基于PLC的硅鐵爐自動(dòng)配料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(duì)生產(chǎn)過(guò)程起著決定性的作用。在硅鐵生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)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(duì)于配料精度的控制，大部分仍需要人為調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這不僅對(duì)操作員的綜合素質(zhì)要求較高，而且無(wú)法有效地實(shí)現(xiàn)精度控制。因此，設(shè)計(jì)開(kāi)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(guò)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(guò)程整體上可以分為給料過(guò)程、混合輸料過(guò)程以及爐頂加料3個(gè)階段，涉及生產(chǎn)設(shè)備有物料倉(cāng)、稱(chēng)重斗、電振給料機(jī)、運(yùn)料皮帶、布料小皮帶和環(huán)軌小車(chē)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(guò)原料倉(cāng)下的電振給料機(jī)，將原料倉(cāng)的物料傳送至稱(chēng)重料倉(cāng)，再由稱(chēng)重料倉(cāng)下的稱(chēng)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(guò)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(kāi)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(guò)設(shè)定好的時(shí)間差，啟動(dòng)對(duì)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(cāng)。最后，當(dāng)物料被送至爐頂集料倉(cāng)之后，便等待爐臺(tái)上的缺料信號(hào)，根據(jù)不同爐門(mén)的要料信號(hào)，將集料倉(cāng)中的物料通過(guò)環(huán)軌小車(chē)送至相應(yīng)的爐門(mén)料管，這樣便完成了一批物料的配料過(guò)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(guò)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(chǎng)稱(chēng)重傳感器將稱(chēng)重信號(hào)經(jīng)接線(xiàn)盒傳送至稱(chēng)重儀表，通過(guò)稱(chēng)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(lái)實(shí)現(xiàn)PLC與現(xiàn)場(chǎng)稱(chēng)重儀表之間的數(shù)據(jù)交換，而對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的大傾角皮帶、水平運(yùn)料皮帶以及電振給料機(jī)等設(shè)備的啟停控制，由PLC的邏輯運(yùn)算結(jié)果來(lái)控制相應(yīng)的中間繼電器，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)變頻器來(lái)驅(qū)動(dòng)。因此，為了降低成本，通過(guò)Modbus通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的啟?？刂萍斑\(yùn)行頻率的調(diào)節(jié)。以Modbus通訊的方式來(lái)控制，避免了模擬量信號(hào)的轉(zhuǎn)換，這對(duì)采集到的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)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(duì)硅鐵配料過(guò)程的高效控制[2]。

最后通過(guò)上位機(jī)完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(guò)報(bào)表打印功能實(shí)現(xiàn)報(bào)表打印?？刂葡到y(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(guò)程誤差來(lái)源分析

料斗秤的誤差一般有2種：一部分來(lái)自配料過(guò)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(guò)程中普遍存在的2種誤差來(lái)源。在實(shí)際生產(chǎn)中，通過(guò)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(cāng)到秤斗的落差引起的配料誤差成了料斗秤稱(chēng)重配料精度的主要影響因素。

造成料斗秤配料過(guò)程誤差的因素如下：

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

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

3.2 物料下落過(guò)程分析

稱(chēng)重配料過(guò)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(guò)對(duì)該控制過(guò)程更深層次的分析，來(lái)找到更為合適的控制方法，該系統(tǒng)的稱(chēng)重配料過(guò)程如圖3所示。

圖3 稱(chēng)重配料過(guò)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(chēng)重配料過(guò)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(chēng)重配料過(guò)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(méi)有隨著時(shí)間的增加而增加，表明該時(shí)間段內(nèi)并沒(méi)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(kāi)始一樣的延滯現(xiàn)象，但與開(kāi)始不同的是該過(guò)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(chēng)重過(guò)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(guò)這種方式可以有效地降低誤差。這是因?yàn)樵诹隙烦优淞线^(guò)程中，一旦有物料開(kāi)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(huì)變化，但不同時(shí)刻停止給料器卻對(duì)秤斗內(nèi)的物料重量值有直接的影響，在該過(guò)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(huì)越少，而系統(tǒng)最終稱(chēng)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(guò)設(shè)定合理的停機(jī)提前量來(lái)有效地降低誤差。

通過(guò)對(duì)稱(chēng)重配料過(guò)程的深入分析，建立如圖4所示的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)此模型可以更深入地對(duì)該過(guò)程進(jìn)行分析。

圖4 稱(chēng)量過(guò)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(guò)程中形成的料柱橫截面積，m2。

通過(guò)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(guò)程中的應(yīng)用

針對(duì)配料過(guò)程中存在的落差問(wèn)題，也是影響系統(tǒng)精度的主要問(wèn)題之一，必須通過(guò)相應(yīng)的措施來(lái)減少這種誤差，為此，通過(guò)迭代算法來(lái)對(duì)提前停機(jī)量進(jìn)行修正。

在系統(tǒng)開(kāi)始時(shí)，先將物料的測(cè)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(xiàn)測(cè)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(xiàn)測(cè)量的物料重量yk到達(dá)慢投設(shè)定值，且測(cè)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(guò)程中，當(dāng)檢測(cè)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(hào)比較值。經(jīng)過(guò)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(chēng)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(lèi)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(guò)程中，當(dāng)ek＜0時(shí)，也就是說(shuō)第k次的實(shí)際值小于設(shè)定目標(biāo)值，這時(shí)通過(guò)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(guò)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(méi)有限制，增大過(guò)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(guò)多次迭代運(yùn)算后，總能夠使系統(tǒng)的實(shí)際輸出值無(wú)限趨近目標(biāo)輸出值。通過(guò)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^(guò)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(duì)于其停機(jī)提前量的修正過(guò)程都是相同的，只是不同的物料所對(duì)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(xiě)過(guò)程中，針對(duì)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(guò)程的仿真

迭代學(xué)習(xí)控制算法已經(jīng)證明，當(dāng)經(jīng)過(guò)多次迭代運(yùn)算后，總能夠使系統(tǒng)的實(shí)際輸出值無(wú)限趨近目標(biāo)輸出值。通過(guò)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^(guò)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(duì)控制模型進(jìn)行驗(yàn)證說(shuō)明[5]。

首先在Matlab軟件中新建一個(gè) “PEILIAO”項(xiàng)目，然后編寫(xiě)Matlab仿真程序，在仿真中為了突出體現(xiàn)學(xué)習(xí)因子q對(duì)控制系統(tǒng)收斂速度的影響，根據(jù)配料工藝過(guò)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(guò)學(xué)習(xí)因子q的變化，來(lái)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(duì)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(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)配料過(guò)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)幾個(gè)月的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果來(lái)看，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)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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