鐵礦石冶金性能試驗(yàn)爐溫度控制及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

駱煒

摘 要：文章敘述采用計(jì)算機(jī)控制鐵礦石冶金性能試驗(yàn)爐溫度，試樣被控點(diǎn)溫度控制精度高，三段溫度一致，確保為試驗(yàn)提供一段恒溫區(qū)。同時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，結(jié)果自動(dòng)處理，自動(dòng)保存，確保試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：設(shè)定曲線；PI調(diào)節(jié)；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)處理

1 前言

某鋼廠技術(shù)中心原有的鐵礦石冶金性能試驗(yàn)爐溫度控制采用傳統(tǒng)模擬儀表，試驗(yàn)爐產(chǎn)生的熱量通過熱輻射、對(duì)流等形式傳到試驗(yàn)區(qū)中央圓筒，需3分鐘左右，滯后時(shí)間長(zhǎng)，為一大滯后系統(tǒng)，模擬儀表控制效果不理想。本系統(tǒng)采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)溫度進(jìn)行控制，整個(gè)試驗(yàn)階段，被控溫度始終穩(wěn)定在設(shè)定溫度±1℃，為科研試驗(yàn)提供了恒定的溫度環(huán)境。同時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄，試驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)計(jì)算并自動(dòng)保存，提高了工作效率和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)要求

試驗(yàn)爐電爐絲分上中下三組均勻布置，采用四根K型熱電偶采集溫度數(shù)據(jù)，升溫時(shí)三段同時(shí)加熱，標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)要求精確控制試樣層溫度，并保證試樣層全部處于恒溫區(qū)間，即爐子上中下三段溫度要保持一致。冶金性能試驗(yàn)主要包括：還原試驗(yàn)、還原粉化試驗(yàn)、還原膨脹試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度分兩檔：還原粉化試驗(yàn)為500℃，還原試驗(yàn)和還原膨脹試驗(yàn)900℃。試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，以最快速度將爐體中心溫度升到設(shè)定試驗(yàn)溫度，同時(shí)保證上中下三段溫度相同，確保試驗(yàn)恒溫區(qū)。溫度恒定后，試驗(yàn)開始。在整個(gè)試驗(yàn)階段（還原粉化試驗(yàn)時(shí)間為1小時(shí)、還原試驗(yàn)3小時(shí)、還原膨脹試驗(yàn)時(shí)間2小時(shí)），中心溫度始終穩(wěn)定在設(shè)定溫度±1℃范圍內(nèi)，三段溫度仍然要保持一致。

3 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)硬件設(shè)備由研華模擬量輸入模塊ADAM4018+、模擬量輸出模塊ADAM4024、數(shù)字量輸出模塊ADAM4068、三臺(tái)調(diào)功器、數(shù)據(jù)采集卡一塊、工控機(jī)一臺(tái)組成。模擬量輸入模塊采集溫度信號(hào)送計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、顯示與控制。模擬量輸出模塊將計(jì)算機(jī)處理后的信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20mA電流控制調(diào)功器，通過調(diào)功器控制三段電爐絲升溫。數(shù)字量輸出模塊允許或禁止調(diào)功器工作。本系統(tǒng)軟件采用亞控組態(tài)王軟件以及KINGACT軟件。組態(tài)王軟件用來開發(fā)系統(tǒng)監(jiān)控畫面， KINGACT軟件開發(fā)溫度控制程序。計(jì)算機(jī)與研華模塊通過數(shù)據(jù)采集卡，以RS485通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、控制和處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：

4 溫度控制方案

根據(jù)試驗(yàn)爐中心溫度，按溫度設(shè)定曲線輸出控制電流A；同時(shí)三段溫度相加取平均值，各段溫度減去平均值，結(jié)果乘以系數(shù)K輸出控制電流B；當(dāng)中心溫度與設(shè)定溫度誤差在±5℃以內(nèi)時(shí)，加入PID控制，輸出控制電流C；控制電流D=A+B+C（A、B、C為4～20mA電流）控制各段調(diào)功器，各段調(diào)功器輸出交流電流I1、I2、I3控制各段溫度，使中心溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度±1℃范圍內(nèi)，同時(shí)三段溫度保持一致。

4.1 升溫段控制

根據(jù)試驗(yàn)爐中心溫度，按溫度設(shè)定曲線輸出控制電流，設(shè)定曲線如下表：

升溫階段按給定曲線進(jìn)行開環(huán)控制。給定曲線定義了升溫階段中心溫度與輸出電流的關(guān)系，即根據(jù)給定的升溫曲線控制中心溫度升溫速率。中心溫度在300℃以前輸出100（20mA）電流控制調(diào)功器；溫度在300℃～495℃之間時(shí)，輸出電流從100（20mA）按升溫曲線關(guān)系降到90（18.4mA），以此類推，輸出電流按升溫曲線隨中心溫度變化而變化，到500℃時(shí)輸出電流大概在20（7.2mA）左右。900℃設(shè)定曲線意義與之相同。升溫階段采取按設(shè)定曲線升溫措施后，能較好地控制試驗(yàn)爐升溫速率。

4.2 恒溫段控制

恒溫段采取PI控制方式。以中心溫度為目標(biāo)，當(dāng)中心溫度接近設(shè)定溫度時(shí)，即進(jìn)入恒溫段控制過程。恒溫控制階段，主要目標(biāo)是穩(wěn)定溫度，減小穩(wěn)態(tài)誤差。加入PI控制器，利用比例積分作用對(duì)恒溫階段的溫度進(jìn)行微調(diào)控制，能使中心溫度較快地進(jìn)入設(shè)定溫度±1℃范圍內(nèi)，從而能較快的進(jìn)入試驗(yàn)階段。

4.3 三段溫度控制

為保證中心溫度的恒溫區(qū)，試驗(yàn)爐三段溫度必須保持一致。程序中將試驗(yàn)爐每一段溫度減去三段平均溫度，其結(jié)果乘以系數(shù)K，與設(shè)定曲線輸出控制電流相加，相加后的電流控制各段調(diào)功器。采用該方法后三段溫度相差較小，試驗(yàn)爐整體溫度均恒，爐內(nèi)形成一個(gè)較好的恒溫區(qū)環(huán)境，保證了中心圓筒的溫度上下均恒和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定?？刂菩Ч缦拢?/p>

5 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)記錄系統(tǒng)包括兩大部分：溫度和重量。采集的數(shù)據(jù)讀入到組態(tài)王畫面，一部分?jǐn)?shù)據(jù)直接顯示在歷史趨勢(shì)、還原實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表和歷史報(bào)表中，一部分?jǐn)?shù)據(jù)按照公式進(jìn)行計(jì)算處理，填寫報(bào)表。

5.1 溫度數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)爐中心溫度，三段溫度通過輸入模塊采集到組態(tài)王監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行控制、顯示，并存儲(chǔ)在歷史數(shù)據(jù)庫中，可供輸出報(bào)表和繪制歷史趨勢(shì)曲線。溫度數(shù)據(jù)采集的速率和準(zhǔn)確程度將直接影響程序?qū)訜釥t溫度的調(diào)節(jié)與控制。

5.2 重量數(shù)據(jù)采集

還原實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程需記錄樣品減重重量和繪制時(shí)間-減重曲線，系統(tǒng)使用德國(guó)Sarturius天平，通過串口通訊將重量信號(hào)讀入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行重量信號(hào)處理、顯示、以及輸出報(bào)表，并存儲(chǔ)記錄在歷史數(shù)據(jù)庫中。還原實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)報(bào)表中，計(jì)算機(jī)采集以及處理后的數(shù)據(jù)都將自動(dòng)填寫在報(bào)表中，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，可保存、打印實(shí)時(shí)報(bào)表。若實(shí)驗(yàn)時(shí)有些數(shù)據(jù)未知，則可在還原實(shí)驗(yàn)歷史數(shù)據(jù)報(bào)表選擇讀取以前保存的實(shí)時(shí)報(bào)表，輸入未曾輸入?yún)?shù)，也可完成數(shù)據(jù)計(jì)算處理。處理后報(bào)表仍能以同一文件名保存，并可打印歷史報(bào)表。

6 系統(tǒng)功能及主要畫面

鐵礦石冶金性能試驗(yàn)爐溫度控制及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)主要由如下畫面組成：

7 結(jié)果分析

通過系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以及軟件編制，該系統(tǒng)能夠按要求實(shí)現(xiàn)預(yù)定目的，試驗(yàn)爐中心溫度以及三段溫度在升溫過程中，速率穩(wěn)定，曲線平滑；在恒溫階段，溫度恒定，控制精度達(dá)到了T±1℃，能夠滿足用戶和實(shí)驗(yàn)溫度要求。在三個(gè)試驗(yàn)畫面中，可顯示試驗(yàn)爐三段的溫度曲線以及中心溫度曲線，四根曲線有明顯的色彩進(jìn)行區(qū)分。試驗(yàn)爐溫度有歷史趨勢(shì)可以查詢，曲線可以保存30天。試驗(yàn)時(shí)，能顯示即時(shí)時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)束有聲音提示。工控機(jī)作為操作站，可監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)各數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的數(shù)值，相應(yīng)設(shè)備的啟停及調(diào)功器的輸出給定都通過上位機(jī)來控制。手動(dòng)方式時(shí)，可人工控制調(diào)功器輸出，調(diào)節(jié)爐子溫度。還原實(shí)驗(yàn)時(shí)，其減重重量可通過串口讀到報(bào)表中，并能進(jìn)行一定的處理。本控制系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)便，準(zhǔn)確可靠，自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)。對(duì)溫度和稱量數(shù)據(jù)做到自動(dòng)采集、處理和計(jì)算，自動(dòng)繪制實(shí)驗(yàn)曲線，生成實(shí)驗(yàn)原始記錄，整個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了顯示、報(bào)警、控制等功能。系統(tǒng)控制精度高，滿足工藝實(shí)驗(yàn)的要求，同時(shí)提高了控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，降低了操作員勞動(dòng)強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

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