基于PLC的硅鐵配料自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馬年拾，余淑榮，李凌云，吳明亮

(蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

在金屬冶煉行業(yè)中，配料系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性直接關(guān)系著最終產(chǎn)品的品質(zhì)、產(chǎn)量以及公司效益[1]。傳統(tǒng)的機(jī)械稱量、人工配送料的生產(chǎn)模式已經(jīng)不能滿足我國(guó)對(duì)工業(yè)硅的需求。目前常用的硅鐵配料控制系統(tǒng)的主要缺陷有混合料精度低、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性差、實(shí)時(shí)監(jiān)控能力不足、生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理欠缺等。因此，采用變頻器控制技術(shù)、可編程邏輯控制技術(shù)和組態(tài)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)出自動(dòng)化程度高的配料控制系統(tǒng)[2]，不僅能夠提高混合料品質(zhì)，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)還能提升硅鐵生產(chǎn)效率，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

為取代人工手動(dòng)配料，進(jìn)一步提高配料精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性，在研究系統(tǒng)總體控制方案的基礎(chǔ)上，本文主要用迭代算法和冗余誤差補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)配料誤差控制，并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)控制和通訊軟件以及人機(jī)交互界面。文中以甘肅省張掖市某公司自動(dòng)上料系統(tǒng)項(xiàng)目為例。該配料系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化和智能化管理。

1 總體控制方案設(shè)計(jì)

1.1 配料工藝及控制要求

冶煉高純硅的混合料成分有：石油焦、木片、精煤、硅石、石灰石，其中石灰石作為輔助料需求量較少。在上位機(jī)WinCC界面中輸入配方，點(diǎn)擊啟動(dòng)配料按鈕即可進(jìn)行配料。系統(tǒng)采用一料一秤的稱量方式，所有物料同時(shí)稱量。物料稱量完畢延時(shí)數(shù)秒后啟動(dòng)輸送皮帶，按照事先設(shè)定的順序進(jìn)行布料，從而使物料在輸送皮帶上形成層狀混合料，再由傳送皮帶送到相應(yīng)的爐倉(cāng)。生產(chǎn)工藝要求系統(tǒng)稱料快速、準(zhǔn)確，布料均勻，送料平穩(wěn)。工藝流程圖如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

1.2 系統(tǒng)總體控制方案

配料控制系統(tǒng)主要包括工控機(jī)、給料和布料電振機(jī)、稱重設(shè)備、控制器、電氣設(shè)備。工控機(jī)主要完成整個(gè)配料過(guò)程的整體管理，向可編程邏輯控制器(PLC)發(fā)出控制指令,并對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔。下位機(jī)PLC主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)交換，以及控制整個(gè)配料過(guò)程?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 配料精度控制算法

2.1 配料過(guò)程分析

硅鐵整個(gè)給料過(guò)程根據(jù)變頻器頻率變化可以分為啟動(dòng)(a)、快配(b)、慢配(d)、停止(e)4個(gè)階段。啟動(dòng)階段變頻器頻率從0Hz加速到設(shè)定的快投頻率值，這個(gè)階段物料迅速吸收動(dòng)能?？炫潆A段物料以最大速度脫離料斗進(jìn)入秤斗，整個(gè)過(guò)程只有數(shù)十秒或幾秒。當(dāng)物料質(zhì)量達(dá)到快投值后變頻器頻率迅速下降到設(shè)定的慢投頻率。慢投階段和停止階段尤為重要，是控制精度最主要的階段。當(dāng)達(dá)到提前量閾值后電振機(jī)停止，等待滯后余料落入稱內(nèi)。控制精度重點(diǎn)在于控制提前停機(jī)值的設(shè)定和慢投頻率的設(shè)定。變頻器頻率變化情況如圖3所示。

圖3 變頻器頻率變化圖

2.2 稱重控制算法

稱重儀表和傳感器共同作用測(cè)得秤斗里物料的實(shí)時(shí)質(zhì)量值。如果能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)PLC發(fā)出停機(jī)指令到電振機(jī)完全靜止這一段時(shí)間落入秤斗內(nèi)的物料質(zhì)量，便能得到準(zhǔn)確的配重質(zhì)量。但由于受到物料顆粒度和黏度、電振機(jī)頻率、環(huán)境溫度等因素的影響，對(duì)滯留物料的預(yù)測(cè)值往往不夠準(zhǔn)確。針對(duì)這種問(wèn)題，做如下分析。

稱量過(guò)程示意圖如圖4所示，圖中：H為料斗最低點(diǎn)到秤斗底部之間的距離，ht為秤斗內(nèi)物料的堆積高度。此外設(shè)Ws為設(shè)定的物料目標(biāo)值，U為提前質(zhì)量值，ΔM為t4到t5時(shí)間段所測(cè)物料的質(zhì)量變化量，We為t5到t6時(shí)間段脫離料斗的物料質(zhì)量，W為停機(jī)指令發(fā)出后滑下料斗的物料質(zhì)量，W終為最終的稱量值。

圖4 稱量過(guò)程示意圖

(1)

ht=k1(Ws-U)

(2)

(3)

W=M×T+We

(4)

We=k2×M(t6-t5)

(5)

(6)

式中：g為重力加速度；T為物料從料斗落入秤斗所需時(shí)間；k1,k2為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；M為下料速度。

由式(6)可知，物料的最終值與U，ΔM，H，k1，k2，t有關(guān)，其中ΔM，H，k1，k2容易確定，這樣在設(shè)定值Ws一定的情況下，最終的稱量值W終受U的控制。可以將W終看作是U的函數(shù)，即W終=f(U)。

2.2.1迭代學(xué)習(xí)法

配料系統(tǒng)屬于典型的重復(fù)率高的控制系統(tǒng)，因此采用迭代自學(xué)習(xí)控制算法，通過(guò)反復(fù)迭代來(lái)優(yōu)化配料精度。

根據(jù)迭代學(xué)習(xí)控制的思想，控制量的初始值為U,其中U一般取Ws的10%。配料時(shí)，當(dāng)秤斗內(nèi)物料的實(shí)際質(zhì)量達(dá)到(Ws-U)時(shí)，給料電振機(jī)停止工作，待空中余料落入秤斗內(nèi)，得到最終質(zhì)量值，并利用實(shí)際配料值與預(yù)期值W0間存在的誤差(e0=W0-We),得到新的輸入量：

U1=U0+re0=U0+r(W0-Ws)

(7)

式中：r為加權(quán)學(xué)習(xí)因子，一般0

由此遞推，可以得到第k次配料時(shí)的提前量Uk，實(shí)際配料值為Wk，則第k次配料誤差ek為：

ek=Wk-Ws

(8)

采用迭代學(xué)習(xí)控制算法，得第(k+1)次配料時(shí)的提前量為

Uk+1=Uk+rek=Uk+r(Wk-Ws)

(9)

式中Uk為提前停機(jī)量，所以存在邊界條件：0

(10)

如此既能保證快的收斂速度，也不會(huì)導(dǎo)致大的波動(dòng)。

迭代學(xué)習(xí)控制算法表明，經(jīng)過(guò)幾次配料后，可使得實(shí)際輸出逼近期望輸出，使系統(tǒng)誤差在允許的范圍內(nèi)，從而使停機(jī)提前量不斷被優(yōu)化，配料精度不斷提高。

2.2.2冗余誤差補(bǔ)償

迭代學(xué)習(xí)控制算法是在單次稱量過(guò)程中對(duì)提前停機(jī)值進(jìn)行修正，目的在于提高單次配料精度[3]。但是在實(shí)際操作中，由于物料顆粒度、黏度的隨機(jī)性，稱量值與設(shè)定值會(huì)存在小的誤差。因?yàn)槊刻煨枰渖习倥?，這樣即使是很小的誤差量,積累在一起也會(huì)嚴(yán)重影響配料精度，所以還需要對(duì)誤差加以修正。本系統(tǒng)采用冗余誤差補(bǔ)償，通過(guò)自動(dòng)改變物料配比的主設(shè)定值來(lái)減小誤差。誤差分析如下。

第(k-1)次配料誤差為：

(11)

則第k次的主設(shè)定值自動(dòng)變化為：

(12)

這樣，整個(gè)配料過(guò)程的誤差就只取決于最后一批配料的誤差，按系統(tǒng)單批最大誤差3kg計(jì)算，系統(tǒng)最大誤差為3/(k·Ws),其中Ws按最小物料配比40kg選取，k為配料批數(shù),取100。精度可達(dá)到0.025%，可見(jiàn)精度滿足要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)通訊

系統(tǒng)采用集中管理、分散控制的設(shè)計(jì)理念。西門子S7-200編程軟件具有ModbusRTU通訊指令庫(kù)，便于PLC和外圍設(shè)備的通訊，WinCC與PLC之間用以太網(wǎng)連接，這樣就大大減少了串口通訊的工作量。

3.1.1PLC與WinCC間的通訊

以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器ETH-iBUS保證了PLC與WinCC間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的快速交換。以太網(wǎng)轉(zhuǎn)化器ETH-iBUS能夠利用WinCC自帶的驅(qū)動(dòng)連接S7-200，避免因使用OPC而帶來(lái)的通訊不穩(wěn)定[4]。此外還可以通過(guò)ETH-iBUS對(duì)PLC程序進(jìn)行上傳或下載并進(jìn)行在線監(jiān)控。

3.1.2PLC與稱重儀表、變頻器間的通訊

CPU226帶有2個(gè)RS-485通訊接口，分別作為 ModbusRTU主站。其中從站稱重儀表與PLC上的Port0口通信[5]，串行口設(shè)置格式為：無(wú)校驗(yàn)、1位停止位、8位數(shù)據(jù)位，綜合考慮速度與穩(wěn)定性選擇波特率為19200。從站變頻器與PLC上的Portl口通信，采用異步串行，半雙工傳輸方式，從站地址設(shè)定為1～12，這樣可以減輕單通信接口傳輸數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)，提高傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

編程語(yǔ)言采用了梯形圖，簡(jiǎn)單易監(jiān)控。PLC的主要功能有：作為中介將WinCC中寫入的數(shù)據(jù)傳給變頻器和儀表；采集儀表數(shù)據(jù)傳遞給WinCC以便存檔和監(jiān)控；控制數(shù)字量的輸入、輸出和處理數(shù)據(jù)。流程圖如圖5所示。

3.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用WinCC組態(tài)軟件，其集成腳本語(yǔ)言、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換和通訊協(xié)議。根據(jù)配料工藝設(shè)計(jì)用戶管理、故障界面顯示與報(bào)警、實(shí)時(shí)質(zhì)量顯示、配方設(shè)定、輸送皮帶電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以及設(shè)定給料、布料變頻器頻率參數(shù)，并在上位界面對(duì)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)置了手動(dòng)/自動(dòng)切換按鈕，以便設(shè)備維修，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)建立配料系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析了配料機(jī)理，探究了迭代自學(xué)習(xí)控制和冗余控制算法對(duì)配料精度的影響以及各種通訊方式對(duì)配料系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，并將之應(yīng)用于實(shí)際工程，消除累積誤差，提高了混合料精度，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時(shí)減少了操作員的工作量。文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)簡(jiǎn)單易操作，便于擴(kuò)展、架設(shè)Web發(fā)布等高級(jí)功能，數(shù)據(jù)歸檔方便，系統(tǒng)投資小，收益高，具有推廣價(jià)值。

圖5 配料控制流程圖

[1] 劉衛(wèi),王宏啟. 鐵合金冶煉工藝與設(shè)備[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009：17-20.

[2] 吳明永,王國(guó)偉. 鐵合金電爐自動(dòng)化配料控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2012(3): 41-44.

[3] 吳明亮,郜鵬鵬,鞏運(yùn)迎,等. 基于PLC的自動(dòng)配料控制系統(tǒng)研究[J].自動(dòng)化與儀表,2013, 8(4): 44-47.

[4] 季利偉. 迭代自學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)稱量配料方法及其在混凝土攪拌系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].杭州：浙江大學(xué),2001.

[5] 西門子自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán).深入淺出西門子S7-200 PLC[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005：135-150.