智能布料控制系統的開發和應用

龍艷萍　李瑞菊　劉守前　楊河清　李長利　陳海宗　王　博　付月菊

摘要：本文闡述了布料智能控制模型的控制原理，并圍繞此控制原理深入闡述硬件設計原理、軟件編程實現及如何利用RSlogix5000開發軟件包解決控制執行機構的缺陷。

關鍵詞：智能控刺模型；設計原理；軟件編程；RSlogix5000

一、概述

320燒結機與2005年9月份投產，具有一流的裝備水平及自動化水平。主要為2#、3#1750高爐供料，采用傳統的人工控制方式已不能滿足高爐的生產需求。為了解決這一瓶頸制約，320燒結機引進了芬蘭智能燒結控制模型，它將人工操作經驗及計算機控制理論相結合，并根據燒結實際情況進行調整，為高爐提供優質、高產料的燒結礦。

二、設計思想

濟鋼120燒結機布料控制裝置采用步進電機來控制料門開度，通過行程與料門開度間的線性關系來標定步進電機從而達到對控制料門的精確控制，經過長時間使用后經常出現標定參數丟失或電機軸因大料堵塞料門產生斷軸現象。目前320燒結機采用柔性傳動好，控制精度高的液壓控制系統，其中關鍵控制元件采用原裝進口。

硬件構成

活頁門控制采用榆次油研液壓控制系統，此系統由三部分構成：冷卻控制系統，當液壓油超過30℃時2.2KW循環泵電機啟動對油進行冷卻；補壓系統，當工作油壓欠壓時補壓系統自動投用以確保液壓系統正常工作。主控制系統，兩套22KW供油電機一備一用，通過AB Control-logix5000控制平臺8套電磁閥和比例閥實現對活頁門的全自動及半自動控制。

1)液壓系統工作原理

布料閘門為8個，其中兩邊的閘門寬度為319m，中間6塊閘門寬度為550m，閘門之間間隙為6mm，合計閘門安裝總寬3980m，小于料槽4000m寬度，閘門分別由8個液壓缸控制，相互獨立，互不關聯，當油缸活塞桿完全伸出時布料閘門完全關閉，反之，布料閘門完全開啟。油缸活塞桿的位移由安裝在每個閘門轉軸上的角位移傳感器——編碼器測量，并反饋進行控制。

在停機狀態下，8個液壓缸全部伸出，布料閘門完全關閉。開機時液壓系統開啟，油源部分運行正常后，延時一段時間，控制器發出控制信號使液壓控制系統投入自動運行。首先根據設定信號8個液壓缸同時開啟到設定位置，然后根據偏差信號的變化液壓缸隨動調節。閉環控制響應時間小于5秒即可。停機時，布料圓輥先停，控制器發出信號使8個液壓缸全部伸出，布料門全部關閉，之后燒結機停機。

考慮到系統使用的可靠性，系統設置應急備用部分。該部分應能夠在自動控制部分失效或出現大塊料時，可以手動操作液壓缸的動作，待自動部分恢復后或緊急情況處理完畢能夠切換回來。因此，液壓系統中在每個比例換向閥支路上并聯—個普通三位四通電磁換向閥和雙向液壓鎖，當比例閥失效時可以人工調節布料閘門的開度，普通電磁換向閥的操作開關與比例閥電源互鎖，安裝在機頭布料圓輥旁邊，便于邊觀察邊操作。每個活頁門全自動原理圖如下：

2)AB ContmllogixS000控制平臺

Contmllogix5000控制平臺屬于LogixTM控制平臺一種，它集順序控制，運動控制，過程控制，變頻驅動控制于一體即使—個控制器也可以完成所有任務。同時，模塊化組合實現了SCADA、DCS、PLC、分布式傳動等不同系統。除此之外，ConlloglxS000控制平臺采用使用網絡應用層協議的NetLinxTM開放式透明網絡架構，它不僅將國際標準現場總線(FF H1及FF HSE、ContmlNet、DeviceNet、Profibus等)與信息管理網絡無縫集成，全面滿足制造自動化與過程自動化的需要，而且還提供各種工業標準通訊方式的接口，實現多種異種網絡的互聯。Contrdloglx5000控制平臺特點如下：

只需在ControLogix通訊背板簡單的插入相應的通訊模塊，就可擴展網絡，可以實現任意多種、任意多個網絡的互聯，作為多種不同工業網絡互聯互通的路由平臺；也為系統的進一步擴展提供了最大的靈活性。

不再需要控制器進行通訊管理，信號從一種網絡到另一種網絡只需通過背板和相關通訊網卡即可?？刂破鲗Ｗ⒂诳刂?，即使再多的通訊連接也不會降低控制器對于控制任務的處理性能。

無需控制器的介入，基板上任一個設備可以發出廣播信息，可以和任何一個設備進行通訊，提高了系統的帶寬和性能。

ControlLogix?通過提供多主的Producer/Consumer(生產者/客戶)方式的，基于并行通訊網絡技術的信息交換，打破了傳統的控制模式：將ControlNet?的producer/con—sumer技術直接應用到系統的基板。

AI/AO模塊完成信號轉換、自診斷和數據自動組織的同時，還能實現分布式運算。

支持輪循、周期性、狀態改變三種I/O數據交換方式。

2、軟件開發

模型開發平臺是基于ROCKWELL公司提供的適合所有控制任務的RSlogixS000開發軟件包，它支持面向對象編程并采用梯形圖(LD)、功能塊(FB)、結構語言(sT)、順控圖表(SEC)4種編程語言，以適應不同場合的需求。

1)比例閥死區處理

料門開度控制由比例閥簡介控制，其比例閥控制特性直接影響模型控制精度。比例閥需要4～20mA模擬信號作為控制信號，即12～20mA時，閥門開；4～12mA時，閥門關。經過長時間調試，發現如果比例閥長時間待機，再次動作時，閥容易出現小信號不響應問題，一般在額定信號25％一下，即10～14mA。通過使用PID計算誤差方式解決，方法如下：

誤差計算公式：ERR=sP(料門開度設定值)－PV(料門開度檢測值)

當ERR>O時，要求開門輸出12～20mA，在此基礎上加13.6 mA左右的脈沖信號

當ERR

程序實現如圖所示：

2)模型控制原理

模型最終控制目的是保持燒結機橫斷面的壓人率保持一致，即保持燒結機橫斷面垂直燃燒速度保持一致。8個活頁門對應下料點處分別裝有料位檢測裝置——超聲波料位計，由此裝置檢測到的料厚作為模型輸入值，經模型計算輸出給比例閥及變頻器分別來控制料門開度和圓輥轉速，從而達到橫斷面垂直燃燒速度一致的目的。模型控制原理圖如附圖所示。

為了提高控制精度及控制速度，模型采用自適應性強的串機控制；外環控制采用主PID調節，內環采用輔PID調節?？刂谱兞坑嬎惴直镜乜刂坪瓦h程控制兩種以提高可靠性及方便性。由于控制方式采用遠程和本地兩種模式，因此當從本地模式轉換到遠程模式時主PID的輸出會出現大的階越性跳躍，這樣不僅對控制設備造成大損害而且會給生產帶來影響；考慮到這一缺陷，模型將實時對控制對象的測量值經轉換后耦合到主PID上，控制模式改變時將此值作為主PID的輸出，在此基礎上進行調節從而消除階越性跳躍。

三、存在問題及解決方法

投產初期，活頁門開度檢測由安裝在力臂底部軸伸處的角位移編碼器檢測。由于現場工況，活頁門全開全關對應得編碼器旋轉角度不過9度左右，誤差極大；而且由旋轉角度反映開度經過幾個轉折，必須保證各軸和法蘭連接可靠，但是由于現場粉塵較多、溫度高，這些都無法保證。8個編碼器通過DEVICENET(設備網)聯入網絡，可以通過編碼器傳上來的數字換算成開度。使用以來，效果極差，每次檢修必須校正全開和全關實際讀數。但即使這樣，也無法保證測量值能夠客觀反映真實開度。

為了保證壓人率控制模型可靠性，已順利投入終點及偏差2個二級模型，采用在液壓缸內安置比例閥，通過檢測油缸形成來計算活頁門開度。調節過程中，多次出現比例閥不動作的情況。經確認，主要是油的原因。使用比例閥對油品質量要求較高。處理后正常，但是為了程序的連貫性，我們在程序編制中也考慮了比例閥的死區問題。在油品正常的情況下，保證比例閥的正常動作。

四、應用效果

自布料模型投運以來，全自動控制代替人工控制不僅大大減少智能工工作量，最重要的是燒結礦的產量及各項技術指標得到了明顯的改善。產量及技術指標對比情況如下所示：

由上表可以看出模型投運后，燒結礦的全鐵含量、堿度及強度都有所提高，含分率也大大降低。這說明燒結礦不論在產量還是質量上得到了明顯的改善。