基于智能化技術(shù)的冶金電氣工程自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

裴鴻雁

（內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，機電與暖通工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070）

隨著電子計算機技術(shù)和其他高科技技術(shù)的發(fā)展，自動化控制技術(shù)的水平越來越高，應(yīng)用越來越廣泛，作用越來越重要。電氣自動化控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過程的自動化、工廠自動化、綜合管理工程等領(lǐng)域，起到了關(guān)鍵作用。目前，制造控制系統(tǒng)在冶金企業(yè)的作用越來越明顯，它綜合應(yīng)用多種技術(shù)，協(xié)調(diào)生產(chǎn)線中各工序工作流程，對流程進行全線跟蹤，并能進行控制。

1 冶金電氣工程自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

冶金電氣工程重點關(guān)注磨礦過程自動化、系統(tǒng)運轉(zhuǎn)速度協(xié)調(diào)自動化控制以及至關(guān)重要的安全運轉(zhuǎn)的智能化改造。冶金系統(tǒng)組成復(fù)雜，投資巨大，連續(xù)運轉(zhuǎn)時間長，因此要求智能化的冶金電氣系統(tǒng)魯棒性強，可靠性高，能夠滿足長期不間斷無故障工作的苛刻條件?；谏鲜鲆笙拗?，系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)滿足以下要求：①能夠嵌入運動控制算法；②有足夠的RS485和RS232串口通信接口；③能夠?qū)崿F(xiàn)A/D采集④有足夠的I/O接口，能夠?qū)崿F(xiàn)I/O控制功能。系統(tǒng)的主控板軟件設(shè)計時應(yīng)滿足以下要求：①實現(xiàn)運動控制算法；②實現(xiàn)串口通信；③可以采集超聲波傳感器和安全觸邊的信號，防跌落和防碰撞；④能夠根據(jù)傳感器信息以及電池管理系統(tǒng)回饋信息做出報警。

（1）智能化控制系統(tǒng)組成和模塊分解設(shè)計。針對冶金自動化需要實現(xiàn)的工作內(nèi)容，按照工序流程進行了控制系統(tǒng)功能分解。首先，磨礦過程控制系統(tǒng)替代傳統(tǒng)手動控制系統(tǒng)。其次，在自動的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)其速度的匹配控制。最后，考量自動化設(shè)備的安全性，設(shè)計了EF-ACS控制系統(tǒng)，用來控制電氣工程自動化過程中電氣火災(zāi)情況。

在硬件控制系統(tǒng)的設(shè)計上，經(jīng)過分析和比較，系統(tǒng)控制器硬件系統(tǒng)，主控芯片選擇STM8S207MB單片機。STM8S20731-32增強型8位單片機提供大容量的f l ash程序存儲器比STM8S10x系列的微控制器更好，并且還具有以下優(yōu)秀的性能：成本低、可靠性高、性能好、開發(fā)周期短、產(chǎn)品可延續(xù)性高[1]。STM8S207高性能系列產(chǎn)品特點如表1所示：

表1 STM8S207高性能系列產(chǎn)品特點

從系統(tǒng)需求以及設(shè)計要求可以得出，本系統(tǒng)應(yīng)具有串口通信模塊、A/D轉(zhuǎn)化等模塊。需要將各模塊有機組合為一體，實現(xiàn)協(xié)同工作。硬件電路原理圖見圖1。

圖1 智能化電氣控制系統(tǒng)原理圖

各模塊的具體功能為：

STM8S207MB：系統(tǒng)運算中心，執(zhí)行智能控制算法，對比運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)與正常值的偏差，給出調(diào)整方案，控制各功能模塊執(zhí)行調(diào)整動作。RS485、RS232串行接口：通過串口接收控制中心命令；將主控芯片解析后發(fā)出的送控制指令給直流伺服驅(qū)動器，控制電機運動。離散量接口：接收溫度傳感器、速度傳感器、重量傳感器等的電壓信號，轉(zhuǎn)化到最小系統(tǒng)可以承受的電壓量程。微控制單元與按鍵：功能與參數(shù)選擇界面，接收輸入的控制指令。LED：將系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的狀態(tài)信息和重要參數(shù)以狀態(tài)指示燈的形式展示給操作人員。

（2）磨礦過程控制系統(tǒng)。磨礦是冶金的第一步，在智能控制系統(tǒng)中，首先需要給磨礦系統(tǒng)裝上大腦，實現(xiàn)礦粉直徑適中，高效低磨損的目的。

很多冶煉廠目前仍然是手動控制制粉系統(tǒng)，這樣會造成系統(tǒng)運行較不穩(wěn)定。系統(tǒng)可以分三層，上層管理級是根據(jù)系統(tǒng)的運行狀況調(diào)整控制的策略以及實時的辨識。中層協(xié)調(diào)級是修改下層控制器已有的設(shè)定，并且能夠協(xié)調(diào)互相矛盾的被控量[2]。下層基礎(chǔ)控制級則是采用一些先進的控制技術(shù)，比如自整定參數(shù)等。

（3）運轉(zhuǎn)速度協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。除了球磨機智能控制系統(tǒng)還需要對冶金電氣的運轉(zhuǎn)速度加以控制，以便協(xié)調(diào)同步的完成自動化生產(chǎn)。冶金電氣自動化速度和位置的實時控制主要由其運動控制系統(tǒng)來完成，假設(shè)沒有適當(dāng)?shù)目刂扑惴?，在冶金過程中不可避免的產(chǎn)生抖動或噪聲影響設(shè)備正常運轉(zhuǎn)。要使速度穩(wěn)定，從而降低機身機械部件的磨損，使動作連貫。以下階段組成了梯形加減速算法：勻加速、勻速、勻減速。其速度的遞推公式如下：

上式中，a代表系統(tǒng)加速度，V(t)代表系統(tǒng)任意時刻的速度，Vmax代表系統(tǒng)速度的最大值。

梯形加減速算法的優(yōu)點是響應(yīng)速度快，控制簡單，運行時間較短。

（4）冶金自動化EF-ACS控制系統(tǒng)。EF-ACS系統(tǒng)是冶金電氣工程自動化過程中電氣火災(zāi)監(jiān)視與控制系統(tǒng)。EF-ACS系統(tǒng)的功能需求有下列幾點：第一，能夠?qū)崿F(xiàn)手動甚至自動的脫扣控制工作，能夠?qū)鹁瘮?shù)據(jù)進行記錄和保存，必要的時候能夠報警。第二，電氣設(shè)備因為用電不良造成的溫度過高控制系統(tǒng)會有所警示能夠?qū)﹄姎庠O(shè)備火警及時的預(yù)防。第三，配電箱預(yù)警。配電箱工作溫度過高時也需要報警。第四，發(fā)現(xiàn)剩余電流時的預(yù)警。根據(jù)上述功能要求，以及國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范，這里需要對報警點進行設(shè)計，主要方法為：①基于照明等普通用電線路的設(shè)計，把工程中的用電設(shè)備以及線路整理，確認設(shè)備的點位，讓EF-ACS系統(tǒng)可以監(jiān)控到所有的設(shè)備。②基于不同的電氣設(shè)備劃分級別，在火情發(fā)生時應(yīng)對措施采取的難度作為其劃分的依據(jù)。這里大致分為三個等級。③設(shè)置二級保護。④檢測電氣設(shè)備和線路溫度，包括變壓器、所有的開關(guān)與開關(guān)柜，母線的節(jié)點以及配電設(shè)備節(jié)點等。

2 智能化冶金電氣系統(tǒng)控制系統(tǒng)試運行效果

冶金電氣工程自動化控制系統(tǒng)打通了礦粉研磨和送料速度調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，并增加了安全管理功能，安排了系統(tǒng)試運行以驗證效果。為了保證球磨機智能控制系統(tǒng)的有效性，進行實驗論證，實驗論證抓取相同時間，為了保證實驗的嚴(yán)謹性，在其他條件都相同只有方法不同的環(huán)境下制粉，一種采用手動控制制粉系統(tǒng)，一種采用球磨機只能控制制粉系統(tǒng)作為實驗論證對比，對制粉數(shù)量進行統(tǒng)計其實驗論證結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)圖2分析可以得出，在相同時間下，球磨機智能控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)手動控制制粉系統(tǒng)制粉數(shù)量明顯增加，既節(jié)約了時間，又增加了產(chǎn)量，使冶金企業(yè)經(jīng)濟效益大幅提高。

圖2 實驗論證結(jié)果曲線

試運行期間的操作人工數(shù)、冶金時間和產(chǎn)能數(shù)據(jù)見表3。

表3 傳統(tǒng)冶金與自動化冶金對比

通過上表對比，可以看出冶金電氣工程自動化控制系統(tǒng)對比傳統(tǒng)冶金方式，人工需求減少四分之三強，生產(chǎn)時間縮短一半以上，產(chǎn)能提高一倍。

3 結(jié)束語

本文對冶金電氣工程自動化控制系統(tǒng)進行設(shè)計，依托智能化的相關(guān)技術(shù)，根據(jù)冶金電氣工程的需求，對自動化的控制系統(tǒng)進行了分析，實現(xiàn)智能化設(shè)計。試生產(chǎn)結(jié)果表明，控制系統(tǒng)的設(shè)計對冶金電氣自動化的實現(xiàn)提供了便捷的方法。