烧结混匀料场集散控制系统的设计与应用.doc

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It also describes the principle of intelligent electronic belt scale and step response in detailly, and the data communication between,Siemens S7-400 PLC and Yaskawa inverter and MPI data transmission system and the functions carries out,moreover ,The paper addresses dead zone PID arithmetic on batching control. The experiment proved that this system had good effect and be fit for practice application, which had high reliability.Keywords:frequence converter; communication ;automatic control;dead zone control. 0前言烧结厂作为某钢铁(集团)公司下属的一个二级厂,现有90、105烧结机2台、360烧结机1台和混匀料场1个,担负着为炼铁分厂提供高质量烧结矿的任务,年产烧结矿近500万吨,占高炉人炉料的80左右。由于安阳钢铁集团公司铁料品种繁多,成分稳定性差,原料直接参加烧结配料,难以生产出高质量烧结矿,从而制约安钢的发展。为此,烧结厂于2003初建成了包括火车皮卸料、预配料、堆取料等功能的混匀料场。烧结厂处理的原料种类繁多，且物理化学差异也很大。为使烧结矿的物理性能和化学性能稳定，符合冶炼要求，同时使烧结料具有良好的透气性以获得较好的烧结生产率。必须把不同成分的含铁原料、熔剂和燃料等，根据烧结生产过程的要求和烧结质量的要求进行精确的配料。烧结生产实践证明，配料发生偏差是影响烧结过程正常进行和烧结产质量的重要因素。因此,完善烧结配料系统对提高工厂的技术经济指标至关重要。1 安钢混匀料场控制系统设计1.1 安钢一次混均料场控制系统概况本配料系统主要功能就是将煤粉、精矿、生石灰、镁粉和一定数量的返矿和除尘灰等不同的原料品种按照一定的比例匀衡地混配在一起,形成一种成分匀一的物料。本套系统包括8自动给料系统。按照给料的方式可以分为两种：一种方式1号8号采用小皮带机拖料方式直接从旋转的圆盘拖动给料,通过调整电子皮带称的转速和圆盘的转速来控制给料量；为了防止造成污染和产生巨大灰尘,两仓匀采用全密封结构。为了保证瞬时总量实时准确的显示在监控室内,特别安装了9号一台电子计量皮带秤,准确可靠的将配料的瞬时总料量传送到主控室以供操作人员方便使用。此秤还有一个一举两得的功能：利用此秤来校验另外的8台电子皮带秤,每台皮带秤的积算仪皆有校验功能,由于9号秤的精确度高达0.01FS,而其他8台秤仅有0.5FS,当主控室里的操作人员准备好后,就可以下料了,积算仪上的09P开始计数,同时9号秤也开始动作,结束时两者的积算仪都显示一个数值,比较两者的差值就可以计算出要校验秤的仪表系数。要保证那8台秤计量准确,必须保证9号秤的精确度保持在0.01FS之内。1.2 自动控制系统主要组成本自动配料系统主要由智能电子皮带秤、Siemens PLC S7-400、安川变频调速控制器、系统软件STEP7.0、组态软件Wincc4.0以及上位机等组成。安钢混均综合料场控制模式见图1.称重传感器速度传感器接线盒SA-201智能电子积算仪西门子PLC S7-400安川变频器圆盘电机mV通信f420mA图1 安钢一次混均料场系统控制模式Fig1 control mode of the first mixed system in anynag steel & iron1.2.1 自动配料系统实现该自动配料系统加电后，皮带驱动电机开始旋转，微处理机根据当前操作控制电机转速。料斗中的物料落在落料区，经皮带运送到达称重区，由电子皮带秤对皮带上的物料进行称重。称重传感器根据所受力的大小输出一个电压信号，经变送器放大，输出一个正比于物料重量的计量电平信号。该信号送至上位机的接口，经采样后并转换成一个流量信号，在上位机上显示当前流量值。同时将此流量信号送至PLC接口，与上位机设定的各种配料给定值进行比较，然后进行调节运算，其控制量送至变频器，以此来改变变频器的输出值，从而改变驱动电动机的转速。调整给定量，使之与设定值相等，完成自动配料过程。自动配料系统构成见图2。图2：自动配料系统构成(Fig 2:structure of automatic burden system)设定值FM455-U安川变频器圆盘给料机电子皮带配料秤，称重显示图3 闭环控制原理图(Fig3 Closed-loop control schematic)自动配料系统采用质量配料法,各种含铁原料按计算好的配比通过电子配料称配料。配料的精确度直接影响烧结矿的TFe含量的稳定性,所以对控制系统提出了较高的要求。自动配料系统主要由闭环控制模板FM455 - U、圆盘给料机、电子皮带称、称重显示器、安川变频器G7等组成。各种原料的配比由操作人员通过上位机设定,物料的流量经电子皮带秤、称重显示器转换为420mA 信号输入到闭环控制模板的功能模块,经A/D转换器转换为数字量,与设定值比较,再经过PID运算 ,得到控制量的数字值,经D/A转换器转化为420mA的模拟量给变频器,变频器根据这个信号控制圆盘给料机电机的转速,从而使各台圆盘给料机的给料量紧紧围绕在其设定值的周围,实现自动配料功能。流量就是一定时间内皮带上走过的物料量。电子皮带秤称量的是瞬时流量，上位机给出的是设定流量，二者在实时计量中有所偏差。在流量实际控制中采用工业控制中应用最为广泛的PID调节，根据流量偏差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制，控制量输入和输出（误差）之间的关系在时域中可用公式表示如下：公式中e(t)表示误差、控制器输入，u(t)是控制器的输出，kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。图4为系统流量PID闭环调节结构图。在生产过程进行自动调节时，以主料成分的流量计量为依据，根据生产工艺要求通过上位机设定出总流量及主、辅料配比参数，按配方比例掺杂其余辅料。流量计量控制是计量偏差与变频调速的结合，具有结构简单、稳定性好、工作可靠和调整方便等优点。1.3 主控室主要组成 S7-400 PLC控制系统整个混匀料场,除堆料机和两台取料机外,其他所有的电气设备的控制都由这套 PLC系统集中控制,所以其点数多、任务复杂。因此选用西门子公司的适用于大型任务的SIMATIC S7-400 PLC控制系统 。系统由上位机和下位机两部分组成。其上位机采用研华IPC工控机,采用Pentium IV处理器,2.4GHz主频,256M内存,40G硬盘,操作系统为 Windows 2000XP ,组态软件采用 SIMATIC WINCC 4.0 ,其图形化界面可动态显示现场各种设备的运行状态,显示系统运行的各种参数,操作人员可以通过用鼠标点击按钮来控制现场设备的启停 ,更该系统的运行参数,操作简单明了,具有良好的人机界面。下位机系统采用本地主控制站和远程 I/O ,主站和远程 I/O 的通讯采用PROFIBUS- DP现场总线,主站为 S7-400 PLC,由电源模板、CPU模板、闭环控制模板、信号模板和扩展模板组成。其CPU 模板采用CPU 413-2DP,内置支持多点通讯的MPI接口,并能通过 PROFIBUS-DP 总线与远程分布式I/O 或现场智能仪表通讯闭环控制模板采用 FM455-U,模板自带模拟量输入输出和开关量输入输出通道,可以在不占用主处理器资源的情况下完成闭环控制。采用 PID算法控制自动配料系统的配料。信号模板包括数字量输入/输出模板、模拟量输入/输出模板。从站包括挂在PROFIBUS- DP总线上的三套 ET200M,每套ET200M带一定数量的开关量或模拟量点,通过总线与主站通讯,就近控制离主控室较远的设备的运行,这样使得整个系统的布线更简单,结构更合理。上位机和下位机通过MPI接口通讯。1.4. 安川变频器与西门子S7-400的通信众所周知,西门子S7系列PLC是目前国内应用较为广泛的一种PLC,而安川VS G7系列变频器则是性能价格比较高的一种变频器,它们两者在传动控制系统中的合理组合,无疑是一种较好的选择。在大型圆坯连铸机控制系统中,将用于结晶器振动和拉矫机传动装置调速的安川VS G7变频器接入以 SIEMEMNS S7-400 PLC（CPU 414-2DP）为主站的PROFIBUS-DP 网络中,通过 PROFIBUS-DP,主站可监视变频器的运行状态,也可设置和改变其内部参数。从运行的情况来看,使用效果良好。投入运行两年来,尚未出现网络数据通讯因受干扰而紊乱或中断的现象,也未发生传动方向和速度指令错误以及指令延迟等故障,除了正确的设置和编程以外,这与装设了独立而可靠的专用接地系统也不无相关。 安川变频器和其它厂家生产的变频器一样,不能直接接入SIEMENS的PROFIBUS-DP网络,而必须通过专用的接口卡并需要相应的配置软件。安川VS G7变频器配置的用于PROFIBUS-DP 网络通讯的SI-P1 接口卡已是安川公司推出的第二代产品,数年前推出的是SI-P1卡。SI-P1卡可用于安川变频器的G5、F7和G7 三个系列。当用于VS G7系列时,将其插入变频器的2CN 插槽中,并用DP 总线电缆和总线连接器与 PROFIBU-DP的主站（这里为S7-400 PLC的CPU414-2DP）的DP口相连接,在一条专供电气传动用的PROFIBUS-DP总线上接入了8台变频器。使用 SI-P1卡需在PLC 的编程软件（如 SIEMENS的 STEP 7）中配置一通用源数据描述文件GSD（Version 3.1）,此文件可在安川公司（YASGAWA）的网站中下载,文件名为YASKOOCA.gsd,而老一代的SI-P卡则安装GSD（Version 1.0）。当在 PLC的编程软件中装入了SI-P1卡的配置文件GSD之后,在用 STEP 7的硬件配置功能配置 PROFIBUS-DP网络并组态有关硬件时,即可在系统中识别安川变频器的SI-P1卡的配置图标,并可将其作为网络上的一个从站来组态,设置有关参数。1.5 MPI数据传输系统综合原料场具有露天作业、工艺设备分布广、电磁及燥声干扰源多样等特点。光纤通信网络，不怕雷击，抗电磁干扰，抗腐蚀，可靠性高，运行维护成本低。一次料场分别于翻车机控制室与主控楼控制室安装了一套西门子S7-300 PLC系统。定义翻车机控制室S7-300 PLC系统为主站(+102)，控制一次料场a系统胶带运输机和翻车机下拖出式胶带运输机、及采集传输三台斗轮堆取料机数据；定义主控楼控制室S7-300 PLC系统为从站(+114)，控制一次料场e系统胶带运输机与二次料场S7-400 PLC系统间的数据传输。主、从站使用多膜四膜光纤介质与西门子olm光纤链路模块（6GK1502-2CB106）组成了光纤环网结构。CPU中央处理器（6ES7315-2AG10）通过RS-485通信接口与光纤链路模块以PROFIBUS-DP 总线通信协议传输数据。两地的光纤模块之间通过两根光纤组建成一个光纤令牌环网来进行主、从站间的数据交换。2003年二次料场投运生产，自动控制系统为西门子公司S7-300系列。2005年一次料场建成生产，自动控制系统为西门子公司S7-400系列。一次料场建成以前，二次料场自动控制系统控制其六条皮带输送机，建设一次料场时，为了六条皮带输送机的控制，经过多方讨论，决定采用西门子公司工业通信协议-多点接口(MPI)技术来解决S7-300系统与S7-400系统之间的数据传输问题。西门子公司工业通信协议-多点接口(MPI)，可以进行数字式输入与输出数据交换，通过相应的S7-300系列与S7-400系列中央处理器上的可编程接口(MPI接口)实现各个站的总线访问。使用WINCC监控组态软件系统的MPI通道单元及PC通讯网卡CP5611与S7-300进行通信连接，MPI使用令牌传递访问方式，访问总线的权利从一个站传送到另一个站。这种访问权称为令牌。如果一个站收到令牌，它就有权发送消息。令牌传送的过程中，MPI网络在下位组态软件SIMATIC S7中构建其全局变量(global data)表。经过定义MPI全局通讯变量，将其分别载入到对应的PLC站中并运行，解决了S7-300系统与S7-400系统之间数据传输问题。1.6 WinCC组态工控组态软件WinCC(视窗控制中心)，为西门子公司在过程自动化领域中的先进技术和微软公司软件功能结合的产物，是一个集成的人机界面（HMI）系统和监控管理系统, 。利用WinCC可根据配料工艺要求与控制内容，完成流送部工艺流程图、皮带启动示意图、8台皮带秤瞬时流量与总流量、网络通信状态图、各电机顺序控制图、报警指示图等功能模块的设计，并将所有的压力、流量、料位等信号在计算机上以动态图形显示。系统的各种控制参数、工艺参数及生成的数据库均可自动存储，实时查询，同时定时报表打印。WinCC提供多种PLC的驱动软件, 因此使PLC与上位机的联接变得非常方便, 如果将WinCC与STEP7合用, 更是大幅度降低工程设计及投运时间。另外, 我们还可利用WinCC中的语言脚本(Script)及提供的与数据库之间的接口更增加其应用功能, 从而能满足用户的复杂要求。2 烧结自动配料系统的PID控制 在计算机控制系统中，某些系统为了避免控制作用过于频繁，消除由于频繁动作所引起的振荡，可采用带死区的PID控制算法，控制算式为式中，e(k)为位置跟踪偏差，e(k)=r(k)-y(k)，r(k)为计算机给定量，y（k）反馈；e0是一个可调参数，其具体数据可根据实际控制对象的工艺要求或实际经验确定。若e0值太小，会使控制动作过于频繁，达不到稳定被控对象的目的；若e0太大，则系统将产生较大的滞后，系统的快速性下降而达不到工艺要求。带死区的控制系统实际上是一个非线性系统，当e(k)e0时，数字调节器输出为零；当e(k)e0时，数字输出调节器有PID输出。在图4中，u为控制误差，rin-yout为设定输入与输出，红线表示设定值，蓝线表示控制输出值。图7带死区PID控制器的仿真曲线(Fig8 the simulation curve of Dead PID controller )2 系统实现的功能 本系统实现如下功能：1 按照生产需要选择上料流程、堆料流程、取料流程、应急取料流程等不同的流程 ,并控制流程上设备的顺序启动、同时启动、顺序停止、同时停止、紧急停止、故障停止等。2 可以根据生产需要选择不同的含铁原料,改变或设定各种含铁原料的配比,通过自动配料控制系统实现所选原料的按配比下料。3 报表打印功能:可以在每次改变配比后将原配比和新配比打印出来;可以统计各班的配料总量、各种原料的消耗量,在当班结束时打印出来;统计每月的配料总量、各种原料的月消耗量,每月末以报表的形式打印出来。4 报警功能:本控制系统可以在生产过程中实时监控各种关键设备的运行状况,如果设备的运行参数超出预先设定的上下限,则在主控室的上位机上发出报警信息,提醒操作人员采取相应的措施。5 故障记录功能:本系统可以记录在运行过程中出现故障的设备,故障时间及有关故障的简单信息。方便维护人员维护系统设备。3结束语混匀料场正常运行是烧结矿品位稳定的前提条件,该控制系统在原料场投运以来,经过几年的实践使用,成功完成对烧结系统每月约40万吨的原料供配任务,提高了配料的精确度,使烧结矿的碱度稳定率从2008年的 87.42 %提高到2009年的 89.73 %,提高2.31个百分点 ,烧结矿FeO含量从9.89%降到了8.66 %,降低了1. 23个百分点,年效益约350万元。该系统运行可靠,性能稳定,保证了某烧结厂烧结矿产量质量的稳步提高,取得了较好的经济效益,具有较高的推广价值。参考文献：1（日）龟罔莜一;（中）施昌彦,现代称重技术,中国计量出版社,2002,1451462 宋强,杨承志等,基于Modicon TSX Premium 称重模块的自动配料系统J,PLC&FA,2004（12）3 李劲松 ,宋婕 ,董彬.烧结圆盘配料皮带秤控制新思路J烧结球团,2003(6）:3537.4 刘金混.先进PID控制及其MATLAB仿真M.北京:电子工业出版社.2003.25作者简介：1 宋强,男,工学硕士,河南安阳工学院机械工程系,主要研究方向：智能控制及过程控制。联系地址