智能布料控制系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用

龍艷萍　李瑞菊　劉守前　楊河清　李長利　陳海宗　王　博　付月菊

摘要：本文闡述了布料智能控制模型的控制原理，并圍繞此控制原理深入闡述硬件設(shè)計原理、軟件編程實現(xiàn)及如何利用RSlogix5000開發(fā)軟件包解決控制執(zhí)行機構(gòu)的缺陷。

關(guān)鍵詞：智能控刺模型；設(shè)計原理；軟件編程；RSlogix5000

一、概述

320燒結(jié)機與2005年9月份投產(chǎn)，具有一流的裝備水平及自動化水平。主要為2#、3#1750高爐供料，采用傳統(tǒng)的人工控制方式已不能滿足高爐的生產(chǎn)需求。為了解決這一瓶頸制約，320燒結(jié)機引進了芬蘭智能燒結(jié)控制模型，它將人工操作經(jīng)驗及計算機控制理論相結(jié)合，并根據(jù)燒結(jié)實際情況進行調(diào)整，為高爐提供優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)料的燒結(jié)礦。

二、設(shè)計思想

濟鋼120燒結(jié)機布料控制裝置采用步進電機來控制料門開度，通過行程與料門開度間的線性關(guān)系來標定步進電機從而達到對控制料門的精確控制，經(jīng)過長時間使用后經(jīng)常出現(xiàn)標定參數(shù)丟失或電機軸因大料堵塞料門產(chǎn)生斷軸現(xiàn)象。目前320燒結(jié)機采用柔性傳動好，控制精度高的液壓控制系統(tǒng)，其中關(guān)鍵控制元件采用原裝進口。

硬件構(gòu)成

活頁門控制采用榆次油研液壓控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)由三部分構(gòu)成：冷卻控制系統(tǒng)，當(dāng)液壓油超過30℃時2.2KW循環(huán)泵電機啟動對油進行冷卻；補壓系統(tǒng)，當(dāng)工作油壓欠壓時補壓系統(tǒng)自動投用以確保液壓系統(tǒng)正常工作。主控制系統(tǒng)，兩套22KW供油電機一備一用，通過AB Control-logix5000控制平臺8套電磁閥和比例閥實現(xiàn)對活頁門的全自動及半自動控制。

1)液壓系統(tǒng)工作原理

布料閘門為8個，其中兩邊的閘門寬度為319m，中間6塊閘門寬度為550m，閘門之間間隙為6mm，合計閘門安裝總寬3980m，小于料槽4000m寬度，閘門分別由8個液壓缸控制，相互獨立，互不關(guān)聯(lián)，當(dāng)油缸活塞桿完全伸出時布料閘門完全關(guān)閉，反之，布料閘門完全開啟。油缸活塞桿的位移由安裝在每個閘門轉(zhuǎn)軸上的角位移傳感器——編碼器測量，并反饋進行控制。

在停機狀態(tài)下，8個液壓缸全部伸出，布料閘門完全關(guān)閉。開機時液壓系統(tǒng)開啟，油源部分運行正常后，延時一段時間，控制器發(fā)出控制信號使液壓控制系統(tǒng)投入自動運行。首先根據(jù)設(shè)定信號8個液壓缸同時開啟到設(shè)定位置，然后根據(jù)偏差信號的變化液壓缸隨動調(diào)節(jié)。閉環(huán)控制響應(yīng)時間小于5秒即可。停機時，布料圓輥先停，控制器發(fā)出信號使8個液壓缸全部伸出，布料門全部關(guān)閉，之后燒結(jié)機停機。

考慮到系統(tǒng)使用的可靠性，系統(tǒng)設(shè)置應(yīng)急備用部分。該部分應(yīng)能夠在自動控制部分失效或出現(xiàn)大塊料時，可以手動操作液壓缸的動作，待自動部分恢復(fù)后或緊急情況處理完畢能夠切換回來。因此，液壓系統(tǒng)中在每個比例換向閥支路上并聯(lián)—個普通三位四通電磁換向閥和雙向液壓鎖，當(dāng)比例閥失效時可以人工調(diào)節(jié)布料閘門的開度，普通電磁換向閥的操作開關(guān)與比例閥電源互鎖，安裝在機頭布料圓輥旁邊，便于邊觀察邊操作。每個活頁門全自動原理圖如下：

2)AB ContmllogixS000控制平臺

Contmllogix5000控制平臺屬于LogixTM控制平臺一種，它集順序控制，運動控制，過程控制，變頻驅(qū)動控制于一體即使—個控制器也可以完成所有任務(wù)。同時，模塊化組合實現(xiàn)了SCADA、DCS、PLC、分布式傳動等不同系統(tǒng)。除此之外，ConlloglxS000控制平臺采用使用網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議的NetLinxTM開放式透明網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，它不僅將國際標準現(xiàn)場總線(FF H1及FF HSE、ContmlNet、DeviceNet、Profibus等)與信息管理網(wǎng)絡(luò)無縫集成，全面滿足制造自動化與過程自動化的需要，而且還提供各種工業(yè)標準通訊方式的接口，實現(xiàn)多種異種網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。Contrdloglx5000控制平臺特點如下：

只需在ControLogix通訊背板簡單的插入相應(yīng)的通訊模塊，就可擴展網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)任意多種、任意多個網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，作為多種不同工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的路由平臺；也為系統(tǒng)的進一步擴展提供了最大的靈活性。

不再需要控制器進行通訊管理，信號從一種網(wǎng)絡(luò)到另一種網(wǎng)絡(luò)只需通過背板和相關(guān)通訊網(wǎng)卡即可?？刂破鲗Ｗ⒂诳刂疲词乖俣嗟耐ㄓ嵾B接也不會降低控制器對于控制任務(wù)的處理性能。

無需控制器的介入，基板上任一個設(shè)備可以發(fā)出廣播信息，可以和任何一個設(shè)備進行通訊，提高了系統(tǒng)的帶寬和性能。

ControlLogix?通過提供多主的Producer/Consumer(生產(chǎn)者/客戶)方式的，基于并行通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的信息交換，打破了傳統(tǒng)的控制模式：將ControlNet?的producer/con—sumer技術(shù)直接應(yīng)用到系統(tǒng)的基板。

AI/AO模塊完成信號轉(zhuǎn)換、自診斷和數(shù)據(jù)自動組織的同時，還能實現(xiàn)分布式運算。

支持輪循、周期性、狀態(tài)改變?nèi)NI/O數(shù)據(jù)交換方式。

2、軟件開發(fā)

模型開發(fā)平臺是基于ROCKWELL公司提供的適合所有控制任務(wù)的RSlogixS000開發(fā)軟件包，它支持面向?qū)ο缶幊滩⒉捎锰菪螆D(LD)、功能塊(FB)、結(jié)構(gòu)語言(sT)、順控圖表(SEC)4種編程語言，以適應(yīng)不同場合的需求。

1)比例閥死區(qū)處理

料門開度控制由比例閥簡介控制，其比例閥控制特性直接影響模型控制精度。比例閥需要4～20mA模擬信號作為控制信號，即12～20mA時，閥門開；4～12mA時，閥門關(guān)。經(jīng)過長時間調(diào)試，發(fā)現(xiàn)如果比例閥長時間待機，再次動作時，閥容易出現(xiàn)小信號不響應(yīng)問題，一般在額定信號25％一下，即10～14mA。通過使用PID計算誤差方式解決，方法如下：

誤差計算公式：ERR=sP(料門開度設(shè)定值)－PV(料門開度檢測值)

當(dāng)ERR>O時，要求開門輸出12～20mA，在此基礎(chǔ)上加13.6 mA左右的脈沖信號

當(dāng)ERR

程序?qū)崿F(xiàn)如圖所示：

2)模型控制原理

模型最終控制目的是保持燒結(jié)機橫斷面的壓人率保持一致，即保持燒結(jié)機橫斷面垂直燃燒速度保持一致。8個活頁門對應(yīng)下料點處分別裝有料位檢測裝置——超聲波料位計，由此裝置檢測到的料厚作為模型輸入值，經(jīng)模型計算輸出給比例閥及變頻器分別來控制料門開度和圓輥轉(zhuǎn)速，從而達到橫斷面垂直燃燒速度一致的目的。模型控制原理圖如附圖所示。

為了提高控制精度及控制速度，模型采用自適應(yīng)性強的串機控制；外環(huán)控制采用主PID調(diào)節(jié)，內(nèi)環(huán)采用輔PID調(diào)節(jié)。控制變量計算分本地控制和遠程控制兩種以提高可靠性及方便性。由于控制方式采用遠程和本地兩種模式，因此當(dāng)從本地模式轉(zhuǎn)換到遠程模式時主PID的輸出會出現(xiàn)大的階越性跳躍，這樣不僅對控制設(shè)備造成大損害而且會給生產(chǎn)帶來影響；考慮到這一缺陷，模型將實時對控制對象的測量值經(jīng)轉(zhuǎn)換后耦合到主PID上，控制模式改變時將此值作為主PID的輸出，在此基礎(chǔ)上進行調(diào)節(jié)從而消除階越性跳躍。

三、存在問題及解決方法

投產(chǎn)初期，活頁門開度檢測由安裝在力臂底部軸伸處的角位移編碼器檢測。由于現(xiàn)場工況，活頁門全開全關(guān)對應(yīng)得編碼器旋轉(zhuǎn)角度不過9度左右，誤差極大；而且由旋轉(zhuǎn)角度反映開度經(jīng)過幾個轉(zhuǎn)折，必須保證各軸和法蘭連接可靠，但是由于現(xiàn)場粉塵較多、溫度高，這些都無法保證。8個編碼器通過DEVICENET(設(shè)備網(wǎng))聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)，可以通過編碼器傳上來的數(shù)字換算成開度。使用以來，效果極差，每次檢修必須校正全開和全關(guān)實際讀數(shù)。但即使這樣，也無法保證測量值能夠客觀反映真實開度。

為了保證壓人率控制模型可靠性，已順利投入終點及偏差2個二級模型，采用在液壓缸內(nèi)安置比例閥，通過檢測油缸形成來計算活頁門開度。調(diào)節(jié)過程中，多次出現(xiàn)比例閥不動作的情況。經(jīng)確認，主要是油的原因。使用比例閥對油品質(zhì)量要求較高。處理后正常，但是為了程序的連貫性，我們在程序編制中也考慮了比例閥的死區(qū)問題。在油品正常的情況下，保證比例閥的正常動作。

四、應(yīng)用效果

自布料模型投運以來，全自動控制代替人工控制不僅大大減少智能工工作量，最重要的是燒結(jié)礦的產(chǎn)量及各項技術(shù)指標得到了明顯的改善。產(chǎn)量及技術(shù)指標對比情況如下所示：

由上表可以看出模型投運后，燒結(jié)礦的全鐵含量、堿度及強度都有所提高，含分率也大大降低。這說明燒結(jié)礦不論在產(chǎn)量還是質(zhì)量上得到了明顯的改善。