（控制理论与控制工程专业论文）高温粗锌液流量的在线检测及应用.pdf

中南大学顷 ：学位论文摘要 摘要 在锌的精馏过程中，液态粗锌从熔化炉加入到铅塔这个过程的流量是一个关键的技术参 数。粗锌液流量稳定与否，是影响精馏塔寿命以及锌产品产量和质量的最重要因素之一；同 时，它对有价金属的回收率也将产生很大的影响。 本文以韶关冶炼厂粗锌液流量为研究对象，提出了一种基于软测量技术的高温粗锌液流 量的检测方法称重法。以粗锌液的重量作为辅助变量，根据流体力学理论建立了流量与 重量之间的非线性数学模型。在此理论基础上，自行开发了基于模型的粗锌液流量智能检测 仪。论文首先介绍了课题的基本情况、软测量技术及称重法建模。然后重点介绍了以8 9 c 5 2 为核心的粗锌液流量检测仪的设计、主机、子机通信方案设计和差错控制方法。最后着重介 绍了系统的一些可靠性技术和设计系统的一些经验。 本文的研究内容和结果主要体现在以下几个方面： 1 、提出了基于软测量技术的粗锌液流量称重法建模方法。 2 、详细地介绍了以8 9 c 5 2 单片机为核心的锌液流检测仪的开发，介绍了流量模型的 建立和修正策略。 3 、主机应能很好地控制多台子机，关键技术在于通信接口的可靠性、通信协议的好坏 以及差错控制方式。本文在主、子机r s 一4 8 5 通信和差错控制方面作了一些探讨。 4 、结合实际情况，介绍了微机控制系统的一些抗干扰措施。 5 、用v c + + 语言设计、开发监控软件，包括界面和数据库。 本系统设计方案合理、建模方法先进、可靠性高、人机界面友好、操作方便，具有广 泛的工业应用。 关键词：软测量 流量称重法检测仪通信 m a s t e rd e g r e et h e s i s a b s t r a c t a b s t r a c t d u r i n gt h ec o u r s eo fr e c t i 母i n gz i n c ，t h en u i do fc o a r s el i q u i dz i n cp u ti m op bc o l u m nf 如m f u m a c ew o r k sa sak e yt e c h n i c a lp a r a m e t e r w h e t h e r t h en u i do f c o a r s e l i q u i dz i n ci ss t e a d yo rn o t i so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r st h a ti n n u e n c et h el i f eo f d i s t i l l a t j o nc o i u m na n dt h eo u t p u ta n d q u a l i t yo f p r o d u c t m e a n w h i i e ，i t a l s om u c ha f b c t st h er e c o v e r yr a t eo f v a l u a b i em e t a l s i nt h i sp a p e r ，t h en u i do fc o a r s el i q u i dz i n ci ns h a o g u a ns m e l t e r yi si n v e s t i g a t e da n dan e ws o n s e n s o rm e t h o d w e i g h i n gm e t h o di sp r o p o s e d w el o o ku p o nt h ew e i g h to fc o a r s el i q u i dz i n ca s s e c o n d a r yv a r i a b l ea n dg e tt h em o d e lb e t w e e nn o w a n dw e i 曲tb a s e do nh y d r o d y n a m i ct h e o r y t h e nw e d e s i g na ni n s t r u m e n t t om e a s u r et h en u i do fc o a r s el i q u i dz i n cb a s e do nt h em a t h e m a t i c a l m o d e l f i r s t l y ，w ei n t r o d u c et h eb a s i cc i r c so f t h ep r o j e c t ，s o f is e n s o rm e t h o d a n dt h e 血e o r yo f w e i g h i n g m e t h o d t h e nw em a i n l yd i s c u s st h ed e s i g no fe a c ho ft h em e t e rw h i c hi sb a s e do n8 9 c 5 2 s i n g l e c h ip ，t h ec o m m u n l c a t i o np r q e c ta n d e r r o rc o n t r 0 1m e t h o d i nm ee n d ，s o m ee x p e r l e n c e s a b o u tt h er e l i a b i l i t yt e c h n o i o g yi nd e s i g n i n gs y s t e ma r cm a i n l yp r e s e m e d t h em a i nw o r ka n dr e s e a r c hr e s u l t si nt h i sp a p e ri n c l u d et h ef 0 1 l o w i n g ： 1 w ep r o p o s eas o rs e n s o rm e t h o d w e i 曲i n gm e t h o d 2 ，t h i sp a p e rd e t a i l e d l yd i s c u s s e sm ed e s i g no fm ei n s t r u m e n tw h i c hi su s e dt om e a s u r em e n u i do fc o a r s el j q u j dz i n cb a s e do n8 9 c 5 2s i n g l e - c h i pw ee m p h a s i z eh o w t ob u i l dt h en u i do f c o a r s el i q u i dz i n cm a t h e m a t i c a lm o d e ia n dh o w t om o d i 母m ep 啪m e t e r s 3 s i n g l eh o s tc o m p u t e rs h o u l db ed e s i g n e d t os u c c e s s 血l i yc o n t f 0 1s e v e r a lc l i e n ts i n g l e c h i p t h ek e yt e c h n o l o g yd e p e n d so nt h er e l i a b i l i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o ni m e r f a c e ，t h ep f o p e r t yo ft h e c o m m u n i c a t i o n 口r o t o c o la 1 1 d t h ee r r o rc o n t r 0 1m e t h o d w ed os o m er e s e a r c hi nr s - 4 8 5 c o m m u n i c a t i o na n de r r o rc o n t r o u i n gm e t h o d s 4 a c c o r d i n gt ot h ep r a c t j c e ，、v ep r e s e n tt h ea n t i a m m i n gm e a s u r e sa n ds o m ee x p e r i e n c e si n d e s i g n i n gs y s t e mi nd e i a i l si nt h i sp a p e r 5 w ed e s i g nt h es u p e r v i s i o ns o f t w a r eo ft h eh o s tc o m p u t e rb yv c + + ，i n c i u d i n gt h ei n t e r f a c e a n dd a t a b a s e t h e s ”t e m h a s a d v a n t a g e si n c l u d i n g r e a s o n a b l es c h e m e ，a d v a n c e d m o d e l i n g m e t h o d ， c o n v e n i e n c eo fr e a l i z a t i o n ，f r i e n d l ym a n m a c h i n ei n t e r f h c ea n do p e r a t i n gc o n v e n i e n c e i ti s w o r t h yo fb e i n gp o p u i a r i z e d k e y w o r d s ：s o t _ ts e n s o rf l o w w e i g h t i n gm e t h o d i n s t r u m e n tc o m m u n i c a t i o n 中南人学硕j ：学位论文 第l 章绪论 第1 章绪论 锌的精馏过程就是将纯度为9 8 左右的粗锌熔化之后，利用锌及杂质元素沸点不同的特 点控制不同的温度，经过多次蒸馏及分凝回流，使锌和其他杂质金属分离开来，得到纯度高 于9 9 ，9 9 的高纯度金属锌。 在锌的精馏过程中，液态粗锌从熔化炉加入到铅塔时的流量是一个非常重要的参数。粗 锌液流量稳定与否，是影响精馏塔寿命以及产品产量和质量的重要因素之一。流量过大将严 重损耗精馏塔，甚至会导致爆炸事故；相反，流量过小会降低锌产品的产量和质量。此外， 粗锌液的流量对粗锌的纯度及有价金属的同收率也将产生很大的影响。因此能否将粗锌液 流量稳定控制在合理的范围内将直接关系到产品产量、产品质量、生产安全和企业的经济效 益。 1 1 课题的来源及研究意义 本课题“高温粗锌液流量在线检测系统”是中金岭南集团韶关冶炼厂委托我校开发的， 属国家计委高技术产业化示范工程。 在现代生产过程自动化中，流量是重要的过程参数之一【i 】。流量是判断生产过程的工作 状况、衡量设备的效率与经济的重要指标。在具有流动介质的工艺流程中，物料( 如气体， 液体或者固体) 通过管道在设备之间来往输送和配比，生产过程中的物料平衡和能量平衡等 也是与流量有着密切的关系。为了有效地进行生产操作和控制，需要对生产过程中各种介质 的流量进行检测，以便为生产操作和控制提供依据。另外，在大多数工业生产中常用测量和 控制流量来确定物料的配比与耗量，实现生产过程自动化和最优控制。同时，为了进行经济 核算，也需要知道一段时间( 如一天、一个班) 内流过的介质总量。所以流量的测量和控 制是实现生产过程自动化的一项重要任务。目前，根据检测原理的不同已经存在很多种流量 检测仪表。在工业上较常用的是差压流量计、转子流量计、椭圆齿轮流量计、电磁流量 计等等。但是，目前尚未研制出针对粗锌液流量的专用仪表，无法实现对粗锌液流量的在线 检测。这是一个世界性的难题，也是我国冶炼行业存在的一个普遍的亟待解决的问题，主要 是因为对这个参数的检测存在一些困难【4 j i “： ( 1 ) 粗锌液的温度高达6 0 0 以上，属于高温流体流量的检测。国内外大量的流量检测 资料未见有关方面的报道和记载；液态流体流量检测仪表的常规适用温度均在常温附近。几 乎可以查阅到的某些特殊的高温仪表的温度最高也只有2 5 0 。同时，粗锌液的强腐蚀性也 将严重损坏与之接触的仪表。 ( 2 ) 理论上，可以考虑选择不和被测介质直接接触的流量检测仪表，比如电磁流量计和 中南大学硕_ 学位论文 第l 章绪论 超声波流量计。电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的，是一种用来测量管道中导电 性液体体积流量的仪表，可以测量各种腐蚀性的酸、碱、盐溶液。超声波流量计延根据介质 流速不同会使超声波的传播速度发生变化的原理制成的。这两种仪表都是安装在工艺管道的 外壁进行测量。但是这两种仪表由于受到制作材料的制约，目前对被测介质都有严格的温度 要求，最高也只有2 0 0 左右。 ( 3 ) 从流体力学的角度来讲，流体的流量变化规律是与粘度密切相关的；而在实际的锌 精馏过程中，加料粗锌液的温度会有微小的变化，使得粘度亦发生细微的变化。如何获得这 种变化规律以及这种变化是否会对检测的结果产生很大的影响都将是我们研究的内容。严格 地讲，粘度发生变化意味着流体的类型也发生了变化，而在这种场合选用传统的仪表会造成 较大的误差。 如果定制高温且耐腐蚀的流量检测仪表，成本较高；而且对于现场恶劣的工作环境也未 必会产生良好的测量效果。可见，利用传统的检测手段是无法对粗锌液流量这个在整个精馏 过程中十分重要的物理参数进行有效和可靠的检测。 为此，韶关冶炼厂与中南大学信息与控制工程研究所共同合作，研究开发粗锌液流量自 动检测系统。该课题的主要任务是依据软测量的理论，寻求一种或几种间接影响粗锌液流量 的物理变量，建立比较科学和可靠的流量数学模型；通过可行的测量方法来检测对流量产生 影响的物理量，从而通过数学模型来获得流量的测量值。同时，为了应用于实际的生产过程 中，对上艺过程提供可靠的指导作用，设计和制造基于流量模型的流量智能检测仪表；以工 控机作为监控主机，设计达到一定精度的粗锌液流量实时检测系统：并在此基础上开发流量 的监视与管理应用软件，为现场的工作人员提供科学的操作指导，为迸一步控制流量提供可 靠的数据保证。 韶关冶炼厂下1 9 7 5 年正式投产。1 9 9 6 年，在第一座鼓风炉达到设计能力的基础上，韶 关冶炼厂二系统正式投产。经多次技术改造，其装各水平和生产能力均有很大提高。两个系 统铅锌年产量已分别由原设计的5 万吨和85 万吨增加到了l o 万吨，总年产量逃2 0 万吨， 已经大大超过了原设计能力。 韶关冶炼厂精馏分厂将粗锌加入熔化炉熔化，经过加锌控制器，流入带有锌封的铅塔加 料器，然后加入铅塔。为了保证粗锌液流量的稳定，最重要的就是要能够精确地检测其流量。 但是由于现场的i 。作条件恶劣，温度在6 0 0 以上，而且液态粗锌具有较强的腐蚀性，所以 一般的流量计是不能刚来直接检测锌液流量的。目前韶冶精馏分厂粗锌液流量的大小由现场 操作人员通过观测熔化炉和中间流槽的锌液液面高度来判断，通过观测液面高度，凋节加料 流槽的阀门米控制锌液流量，大约6 0 8 0 分钟调节一次。用这种方法判断并控制锌液流鼍， 会由了现场操作员的经验及责任心的不同而有很大的出入，流最的检测及控制受人为冈素的 影响比较人，存在着很火的随机- 陛。这将严重影响精馏塔的寿命和产品的质量。 2 中南大学硕士学位论文第l 章绪论 因此，非常有必要提出种能够精确检测粗锌液流量并能实现流量模型的在线修正的实 用方法。这正是本项目研究的意义所在。 1 2 精馏法生产过程工艺介绍 粗锌中主要杂质的沸点分别为：锌9 0 6 9 7 ，镉7 6 7 5 3 ，铅1 7 4 4 ，铁3 0 0 0 。利 用锌及杂质元素沸点不同的特点控制不同的温度，经过多次蒸馏，多次分凝回流，就可以使 锌和其他杂质金属分离开来而得到高纯度的金属锌。 精馏过程可分为两个阶段：第一阶段是液态粗锌从熔化炉加入到铅塔中，经过加热后， 大部分锌和几乎全部的镉被蒸馏出来。高沸点的杂质中只有少量的铅被蒸馏出来。绝大部分 高沸点杂质金属和少部分锌呈液态下流。结果，在蒸汽中富集了锌和镉，其他杂质金属被减 少到很低的限度。锌、镉混合蒸汽上升到铅塔回流塔时，温度降低，机械夹带的高沸点杂质 金属铅、锡等以及部分锌蒸汽被冷凝为液体，回流到蒸发塔，而镉仍留在蒸汽中。因此，混 合蒸馏气中的锌和镉进一步富集，而高沸点杂质金属已经降到微量程度。经过这样交替进行 的蒸馏和分凝回流过程，就可以使锌、镉与高沸点杂质金属铅、铁等完全分离开来。锌、镉 混台蒸汽导入铅塔冷凝器中，冷凝为含镉锌。 第二阶段是在镉塔中进行的。含镉锌加入镉塔蒸发塔，又经加热，少部分锌和几乎全部 的镉被蒸馏出来，绝大部分锌呈液态下流。结果蒸汽中就富集了镉。锌、镉混合蒸汽上升到 镉塔回流塔和大冷凝器时温度下降，锌蒸汽被冷凝成液体下流，绝大部分低沸点杂质金属 镉，仍留在蒸汽中，进一步得到富集。经过同样交替进行的蒸馏和分凝回流过程，就可以使 锌和镉完全分离开来，而得到高纯度的精锌。因此，精馏法又称连续分步精馏法。 实质上，精馏法包括蒸馏和分凝回流两个物理过程。无论是在蒸发盘还是在回流盘中， 两块塔盘上都同时进行着蒸馏和分凝回流。只不过在蒸发塔中主要过程是蒸馏，在回流塔中 主要过程是分凝回流。粗锌经过精馏过程即得到精锌。可见，精馏过程的效果将直接影响锌 产鼎的质量。 精馏法生产的特点主要有以卜几点：在空气隔绝的密闭状态下进行生产；精馏塔结构比 较复杂；需用热传导良好的优质碳化硅塔盘；生产出的精锌纯度高，含锌率为9 9 9 9 9 9 9 9 8 。 l - 3 系统的主要功能 本系统主要完成如下功能： ( 1 ) 基_ 】二软测量的理论，寻求一种或几种间接影响粗锌液流量的物理变量，建立比较 科学莉i 可靠的流量数学模型。 ( 2 ) 通过可行的测量方法来检测对流量产生影响的物理量，从而通过数学模型来获得 流皱的侧量值，并j _ i = | 单片机予以实现，开发基于模型的粗锌液流量智能检测仪。 3 中南大学硕f ：学位论文 第l 章绪论 ( 3 ) 开发流量检测系统的监控与管理应用软件，为现场的工作人员提供科学的操作指 导。 ( 4 ) 数据库的管理。监控主机将工作时刻的数据和参数在数据库中进行保存。用户可 以随时对历史数据查询、打印。 1 4 论文的结构安排 本文首先分析了高温粗锌液流量的检测这一问题的研究现状，阐明了课题的来源，并就 韶关冶炼厂粗锌精馏过程的工艺和特点进行了描述，指出了该课题研究的重大现实意义。 第2 章给出了系统设计的总体结构，分别说明了各组成部分的功能。 第3 章首先对生产过程中的软测量技术进行了阐述，介绍了相关的流体力学理论基础， 然后提出了一种基于软测量技术的建模方法称重法，并详细描述了流量实验方法及实验 结果。 第4 章重点介绍了基于模型的粗锌液流量智能检测仪表的设计与开发。给出了流量检测 仪详细的设计思路与设计过程。对粗锌液流量模型的建立和修正做了深入的研究与探讨。最 后，提出了一些提高单片机抗干扰能力和可靠性的措施。 第5 章对监控系统的开发作了说明，重点阐述了r s 一4 8 5 接口通信和差错控制方法。 第6 章为结束语，对高温粗锌液检测系统的设计予以总结，并指出了系统下一步的研究 1 7 作。 1 5 小结 在粗锌精馏生产过程，粗锌液流量是重要的过程参数之一。粗锌液的温度高达6 0 0 以 上，属于高温流体，对粗锌液流量的在线检测面临诸多实现上的困难，是一个世界性的难题。 能否将粗锌液流量稳定控制在合理的范围内将直接关系到产品产量、产品质量、生产安全和 企业的经济效益。而精确控制粗锌液流量的前提是对它的精确检测。 本章首先结合韶关冶炼厂的实际情况，介绍了精馏法生产过程工艺，指出了课题的来源 和研究意义。最后，明确了高温粗锌液流量检测系统的功能和研究重点内容。 4 ! 里盔兰堡主兰丝丝塞 篓! 童望壁婆堕苎丝型墨堑璺堡垦兰 第2 章粗锌液流量检测系统总体设计 粗锌液流量控制系统的总体结构框图如图2 1 所示。 p l c 和步进电机主要是实现对粗锌液流量进行控制的功能。 流量检测仪实现粗锌液流量的模型建立、修正和对粗锌液流量的在线检测功能，是一种 基于模型的智能检测仪表。 锌液流槽中锌液重量通过称重传感器转化为4 2 0 m a 的电流信号外接2 5 0 欧姆标准 电阻，转化为l 5 v 的电压信号，串联接入p l c 和流量仪的a d 模块。根据现场情况要求， 给定 图2i 粗锌液流量控制系统总体结构图 由监控主机给定期望流量值，再由流量模型将给定流量值转换为给定电压值，p l c 根据给 定电压值与称重传感器输出的实时电压值的偏差进行数字控制计算，从而控制步进电机调 钳进料阀门，达到调节锌液流量的目的。 监控主机起到监控的作用，它与流量仪之间采用r s - 4 8 5 标准接口通信。 2 1 控制部分的组成 1 、称重传感器和变送器 传感器是一个完整的测量装置( 或系统) ，它能把被测物理量转换为与之有确定对应关 系的有用电量输出，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。 传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。 称重传感器是将重量转换为对应的电信号。电阻应变式称重传感器是基于电路理论中的 惠斯通电桥理论制成的。 如图2 2 所示，e x 一、e x + 为电源输入，s g 、s g + 为信号输出。根据弹性体在外力作用 中南太学硕士学位论文 第2 章粗锌液流量检测系统总体设计 时发生应变，使粘贴在弹性体上的电阻应变片的电阻产生变化来感应负荷大小。传感器粘贴 有四个电阻应变片尺l 础4 ，采用惠斯通电桥将这四个电阻应变片连接起来。工作时在传感器 的供电桥输入端接入l 2 0 v 稳定的供桥电压，在恒定负荷作用下传感器的输出信号与供桥 电压成正比。传感器的灵敏度是指传感器在受满负荷作用时输出信号电压与输入供桥电压的 比，灵敏度通常在1 o 3 0 m v ，v 。 e x 。 e x + s g s g + 图2 2 称重传感器豫理图 为了精确地测量锌液的重量，必须保证测量桶水平。因此，有必要选用三个称重传感器 检测重置，呈正三角形对称分布在测量桶的下方，且最大可能地使三个称重传感器在同一个 平面上。 在本项目中，采用了美国s e n s 0 r t r o n i c s 公司生产的6 0 0 0 ls 型拉压传感器。该产品采 用s 型剪切设计，具有高灵敏度输出、多层介质密封、高可靠性等特点，适用于拉、压场合， 获本质安全体系批准( 防爆) ，符合n e m a 6 和i p 6 7 密封标准( 防水) 。 该产品有常温型和高温型，考虑实际庸况，我们将采用高温型的产品，能够满足生产现 场的实际要求。根据实际的重量范围，采用三个量程为l o o k g 的传感器。 由于称重传感器的输出信号是毫伏信号，这种信号不能进行远距离传输，而在实际现场。 采样信号必须传输几十米，甚至上百米。因此，必须使用变送器将毫伏信号转换为适于传输 的信号。 变送器是从传感器发展而来的，凡能输出标准信号的传感器就称为变送器。标准信号是 物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。例如宜流电流4 2 0 m a 、空气压力2 0 l o o k p a 都是当前通用的标准信号。无论被测变量是哪种物理或化学参数，也不论测量范围 如何，经过变送器之后的信息都必须包含在标准信号之中。 有了统一的信号形式和数值范围，就便于把各种变送器和其它仪表组成检测系统或调节 系统。无论什么仪表或装置只要有同样标准的输入电路或接口，就可以扶各种变送器获得 被测变量= 的信息。这样，兼容性和互换性大为提高，仪表的配套也极为方便。 这里我1 i j 采用p h e n i x 公司生产的p t 3 5 0 c 型变送器。p t 3 5 0 c 以最新的s m t 技术设计， 6 中南大学硕士学位论文 第2 章粗锌液流量检测系统总体设计 全日本制造，外型小巧。备有多种输出形式可供选择，并有两种灵敏度选择。适合不同种型 号的传感器使用，适合工业及商业环境，台秤及容器称均可以使用。 2 、驱动器 驱动器是根据输入的步迸脉冲信号和方向电平信号，给步进电机相应的控制信号，控制 步进电机按照指定的要求运转。 本系统选用的驱动器是美国s h a p h o n 公司与北京斯达特机电科技发展有限公司联合推 出的s h 一2 h 0 9 0 m 型驱动器。驱动器的侧面有8 个拨位开关，用来设定细分数和相电流。 s h 一2 h 0 9 0 m 型驱动器由两组交流进行供电，其中一组交流a c l ( 1 7 v 1 a ) 为驱动器提供控制 电源；另外一组交流a c 2 ( 4 0 v ) 为驱动器提供驱动电源。 3 、步进电机 步进电机作为执行元件，广泛应用在各种自动化控制系统中。它是一种将电脉冲转化为 角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转 动一个蚓定的角度( 即步距角) 。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量从而达到准确定 位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目 的。 方向屯平信号和步进脉冲信号共同决定着步进电机的运转，每传来一个脉冲，步进电机 就在方向电平信号指定的方向上转动一个步距角。 步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮 流接通直流电源。由于励磁绕组在空间中按定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会 在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式地转动，随着脉冲频率的增高，转速就 会增大。步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关。 2 2 智能流量检测仪的功能组成 智能流量检测仪是以8 9 c 5 2 单片机为核心设计的。它有a d 采样、看门狗、参数的读 取保存、数据显示、面板给定、通信接口等功能模块。智能流量检测仪的逻辑功能示意框图 如图2 _ 3 所示。 l 、a d 采样模块 由于单片机只能接受和输出数字量因此需要通过a ，d 采样电路将称重传感器外接2 5 0 欧姆精密电阻得到的模拟电压信号( 1 5 v ) 转化为数字信号后送入单片机。 韶关冶炼厂租锌液流量的统计是以班( 每班工作时间为8 小时) 为单位的，按工艺要求， 每班的产量为1 6 吨2 4 吨之间。因此，可以采用5 位数码管显示。a ，d 转换时间要求不高， 选川8 位逐次逼近型a ，d 芯片t l c 0 8 3 2 就可达到现场要求。设计用的是t l c 0 8 3 2 的一路 信号输入。 7 _ ! 堕查堂婴圭兰些堡苎 笙! 皇塑壁堕鎏里堡型至堑璺堡垒生 图23 流量检测仪的逻辑功能示意框图 2 、看门狗和参数的读取保存 本系统设计采用编程看门狗监控e e p r o mx 2 5 0 4 3 ，它把看门狗定时器，电压监控和 e e p r o m 三种常用功能组合在单个封装之内。这种组合降低了系统成本并减少了对电路板 空间的要求。 看门狗定时器对微控制器提供了独立的保护系统，当系统出现故障时，在可选的超时周 期之后，x 2 5 0 4 3 看门狗将以r e s e t 信号作出响应。 利用低v c c 检测电路，可以保护系统免受低电压状况的影响。 x 2 5 0 4 3 的存储部分是c m o s 的4 0 9 6 位串行e e p r o m ，它在内部按5 1 2 8 来组织。 在粗锌液流量检测仪中，x 2 5 0 4 3 用于看门狗定时、低电压保护和e e p r o m 对流量模型 参数的读取与存储。 外部扩展静态存储器选用8 k 8 位的静态随机存储器芯片6 2 6 4 。在流量检测仪中，外 部静态r a m6 2 6 4 主要功能是存储建立流量数学模型时的粗锌液瞬时流量值、粗锌液瞬时重 量值。 3 、数据显示 在现场粗锌精馏过程中，粗锌液实时流量、流量数学模型参数以及其他的相关信息都是 通过数码管显示出来的。根据粗锌液精馏过程的工艺要求，流量检测仪设计可选用一片 姒x 7 2 】9 驱动5 个数码管来完成。 数码显示驱动芯片选用8 位l e dm a x 7 2 1 9 。一片舭x 7 2 1 9 可以驱动8 个数码管，与c p u 的连接只需连三根线即可，只占用单片机的三个输出i o 口，连线方便、占有i o 口资源少。 4 、面板给定 单片机应用系统中，通常都要有人机对话功能。它包括人对应用系统的状态干预与数据 输入以及应j _ l j 系统向人报告运行状态与运行结果。粗锌液流量检测仪则是通过外接薄膜按键 的面板给定方式来进行人机对话，实现对流量检测仪的操作。 8 中南大学顾士学位论文第2 章粗锌液流量检测系统总体设计 薄膜按键面板给定可以实现仪表工作方式的切换、流量模型参数的显示、流量模型参数 的修正等功能。 5 、通信接口 通信接口部分主要实现与监控工控机的通信功能。 单片机的t x 、r x 输出的是t t l 电平，需要转化为r s - 4 8 5 电平与工控机进行通信。 通信接口电路设计如图2 4 所示。 图24 通信接口电路图 2 3 小结 本章在韶关冶炼厂粗锌精馏生产过程的基础上，首先对粗锌液流量的控制和检测过程 作出了概括性的描述。然后给出了粗锌液流量检测系统总体结构设计的功能框图和设计思 路，并分别说明了系统各组成功能模块的设计功能。 9 中南太学硕士学位论文 第3 章称重法原理欲流量实验 第3 章称重法原理及流量实验 3 1 软测量技术简介 在许多工业控制场合，存在着一类这样的变量：它们由于技术或者经济的原因，目前尚 难以或者无法通过传感器进行检测；但它们同时又是需要加以严格控制、与产品质量密切相 关的重要过程参数。这类变量典型的例子有精馏塔的产品组份浓度、化学反应中的反应速率、 高炉铁水的含硅量等。这些参数对于提高产品质量和保证安全生产具有重要的作用，是t 业 生产过程中必须加以严格监视和控制的参数。显然，加入精馏塔中的粗锌液流量就属于这类 过程参数。 近年来，为了解决该类变量的估计和控制，软测量技术取得了重大发展。软测量技术的 基本点是根据某种最优准则，选择一组既与主导变量( p r i m a r yv a r i 曲l e ) 有密切联系又容易 测量的变量，称为辅助变量( s e c o n d a r yv a r i a b l e ) ，通过构造某种数学关系，用计算机软件 实现对主导变量的估计【1 8 【2 3 。在以软测量仪表的估计值作为被控输出反馈信号的控制系统 结构中，控制器与结构器是分离的，因而给控制器和软仪表的设计都带来极大的方便。除了 “测量”主导变量以外，软仪表还可以估计一些反映过程特征的工艺参数。对软测量的研究 已经经历了从线性到非线性、从静态到动态、从无校正功能到有校正功能的过程。软测量技 术作为未来过程控制研究的一个重点发展方向，将会得到更大的发展。 考察图31 所示的过程对象输入输出关系。 图3 1 对象输入输关系 图中y 代表主导变量，口代表可测的辅助变量。d 和“分别表示可以测量的干扰和控制 变量。软仪表的目的就是利用所有可以获得的信息求取主导变量的最佳“估计值”多，即构 造从可测信息集目到多的映射。特别地，由偏差变量表示的线性仪表可写成 歹( j ) = k ( s ) p ( s ) ( 3 1 ) 一般地，可测信息集包括所有的可测主导变量y ( 主导变量y 中可能部分是可测的) ， 辅助变量曰、控制变量“和可测干扰d 。在这样的框架结构下，软仪表的性能，或换言之多 的性能，将依赖于过稃的描述、噪声和扰动的特性、辅助变量目的选取以及“最佳”的含义， 即给定某种准! j l i j 。 l n 中南大学颂【学位论文 第3 章称重法原理及流量实验 显然建立软仪表的过程就是构造一个数学模型。但软仪表与一般意义下的数学模型又 有所不同。通常我f 】所指的数学模型主要是反映y 与“或者d 之间的动态( 或稳态) 关系， 而软仪表则是强调通过口求得y 的估计值，并且在许多建立软仪表的方法申要以一般意义下 的数学模型为基础1 。 在以软仪表的估计值作为反馈信号的控制系统中。控制器与软仪表的设计是分离的，给 没计带来了极大的便利。其中控制器的设计可以采用传统或者先进控制方法。由此则产生了 软测量技术。 3 1 1 建立软仪表的方法 l 、基于工艺机理分析的方法 这类方法主要通过对对象的机理分析，找出不可测主导变量与可测辅助变量之间的关 系，是建立在对过程【艺机理深刻认识的基础上。粗锌精馏过程属于典型的复杂流程工业过 程，生产条件和生产环境十分恶劣和复杂，工艺流程长，具有大滞后特性，过程机理反应复 杂，常常伴随着物理化学反应、生化反应、相变反应及物质和能量的转化与传递过程。难以 对其过程工艺机理作出精确的分析。 2 、基于对象数学模型的方法 ( 1 ) 基于状态估计的方法 假定已经知道对象的状态空间模型 童= 彳x + b 群+ 占v( 3 2 ) y = c i( 3 3 ) 曰= c 。x + w ( 3 4 ) 其中v 和w 分另u 表示向噪声。如果系统的状态关于辅助变量秽完全可观那么软测量问题就 转化为典型的状态观测和状态估计问题估计值多也就可以表示成k a l m a n 滤波器的形式。 ( 2 ) 基于线性模型的方法 如果已知对象稳态输入、输出关系 y = g 。“+ g “d ( 3 5 ) 口= 只“+ 乃d ( 3 6 ) 则软仪表即可通过熟知的b s i l o w 估计器构造 多= 世8 目+ ( g 。一k 8 e ( 3 7 ) 获得，式中足。= g 。f - 巧表示乃的伪逆。 l l 中南大学硕j 二学位论文第3 章称重法原理及流量实验 ( 3 ) 基于 非线性模型的方法 对于工业过程的非线性问题，要建立非线性软仪表。可以采用非线性的对象数学模型， 在计算过程中做线性化等简化处理，甚至义可以将问题变换回到线性的范畴。另一种处理方 法是进行变量转换。对于粗锌液流量这一过程参数，由于不能直接测量而选择重量作为辅助 变量建立它们之间的非线性模型，是个典型的应用实饲。 3 、基于人工神经网络的方法 随着人工神经网络( a h 眦) 在控制领域中的应用的发展，可以将辅助变量作为a n n 的 输入，将主导变量作为其输出，通过网络的学习来解决不可测变量的软测量问题1 2 “。需要 指出的是，训练样本的空间分布和训练方法对a n n ( 人工神经网络) 的性能有极大的影响， 并需考虑收敛判断。对于大规模的复杂过程，则可以采用多个网络和局部训练的方法，以避 免整体网络神经元数目太大和学习速度过缓的问题。 4 、基于模糊数学的方法 模糊数学是人们处理复杂系统的种有效手段，在软测量中也有大量的应用。此外，模 糊数学还和神经网络技术以及模式识别技术构成模糊神经网络和模糊模式识别方法。 3 1 2 软仪表的在线校正 在软仪表的使用过程中，随着对象特征的变化和工作点的漂移，需要对软仪表进行校正。 通常对软仪表的在线校正仅修正模型的参数，具体的方法有自适应法、增量法和多时标法等。 对模型结构的修正需要大量的样本数据和耗费较长时间，在线进行有实时性方面的困难。 在配备在线分析仪表的场合，系统主导变量的真值可以连续得到( 只是滞后了一段时 间) ，此时采用何种校j 工：方法都不会有太大的问题。而在主导变量的真值仅能来源于离线人 1 二化验的场合，通常取样周期为数小时或者更长，样本密度稀疏，此时采用合适的校正方法 就是值得研究的问题。 此外耍注意样本数据与过程数据之间在时序上的匹配问题。尤其在人工分析情况f ，从 过程数据即时反应的产量质量状态到取样位置需要一定的流动时间，取样后直到产品质量数 据返回现场又要耗费很1 支的时间。因此在利用分析值和过程数据进行软仪表的校正时，应该 特别注意保持两者在时间上的对应关系。 3 1 3 软仪表的反馈控制系统及工业应用 软测量技术已经在过程控制与优化中得到了广泛的应用，其中报道最多的是所谓的推断 控制( i n f e r e n t i a ic o n t r 0 1 ) 。推断控制策略包括估计器和控制器的设计。现在发展起来的软测量 技术就体现了估计器的特点。这种推断控制系统可以归纳为图3 2 所示的一股结构。图中所 有的变龄均可以是向封r r 代表被控变量的设定值。 2 中南大学硕士学位论文 第3 章称重法原理及流量实验 图32 基于软仪表的控制系统结构 事实上，基于软仪表的反馈控制系统都可以表示为这种结构。在这样的框架下，控制器 和软仪表是相互独立的，它们的设计可以独立进行。如果软仪表能达到一定的精度，能够“代 替”硬仪表实现某种参数的测量，那么软仪表就能够与几乎所有的反馈控制算法结合构成基 于软仪表的控制。软仪表的输出也可以作为优化系统所需的测量变量。 很显然，这种控制系统的性能与软仪表的性能有着极大的关系。经过数十年的发展，控 制和优化算法已经有了丰富的成果，而软测量技术则成为问题的瓶颈。在尚未解决过程参数， 尤其是质量参数的硬测量技术前，开发高性能的软测量仪表，是提高控制系统性能的关键。 3 2 称重法原理 3 2 1 流体力学相关理论 1 、流量 在工业生产中，为了指导工艺操作、监视设备运行情况和进行经济核算需要经常知道在 单位时问内流体流过管道或者设备某处横截面的数量。流过的数量按照体积计算的称为体积 流量；按照质量计算的称为质量流量i 按照重量计算的称为重量流量。 设流体通过管道或者设备某处横截面中的某一微小面积为d r 并将通过该微小面积流 体的流速取为v ，则通过微小面积d f 的体积流量d q 为 坦= v c o s 口d f( 3 8 ) 式中口为速度矢量v 与微小面积d f 的法线方向 的夹角。则流过截面的体积流量为 q = i v c o s 口d f ( 3 9 ) f 根据韶关冶炼厂精馏分厂的具体情况设计的盛锌流槽使得流速的方向与流梢截面的法 线方向的夹角为零，c o s 口= 1 ，所以式( 3 9 ) 变为： q = j v d f ( 31 0 ) ! 堕! 燮主兰堡丝兰 苎! 童整墨鲨堕里丝堕量壅墅 通常我们所指的流最是指流体在单位时间内通过垂直与流速的横截面上的流体数量。 事实上，流体在管道流动时截面上的各点速度并不相等。因此往往引入平均流速的概念。 矿= g ( 3 1 1 ) f 在工业生产中，除了要测量单位时间内流体流过管道的体积流量和质量流量以外，往往 还需要知道在某一时间段内流过管道的流体体积或者流过管道的流体质量，称为累计流量。 如果流动是定常的，流体的密度p 不变，则由式( 3 1 0 ) 得到质量的累计流量： m = 印( 3 1 2 ) 由于韶关冶炼厂精馏分厂每个班的工作时间是八个小时，为了比较和分析的方便都将由 检测出的瞬时流量计算出八个小时的累计流量，累计流量的单位为吨，班。 2 、孔口出流 由于粗锌液流量的不可直接测量性，我们设计的检测方法是让流体流过一个侧壁开有一 定尺寸圆孔的妖方体容器。当液位达到一定高度时粗锌液便从小孔中流出。如果加入量与 流量不同将造成流槽中粗锌液的重量发生变化，从而根据建立的数学模型实时计算流量。这 实际上类似一个流体力学中的问题孔口自由出流。 容器侧壁开一个孔，孔的形状规则，液体自孔口流入另一部分流体中，这种流动称为孔 口出流。当液体经孔口山流直接与大气接触，称为自由出流p “。 孔口直径d 小于孔口前水头h 的十分之一，为小孔口出流，否则为大孔口出流。当孔 口具有尖锐的边缘，且器壁厚度不影响孔口出流形状和出流条件，即壁厚 o 2 v l 00 只( 2 ， 一j ) 时，认为回归方程是显著的。 4 3 3 流量模型的修正 建模的数据来源由于受到现场恶劣的条件和一些不可避免的干扰存在许多异常情况。 数据包含噪声和不确定性。建模前通过以下步骤对搜集的原始数据进行预处理。 1 、平均法消除数据的噪声 设置采样周期为o 1 秒，每1 0 个点做一次平均值数字滤波作为一个数据的输出，可以 有效抵制采集系统带来的测量误差。 2 、剔除不合理的数据 由于采集到的重量值是不可能为负数的，所以这样的重量值要剔出；因为是从高液位到 低液位，所以前一个采样值理论上应该大于后一个采样值，如果不满足这样的要求，应该剔 除【4 ”。另岁 如果相邻的两个重量数据的差值太大会影响建模的准确程度，要将这两个值 删除。 3 、将原始重鼙数据减去皮重获得建模的输入数据；将相邻重量的差值( 前次减后次) 转换为以吨班( 8 个小时为【班) 为单位的流量数据，作为建模的输出数据。 可以以现场人量实验数据为基础选择二次多项式在样本空间内拟合流量与重最之间的 1 | 线性数学模型： 量塑坠! 型翌生兰些兰l 兰! 皇茎王堡型塑塑堂堕里堡型堡塑堑茎 9 = s ，七s | x s x 2 ( 4 1 9 ) 其中自变量z 代表重鼙r 冈变量y 代表流量。，6 ，岛为待辨识参数。 对于1 f 线性回归问题，常用的解决办法是通过变量代换将其转化为多元线性同归的问题 来解决1 。即将二次项当作新的变量，将样本数据通过计算变成新变量的样本。式( 4 1 9 ) 转 换为 多= 6 d + 6 ，x ，+ 6 7 x i( 4 2 0 ) 其中x ，为将重量平方后的新的因变量。 流量仪表在工作方式2 下，实验数据采样完成后，用前述的方法对采样数据进行数值处 理，剔除异常数据。然后根据称重法原理进行二次曲线拟合，建立锌液流量与重量之间的非 线性模型，得出模型参数并将数据保存至x 2 5 0 4 3 的e e p r o m 中。也可以通过工作方式3 通过面板操作进行模型参数的修改、设定，然后，再保存至x 2 5 0 4 3 的e e p r o m 中。 我们在实验室环境下，以水的流量作为研究对象，通过对同一孔径做孔曰出流实验。以 二次多项式在样本空间内拟合流量与重量之间的非线性数学模型。对应表4 6 、表4 7 、表 4 8 的采样数据的建模结果如表4 9 所示。 表4 6 实验数据( 一) 重量：蝇，流量：k s 流量重量流量重量流量重量流量重量流