鎂精煉爐智能控制器設(shè)計(jì)

高玉+楊賀緒

【摘要】簡(jiǎn)要介紹了金屬鎂熱還原法生產(chǎn)現(xiàn)狀；以介紹鎂精煉爐爐溫控制器設(shè)計(jì)為例，并加以分析智能控制在高耗能企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的影響，最后指出智能控制在高耗能產(chǎn)業(yè)中的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】鎂 加熱爐 智能控制設(shè)計(jì)

1、引言：

2005年為響應(yīng)國(guó)家政策，西北地區(qū)嚴(yán)厲遏制高耗能產(chǎn)業(yè)的繼續(xù)擴(kuò)大發(fā)展，提倡企業(yè)節(jié)能減排，好多企業(yè)由于環(huán)保不合格卷入這場(chǎng)大幅度改制風(fēng)暴之中，而金屬鎂作為煤化工行業(yè)中收益最大的行業(yè)之一也不例外，高耗能、高污染企業(yè)都陷入困境之中。但是國(guó)家對(duì)西北地區(qū)開發(fā)力度的不斷加大以及西北地區(qū)豐富的煤礦資源，致使前幾年西北地區(qū)大力發(fā)展煤化工行業(yè)。因此金屬鎂項(xiàng)目至今在西北地區(qū)是較為火熱的一個(gè)項(xiàng)目。為響應(yīng)政府號(hào)召本著服務(wù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)，節(jié)約企業(yè)成本，提高生產(chǎn)效率我們單位也投入了大量資金與企業(yè)合作開發(fā)低耗能加熱爐，先后曾與寧夏華源金屬鎂有限、全世達(dá)鎂業(yè)有限公司、鑫達(dá)鎂業(yè)有限公司、內(nèi)蒙鄂爾多斯金屬鎂、陜西神木金屬鎂及山西大豐等多家單位合作開發(fā)蓄熱式還原爐，截止目前經(jīng)過(guò)近十年的努力推廣蓄熱式還原爐在寧夏、陜北、內(nèi)蒙、山西金屬鎂行業(yè)基本已經(jīng)普及，傳統(tǒng)的生產(chǎn)線加熱爐基本看不到蹤影。

據(jù)調(diào)查這種新技術(shù)得引進(jìn)不但大大的減少了工人的勞動(dòng)量，工作環(huán)境也有進(jìn)一步的改善，生產(chǎn)成本噸鎂比傳統(tǒng)加熱爐能節(jié)約160-240RMB，每個(gè)企業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)不盡相同，根據(jù)個(gè)人調(diào)查幾家大單位基本年生產(chǎn)能力都在1.2萬(wàn)噸以上，按節(jié)約最低標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算每年可為企業(yè)節(jié)省192萬(wàn)，當(dāng)然部分企業(yè)可能會(huì)達(dá)到200萬(wàn)以上，這些只是爐體改造節(jié)約的成本，實(shí)際在企業(yè)調(diào)研中有一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題——控制問(wèn)題，這些年一直在思索這個(gè)問(wèn)題，由于以前只參與機(jī)械和土建部分，一是對(duì)控制沒(méi)有足夠的知識(shí)儲(chǔ)備，另一方面也沒(méi)有用心去做這件事，但是如果控制問(wèn)題解決了就燃料與人工還能減少，目前還原車間一臺(tái)爐子配備7個(gè)工人，精煉車間按流水線算平均一臺(tái)爐子6人，如果控制問(wèn)題能解決個(gè)人認(rèn)為還原車間至少每臺(tái)爐子能抽出2人，精煉車間至少每個(gè)爐子上能少1.4人，年生產(chǎn)能力1.2萬(wàn)噸企業(yè)還原車間、精煉車間基本都是24臺(tái)爐子，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制后單位能少用至少80個(gè)工人，每年節(jié)約成本至少在240萬(wàn)左右，這一部分只是人工工資級(jí)福利待遇，燃料的節(jié)約目前沒(méi)有可靠的數(shù)據(jù)作為支撐。

由于在傳統(tǒng)生產(chǎn)流程中金屬鎂行業(yè)的控制都是手動(dòng)控制，加之金屬鎂化學(xué)性能較為活躍（僅次于金屬鈉），而還原車間、精煉車間是金屬鎂最為危險(xiǎn)、最難把握的，所以金屬鎂還原車間、精煉車間的自動(dòng)控制可能不太為人所知。下面以金屬鎂精煉車間精煉爐為例設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試的一個(gè)金屬鎂精煉項(xiàng)目做案例對(duì)此系統(tǒng)自控方面做以下設(shè)計(jì)。

2、系統(tǒng)介紹：

2、1系統(tǒng)構(gòu)成：

為了提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，本系統(tǒng)上位機(jī)采用一臺(tái)工程師站、一臺(tái)操作工站兩臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)，相互獨(dú)立、各為服務(wù)器。上位機(jī)為操作工及工程師與系統(tǒng)的人機(jī)互換界面，使相關(guān)人員可以通過(guò)人機(jī)界面了解現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、相關(guān)數(shù)據(jù)、故障報(bào)警及進(jìn)行報(bào)表歸檔查詢，提高了生產(chǎn)中的工作效率、數(shù)據(jù)的真實(shí)性、車間的控制簡(jiǎn)化及相關(guān)故障查詢。設(shè)計(jì)如下圖：

由于現(xiàn)場(chǎng)控制及需要監(jiān)控的變量過(guò)多，一個(gè)機(jī)架無(wú)法滿足控制要求，所以系統(tǒng)擴(kuò)展了3個(gè)機(jī)架。系統(tǒng)主要分為爐溫控制、電壓控制、爐壓控制?，F(xiàn)場(chǎng)所有儀表4—20MA信號(hào)均以硬接線的方式將信號(hào)送至PLC，然后經(jīng)過(guò)處理后通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)上的所有啟?？刂埔嗖捎靡蕴W(wǎng)通訊傳輸至PLC，然后反應(yīng)到現(xiàn)場(chǎng)所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)。工作人員在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所有設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控及控制，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)有手動(dòng)控制機(jī)組，當(dāng)一臺(tái)上位機(jī)出現(xiàn)死機(jī)或故障均不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作，因?yàn)閮膳_(tái)上位機(jī)是互為冗余的，均是控制系統(tǒng)的服務(wù)器，工作臺(tái)也可以手動(dòng)控制。這樣也大大提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。

2、2仿真控制設(shè)計(jì)

本文采用的仿真工具是MTLAB。MATLAB是Math works公司于1982年推出的一套高性能計(jì)算和可視化軟件。它計(jì)算功能強(qiáng)大，圖形功能豐富方便，適用范圍廣泛；編程效率高，擴(kuò)充能力強(qiáng)；語(yǔ)句簡(jiǎn)單，易學(xué)易用。它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形顯示于一體，它的強(qiáng)大的擴(kuò)展功能為各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。特別是由各個(gè)領(lǐng)域的專家學(xué)者相繼開發(fā)的各種MATLAB工具箱，使得MATLAB從一個(gè)工程計(jì)算軟件變成為自動(dòng)控制計(jì)算和仿真的強(qiáng)有力工具。

Simulink是MATLAB里的工具箱之一，主要的功能是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模，仿真與分析，從而可以在實(shí)際系統(tǒng)制作出來(lái)之前，預(yù)先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真與分析，并可以對(duì)系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)膶?shí)時(shí)修正或者按照仿真的最佳效果來(lái)調(diào)試及整定控制系統(tǒng)的參數(shù)，以提高系統(tǒng)的性能，減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中反復(fù)修改的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高效率地開發(fā)系統(tǒng)的目標(biāo)。它使用簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，并且支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)。Simulink包含多個(gè)子模型庫(kù)，每個(gè)子模型庫(kù)中又包含多個(gè)功能模塊。而且使用鼠標(biāo)拖拽，搭積木式的編輯方法，簡(jiǎn)單方便，直觀高效。用戶也可以用語(yǔ)言編寫自定義功能函數(shù)，通過(guò)Simulink中的M-function模塊將模塊控制程序連接到仿真模型中。模糊邏輯工具箱就是一個(gè)可以嵌入到Simulink仿真視圖的模糊控制器設(shè)計(jì)工具。

在這里我就是利用Simulink對(duì)電阻爐溫度進(jìn)行仿真。

模糊控制器的設(shè)計(jì)：

模糊控制器選用二維輸入和一維輸出，輸入變量為溫度偏差E和溫度偏差變化率EC，輸出量為溫度控制變化量U。對(duì)每一個(gè)輸入和輸出變量，均將其規(guī)范化到[- 1，1]區(qū)間，并采用7個(gè)模糊集NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL（此處N代表負(fù)， P代表正）。每個(gè)輸入的模糊集采用三角型函數(shù)，每個(gè)輸出的模糊集采用單數(shù)值型。本文采用的模糊規(guī)則如表1-1所示。

通過(guò)以上的仿真嘗試，從仿真的圖形可以看出模糊控制能夠很快地穩(wěn)定期望值，在期望值附近小幅度地振蕩，而PID控制要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能穩(wěn)定到期望值。雖然在穩(wěn)定后PID控制會(huì)穩(wěn)定在期望值而模糊控制是在期望值附近振蕩，但是由圖1-7和圖1-10的比較中可以明顯看出模糊控制在有干擾的情況下還能穩(wěn)定在期望值周圍，而PID控制受干擾的影響相當(dāng)大。所以，通過(guò)仿真可以看出模糊控制在對(duì)付工業(yè)電阻爐這種不確定，大慣性，大時(shí)滯，非線形的控制對(duì)象時(shí)，它的穩(wěn)定性還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越于PID控制的。

3、結(jié)束語(yǔ)

電阻爐是一種不確定、大慣性、大時(shí)滯、非線性嚴(yán)重的控制對(duì)象，精確建模具有特殊的困難，用傳統(tǒng)的PID控制難以取得很好的控制效果。此外，常規(guī)PID的控制參數(shù)通常由人工調(diào)整，調(diào)整過(guò)程繁瑣，浪費(fèi)人力物力。而模糊控制實(shí)際上是一個(gè)基于專家知識(shí)的無(wú)?？刂品椒?，它不依賴于對(duì)象的數(shù)學(xué)模型而實(shí)現(xiàn)了人類某些智能。為此，本文對(duì)有關(guān)控制理論與算法進(jìn)行了研究，主要完成了以下工作：

（1）根據(jù)電阻爐溫度控制的內(nèi)在機(jī)理，綜合考慮各方面的因素，運(yùn)用數(shù)學(xué)分析的方法，對(duì)電阻爐溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確定電阻爐為一階純滯后系統(tǒng)。

（2）在對(duì)比了模糊控制和PID控制優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，并根據(jù)長(zhǎng)期對(duì)電阻爐溫度控制系統(tǒng)的手工操作積累的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用模糊控制控制方法。該控制方法結(jié)合了模糊控制和常規(guī)PID的特點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短。在MATLAB的SIMULINK環(huán)境下仿真結(jié)果表明，對(duì)具有純滯后的非線性系統(tǒng)，它既有常規(guī)模糊控制響應(yīng)快的特點(diǎn)，又具有PID控制穩(wěn)態(tài)精度高的特點(diǎn)。此外還具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力和魯棒性，因此，能夠滿足多干擾，變參數(shù)和非線性控制過(guò)程的要求。并且，程序比較容易實(shí)現(xiàn)。

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢、報(bào)表的顯示和打印等多項(xiàng)功能，且用戶界面操作良好，易于學(xué)習(xí)。系統(tǒng)具有良好的通用性、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。通過(guò)以上設(shè)計(jì)可使，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了管理水平。該項(xiàng)設(shè)計(jì)為金屬鎂精煉項(xiàng)目的全自動(dòng)化設(shè)計(jì)提供了極好的物質(zhì)參考。如何更進(jìn)一步的提高模糊控制的穩(wěn)態(tài)精度，將先進(jìn)的模糊控制策略應(yīng)用到鎂行業(yè)的電阻爐溫度控制中，是下一步的理論研究工作。實(shí)踐工作主要是精確地調(diào)試單片機(jī)模糊控制器。

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