)間差，啟動(dòng)對應(yīng)的卸料小皮帶，使得物料均勻地疊加在水平運(yùn)料皮帶上，以達(dá)到均勻混料的目的，之后再經(jīng)大傾角皮帶傳輸至爐頂集料倉。最后，當(dāng)物料被送至爐頂集料倉之后，便等待爐臺上的缺料信號，根據(jù)不同爐門的要料信號，將集料倉中的物料通過環(huán)軌小車送至相應(yīng)的爐門料管，這樣便完成了一批物料的配料過程。

2 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

在該系統(tǒng)中，采用上位機(jī)與下位PLC相結(jié)合的控制方式。其中控制系統(tǒng)由上位計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器以及相應(yīng)的執(zhí)行元件組成。通過選用帶PN口的下位PLC，不僅可以方便地實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位PLC之間的通訊，而且采用以太網(wǎng)通訊方式具有傳輸數(shù)據(jù)量大、傳輸速率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)中現(xiàn)場稱重傳感器將稱重信號經(jīng)接線盒傳送至稱重儀表，通過稱重儀表不僅可以實(shí)現(xiàn)重量值的就地顯示，還能將該數(shù)據(jù)以不同的通信方式傳送至中心控制器PLC，同時(shí)，它也能夠接收由上位機(jī)發(fā)出的相應(yīng)指令，考慮到通訊的質(zhì)量和速率，選用CP341串口通訊模塊，來實(shí)現(xiàn)PLC與現(xiàn)場稱重儀表之間的數(shù)據(jù)交換，而對于現(xiàn)場的大傾角皮帶、水平運(yùn)料皮帶以及電振給料機(jī)等設(shè)備的啟?？刂?，由PLC的邏輯運(yùn)算結(jié)果來控制相應(yīng)的中間繼電器，最終實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行元件的控制。為了便于調(diào)速控制，系統(tǒng)中的電振給料機(jī)、布料小皮帶、水平運(yùn)料皮帶等均通過變頻器來驅(qū)動(dòng)。因此，為了降低成本，通過Modbus通訊來實(shí)現(xiàn)對變頻器的啟停控制及運(yùn)行頻率的調(diào)節(jié)。以Modbus通訊的方式來控制，避免了模擬量信號的轉(zhuǎn)換，這對采集到的現(xiàn)場信號精度有了保障，而且采集速度也大大提高，因此可以實(shí)現(xiàn)對硅鐵配料過程的高效控制[2]。

最后通過上位機(jī)完成對現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和配料重量的數(shù)據(jù)顯示和歸檔處理，并通過報(bào)表打印功能實(shí)現(xiàn)報(bào)表打印。控制系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)組成Fig.2 Principle diagram of the control system

3 系統(tǒng)誤差分析

3.1 配料過程誤差來源分析

料斗秤的誤差一般有2種：一部分來自配料過程中，另一部分則由計(jì)量裝置本身的誤差引起，這也是配料過程中普遍存在的2種誤差來源。在實(shí)際生產(chǎn)中，通過標(biāo)準(zhǔn)砝碼校驗(yàn)，便可將秤本身的誤差控制在允許范圍內(nèi)，但從料倉到秤斗的落差引起的配料誤差成了料斗秤稱重配料精度的主要影響因素。

造成料斗秤配料過程誤差的因素如下：

1）物料從原料倉落入秤體倉時(shí)，由于原料倉和秤斗底部之間的高度差，導(dǎo)致下落過程會產(chǎn)生較大的沖擊力，從而引起稱量不準(zhǔn)確。

2）由于傳輸過程引起的控制命令信號的滯后以及設(shè)備本身的慣性所帶來的誤差。

3.2 物料下落過程分析

稱重配料過程存在很多的不確定因素，這使得一些常規(guī)控制方法很難達(dá)到理想的控制效果。為此，通過對該控制過程更深層次的分析，來找到更為合適的控制方法，該系統(tǒng)的稱重配料過程如圖3所示。

圖3 稱重配料過程示意Fig.3 Schematic diagram of weighing and batching process

圖中：W為秤斗內(nèi)物料重量值；t為稱重配料過程時(shí)間；W設(shè)為設(shè)定目標(biāo)重量值；W終為秤斗內(nèi)最終實(shí)際重量值；W停為系統(tǒng)停機(jī)重量設(shè)定值。

從稱重配料過程示意圖可以清楚地看到，在t0時(shí)刻系統(tǒng)啟動(dòng)配料，在t0～t1時(shí)間內(nèi)，雖然電振給料機(jī)已經(jīng)啟動(dòng)，但秤斗內(nèi)物料重量值并沒有隨著時(shí)間的增加而增加，表明該時(shí)間段內(nèi)并沒有物料落入，這是由于給料器出口和秤斗底部的落差引起的延滯。同樣，在t2～t3時(shí)間段里，也出現(xiàn)了與剛開始一樣的延滯現(xiàn)象，但與開始不同的是該過程中已經(jīng)有物料落入秤斗，在到達(dá)t2時(shí)，電振給料器停止輸出，直到t3時(shí)刻，空中物料才完全落入秤斗內(nèi)，物料稱重過程結(jié)束。

在很多配料中，都是當(dāng)系統(tǒng)的重量值到達(dá)事先設(shè)定好的提前停機(jī)值時(shí)，控制器立刻輸出給料機(jī)停機(jī)命令，通過這種方式可以有效地降低誤差。這是因?yàn)樵诹隙烦优淞线^程中，一旦有物料開始下落，不管何時(shí)停止給料器，系統(tǒng)的空中余料重量值基本都不會變化，但不同時(shí)刻停止給料器卻對秤斗內(nèi)的物料重量值有直接的影響，在該過程中系統(tǒng)給料器停機(jī)越早，秤斗內(nèi)的實(shí)際重量值就會越少，而系統(tǒng)最終稱量值由空中余料和停機(jī)時(shí)秤斗內(nèi)的重量值兩部分組成，因此，通過設(shè)定合理的停機(jī)提前量來有效地降低誤差。

通過對稱重配料過程的深入分析，建立如圖4所示的數(shù)學(xué)模型，通過此模型可以更深入地對該過程進(jìn)行分析。

圖4 稱量過程示意Fig.4 Weighing process diagram

假設(shè)配料的設(shè)定目標(biāo)值為W設(shè)，停機(jī)提前量為u，發(fā)出停機(jī)命令后秤斗內(nèi)實(shí)際值為W停，則有：

此時(shí)，秤斗內(nèi)物料的高度h停為

式中，k為比例系數(shù)，m/kg。

空中余料的高度為

因此，可得：

式中：ρ為下落料柱的比重，kg/m3；S為物料下落過程中形成的料柱橫截面積，m2。

通過停機(jī)時(shí)的重量值和空中余料重量值就可以得到系統(tǒng)的最終實(shí)際值：在該式中，其他參數(shù)均能夠直接或間接地得到，唯有停機(jī)提前量u是個(gè)不確定的變量，因此，可知最終實(shí)際值W終是變量 u的函數(shù)，即：W終=f（u），它隨著u值的變化而變化，因此，準(zhǔn)確把握u值，就能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確控制。

4 配料系統(tǒng)的精度控制

4.1 迭代學(xué)習(xí)控制在配料過程中的應(yīng)用

針對配料過程中存在的落差問題，也是影響系統(tǒng)精度的主要問題之一，必須通過相應(yīng)的措施來減少這種誤差，為此，通過迭代算法來對提前停機(jī)量進(jìn)行修正。

在系統(tǒng)開始時(shí)，先將物料的測量重量yk與期望值r比較，產(chǎn)生重量誤差值e，作為系統(tǒng)停機(jī)提前量的比較值。在系統(tǒng)啟動(dòng)配料程序后，當(dāng)系統(tǒng)的在線測量值yk大于慢投設(shè)定值時(shí)，電振給料變頻器高頻運(yùn)行，以提高配料的速度。當(dāng)在線測量的物料重量yk到達(dá)慢投設(shè)定值，且測量重量誤差e大于uk時(shí)，為了更好地控制配料精度，PLC切換電振給料機(jī)為低頻狀態(tài)，最后為了補(bǔ)償物料落差，在慢速配料的過程中，當(dāng)檢測到系統(tǒng)的誤差值e小于提前停機(jī)量uk時(shí)，使電振給料機(jī)變頻器頻率為0，停止給料。補(bǔ)償算法采用迭代學(xué)習(xí)控制算法，將每次修正后的停機(jī)提前量作為下一批次停機(jī)信號比較值。經(jīng)過這樣反復(fù)迭代學(xué)習(xí)訓(xùn)練，不斷優(yōu)化停機(jī)提前量，物料的稱量精度便可達(dá)到工藝要求[3]。

控制量的初始值為

式中，u0取值一般為W設(shè)的15%。

則首次配料誤差為

可產(chǎn)生新的控制量：

式中，q為加權(quán)學(xué)習(xí)因子。

第二次配料的誤差為

依次類推，可得到第k次誤差值ek為

第k+1次停機(jī)提前量為

在迭代訓(xùn)練過程中，當(dāng)ek＜0時(shí)，也就是說第k次的實(shí)際值小于設(shè)定目標(biāo)值，這時(shí)通過負(fù)向迭代運(yùn)算減小uk的值，而當(dāng)ek＞0時(shí)，則恰好相反。

從式（13）中可以看出，當(dāng)在迭代過程實(shí)現(xiàn)負(fù)向迭代時(shí)，控制量最小也只能取零，不可能取負(fù)值，而事實(shí)也正是如此。

當(dāng) Wk＞W(wǎng)設(shè)時(shí)，ek＞0，隨著迭代次數(shù)的增加，uk的值不斷變大，但不能一直增大而沒有限制，增大過程必須符合如下關(guān)系式：

迭代學(xué)習(xí)控制算法已經(jīng)證明，當(dāng)經(jīng)過多次迭代運(yùn)算后，總能夠使系統(tǒng)的實(shí)際輸出值無限趨近目標(biāo)輸出值。通過上述論證，完全能夠?qū)⒌惴☉?yīng)用在配料系統(tǒng)的提前量修正中，因?yàn)橥ㄟ^多次的重復(fù)修正，它能夠有效地提高精度。

4.2 PLC程序設(shè)計(jì)

在該控制系統(tǒng)中，7套料斗秤配料裝置具有相同的數(shù)學(xué)模型，對于其停機(jī)提前量的修正過程都是相同的，只是不同的物料所對應(yīng)的相關(guān)參數(shù)不同。

因此，可以根據(jù)前面所分析的控制算法和工藝條件，構(gòu)造具有共性的停機(jī)提前量修正功能塊。在程序編寫過程中，針對不同的秤，只需在調(diào)用后設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)即可[4]。1#秤停機(jī)提前量修正程序功能塊圖如圖5所示。

圖5 停機(jī)提前量修正功能塊Fig.5 Stop advance quantity correction function block

4.3 配料過程的仿真

迭代學(xué)習(xí)控制算法已經(jīng)證明，當(dāng)經(jīng)過多次迭代運(yùn)算后，總能夠使系統(tǒng)的實(shí)際輸出值無限趨近目標(biāo)輸出值。通過上述論證，將迭代算法應(yīng)用在配料系統(tǒng)的提前量修正中，因?yàn)橥ㄟ^多次的重復(fù)修正，它能夠有效地提高精度。

利用上述模型，借助仿真軟件，進(jìn)一步對控制模型進(jìn)行驗(yàn)證說明[5]。

首先在Matlab軟件中新建一個(gè) “PEILIAO”項(xiàng)目，然后編寫Matlab仿真程序，在仿真中為了突出體現(xiàn)學(xué)習(xí)因子q對控制系統(tǒng)收斂速度的影響，根據(jù)配料工藝過程中的相關(guān)參數(shù)，初步取H=1.25 m、S=0.05 m2、k=0.001 m/kg、u0=40 kg、W=1000 kg、 ρ=1080 kg/m3作為定性參考值，然后通過學(xué)習(xí)因子q的變化，來觀察系統(tǒng)的收斂特性。如圖6、圖7所示。

從圖6中可以看出，當(dāng)q=0.25時(shí)，停機(jī)提前量初始值為u0=40 kg，迭代運(yùn)算20次之后，該值基本穩(wěn)定在15 kg上下，同時(shí)最終實(shí)際配料值也逐漸逼近目標(biāo)設(shè)定值。

圖6 q=0.25時(shí)仿真結(jié)果Fig.6 q=0.25 simulation results

圖7 q=0.75時(shí)仿真結(jié)果Fig.7 q=0.75 simulation results

由圖6和圖7對比可知，隨著學(xué)習(xí)因子q值的增大，系統(tǒng)的收斂速度逐漸提高。但由于系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，q不能不受限制地增大，因此需要一個(gè)使響應(yīng)速度快，同時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性又好的q值。在目標(biāo)設(shè)定值不變的情況下，q取多組數(shù)值分別進(jìn)行仿真試驗(yàn)；并根據(jù)實(shí)際情況，選擇一個(gè)最為合適的學(xué)習(xí)因子。

5 結(jié)語

本文通過對配料過程的深入分析，并將迭代學(xué)習(xí)控制的思想應(yīng)用于配料提前量的修正中，有效地提高了系統(tǒng)的配料精度。經(jīng)過現(xiàn)場幾個(gè)月的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果來看，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，操作簡潔，企業(yè)的生產(chǎn)效率有了明顯的提高，真正實(shí)現(xiàn)了礦熱爐的自動(dòng)化高效配料。

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