黃振 李麗娟

摘 ?要： 根據(jù)熔銅豎爐冶煉過(guò)程中對(duì)燃料濃度的控制要求，提出了基于西門(mén)子PLC和WinCC的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該控制系統(tǒng)采用西門(mén)子S7?1200系統(tǒng)模塊作為下位機(jī)主控制器，Advantech IPC和WinCC軟件作為上位機(jī)，采用模糊PID控制策略為控制算法，利用專業(yè)調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)作為知識(shí)庫(kù)，將其通過(guò)模糊控制理論轉(zhuǎn)換成模糊推理機(jī)制，在線實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地自動(dòng)調(diào)節(jié)PID參數(shù)。并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集存檔、自動(dòng)控制、實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障報(bào)警。實(shí)踐結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料濃度的自動(dòng)控制，具有安全、高效、節(jié)能的效果，同時(shí)對(duì)閥門(mén)安全操作和設(shè)備安全管理具有重要的借鑒意義。

關(guān)鍵詞： 熔銅豎爐; 燃料濃度控制; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 模糊PID; 實(shí)時(shí)調(diào)控; 參數(shù)調(diào)整

中圖分類號(hào)： TN876?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）12?0106?05

Abstract： According to the control requirements of fuel concentration in the smelting process of molten copper shaft furnace， the design scheme of control system based on Siemens PLC and WinCC is proposed. In the control system， the Siemens S7?1200 system module is used as the main controller of the lower computer， the Advantech IPC and WinCC software are applied as the upper computer， and the fuzzy PID control strategy is adopted as the control algorithm. The professional adjustment experience is used as the knowledge base， which is transformed into the fuzzy reasoning mechanism by means of the fuzzy control theory， so as to automatic adjust the PID parameters online， in real time and accurately. The data collection and archiving of on?site objects are performed， which are automatic control， real?time monitoring and make an alarming for faults. The practice results show that the control system can achieve automatic control of fuel concentration， which has the effects of safety， high efficiency and energy saving. It also has important reference significance for safe operation of valves and safety management of equipment.

Keywords： molten copper shaft furnace; fuel concentration control; system design; fuzzy PID; real?time regulation; parameter adjustment

0 ?引 ?言

熔銅豎爐是銅冶煉行業(yè)的重要設(shè)備，主要用于將銅精礦和銅礦砂中所含的精銅冶煉分離出來(lái)，冶煉所需燃料濃度的控制決定著熔銅豎爐冶煉出的精銅品質(zhì)的好壞。傳統(tǒng)的熔銅豎爐主要采用天然氣為冶煉燃料，對(duì)燃料濃度的控制與巡檢主要由人工對(duì)燃料閥門(mén)操作完成，存在對(duì)工人操作經(jīng)驗(yàn)要求高、工作效率低、安全性差、易產(chǎn)生疲勞、對(duì)閥門(mén)的運(yùn)行狀態(tài)控制具有滯后性等問(wèn)題[1]。對(duì)于天然氣燃料濃度的數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計(jì)需要工人不斷在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行記錄和檢查來(lái)掌握通入熔銅豎爐中的天然氣燃料的濃度狀態(tài)，熔銅豎爐燃料濃度自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠?qū)ι鲜龅膯?wèn)題提供一個(gè)較好的解決辦法。

西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7?1200 PLC在過(guò)程控制領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，它能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備的集中管理和控制，且其構(gòu)造結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠很好地適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境，具有相當(dāng)強(qiáng)的抗干擾能力，同時(shí)在編程控制方面簡(jiǎn)單，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試比較方便[2]。從上述優(yōu)點(diǎn)可以得出利用S7?1200 PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)熔銅豎爐天然氣濃度的監(jiān)控和燃料濃度調(diào)節(jié)閥門(mén)的控制是可行的。

1 ?系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)架構(gòu)

熔銅豎爐燃料濃度控制系統(tǒng)主要是以Advantech IPC和WinCC為上位機(jī)，以S7?1200 PLC為主控制器，以氣體濃度傳感器、氣體分析儀等為檢測(cè)單元，電磁閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等作為主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，天然氣濃度控制系統(tǒng)通過(guò)PLC控制電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整天然氣燃料的進(jìn)氣量，結(jié)合氣體濃度傳感器實(shí)時(shí)采集的天然氣濃度信號(hào)，將冶煉所需的天然氣濃度維持在一定范圍之內(nèi)穩(wěn)定波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)燃料濃度的控制。

現(xiàn)場(chǎng)的工人在上位機(jī)上先設(shè)定好冶銅所需要的天然氣燃料的濃度參數(shù)，把設(shè)定的參數(shù)信號(hào)傳至控制柜中的PLC中;然后進(jìn)行相應(yīng)的邏輯計(jì)算;最后將計(jì)算的結(jié)果輸出到相應(yīng)的電動(dòng)閥門(mén)中，相應(yīng)的電動(dòng)閥門(mén)根據(jù)得到的控制信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)至相應(yīng)的開(kāi)度控制管內(nèi)天然氣的流量，從而達(dá)到對(duì)豎爐中燃料濃度的控制。當(dāng)系統(tǒng)采集的燃料濃度值與設(shè)定值相比高或是低時(shí)，控制器會(huì)根據(jù)各傳感器采集的數(shù)據(jù)用FPID控制算法進(jìn)行調(diào)整電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)度，從而調(diào)整管內(nèi)燃料的流量，將熔銅豎爐中的燃料濃度穩(wěn)定在設(shè)定值內(nèi)。

系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境為工廠車(chē)間工況下使用，該工廠車(chē)間溫度隨季節(jié)變化明顯，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)周?chē)h(huán)境嘈雜且設(shè)備周?chē)锥逊e灰塵等，因此設(shè)備選型時(shí)必須考慮抗干擾性強(qiáng)以及對(duì)工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等因素。鑒于上述原因，結(jié)合系統(tǒng)控制需求，IPC選用研華IPC?610H主機(jī)。它抗干擾和抗沖擊力強(qiáng)，且機(jī)身上端子接口豐富能夠較好地滿足日常的使用，使用機(jī)身自帶的RS 232/RS 485以太網(wǎng)通信協(xié)議來(lái)與控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息的交換，可以實(shí)時(shí)地顯示每一個(gè)閥門(mén)的狀態(tài)和開(kāi)度數(shù)據(jù)，這樣極大地方便了現(xiàn)場(chǎng)的工人對(duì)數(shù)據(jù)的監(jiān)控以便及時(shí)地對(duì)設(shè)定值和其他參數(shù)的修改[3]。控制器選用西門(mén)子的SIMATIC S7?1200控制器，這是一種緊湊的模塊化PLC，可完成簡(jiǎn)單邏輯控制、高級(jí)邏輯控制、HMI和網(wǎng)絡(luò)通信等任務(wù)[4]。其可擴(kuò)展性和靈活的設(shè)計(jì)使得高標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)通信的通信接口和強(qiáng)大的集成技術(shù)功能成為可能，結(jié)合博圖V14（TIA Portal V14）編程軟件，可以快速地處理各種開(kāi)關(guān)量的順序控制，同時(shí)對(duì)復(fù)雜的過(guò)程量運(yùn)算控制也有很好的操作，且控制器本身內(nèi)部資源豐富，調(diào)用簡(jiǎn)單、方便、快捷。

2 ?系統(tǒng)硬件與控制策略設(shè)計(jì)

2.1 ?硬件設(shè)計(jì)及工作原理

硬件系統(tǒng)主要由8路自動(dòng)取樣管件及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、管式馬氟爐、樣品預(yù)處理單元、分析單元、儀器標(biāo)定單元、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制組件等部分組成。熔銅豎爐各分析回路的氣樣取樣點(diǎn)經(jīng)氣樣傳輸管線輸送至分析單元8路電磁閥接口。在工作期間，計(jì)算機(jī)單元通過(guò)電磁閥開(kāi)關(guān)控制每個(gè)回路的采樣，利用抽氣泵取樣進(jìn)行分析后，樣氣進(jìn)入馬氟電爐燃燒。燃燒后的氣樣經(jīng)干燥除濕、過(guò)濾、“工作?校對(duì)”切換閥、流程氣調(diào)節(jié)閥進(jìn)行流量控制，進(jìn)入天然氣分析儀分析，得出天然氣濃度值，輸入工業(yè)電腦，由工業(yè)電腦控制給定燃料電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度大小控制天然氣濃度值，其每個(gè)閥開(kāi)度均反饋顯示在工業(yè)電腦屏上，分析后的樣品最后經(jīng)放散管排空。

該裝置為在線連續(xù)自動(dòng)分析裝置。正常投運(yùn)后，將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置“工作”“進(jìn)樣閥”開(kāi)，分析儀流量計(jì)的流量調(diào)節(jié)在15 L/h（250 mL/min）左右。樣氣通過(guò)預(yù)處理單元進(jìn)行取樣、凈化、除濕、流量控制等操作，確保送入儀器的樣氣達(dá)到超潔凈、恒濕、穩(wěn)壓、流量滿足要求。儀器分析樣氣并顯示分析值，然后輸出標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA電流信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程如圖2所示。

2.2 ?模糊PID控制設(shè)計(jì)

燃料濃度的調(diào)節(jié)過(guò)程具有非線性、大慣性、時(shí)滯性等特點(diǎn)，在調(diào)節(jié)過(guò)程中要求系統(tǒng)要有良好的反應(yīng)能力。在提升濃度時(shí)要有較好的快速性，在濃度保持不變時(shí)要有較好的平穩(wěn)性和抗干擾性;而傳統(tǒng)的PID控制策略很難達(dá)到這種對(duì)濃度控制的要求。因此，本設(shè)計(jì)采用控制性能更好的FPID作為控制策略。FPID的控制策略是智能PID控制的一種，它的主要特點(diǎn)是利用誤差量e和誤差的變化ec來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)PID參數(shù)[KP，KI和KD]。首先將操作人員或?qū)＜业恼{(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)作為知識(shí)庫(kù)，然后運(yùn)用模糊控制理論的基本方法把知識(shí)庫(kù)轉(zhuǎn)化為模糊推理機(jī)制，使用模糊規(guī)則實(shí)時(shí)在線修改PID參數(shù)，以滿足誤差量e和誤差變化率ec在不同時(shí)刻自整定PID參數(shù)的要求。

氣體濃度傳感器反饋的濃度數(shù)據(jù)的恒值控制[5]是本控制系統(tǒng)的核心控制環(huán)節(jié)，利用模糊控制與PID控制相互結(jié)合可以大大提高控制性能。同時(shí)，它是恒定值控制的最優(yōu)控制方法，也是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中應(yīng)用最廣泛的控制方法[6]，通過(guò)在PLC控制器中編寫(xiě)的FPID程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣濃度的控制。FPID控制算法的模型[7]如圖3所示。

式中，e和ec分別表示燃料濃度的偏差量和偏差變化率。當(dāng)燃料濃度控制策略模糊化時(shí)，濃度偏差e和濃度偏差變化率ec的模糊論域范圍均為[-6，6]，定義輸入量偏差e、偏差變化率ec和輸出控制量[KP，KI，KD]的模糊子集為：{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}。它們分別代表正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大。[KP，KI，KD]的論域?yàn)閧-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，并且設(shè)e和ec以及[KP，KI，KD]都服從三角形隸屬函數(shù)曲線分布，如圖4所示。

根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，可以得到模糊控制規(guī)范表，如表1所示。

在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，不斷檢測(cè)系統(tǒng)的偏差量e和偏差變化率ec，然后依據(jù)指定的模糊控制規(guī)則在線調(diào)整參數(shù)，分別為[KP，KI和KD]。以滿足在不同時(shí)刻偏差量e和偏差變化率ec對(duì)[KP，KI和KD]的不同要求：

1） 當(dāng)|e|很大時(shí)，無(wú)論e趨勢(shì)發(fā)生如何變化，控制器[KP]的值都應(yīng)調(diào)整到一個(gè)相對(duì)較大的值，以此來(lái)提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，達(dá)到盡快消除誤差的目的;同時(shí)，為了防止|ec|的瞬時(shí)過(guò)大，[KD]應(yīng)取比較小的值，[KI]也應(yīng)取比較小的值，以此來(lái)抑制系統(tǒng)的超調(diào)過(guò)大。

2） 當(dāng)|e|的大小處在一個(gè)中間值時(shí)，為了能在抑制超調(diào)的前提下保證系統(tǒng)的整體響應(yīng)速變快，[KP]應(yīng)該下降到一個(gè)小的值，同時(shí)增大[KI]的值，[KD]則取適中的值。

3） 當(dāng)|e|很小時(shí)，為了使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性保持不變，以及保持執(zhí)行結(jié)構(gòu)控制規(guī)則和工作特性的一致性，[KP]將被調(diào)得相對(duì)小，于此同時(shí)調(diào)大[KI]，以防止控制系統(tǒng)產(chǎn)生較大的震蕩，[KD]的取值要與|ec|相關(guān)，以此來(lái)提高系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。為了驗(yàn)證控制策略的效果，在Matlab下建立傳統(tǒng)PID與FPID控制模型并進(jìn)行了仿真，如圖5所示。

從仿真圖中可以看出，F(xiàn)PID控制策略相比傳統(tǒng)PID控制策略具有更快的響應(yīng)速度，并且超調(diào)小，能夠快速地達(dá)到設(shè)定值，對(duì)非線性大慣性系統(tǒng)具有良好的控制能力和適應(yīng)能力。

3 ?系統(tǒng)軟件與組態(tài)界面設(shè)計(jì)

3.1 ?S7?1200 PLC程序設(shè)計(jì)[9]

根據(jù)熔銅豎爐的天然氣燃料濃度控制要求，首先對(duì)系統(tǒng)的傳感器、電磁閥等進(jìn)行I/O分配。為了使天然氣濃度控制具備自動(dòng)調(diào)節(jié)和手動(dòng)調(diào)節(jié)兩種工作模式，并結(jié)合系統(tǒng)所要完成的動(dòng)作功能設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)PLC程序。該系統(tǒng)的控制流程圖如圖6所示。

當(dāng)該系統(tǒng)啟動(dòng)之后，首先操作員要進(jìn)行模式的選擇。默認(rèn)情況下，系統(tǒng)的操作方式是手動(dòng)操作。當(dāng)進(jìn)入到自動(dòng)操作時(shí)，系統(tǒng)將每一個(gè)閥門(mén)開(kāi)啟，然后再根據(jù)工人在上位機(jī)上設(shè)定的參數(shù)數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)控制器接收到上位機(jī)傳達(dá)的工作指令后，開(kāi)始自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度并實(shí)時(shí)檢測(cè)天然氣的濃度參數(shù)。此時(shí)，控制柜中的PLC控制器根據(jù)氣體分析儀實(shí)時(shí)采集的燃料濃度數(shù)據(jù)，利用在控制器中編寫(xiě)的FPID算法進(jìn)行計(jì)算，以此得到合適的輸出開(kāi)度并控制閥門(mén)動(dòng)作。當(dāng)天然氣的濃度偏離設(shè)定值時(shí)，PLC輸出到電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)度數(shù)值也會(huì)相應(yīng)的實(shí)時(shí)變化，從而改變閥門(mén)的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)天然氣濃度的恒定控制。電控系統(tǒng)實(shí)物圖如圖7所示。

3.2 ?組態(tài)界面設(shè)計(jì)[10]

上位機(jī)的操作界面由西門(mén)子的WinCC組態(tài)軟件配置。WinCC組態(tài)軟件為西門(mén)子公司自研的組態(tài)軟件，與西門(mén)子PLC一起調(diào)試使用具有良好的兼容性和可操作性，為整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，組態(tài)界面共包含主界面、調(diào)整界面、曲線界面、實(shí)時(shí)報(bào)表、歷史報(bào)表、報(bào)警界面、用戶登錄、修改密碼、用戶管理、退出系統(tǒng)等主要操作選項(xiàng)。熔銅豎爐自動(dòng)化系統(tǒng)的監(jiān)控畫(huà)面結(jié)構(gòu)如圖8所示。

用戶登錄界面是整個(gè)控制系統(tǒng)啟動(dòng)之后的首個(gè)顯示界面，用于操作用戶的信息記錄和備份，同時(shí)對(duì)各傳感器及閥門(mén)的狀態(tài)進(jìn)行安全檢查;主畫(huà)面主要顯示系統(tǒng)中的各項(xiàng)功能，方便工人選擇所需要系統(tǒng)執(zhí)行的控制功能。主畫(huà)面界面如圖9所示。

調(diào)整畫(huà)面用于對(duì)設(shè)定值的選定和各項(xiàng)參數(shù)的調(diào)整，在沒(méi)有操作的前提下系統(tǒng)會(huì)給出設(shè)定的默認(rèn)值，當(dāng)工人需要依據(jù)生產(chǎn)要求進(jìn)行變更時(shí)可在此界面進(jìn)行修改。調(diào)整畫(huà)面界面如圖10所示。

曲線畫(huà)面用于將電動(dòng)閥門(mén)的實(shí)時(shí)開(kāi)度數(shù)值繪制成折線統(tǒng)計(jì)圖，以便于操作員觀察和監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況，如圖11所示。

實(shí)時(shí)報(bào)表用于記錄整點(diǎn)時(shí)刻的天然氣濃度值和電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)度值，此報(bào)表可以線上保存和線下打印，方便備案和查詢;歷史報(bào)表用于實(shí)時(shí)報(bào)表的記錄和備份，且可以對(duì)記錄和備份的時(shí)間段進(jìn)行設(shè)置，超過(guò)設(shè)置時(shí)間后新數(shù)據(jù)自動(dòng)覆蓋老數(shù)據(jù);報(bào)警畫(huà)面用于記錄系統(tǒng)中的一些報(bào)警信息，以便操作員根據(jù)報(bào)警信息處理相關(guān)報(bào)警值;用戶管理用于存檔登錄用戶的備份信息;退出系統(tǒng)用于整個(gè)系統(tǒng)界面的關(guān)閉退出操作。

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

針對(duì)工廠作業(yè)環(huán)境的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際需求和操作中暴露出的缺陷，本文設(shè)計(jì)一套熔銅豎爐天然氣濃度自動(dòng)控制系統(tǒng)并成功應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)。本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在硬件和軟件上都充分地與現(xiàn)場(chǎng)相結(jié)合，考慮操作的安全性與可靠性，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單易操作的人機(jī)控制界面，有助于操作員對(duì)整個(gè)控制工況的有效監(jiān)控，大大提高了操作效率和生產(chǎn)效率。在通過(guò)一段時(shí)間的使用及運(yùn)行狀況表明，該控制系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀況穩(wěn)定，冶煉出的精銅產(chǎn)品質(zhì)量可靠，對(duì)冶煉時(shí)燃料的濃度控制效果明顯、系統(tǒng)的整體速度快的同時(shí)也可以很好地控制，調(diào)節(jié)時(shí)的波動(dòng)，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，也降低了燃料的消耗，獲得了與設(shè)計(jì)預(yù)期相同的控制效果，為冶金行業(yè)在冶煉燃料濃度的控制問(wèn)題上提供了一個(gè)有效的解決方案。

注：本文通訊作者為李麗娟。

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