1．引言
燒結(jié)生產(chǎn)是鋼鐵生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，它包括原料受料，燃料破碎，配料，混料，燒結(jié)和篩分系統(tǒng)等幾方面，其中配料又是整個(gè)燒結(jié)生產(chǎn)過程的關(guān)鍵。以往的配料系統(tǒng)多采用采用智能儀表控制器進(jìn)行簡單的稱量積算和PID調(diào)節(jié)，功能簡單，控制準(zhǔn)確度低，管理功能弱，可靠性不高。為此，我們給出的方案:
?用功能強(qiáng)大的plc取代以往由二次儀表或上位機(jī)完成的復(fù)雜控制算法，二次儀表僅僅用于數(shù)據(jù)的收集；
?在控制算法上，取代了簡單PID調(diào)節(jié)器，采用了基于人工智能的FUZZY-PID算法，使控制更穩(wěn)定；
?用Profibus_DP取代通訊速率低的485通訊；
2．總體設(shè)計(jì)
(1)系統(tǒng)軟、硬件組態(tài)
燒結(jié)配料控制系統(tǒng)分兩級：過程監(jiān)控級和基礎(chǔ)自動(dòng)化級。系統(tǒng)組成如圖1所示。
基礎(chǔ)自動(dòng)化級：
① 6臺(tái)圓盤給料機(jī)采用變頻控制，變頻器采用施耐德ATV71,具有現(xiàn)場機(jī)旁手動(dòng)和上位機(jī)自動(dòng)雙重控制功能，來控制圓盤給料機(jī)的給料量。
② 6臺(tái)圓盤配料皮帶秤采用恒速皮帶秤，具有現(xiàn)場手動(dòng)和上位自動(dòng)雙重功能。稱重機(jī)控制原理如圖2所示。皮帶秤選用北京恒信天正系列電子皮帶秤。
③ 7臺(tái)直拖式皮帶秤采用調(diào)速皮帶秤，變頻器采用施耐德ATV71,皮帶秤選
用北京恒信天正系列電子皮帶秤,具有現(xiàn)場手動(dòng)和上位自動(dòng)雙重功能?？刂圃砣鐖D3。
④ 兩臺(tái)螺旋稱星型給料器由變頻驅(qū)動(dòng)，變頻器采用施耐德ATV71產(chǎn)品，計(jì)量螺旋恒速，控制原理如圖2所示。計(jì)量秤選用北京恒信天正系列電子皮帶秤產(chǎn)品。
⑤ 選用西門子公司的S7-300系列PLC（CPU315-2DP）對配料系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、順控和配料自動(dòng)控制。 PLC編程編程軟件采用：STEP7 V5.3。
⑥ 采用稱重配料控制器實(shí)現(xiàn)對配料系統(tǒng)的后備儀表控制功能。
⑦ PLC自動(dòng)控制和儀表控制可選。
電子秤詳細(xì)參數(shù)及功能見附件一。
過程監(jiān)控級
配料系統(tǒng)配有一臺(tái)上位機(jī)作為操作站。上位機(jī)采用臺(tái)灣研華公司的工業(yè)控制機(jī)IPC，主頻不低于P4 2.4G，硬盤80G，內(nèi)存512MB，在系統(tǒng)開發(fā)時(shí)兼工程師站使用。監(jiān)控級具有數(shù)據(jù)庫管理與維護(hù)功能、配料優(yōu)化計(jì)算與設(shè)定、系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、超限報(bào)警、趨勢記錄以及存檔打印等功能。系統(tǒng)配置一臺(tái)EPSON打印機(jī)。
監(jiān)控軟件采用:WINCC 6。
（2）系統(tǒng)通訊組態(tài)
采用兩級通訊網(wǎng)絡(luò)
① 為保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確和傳輸?shù)目旖?，稱重控制器和PLC之間通訊采用Profibus-DP。
② PLC和工控機(jī)之間采用工業(yè)以太網(wǎng)。
3．系統(tǒng)功能
3.1 系統(tǒng)的工藝要求
配料系統(tǒng)的主要任務(wù)是按燒結(jié)機(jī)對物料的需求量，計(jì)算、分配、控制原料礦槽的下料量，以保證物料平衡和化學(xué)成分符合要求。工藝上對控制系統(tǒng)的要求是:
(1) 實(shí)現(xiàn)各配料秤和集料皮帶機(jī)的順序起停、單機(jī)起停和同時(shí)起停;
(2) 實(shí)現(xiàn)各配料秤的重量配比控制;
(3) 配比計(jì)算功能
根據(jù)總量和各臺(tái)秤的配比，計(jì)算每臺(tái)秤的流量設(shè)定值;
(4) 流量計(jì)算功能
根據(jù)檢測到的重量信號和皮帶速度信號，計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)物料的平均流量，以此平均流量作為反饋量進(jìn)行PID調(diào)節(jié);
(5) 報(bào)警功能
對經(jīng)常出現(xiàn)的故障如堵料、皮帶打滑、電機(jī)過流過載等進(jìn)行聲光報(bào)警，出現(xiàn)堵料情況時(shí)，要求自動(dòng)起動(dòng)礦槽上的振動(dòng)器電機(jī)，恢復(fù)下料后自動(dòng)停振;
(6) 后備功能
當(dāng)PLC系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，能迅速切換到后背儀表控制器進(jìn)行控制;
(7) 報(bào)表打印功能
人工干預(yù)和定時(shí)打印各種時(shí)報(bào)、班報(bào)、月報(bào)等報(bào)表;
(8) 停電保護(hù)功能
停電后再次供電時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行初始化復(fù)位，保證各臺(tái)設(shè)備均處于停機(jī)狀態(tài)，以防人身事故和設(shè)備事故的發(fā)生。
3.2 系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)原理如圖2、3所示。
以直拖式調(diào)速稱為例，系統(tǒng)開始工作時(shí)，工控機(jī)首先根據(jù)本次生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行各種初始化，包括原料各成分的名稱、倉號、產(chǎn)量、標(biāo)準(zhǔn)配比，并優(yōu)化計(jì)算出各倉的標(biāo)準(zhǔn)流量等，然后工控機(jī)將計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)流量傳遞個(gè)plc和儀表控制器。plc按一定時(shí)序控制各給料機(jī)和皮帶秤的啟動(dòng)，各給料機(jī)按一定流量給料。儀表控制器根據(jù)現(xiàn)場采集的皮帶機(jī)速度信號和重量信號累積計(jì)算出實(shí)際流量，并把此信號傳遞給plc和工控機(jī)，plc根據(jù)各成分累積量值計(jì)算當(dāng)前的實(shí)際配比，通過與標(biāo)準(zhǔn)配比的比較修正各給料機(jī)的給料量，控制皮帶電機(jī)變頻器，控制給料流量，使系統(tǒng)工作在最佳配比狀態(tài)。
3.3系統(tǒng)調(diào)速控制策略
（1）目前常規(guī)配料自動(dòng)控制策略
配料儀表接受來自秤體的稱重信號和測速信號，經(jīng)積算后顯示瞬時(shí)流量和累計(jì)量，并將瞬時(shí)流量以4～20毫安模擬電流的形式送往PID調(diào)節(jié)器作為調(diào)節(jié)測量輸入信號，調(diào)節(jié)器將該信號與機(jī)內(nèi)設(shè)定值比較運(yùn)算后輸出4～20毫安模擬調(diào)節(jié)信號，控制給料電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而進(jìn)一步控制該種物料的下料流量，最終使幾種煤料的瞬時(shí)下料流量與階段累計(jì)量都保持在用戶要求的范圍內(nèi)。要改變流量及配比可直接在調(diào)節(jié)器上進(jìn)行設(shè)定操作，操作簡單方便。第i號給料機(jī)的控制方框圖模型如圖4所示。
適用上述解決方案的工藝現(xiàn)場首先必須滿足這樣一個(gè)前提條件，那就是物料給出量必須與給料控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。要使系統(tǒng)具有良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，即有較高的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性，系統(tǒng)還必須具備兩個(gè)條件：
1）系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)性質(zhì)穩(wěn)定，這包括它的容量系數(shù)、阻力和傳遞距離等內(nèi)容。
2）調(diào)節(jié)器有合理的PID參數(shù)。只有將這三種作用的強(qiáng)度作適當(dāng)?shù)呐浜?，才可以使調(diào)節(jié)器快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確地運(yùn)行，從而獲得滿意的控制效果。
在這兩者中，條件1）是條件2）的前提，因?yàn)镻ID參數(shù)取決于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，而影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的主要因素是系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。
因?yàn)橐酝Ｓ门淞戏Q重系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)是采用一般的PID控制算法，其參數(shù)一般是按階躍響應(yīng)的過渡過程時(shí)間來整定的，靈敏度較高，對于固定參數(shù)的系統(tǒng)有著較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，從理論上講能做到無誤差調(diào)節(jié)，在誤差較小的范圍內(nèi)確有其優(yōu)越性。但是，實(shí)際中電子皮帶秤自動(dòng)配料系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確度會(huì)受到多個(gè)因素的影響。如：物料物理特性、機(jī)械震動(dòng)、給料設(shè)備安裝準(zhǔn)確度、料倉結(jié)構(gòu)形狀等因素的影響；而且現(xiàn)場環(huán)境較為復(fù)雜、惡劣，其他外界干擾頻繁。由于以上因素的存在，系統(tǒng)誤差往往較大，其動(dòng)態(tài)特性并不理想，超調(diào)量一般較大，導(dǎo)致控制系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)理想的控制效果。此時(shí)，皮帶秤的計(jì)量性能和配料準(zhǔn)確度都會(huì)受到影響。在這里我們采用模糊-PID復(fù)合控制技術(shù)、將模糊控制技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)的PID控制策略應(yīng)用在配料系統(tǒng)的調(diào)節(jié)中，可有效解決上述問題。
（2）系統(tǒng)FUZZY-PID控制模型
該系統(tǒng)的特點(diǎn)是由一臺(tái)上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，由一套plc來控制多臺(tái)給料機(jī)，為了實(shí)現(xiàn)一定的配比，各給料機(jī)之間的工作又是相互聯(lián)系的，而且給定量要隨當(dāng)前的實(shí)際配比進(jìn)行修改，因此其控制結(jié)構(gòu)是較為復(fù)雜的。第i號給料機(jī)的控制方框圖模型如圖5所示。
從圖5中可以看出，該系統(tǒng)屬于一個(gè)多閉環(huán)有關(guān)聯(lián)控制結(jié)構(gòu)。就第i號給料倉而言，有兩個(gè)閉環(huán)和一個(gè)前饋，內(nèi)環(huán)是一個(gè)FUZZY-PID控制器，據(jù)給定流量Fgi去控制調(diào)速給料機(jī)，使其給料流量Fi控制在理想的給定值Fgi附近,由plc實(shí)現(xiàn)。外環(huán)根據(jù)當(dāng)前的累積值和希望產(chǎn)量之差ΔP以及前饋環(huán)節(jié)的給料機(jī)當(dāng)前流量來修正內(nèi)環(huán)的給定值有，由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)。
控制器采用FUZZY-PID復(fù)合控制方式，當(dāng)偏差較大時(shí)采用模糊控制，當(dāng)偏差減小到較小范圍時(shí)采用PID控制方式。這樣就可以解決系統(tǒng)誤差較大，其動(dòng)態(tài)特性不理想，超調(diào)量較大的控制難題。
（3）FUZZY-PID復(fù)合控制器的設(shè)計(jì)
如圖6所示，被控量為Fi，控制量為Ui，采用FUZZY-PID復(fù)合控制方式，當(dāng)偏差較大時(shí)采用模糊控制，當(dāng)偏差減小到較小范圍時(shí)采用PID控制方式。二種控制采用并行的方法，由Bang-Bang開關(guān)進(jìn)行切換。
1）Bang-Bang轉(zhuǎn)換開關(guān)
Bang-Bang轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)際上是控制器中的軟件開關(guān)，由其決定采用那種控制算法。設(shè)e1表示大小偏差的分界值，其切換規(guī)律如下：
當(dāng)｜Ei｜〈= e1時(shí)，Kp=“1”，Kf=“0”，即采用PID控制規(guī)律；
當(dāng)｜Ei｜ 〉e1時(shí)，Kp=“0”，Kf=“1”，即采用模糊控制規(guī)律。
2）PID控制器
PID控制器采用一般的增量式數(shù)字算法，其參數(shù)按常規(guī)整定。
理想的模擬PID控制算式見公式
其中，
p： 調(diào)節(jié)器輸出
e： 調(diào)節(jié)器偏差輸入信號
Kp： 比例系數(shù)，常用比例帶Ｐ表示，P＝1/Kp
Ti： 積分時(shí)間，Ti越大，積分作用越弱，積分時(shí)間越長
Td： 微分時(shí)間
3）模糊控制原理及模糊控制器的實(shí)現(xiàn)
模糊控制通過模糊邏輯和近似推理方法，把人的經(jīng)驗(yàn)形式化，模型化，變成計(jì)算機(jī)可以接受的控制模型，讓計(jì)算機(jī)代替人來進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)控制，為實(shí)現(xiàn)模糊控制，計(jì)算機(jī)作為模糊控制器，必須解決以下三個(gè)問題：
a 輸入量輸出量的模糊量化；
b 建立模糊控制規(guī)則，或模糊控制規(guī)則表；
c 輸出信息的模糊判決。
圖7所示，為模糊控制的原理框圖：
S：系統(tǒng)的設(shè)定值，是精確量。
e，c: 系統(tǒng)偏差與偏差變化率，均是精確量。
E，C：經(jīng)模糊量化處理后，偏差與偏差變化率變成的模糊量。
