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
(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)自動化級。系統(tǒng)組成如圖1所示。

基礎(chǔ)自動化級：
① 6臺圓盤給料機(jī)采用變頻控制，變頻器采用施耐德ATV71,具有現(xiàn)場機(jī)旁手動和上位機(jī)自動雙重控制功能，來控制圓盤給料機(jī)的給料量。
② 6臺圓盤配料皮帶秤采用恒速皮帶秤，具有現(xiàn)場手動和上位自動雙重功能。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)場手動和上位自動雙重功能。控制原理如圖3。


④ 兩臺螺旋稱星型給料器由變頻驅(qū)動，變頻器采用施耐德ATV71產(chǎn)品，計量螺旋恒速，控制原理如圖2所示。計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)配有一臺上位機(jī)作為操作站。上位機(jī)采用臺灣研華公司的工業(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)化計算與設(shè)定、系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時顯示、超限報警、趨勢記錄以及存檔打印等功能。系統(tǒng)配置一臺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)目旖荩Q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)起停和同時起停;
(2) 實(shí)現(xiàn)各配料秤的重量配比控制;
(3) 配比計算功能
根據(jù)總量和各臺秤的配比，計算每臺秤的流量設(shè)定值;
(4) 流量計算功能
根據(jù)檢測到的重量信號和皮帶速度信號，計算一段時間內(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)行聲光報警，出現(xiàn)堵料情況時，要求自動起動礦槽上的振動器電機(jī)，恢復(fù)下料后自動停振;
(6) 后備功能
當(dāng)PLC系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能迅速切換到后背儀表控制器進(jìn)行控制;
(7) 報表打印功能
人工干預(yù)和定時打印各種時報、班報、月報等報表;
(8) 停電保護(hù)功能
停電后再次供電時，系統(tǒng)進(jìn)行初始化復(fù)位，保證各臺設(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，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)化計算出各倉的標(biāo)準(zhǔn)流量等，然后工控機(jī)將計算出的標(biāo)準(zhǔn)流量傳遞個plc和儀表控制器。plc按一定時序控制各給料機(jī)和皮帶秤的啟動，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)積算后顯示瞬時流量和累計量，并將瞬時流量以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下料流量與階段累計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)呐浜希趴梢允拐{(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)的動態(tài)特性，而影響系統(tǒng)動態(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配料系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確度會受到多個因素的影響。如：物料物理特性、機(jī)械震動、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，皮帶秤的計量性能和配料準(zhǔn)確度都會受到影響。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)是由一臺上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，由一套plc來控制多臺給料機(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，有兩個閉環(huán)和一個前饋，內(nèi)環(huán)是一個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)偏差較大時采用模糊控制，當(dāng)偏差減小到較小范圍時采用PID控制方式。這樣就可以解決系統(tǒng)誤差較大，其動態(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
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)偏差較大時采用模糊控制，當(dāng)偏差減小到較小范圍時采用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，Kp=“1”，Kf=“0”，即采用PID控制規(guī)律；
當(dāng)｜Ei｜ 〉e1時，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： 積分時間，Ti越大，積分作用越弱，積分時間越長
Td： 微分時間
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，變成計算機(jī)可以接受的控制模型，讓計算機(jī)代替人來進(jìn)行有效的實(shí)時控制，為實(shí)現(xiàn)模糊控制，計算機(jī)作為模糊控制器，必須解決以下三個問題：


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。