基于DCS的水泥復合材料成型設備自動控制方法

田 冰，謝華龍

(1. 沈陽工業(yè)大學信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110870；2. 東北大學機械工程與自動化學院，遼寧 沈陽 110006)

1 引言

水泥材料從產(chǎn)生至今已有160多年的歷史，它作為應用最廣泛的結(jié)構(gòu)材料之一，在社會發(fā)展進程中起著關(guān)鍵作用。伴隨科學技術(shù)水平的高速發(fā)展，結(jié)構(gòu)、功能單一的水泥材料已無法滿足當前工程與技術(shù)的需求，同時人們對現(xiàn)代建筑形式、空間、質(zhì)量等多方面的要求逐漸增多，水泥材料在保證基礎特性的同時，還應增加聲、熱等功能性，因此水泥復合材料應運而生。水泥復合材料將硅酸鹽水泥作為基礎，加入各類纖維進行增強，利用化學助劑等物料，經(jīng)過復雜工藝形成，其力學性能良好，且耐久性十分優(yōu)良，在建筑行業(yè)中具有極高的應用價值。目前水泥復合材料成型設備控制基本為手動調(diào)節(jié)狀態(tài)，不僅消耗較多人力和時間，控制精度也很難保證，將直接影響水泥復合材料的質(zhì)量、產(chǎn)量以及成本，因此研究水泥復合材料成型設備自動控制方法甚為重要。

許多專家學者都在該方法的研究上取得重大進展，如解五一等人通過PI與解耦相結(jié)合的方法自動控制材料成型設備，該方法抗擾動性能強，但控制環(huán)節(jié)較多，且復雜，故障率較高；王啟航等人通過PID對角優(yōu)勢補償陣自動控制材料成型設備，該方法簡單易實現(xiàn)，但控制信號易出現(xiàn)畸變。

集散控制系統(tǒng)(Distributed Control System， DCS)采用金字塔結(jié)構(gòu)，可完成適用不同需求的多樣化控制方案，在工業(yè)、建筑等領域十分普及。本文提出基于DCS的水泥復合材料成型設備自動控制方法，不僅能對水泥復合材料配料進行精確的計算，還能實現(xiàn)物料比值、溫度、速度的有效控制。

2 基于DCS的水泥復合材料成型設備自動控制方法

2.1 DCS自動控制原理

DCS控制系統(tǒng)根據(jù)微處理器，采用多層分級的布局方式，實現(xiàn)水泥復合材料成型設備的自動控制。DCS控制系統(tǒng)在符合功能要求的同時，還能通過簡單合理的結(jié)構(gòu)設計提升其可靠性，且成本較低，DCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下所示。

DCS控制系統(tǒng)使用處理效率高，內(nèi)存空間充足的DELL商用機，通過傳感器采集各類數(shù)據(jù)，利用S800I/O模塊獲取經(jīng)放大器處理的遠程數(shù)據(jù)，該模塊精度和可靠性較高，運用變頻器可對獲取的遠程數(shù)據(jù)進行控制。采用PROFIBUS將S800I/O模塊獲取的遠程數(shù)據(jù)傳入控制器，能為數(shù)據(jù)獲取與控制的精度、可靠性提供保障。

2.2 基于DCS的水泥復合材料配料計算方法

圖1 DCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

生產(chǎn)水泥復合材料的核心環(huán)節(jié)為配料，其品質(zhì)與配比對生產(chǎn)水泥復合材料的總量、質(zhì)量、成本等方面具有關(guān)鍵影響。引入DCS控制系統(tǒng)計算水泥復合材料配料，可極大地提升計算精度，獲得精準的配比。

以每種配料的關(guān)鍵化學成分含量與目標熟料率值作為基礎，將三種配料間的配比設置成

x

(石灰石)、

y

(粘土)、

z

(鐵粉)，三者的配比之和為100

%

。三個率值的計算過程用式(1)～(3)描述

(1)

(2)

(3)

式內(nèi)，石灰飽和系數(shù)用KH描述；硅率用SM描述；鋁率用IM描述。

每種配料的配比與耗煤量分別和其內(nèi)化學成分的百分含量相乘，具體過程用表1描述。

表1 水泥復合材料配料計算過程

根據(jù)式(1)～(3)，將計算過程f中每種化學成分含量帶進其內(nèi)執(zhí)行運算，全黑生料率值等于熟料率值。

若第一次計算獲得的三個率值與目標熟料率值不匹配，可根據(jù)表1描述的過程，對硅率和鋁率修正完成后，修正石灰飽和系數(shù)。通常，對配料配比進行三次修正就能得到目標結(jié)果。在獲得的三個率值與目標熟料率值基本匹配的條件下，相應的

x

、

y

、

z

即三種配料的配比。

2.3 水泥復合材料成型設備自動控制

根據(jù)水泥復合材料配料計算結(jié)果，利用DCS控制系統(tǒng)中的雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)實現(xiàn)成型設備的物料比值自動控制，另外與模糊PID控制方法相結(jié)合，通過成型設備的溫度與速度自動控制，進一步提升水泥復合材料的質(zhì)量和產(chǎn)量，降低生產(chǎn)成本。

2.3.1 水泥復合材料成型設備的物料比值自動控制

1)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)

以配料量、煤料量與白生料量為主流量，如果要使其控制部分呈開環(huán)，應使用單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。三者分別通過比值計算，使輸入輸出信號成比例，全黑生料量為副流量，其控制器的設定信號值為輸出信號的總和。在調(diào)整全黑生料量時，與控制器的設定值相比會產(chǎn)生較高偏差，是在主流量發(fā)生大擾動或者負荷頻繁起伏的情況下。

2)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)

雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)可將單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)作為基準，該系統(tǒng)包括定值與隨動控制系統(tǒng)兩部分，不僅能保證總負荷的穩(wěn)定性，還能起到自身流量擾動的抑制作用。從累計量和瞬時量角度出發(fā)，該系統(tǒng)都優(yōu)于單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，和其相比，該系統(tǒng)的主流量出現(xiàn)失調(diào)或變化時，原比值關(guān)系不變。該系統(tǒng)的回路構(gòu)成圖用圖2描述。

圖2 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的回路構(gòu)成圖

2.3.2 水泥復合材料成型設備的溫度自動控制

溫度是水泥復合材料制作過程中的關(guān)鍵影響因素，通過紅外線測溫儀對溫度進行測量，可降低測量誤差，為確保最佳自動控制效果，采用兩個紅外線測溫儀。

水泥復合材料成型設備運用模糊PID控制方法實現(xiàn)溫度的自動控制，以提高水泥復合材料生產(chǎn)質(zhì)量，是因為傳統(tǒng)PID控制方法的控制精度相對較低。該溫度控制器包括兩個PID，一個用于控制溫度平衡，另一個用于控制微波強度，其結(jié)構(gòu)用圖3描述。

圖3 溫度控制器結(jié)構(gòu)圖

2.3.3 水泥復合材料成型設備的速度自動控制

速度控制器處于雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的外環(huán)，以提高水泥復合材料的生產(chǎn)速度，從而增加產(chǎn)量。為確保轉(zhuǎn)速無靜差，提升抗擾動性能，使用模糊PID控制方法完成速度的自動控制。選擇永磁式低速直流測速發(fā)電機，是因為通常情況下，速度控制器的傳送帶轉(zhuǎn)速較低，電機選擇交流類型，該速度控制器的結(jié)構(gòu)用圖4描述。

圖4 速度控制器結(jié)構(gòu)圖

2.4 模糊PID控制方法

2.4.1 模糊PID控制結(jié)構(gòu)

模糊控制器將偏差及其變化率作為輸入，分別用

e

、

ec

描述，

PID

參數(shù)為該控制器的輸出，分別用

K

、

K

、

K

描述，該控制器能在線完成輸出參數(shù)的自動更新。參數(shù)PID控制器能實現(xiàn)直接控制，這兩種控制器共同構(gòu)成模糊PID控制器。模糊推理可運用模糊規(guī)則完成，以模糊查詢表作為基礎，修正PID參數(shù)，即模糊PID控制器的基本原理，模糊規(guī)則獲得輸出參數(shù)的模糊控制表，即模糊PID控制器的設計核心。

2.4.2 PID參數(shù)調(diào)整規(guī)則

式(4)為PID控制方法的一般式

(4)

式中，偏差及其變化率分別用

e

(

k

)、

ec

(

k

)描述；比例系數(shù)用

K

描述，可決定響應速率與精度；積分系數(shù)用

K

描述，可決定穩(wěn)態(tài)精度；微分系數(shù)用

K

描述，可決定動態(tài)特征。根據(jù)三個系數(shù)對控制效果的作用，

PID

參數(shù)在不同偏差及其變化率下的調(diào)整規(guī)則描述如下：1)若|

e

|處于較大值，

K

和

K

的值應較大，以提高響應速率，獲得較優(yōu)異的動態(tài)特征；一般將

K

的值設置為0，防止響應發(fā)生較大超調(diào)。2)若|

e

|處于適中值，

K

應選擇中等大小的值，以獲得較小超調(diào)的響應；

K

的值應較小，原因是其能對響應產(chǎn)生較大影響。3)若|

e

|處于較小值，

K

和

K

的值應較小，以獲得較優(yōu)異的穩(wěn)態(tài)特征；

K

能提前預報偏差，并能對偏差的變化進行控制，從而有效防止發(fā)生振蕩情況，若選擇較小

K

，是在|

e

|處于較大值的條件下，若選擇較大

K

，是在|

ec

|處于較小值的條件下。

通過上述調(diào)整規(guī)則可得到模糊規(guī)則表，調(diào)整量可依據(jù)偏差及其變化量直接搜索該表獲得，利用重心法對調(diào)整量實施模糊操作，與比例因子相乘后加上初始值，獲得最終的PID參數(shù)，完成自動控制。

3 結(jié)果分析

通過MATLAB軟件搭建仿真環(huán)境，準備水泥復合材料制作需要的物料，使用本文方法進行水泥復合材料制作實驗，以驗證成型設備自動控制效果。

將0.005s設置成采樣時間，設定2.5的脈沖干擾，使其呈現(xiàn)在模糊PID控制器的輸出中，測試本文方法的水泥復合材料成型設備自適應控制效果，不同時間下，溫度自動控制效果圖與模糊PID控制器的輸出結(jié)果，分別用圖5、圖6描述。

圖5 溫度自動控制效果圖

圖6 模糊PID控制器的輸出結(jié)果

分析圖5和圖6可以看出，在模糊PID控制器的輸出結(jié)果中，2.5的脈沖干擾出現(xiàn)在0.32s；當時間達到0.25s時，溫度實際值與溫度設定值基本相同，當時間達到0.32s時，溫度實際值產(chǎn)生較小波動，但很快就與溫度設定值保持一致。經(jīng)驗證表明，本文方法具有較理想的水泥復合材料成型設備自適應控制能力。

在水泥復合材料制作過程中，如果成型設備施加的壓力較小，會造成水泥復合材料中出現(xiàn)較多孔隙，從而影響其質(zhì)量。為進一步測試水泥復合材料成型設備自動控制效果，設計對比實驗，選擇文獻[3]的張力協(xié)同解耦控制方法與文獻[4]的PID對角優(yōu)勢補償陣控制方法，作為本文方法的對比方法，在不同成型壓力下，三種方法的孔隙率結(jié)果用圖7描述。

圖7 三種方法的孔隙率結(jié)果對比

分析圖7可以看出，在未施加成型壓力時，三種方法制作的水泥復合材料的孔隙率較為接近，在成型壓力不斷加大的情況下，三種方法的孔隙率均呈下降趨勢，并逐漸趨于平穩(wěn)。相對于其它兩種方法，本文方法的孔隙率始終保持最低，且下降速率較快，當成型壓力增加至150MPa時，孔隙率穩(wěn)定在0.005cm·g；張力協(xié)同解耦控制方法的孔隙率相對較低，當成型壓力增加至200MPa時，孔隙率穩(wěn)定在固定數(shù)值；PID對角優(yōu)勢補償陣控制方法的孔隙率始終處于最高數(shù)值，且下降幅度較小，最低孔隙率大致在0.028 cm·g。對比這些數(shù)據(jù)可得，本文方法的水泥復合材料成型設備自動控制效果最佳，可制作出高質(zhì)量的水泥復合材料。

水泥復合材料的質(zhì)量可使用壓阻特性進行衡量，其規(guī)律性與材料質(zhì)量成正比，成型設備施加不同壓應力下，三種方法制作的水泥復合材料的電阻值變化情況用圖8描述。

圖8 三種方法的壓阻特性結(jié)果對比

分析圖8可得，隨著壓應力增加，本文方法制作的水泥復合材料的電阻值近似線性增大，呈規(guī)律性分布；當壓應力小于35MPa時，張力協(xié)同解耦控制方法的電阻值近似線性增大，當壓應力大于35MPa時，電阻值逐漸分散；PID對角優(yōu)勢補償陣控制方法的電阻值始終呈現(xiàn)散亂狀態(tài)。因此可以說明，本文方法制作的水泥復合材料具有較理想的壓阻特性，質(zhì)量高，成型設備自動控制性能極具優(yōu)勢。

4 結(jié)論

本文將DCS控制系統(tǒng)引入水泥材料成型設備自動控制方法中，以期通過成型設備的精準控制，提高水泥復合材料質(zhì)量和產(chǎn)量，實現(xiàn)更高的經(jīng)濟效益。實驗表明，該方法自動控制效果明顯，能制作出優(yōu)質(zhì)的水泥復合材料。該方法的適用范圍較廣，可應用于各類生產(chǎn)領域中，對生產(chǎn)領域的現(xiàn)代化發(fā)展具有重大意義。