自主失重給料控制算法的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

祝 震

（江西銅業(yè)集團(tuán)公司 貴溪冶煉廠(chǎng)，江西貴溪 335424）

江西銅業(yè)集團(tuán)公司貴溪冶煉廠(chǎng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“貴冶”）一、二系統(tǒng)閃速爐失重給料裝置由于引進(jìn)時(shí)間不同，兩套失重稱(chēng)的控制器（WB-930）型號(hào)不同，不能互為備用。特別是一系統(tǒng)的控制器使用已長(zhǎng)達(dá)13年，該備件已經(jīng)不再量產(chǎn)，只能定制，因此帶來(lái)了備件費(fèi)用高，采購(gòu)周期長(zhǎng)等問(wèn)題。另外，由于失重給料WB-930控制器的內(nèi)部控制方案、控制算法等都固化在其內(nèi)部存儲(chǔ)器中，大部分的控制參數(shù)無(wú)法調(diào)整或者不能在線(xiàn)調(diào)整。當(dāng)給料量異常時(shí)，查找和處理問(wèn)題十分不便，甚至根本無(wú)從下手；當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)，維護(hù)人員很難獲取具體的故障信息，不僅會(huì)拖延分析及處理故障的時(shí)間，影響閃速爐作業(yè)率，還會(huì)增加維護(hù)人員的壓力。為此，在不影響原有控制的基礎(chǔ)上，本文研究設(shè)計(jì)出一種自主DCS失重給料控制算法。

1 控制算法的設(shè)計(jì)

失重給料系統(tǒng)整個(gè)控制主要分為兩大部分：一部分系統(tǒng)通過(guò)周期性的控制加料閥對(duì)失重倉(cāng)進(jìn)行加料，保證失重倉(cāng)內(nèi)精礦穩(wěn)定在1個(gè)固定范圍內(nèi)；另一部分通過(guò)持續(xù)控制下部給料螺旋轉(zhuǎn)速，控制單位時(shí)間內(nèi)排出精礦的流量，達(dá)到穩(wěn)定給料的目的[1]。為此，自主算法主要圍繞這兩大塊展開(kāi)設(shè)計(jì)。

1.1 加料控制程序的設(shè)計(jì)

當(dāng)排料至料倉(cāng)料位到達(dá)下限值時(shí)，加料閥、倉(cāng)流態(tài)化閥打開(kāi)，放空閥打開(kāi)，吸氣閥關(guān)閉；當(dāng)料倉(cāng)料位到達(dá)上限值時(shí)，加料閥、倉(cāng)流態(tài)化閥關(guān)閉，放空閥關(guān)閉，吸氣閥打開(kāi)，如此周期反復(fù)進(jìn)行。這種設(shè)計(jì)模式符合順控程序的設(shè)計(jì)，因此加料控制程序采用DCS系統(tǒng)中的順序控制模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)組態(tài)。

1.2 給料螺旋的控制設(shè)計(jì)

在一個(gè)完整的失重給料周期內(nèi)，根據(jù)所處的階段不同，給料螺旋可分為正常的排料階段及加料階段。排料階段時(shí)，根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)料倉(cāng)稱(chēng)重量的減少量，連續(xù)計(jì)算出投料量的多少，并根據(jù)投料量大小與投料量設(shè)定值的比較結(jié)果，來(lái)調(diào)整給料螺旋的轉(zhuǎn)速，從而使投料量與其設(shè)定值相符。這一部分采用DCS系統(tǒng)中常用的比例積分微分控制（PID）控制即可實(shí)現(xiàn)。加料階段時(shí)，計(jì)量倉(cāng)加料閥打開(kāi)，計(jì)量倉(cāng)處于一邊加料一邊排料的狀態(tài)，因此計(jì)量倉(cāng)在加料期間無(wú)法根據(jù)倉(cāng)重減少的大小測(cè)量給料量。此時(shí)WB-930控制器保持加料末的輸出，鎖定給料螺旋的轉(zhuǎn)速保持投料量不變。但是由于料倉(cāng)料位的上升，即使給料螺旋保持恒定轉(zhuǎn)速，也會(huì)導(dǎo)致恢復(fù)正常失重控制時(shí)可能多帶料（正常情況下）。WB-930控制器有1套自適應(yīng)的前饋[2]在加料后的一段時(shí)間內(nèi)能進(jìn)行修正控制，進(jìn)一步提升失重給料的精確度,特別是隨著給料螺旋的磨損，帶料能力下降后，自適應(yīng)控制可以自動(dòng)調(diào)節(jié)適應(yīng)不同磨損狀況下螺旋修正值，達(dá)到穩(wěn)定給料的目的。

1.3 安全聯(lián)鎖設(shè)計(jì)

結(jié)合多年的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出了很多聯(lián)鎖關(guān)系，如：給料螺旋轉(zhuǎn)速信號(hào)為零，聯(lián)鎖停車(chē)；開(kāi)車(chē)時(shí)，攪拌臂未運(yùn)行，聯(lián)鎖停車(chē)；加料閥關(guān)位置不到位，WB-930控制輸出走直線(xiàn)，造成下生料；加料閥開(kāi)不到位，報(bào)警提示等。以上這些關(guān)系，都能通過(guò)DCS邏輯聯(lián)鎖、報(bào)警組態(tài)實(shí)現(xiàn)。

2 各I/O信號(hào)的接入

由于原有的控制信號(hào)都由WB-930控制器發(fā)出，DCS系統(tǒng)中僅僅通過(guò)通訊讀取了各類(lèi)閥門(mén)儀表的運(yùn)行參數(shù)，但無(wú)法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行控制。貴冶一、二系統(tǒng)WB-930控制器的相關(guān)信號(hào)分別通過(guò)MODBUS和PROFIBUS-DP通訊至DCS系統(tǒng)。由于通訊點(diǎn)的刷新率低，無(wú)法滿(mǎn)足控制及時(shí)性要求，因此需要所有的控制點(diǎn)直接接入系統(tǒng)，但又不能影響原WB-930控制器的控制。

2.1 稱(chēng)重信號(hào)的接入

利用一系統(tǒng)定修停車(chē)的機(jī)會(huì)，將失重倉(cāng)倉(cāng)重傳感器毫伏信號(hào)并接[3]出來(lái)，通過(guò)毫伏信號(hào)變送器引入DCS系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）。硬線(xiàn)連接的方式基本上解決了通訊滯后問(wèn)題，接著對(duì)接入的倉(cāng)重信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算出了失重的給料流量信號(hào)。通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的比對(duì)，采用此方法獲取的倉(cāng)重與原有系統(tǒng)保持了高度的一致（見(jiàn)圖2）。

圖1 WB930盤(pán)柜內(nèi)稱(chēng)重信號(hào)引入DCS系統(tǒng)

圖2 新接入倉(cāng)重信號(hào)與原有倉(cāng)重指示對(duì)比

2.2 給料螺旋控制信號(hào)的接入

將原有WB930控制輸出直接送至給料螺旋變頻器，改為先將信號(hào)接入DCS AI卡件，再通過(guò)AO卡件送至給料螺旋變頻器控制輸入，這樣我們通過(guò)新增1個(gè)邏輯選擇功能，便可選擇是直接推送（由WB930控制器控制）還是由自主DCS算法控制。DCS系統(tǒng)替代原WB930控制算法輸出布線(xiàn)物理連接，如圖3所示。

圖3 替代后DCS系統(tǒng)輸出布線(xiàn)物理連接圖

2.3 接入DCS系統(tǒng)

最后將一系列諸如倉(cāng)重信號(hào)、加料閥開(kāi)關(guān)以及其位置反饋開(kāi)關(guān)、給料螺旋的控制信號(hào)等等都接入DCS系統(tǒng)，供DCS控制器直接調(diào)用，滿(mǎn)足控制要求（見(jiàn)圖 4）。

圖4 控制器原理

3 DCS系統(tǒng)失重給料控制算法的開(kāi)發(fā)

按照前期設(shè)計(jì)，貴冶在DCS系統(tǒng)中將控制算法一一實(shí)現(xiàn)：利用順控程序完成周期性的加料控制（見(jiàn)圖5）；使用比例積分微分（PID）控制模塊用于排料的常規(guī)控制；使用邏輯功能塊，對(duì)加料完成后的采樣累計(jì)結(jié)果進(jìn)行處理，設(shè)計(jì)出用作自適應(yīng)前饋控制功能的邏輯。

圖5 周期性加料控制邏輯

算法完成前期，貴冶先進(jìn)行離線(xiàn)模式測(cè)試運(yùn)行，利用PI實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣[4]，并與原有WB-930控制器實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，以此不斷優(yōu)化整套控制程序。

在完成了初步的離線(xiàn)測(cè)試后，在生產(chǎn)時(shí)，單獨(dú)啟用了給料螺旋自主控制，將DCS算法的控制輸出送至給料螺旋變頻器進(jìn)行短期的生產(chǎn)實(shí)測(cè)，邊測(cè)試邊在線(xiàn)調(diào)整控制參數(shù)，最終得到了1套穩(wěn)定的控制算法參數(shù)（見(jiàn)圖6）。

圖6 給料螺旋的自主控制效果趨勢(shì)

4 DCS控制算法的應(yīng)用

貴冶利用1次一系統(tǒng)2#WB-930控制器故障的機(jī)會(huì)，將自主開(kāi)發(fā)的失重給料控制系統(tǒng)投入正常生產(chǎn)使用，為期5 d（2014年 8月13日-18日），自主控制算法失重給料控制流量的實(shí)際歷史趨勢(shì)見(jiàn)圖7，期間閃速爐銅溫渣溫趨勢(shì)見(jiàn)圖8，煙灰發(fā)生率情況見(jiàn)圖9。

圖7 首次長(zhǎng)周期完整運(yùn)行效果

圖8 首次長(zhǎng)周期投料運(yùn)行期間FF銅渣溫趨勢(shì)

圖9 首次長(zhǎng)周期投料運(yùn)行期間煙灰倉(cāng)料位及煙灰投料量趨勢(shì)

從以上趨勢(shì)圖中可以看出，自主DCS控制算法已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行了超過(guò)120 h，各項(xiàng)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)都正常穩(wěn)定[5]，閃速爐爐況正常，完全滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。

5 結(jié)論

貴冶通過(guò)DCS系統(tǒng)，利用原有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，在沒(méi)有進(jìn)行大的改動(dòng)的情況下，新增了1套在線(xiàn)的冗余控制系統(tǒng)。當(dāng)原有控制系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以快速切換到DCS系統(tǒng)控制，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性。該自主系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)還豐富了大量狀態(tài)信號(hào)，對(duì)儀表維護(hù)人員分析判斷各類(lèi)故障提供了有利的條件，為技術(shù)人員了解設(shè)備運(yùn)行狀況提供了數(shù)據(jù)支撐，對(duì)今后維護(hù)工作提供了一個(gè)新的思路和方向。