现场总线络技术和先进控制技术在传统产改造中的应用设计.doc

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1、 现场总线络技术和先进控制技术在传统产业改造中的应用研究 项目概述虽然铅烧结工艺流程本身是一个较为成熟的冶炼流程，但将包括配料、料转运、烧结、烟气处理等工序在内的烧结全过程的优化稳定控制仍然是需要深入研究的课题，特别是在环境要求越来越高的当今时代，稳定的烧结冶炼过程，不但是提高产量与效益的基本保障，更是保证低二氧化硫排放的重要措施。因此借助于先进的网络或总线平台，采用先进的控制技术，开发实用的应用软件，实现铅烧结过程的优化控制，具有显著的经济效果和社会效益。本项目的立项是通过深入分析铅烧结全过程中的控制难点，以及冶炼过程存在分散、时变、非线性和强耦合等复杂的特性，通过多学科理论的集成融合，采用

2、先进的控制技术，借助于现场总线及Web网络平台，开发实用的应用软件，实现面向生产过程的铅烧结控制和管理。主要内容包括：针对铅烧结过程的自动化升级改造，应用多种现场总线技术，完成主要监控软件的设计；围绕铅配料过程的控制，将料量检测部分原来的有秤架的重力式电子秤改为无力传感机构的核子秤，料量的调节控制采用变频调速器控制电机，自动配比控制功能软件帮助系统按照工艺技术人员的配料单给出的各种配比数，严格控制各仓的下料量，配出比例合符要求的混合物料，以实现自动配比控制。并设计一种基于滑模变结构的核子秤称量控制器；针对制粒与混合工艺湿度控制的难点，构架了以红外湿度检测为基础的、以智能控制为核心的分布式现场控

3、制器；对烧结点火炉及烧结终点控制，设计了基于模型跟踪控制方案的现场总线控制器。1 详细科学技术内容2.1系统的总体设计思想2.1.1引言 现场总线控制系统综合了多种技术手段，从根本上突破了系统“点对点”式的模拟信号或数字模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、多接点的通信与控制系统。虽然目前IEC组织已达成了国际总线标准，但现有总线种类仍然繁多，现场总线产品更是成千上万。而且各种总线都自成标准，互相之间兼容程度较少，如何进行多现场总线产品集成，从而使整个系统实现管控一体化是在企业自动化改造中有待解决的问题。 本项目首先分析了铅烧结工艺流程，针对铅烧结过程自动化升级改造问题，在对已有的现

4、场总线进行分析的基础上，提出了一种多现场总线产品集成方案，最后给出了其主要软件设计流程和原理。2.1.2 铅烧结工艺流程铅烧结过程产生的烟气浓度较低，只有2.53.5%，难以用常规方法制酸，而稀释后放空又会对周边环境造成较严重的污染，因而需要对其进行治理。同时，为提高铅烧结产量及作业水平，也需将铅烧结过程的检测自动化系统进行升级改造。铅烧结过程包括配料、料转运、烧结、烟气处理等工序。首先将铅精矿、焦粉、河沙、石灰石、水粹渣等经皮带送入相应的配料仓中，各料仓中的矿料按工艺配料单的要求，经配料秤按配比下料，经混合圆筒混合，加入适量的水，并控制好混合料的湿度，经多级皮带运输机送到制粒圆筒再次混合制粒

5、后送烧结机。烧结机为60平方米鼓风烧结机，一次布料为点火层，经点火炉吸风点火，将一次布料点燃后，再经二次布料达到标准料层厚度进入烟罩进行鼓风烧结，根据烧结温度分布情况控制台车速度，以求得较为理想的烧结效果。烧结机产出的烧结块经单轴破碎、齿辊破碎、筛分后符合要求的烧结块送鼓风炉，筛下物料经波纹辊破碎、光辊破碎、加水冷却后送配料仓。烧结机产出的烟气经洗净后送后续工艺制酸。工艺流程如图2.1所示，其中包含了铅配料系统控制、混合料湿度控制、烧结机点火炉温度控制、风机鼓风流量控制、烧结机烟罩烟气压力控制、烟气洗涤工艺的加药控制、动力波堰涡流量控制等若干个既紧密相关又相对独立的环节。其工艺要求如下：(1)

6、 由于各工艺内部连锁控制与仪表参数控制的关系密切，因而要求工艺控制过程中电仪一体化；(2) 由于该流程是在老厂房内进行，许多设备或控制室的布置只能利用原厂区的空地或原建筑物结构，使得主控室、操作室、配电室与工艺设备距离较远，且不规范，设备与操作室的布置难度较大，为布线工程的考虑也就要求仪表控制和电气控制现场总线化；(3) 由于整个工艺流程较长，且各工序间具有紧密连锁要求，因此要求整个控制和管理网络化。鼓风炉混合制粒配料排风机烟气动力波洗涤制酸鼓风机图2.1 铅烧结工艺流程图根据上述需求，控制系统配置单纯使用哪一种现场总线结构都不能完全满足控制系统的要求，因此, 本章采用现场总线及Web网络技术

7、，提出了将几种现场总线国际标准结构进行集成的方案，实现了面向生产过程的铅烧结控制和管理。2.1.3现场总线及集成方案的选择 每种现场总线都有自己最适合的应用领域，如何在实际中根据应用对象，将不同层次的现场总线组合使用，使系统的每部分都选择最合适的现场总线是本设计的出发点。(1) 现场总线的选择现场设备层现场设备层主要功能是连接现场设备，如各类仪表，驱动器、执行机构等电气设备。现场总线类仪表，基于FF（H1）总线的产品相对较多，可选择的余地较大，我们选择FF现场总线仪表；就电气设备而言，基于Profibus-DP总线、DeviceNet总线、以及Interbus总线的产品相对较多，但智能型电气设

8、备多集中于Profibus-DP总线和DeviceNet总线，考虑到Profibus-DP总线上不仅可挂分散I/O、智能电气设备，而且能挂从站型的PLC，这样给系统的配置带来了更大的灵活性，我们选择Profibus-DP总线作为电气控制总线。图2.2 总线标准选择车间监控层车间监控层用来完成车间生产设备连接、监控生产管理等。在这一级上可选的网络产品有：通用工业控制以太网、高速以太网HSE（尚无可选产品）、ControlNet网、以及Profibus-FMS网等。由于本对象地域分布较广，因而我们选择工业控制以太网，对于Profibus-DP总线上的PLC主站控制器和FF（H1）总线上通讯控制器之

9、间的通讯，考虑因高速以太网尚无定型产品，出于对通用以太网处理高速通讯时在可靠性方面的考虑，我们用Modbus（RTU）来实现两者间的通讯，同时采用客户机/服务器（Client/Server）模式进行网络服务和管理，在考虑与信息层进行数据交换时，在服务器内配置了带OPC的控制管理软件。总线标准的选择如图2.2所示。（2）系统的集成图2.3 系统配置图烧结与动力波配料风机系统Profibus-DPProfibus-DPH1H1Profibus-DP分厂办公室P在烧结主控室配置了2台操作站、1台工程师站、1台现场网络控制与管理站、2台PLC主站，同时还通过光缆与分厂办公室的工作站相连，以实现远方监视

10、。在配料控制室设置了1台操作站、1台现场网络控制与管理站。控制系统配置如图2.3所示。根据本控制对象的工艺流程及工艺设备与操作控制室的布置情况，设置了系统总监控点300余点，系统FF设备60台。系统构成时需按几段工序集中站点考虑，即按Web站思路布局。这里我们尝试且实现了多厂家控制设备与现场总线设备的集成。H1总线上集成的总线设备主要采用了EMERSON PROCESE MANAGEMENT的3051压力或差压变送器、3244温度变送器、DVC5010F与DVC5030F阀门定位器、SMAR的FY302阀门定位器、E+H的Pormag 53P电磁流量计等。电气控制采用SIEMENS的S7-30

11、0主站PLC，配置Profibus- DP总线。在Profibus -DP总线上集成有SIEMENS的S7-300从站PLC、S7-200从站PLC、HMI、智能分散I/O、6SE71智能变频器等。上位监控与管理采用EMERSON PROCESE MANAGEMENT的Delta V来实现，Delta V总线控制器与S7-300PLC通过Modbus(RTU)通讯，各控制站间的通讯采用工业以太网及12端口双速（10M/100M）光纤通讯口Hub完成。多种控制产品的集成是通过操作站软件、现场总线装置数据库以及相应的应用软件等来实现，并用增强型专业工作站软件进行系统网络服务管理，这样除各子站之间实

12、现相互的联锁控制之外还可提供操作信息的相互浏览。由于采用大量现场总线设备，使得基础过程设备的参数可在操作站上实现透明的Web浏览和参数互操作，同时还配有OPC远程服务软件来实现与上层网络的通讯，向工厂的管理网提供过程操作与数据趋势的信息浏览服务。2.1.4系统应用软件的总体设计除在PLC主站中实现顺控功能外，整个控制系统的集成是在Delta V中实现。Delta V系统是基于基金会现场总线技术的FCS。基金会现场总线通讯技术则是基于标准的开放系统互连模型（OSI）。其通信模型由三个主层构成，如图2.4所示。(1) 物理层该层接收来自通信栈的信息并将信息转换成信号传送到现场总线段上。同时，接收现

13、场总线段上的信号并将信号转换成信息传送到通信栈。(2) 通信层通信栈由数据链接层、现场总线访问层及现场总线说明层组成。数据链接层控制现场总线段上信息的传输，并管理设备与设备之间或设备与Delta V主机之间的通信。现场总线信息规范User Application Layer用户应用层Communication Layer 通信栈Physical Layer 物理层现场总线访问子层数据链接层DeltaV 应用程序:DeltaV ExplorerControl StudioGraphy Studio通讯管理:任务调度数据传送通讯支持及管理现场总线设备及接线Field Bus图2.4 现场总线通信模

14、型(3) 用户应用层即Delta V应用程序，如Delta V浏览器，控制工作室，图形工作室等。在Delta V系统中，用图形化方式来组态现场总线设备，建立总线与总线设备之间的通信以及管理现场总线设备中的控制回路。在Delta V中创建过程控制系统，其特点是易于建立和操作，前后一致且安全可靠。为了达到这些目标，Delta V系统运用了以下技术：硬件安装采用即插即用技术；可多次使用的控制模块库（包括面板、详细显示和历史组态）便于简化初始化组态工作；采用拖放技术以简化系统组态与修改；类似于Windows NT操作系统的统一图形界面；确保系统安全性和完整性的硬件与软件方法；完成组态过程的组态向导工具

15、；集成的上下文敏感的帮助和在线文档。在Delta V系统的用户应用层，组态工程师可采用自顶向下的方法来开发自己的应用系统：使用Delta V浏览器ASMInside来组态管理及标定现场总线设备；用控制工作室Control Studio，配方工作室Recipe Studio开发控制策略；用图形开发工作室Graphic Studio开发操作界面。开发过程如图2.5所示：用户Control StudioRecipe studio控制策略操作界面现场总线设备组态标定现场设备Graphic studioDeltaV ExplorerAMS Inside图2.5 软件开发过程图用Delta V浏览器管理与

16、组态现场总线设备包括如下内容：(1) 现场总线设备的使用在Delta V系统中，现场总线设备的投运是在Delta V浏览器中完成的。现场总线设备具有自感应能力，当H1总线插入I/O插槽，现场总线设备连接到H1卡的接线槽，设备描述表（DDS）被载入，H1卡自动检测现场总线设备，识别设备的类型，并将可用信息传送到Delta V系统中，Delta V通过浏览器来组态与管理这些设备。(2) 现场总线设备的诊断在Delta V系统中，Delta V浏览器、控制工作室、诊断程序及H1总线卡本身都提供了大量的现场设备诊断信息。在Delta V浏览器中，可对设备进行下列操作：确定设备是否在用；检查H1卡现场设

17、备的完整性；检查端口及每台设备的统计数据。(3) 现场总线设备的组态及标定在Delta V系统中，采用了AMS-Inside技术，在浏览器中可方便地对现场总线设备进行组态和标定。现场总线设备出厂时，通常根据用户的设计参数已对仪表进行了出厂组态和标定。设备连接到总线段上后可直接投入运行。用户也可在浏览器中重新组态和标定这些设备。在Delta V系统中，组态工程师可通过使用Control Studio采用自顶向下的工程方法开发过程控制策略。其系统分级结构如图2.6所示。Delta V系统包括了模块、功能块和参数三个关键环节。模块是系统中最小的逻辑控制实体。通常，一个模块包含一个独一无二的控制实体并

18、带有与之联系的逻辑，比如控制回路或马达。一个模块包含了算法、状态、警报、显示、历史信息和其它定义过程设备的特性。功能块是生成连续和离散算法的基本结构，而算法则执行过程控制或监控操作。Delta V库包含了适用于各种功能的功能块模板，包括模拟控制（偏差增益、超前滞后、等）、离散控制、输入输出及其它的基本控制功能。每个功能块都包含参数，便于修改，从而可满足用户定制算法的要求。算法可以是简单的输入变换也可以是通过合并组成复合算法的复合功能块。参数是在模块的算法中由用户定义的数据，用来执行计算和逻辑。参数可以通过它所提供的类型来描述，比如输入、输出。Delta V系统包含了带有基本性质的现存的模板库。

19、可以定制这些库模块，也可以创建自己的模块，定制的模块可以增加到库中，在开发控制策略的过程中这些模块可以反复使用。功能块算法FBD 或SFC工厂区域模块参数烟气治理6#沸腾炉烧结动力波WSA配料MTR-101（二位式马达）TIC-101PID回路XV101（截止阀门）功能块图PIDPIDPIDH1-LIM（报警限）IOIN（输入）Gain（增益）SP（设定值）图2.6 DeltaV 系统结构层次图2.3 铅配料控制器及应用软件的设计开发2.3.1 系统的组成及工作原理铅配料是根据工艺配料的要求，将烧结的各种物料按一定比例进行配制的工序。而物料重量的准确测定是实现高精度配料的基本前提。在以往的生产

20、中，种种原因致使设备运行状况不稳定，无法实现真正意义上的料量配比自动控制。本项目围绕铅配料控制系统的设计，开展了以下几方面工作：将料量检测部分原来的有秤架的重力式电子秤改为无力传感机构的核子秤，克服了托辊支承结构变形及皮带跑偏等因素的影响，称量的实际精度大有提高，技术状况稳定，送给数据采集系统的信号也很可靠；而料量的调节控制采用了变频调速器控制电机，设备的性能稳定；再辅以自动配比控制功能软件，则系统可按照工艺技术人员的配料单给出的各种配比数，严格控制各仓的下料量，配出比例符合要求的混合物料，以实现自动配比控制。最后，重点介绍了一种基于滑模变结构核子秤称量控制器的设计方法。各配料仓下料量，原由D

21、FHX-P型核子秤进行实时检测，为实现自控系统一体化，减少中间转换传输环节，将原核子秤机构检测到的速度信号和荷重信号，均以脉冲频率信号的形式直接送到PLC的脉冲频率信号输入模块，由PLC将频率信号转换为数值信号传送给Delta V系统。在Delta V系统中，应用CALC运算模块编制了料量信号处理的数学模型块，对核子秤的速度信号和荷重信号进行运算处理，得到实际的料量信号，省去了脉冲/模拟量转换和模拟量/数字量转换等中间转换环节，减少了由传输转换过程引起的误差。微机核子秤由放射源（铅室）、传感器（电离室）、测速机构及机架等几部分组成。放射源发出的射线穿过输送皮带上的物料后，其强度减弱，物料越大。

22、减弱后的射线与物料的厚度有以下规律： (2.1)式中 I表示穿过物料后的射线强度；表示穿过物料前的射线强度；表示被测物料对射线的质量吸收系数，对确定的物质和一定能量的射线，其值为常数；表示被测物料的物质密度；T表示被测物料的几何厚度。由于传感器（电离室）的输出信号U与射线强度成正比，因此有： (2.2)式中表示皮带上无料时（空载）传感器输出信号强度。设： (2.3)系数与的值可以通过标定进行确定。若皮带速度为V则物料流量为： (2.4)由此可知，通过测量输出信号U及皮带速度V则就可求得物料流量，从而获得瞬时重量和累积量。在运算处理单元中增设了一些中间变量，通过运用傅里叶变换式等多种数学运算方式

23、，保证程序的运算误差不高于0.05%。因电离室和速度传感器的输出信号幅值达不到PLC输入模件的要求，在其间增加了隔离增幅处理电路，将脉冲信号接入了PLC控制器的I/O接口。PLC将频率信号转换为数值信号传送给Delta V系统。在软件编制过程中，还充分考虑了调试校秤时的参数设置问题，设置了自动标定零点程序，并设有一个自动标定秤零点的开关。当皮带上无料时设置标零开关为标零状态，运行一段时间后，程序可自动完成标定零点工作。核子秤称量信号处理程序具有实时料量显示、皮带速度显示、历史趋势曲线记录、每班物料处理累积量、断料报警等功能。在Delta V系统中编制的核子秤控制软件，不仅完全取代了原有的一机八

24、秤的PC机控制系统软、硬件功能，省去了核子秤专用PC机这一中间环节，并在原有功能基础上进行了扩充，使信号可在Delta V系统中供控制配料料量使用。在烧结配料控制软件中，除断料报警之类的简单功能外，还设置了许多综合控制功能，如：(1) 同种物料料量智能控制两个仓的物料相同，当两个仓同时开动使用时，各个仓自动控制到所需要料量的一半；而当某个仓断料持续一定时间时，给出报警提示，并自动加大另一个仓的下料量为该种物料的总需要量，以确保配料均衡。(2) 物料自动配比控制功能各配料仓中存放有铅精矿、浸出渣、河沙、焦粉等多种物料。配料工序的作业目标是：按照工艺技术人员的配料单给出的各种配比数，配出比例符合要

25、求的混合料。人工控制料量时，总料量调整往往只能调整一、两种量大的物料，小料量的物料不作调整。这往往使得物料的配比偏离了给定的配比数据，不能很好地满足工艺要求。而在自动配比控制功能中，操作人员可以按物料种类将配料单数据输入到控制计算机中，由自动配比控制功能软件根据物料所需总量和配比数据计算出各种物料的实际下料量。在实际生产中，总配料量是根据烧结机台车速度情况进行调整的，台车速度快时总料量增大，反之，要减少配料的总料量。自动配比调整软件，可严格按配比要求控制各仓的下料量，自动调节总下料量和各种物料的实际下料量，提供完全符合配比要求的混合物料。2.3.2 核子秤称量控制器的设计料仓下料量的控制通过D

26、elta V系统对实测料量信号进行运算，然后经输出模块输出420mA信号来实现的。由于相对于Delta V控制系统来说，变频调速器是一种工作在高频、大电流下的有强干扰信号的设备，420mA的电流输出信号不能直接用于控制变频调速器，因此在Delta V控制系统与变频调速器之间加装了隔离器，把420mA的电流信号通过隔离器传给变频调速器，再由变频调速器调节输出电流的频率改变所带电动机的转速，从而调节皮带传送速度来调整料量。系统配置如图2.7所示。核子秤PLC(M)Delta VPLC(S)操作站变频器动力电机电源图2.7 核子秤称量控制系统除此之外，由于物料重量变化范围大，还有必要对电动机速度进行

27、控制。在现行的工业过程控制系统中，传统的PID控制仍然是应用最为广泛的一类控制算法，究其原因一方面在于它对大多数过程都具有良好的控制效果和鲁棒性，另一方面是因为人们对工业过程的认识还远远不够，阻碍了以精确数学模型为基础的现代控制理论的应用。此外，PID算法原理简明，参数物理意义明确，并且有完整的理论分析体系和丰富的应用经验，这也是其长期以来得到广泛应用的重要原因。不过，PID控制器也存在许多不足，如对于大滞后对象、非线性对象及参数慢时变且受随机干扰的系统，常规PID控制就显得无能为力。极点配置自适应PID控制器和基于二次型性能指标的参数优化自适应PID控制器是较为常见的两种改进型的PID控制器

28、，但由于它们对被控过程模型有较强的限制，因而对不能或难以用精确数学模型描述的复杂过程难以奏效，这也是目前阻碍这类自适应PID控制器广泛应用的主要原因。滑模变结构则为解决非线性系统的控制提供了新的思路。尤其对于模型不确定的复杂系统，它采用系统分析方法来解决问题，使控制具有快速性和较好的稳定性。本项目研究了一种基于滑模变结构的控制器设计方法。以铅配料中的物料测量为对象，给出设计方法的结果。2.3.3 基于滑模变结构设计方法 对于系统 (2.5)在变结构控制理论中，能达性条件可表示为：。为了使所有轨迹在有限的时间内到达切换面，可采用趋近律的方法来确定变结构控制律。通常采用的是指数趋近律 (2.6)式

29、中 为正常数。其中趋近律为一个固定常数，它的选取通常是根据保证正常段的快速性和减少滑模段的抖振性进行折衷而确定的。滑模段出现抖动现象将会极大地影响变结构系统的品质，为减少抖振而选取的常数趋近律就必然会影响到系统的快速性。在这里，我们采用变趋近律 (2.7)选择如下的切换函数 (2.8)由式（2.6）、（2.7）可知 (2.9)由式（2.8）、（2.9）可以得出变结构控制律为 (2.10)由式（3.15）可见，变结构控制与趋近律函数和切换函数的系数阵有关，因此合理地选择趋近律和切换函数，可使得变结构的运动过程有优良的品质。2.3.4 控制效果分析与讨论分别采用上述基于滑模变结构的设计方法和基于部

30、分模型匹配的设计方法进行了现场对比实验。图2.8给出了在给定阶跃速度响应情况下，给定值为1r/min的仿真结果。图中横轴代表时间轴，单位为秒，纵轴代表速度响应，单位为r/min。曲线1为基于滑模变结构设计方法获得的结果，曲线2为基于部分模型匹配设计方法获得的结果。图2.8 基于部分模型匹配设计方法的速度响应曲线(J增大20%)图2.9 基于部分模型匹配设计方法的速度响应曲线 (J减小20%)从图2.8所示的结果可看出，采用基于滑模变结构的设计方法有助于提高系统的响应速度。下面通过改变电机转动惯量J的值，来比较两种控制方法下系统的鲁棒性能。图2.10采用两种控制方法获得的系统阶跃响应曲线图2.1

31、3 基于滑模变结构设计方法的速度响应曲线(J值减少40)图2.12 基于滑模变结构设计方法的 速度响应曲线(J值增加400)图2.11 基于滑模变结构设计方法的速度响应曲线(J值增加200)在图2.9图2.13中，曲线1表示参数J为固定值时系统的响应，曲线2表示参数发生一系列变化后系统的响应。21从图2.9与图2.10中可以看出，若采用部分模型匹配设计方法，当系统转动惯量J增大或减小20时，系统的速度响应出现较明显的变化。而图2.11与图2.12中，由于采用了滑模变结构设计方法，J值增大幅度达到200时，速度响应的变化还不是很明显。增幅达到400时，变化程度接近于图2.12中增幅为20时的情况

32、。图2.13中，J值减少40时的速度响应变化明显小于图2.9中J值减少20时的变化。在图2.11图2.13中，没有列出J值增大或减小20时的仿真波形，因为波形中响应曲线1与2几乎重合，即速度响应的变化非常小。由此可知，采用滑模变结构设计方法的系统对于外部扰动有着较强的鲁棒性。 可见项目提出的铅配料的配比自动控制，较之人工控制各仓下料量的方式无论在稳定性还是物料配比的准确性方面都可提升一个档次。同时还可将各料仓的振打器联入计算机系统，在堵料、下料不畅时控制短时振打，减少因堵料、下料不畅等原因引起的断料现象。提高烧结料配比的准确性，有利于生产工艺管理人员对生产情况进行管理控制，且可减轻配料岗位工人

33、的劳动强度。项目所研究的滑模变结构核子秤称量控制器的设计，较之原来铅配料系统中采用PID控制器, 当系统参数发生较大变化时，具有较强的鲁棒性，适用于较复杂的工业过程控制。2.4 混合料湿度控制器及应用软件的设计开发2.4.1 系统的描述 制粒是烧结的上前一道工序，烧结原料在进入烧结机之前，须按一定比例进行均匀混合，并制成一定的颗粒。而混合的湿度，是影响物料在混合过程中形成理想颗粒的主要因素，其参数的选择直接影响到烧结机上物料的透气性、烧结工艺中成块率高低以及烧结块质量，最终影响到烧结点火的环节。 在本项目中，首先提出了一种基于现场控制总线的铅烧结混合料湿度控制方案，然后结合智能控制理论，设计了

34、湿度控制器， 铅烧结系统中混合料的含水分情况理想时，混合物料成球团状形状，透气性好；过于干燥则物料在混合过程中难以形成球团状，粉状物料堆积在一起使物料间的空隙较小，透气性不好；水分过多则如同稀泥，其透气性也不好。在混合料的化学组成和粒度组成不变的情况下适量加水，使之在混合制粒过程中形成球团颗粒状，一方面大大改善了炉料的透气性，另一方面通过水分产生的蒸发热可占炉料总发热量的10以上。如果由人工进行水量的调节，易出现混合料过湿或过干的情况，而准确的混合料湿度自动控制则可使烧结机的烧结能力提高2040。 一般的混合料湿度控制以串级方式进行调节如图2.14。其中，湿度控制为外环，水流量控制为内环。 图

35、2.14 水分控制系统原理框图 在水流量控制的副环中，考虑到控制对象的时间常数小，并伴有噪声，故一般不采用微分环节，而是简单地采用PI调节器即可。在控制物料湿度的主环中，从将水加入制粒圆筒起到制粒圆筒送料到皮带上并检测物料湿度止，这其间存在较大的纯滞后时间。采用一般的PID调节器来克服这样的大纯滞后，通常很难达到满意效果，而带预估控制的采样PI调节器则可以起到比较好的抑制滞后作用。但是由于进料量经常变化，特别是仓内下料的瞬间波动以及各皮带给料相对于总皮带的不同位置存在着一个料头时间偏差，PI调节器仍难以达到工程所需的控制精度。 因此我们设计基于现场总线的湿度控制系统如图2.15所示。图2.15

36、现场总线的湿度控制系统 该系统仍采用串级工作方式，其中水量调节仍作为副环，采用传统的PI调节器快速消除水路部分的扰动对系统的影响。而主环则改用基于智能滑模变结构的控制器来对湿度进行调节。对物料湿度的检测，采用可快速检测皮带上混合物料含水分情况的非接触式红外线湿度计。在混合圆筒中有一个向混合物料加水的水管，水管的管路上装有一个测量水流量的孔板和一个控制水流量的气动控制阀。运行时控制系统根据混合物料的湿度情况调节加水量的大小，料太干时增大加水量，反之则减少加水量。通过计算机控制系统的调节，把混合物料的湿度控制在一个理想的状态。 在设备的实际运行中，除了需要在正常运行时自动调节料的湿度外，还存在多种

37、情况需要随时停止加水，这些情况均应在实施控制策略时加以考虑，以减少操作人员的人工干预。因此，混合料湿度串级调节自动控制系统具有以下控制功能：系统开车并带料时，自动加水调节使混合料的湿度控制在给定值附近，同时进行湿度、加水量、总料量等趋势记录；配料停止后两分钟自动停止加水；空车运行时，不论湿度计指示为何值，系统都不加水；混合圆筒不论什么原因停车，系统自动停止加水。针对上述功能，该控制系统可完全自动地进行正确调节，无须人工干预，从而满足了生产对控制系统的要求。 混合物料湿度检测及控制设备均采用英国IE（NDC Infrared Engineering）公司的产品，如MM77型红外湿度计，检测水流量

38、的孔板，3051差压变送器（FF总线型）以及DVC5030F阀门控制器（FF总线型）等。MM77型红外湿度计将检测到的混合物料湿度信号以420mA电流信号的方式送至Delta V控制系统的I/O接口，其它的检测控制信号以FF总线通信形式与系统相连接。 湿度控制模块由湿度控制环和水流量控制环两个模块构成。在湿度控制环中，输入功能块将输入的420mA信号转换为计算机内部对应的湿度信号，经运算块的运算，输出一个控制信号给水流量控制模块。FIC10131控制模块即水流量控制环，其结构如图2.16所示。 FIC10131模块中，AI1功能块是水流量输入信号块，这个功能块在实际运行中要被下载到3051差压

39、变送器前端设备中。AI1中设有水流量孔板的量程差压值、水流量的量程、开方运算处理等运算。控制模块中的PID运算控制块和AO输出功能块在实际运行中要被下载到DVC5030F阀门控制器设备中。直接在现场设备的内部就可完成水流量的调节与控制。模块中的SWITCH为一外部参数引入块，把从PLC获得的混合圆筒的开停车状态信号引入，经NOT1块反向后送给PID运算控制块的TRKIND端，并设置TRKVAL的值为“0”，使得在圆筒停车时强制锁定控制输出值为“0”，达到圆筒停车时不加水的目的。现场总线的检测设备与执行机构图2.16 水流量控制模块2.4.2 湿度控制器的设计 由于经过副环PI调节以后，水流量可

40、快速跟踪其给定信号，因此，我们可假设此时整个系统等效为如下仿射非线性系统: (2.11) 式中 u(t)为湿度控制器输出，x为给定湿度与实际湿度的偏差值。 这样，可将对湿度的控制转换为寻求控制律u(t)使系统状态x按给定目标运动。 近年来，变结构控制在解决复杂的非线性系统的综合问题时，取得了比较突出的进展。在一定条件下，变结构控制对摄动具有完全的自适应性，并且易于工程实现，但它存在抖动现象且需要知道被控对象的参数变化范围，这使得变结构控制系统的进一步推广应用受到了限制。 人工神经网络具有较强的学习能力和高度的并行运算能力，为处理非线性系统问题开辟了一条新的途径。而它的缺点是收敛慢和不易判别稳定

41、性。本项目中，采用了一种将神经网络和滑模变结构控制相融合的控制系统来实现湿度的智能控制，即利用神经网络辨识系统参数，再利用滑模变结构控制快速调节系统。 2.5 烧结机点火炉温度及烧结终点控制器及应用软件的设计与开发2.5.1 系统工艺流程及需求 烧结过程是一个较为复杂的物理化学过程，一般来说烧结过程的影响因素不仅包括进入烧结机的物料条件：如原料的成份、水分、粒度以及加水量，还包括烧结机的操作参数：如点火炉温度、透气性及粒度、风机鼓风流量和烟罩压力等。为保证良好的烧结，首先应保证物料配比正确与恒定，其次要保证烧结块透气性和强度，并控制好混合料温度与水分，最后要控制好点火炉温度，以保证烧结块质量。

42、本项目首先对烧结机点火炉工艺及烧结终点控制要求进行了分析，提出了一种模型跟踪温度控制方案，然后分别给出了现场控制总线的实现过程和模型跟踪的设计方法。 烧结机点火炉温度控制涉及到烧结终点位置与台车速度的控制模型问题。这里我们对模型的处理方法是将其进行递阶分层设计, 将需要协调处理多参数的运算留在模型的上层,将控制的基本因素分解到各PID控制回路,而各控制回路的设定值跟踪模型的运算值。 对具体的模型进行分解时可将其中较关键的点火炉温度与台车速度回路分配到现场总线设备的PID控制器上,而运算则在上位控制器中进行。模型可根据其它参数情况调整对点火炉温度控制的设定,并通过台车速度进行调整。在底层PID回

43、路中实现的烧结机点火炉温度控制包括点火炉温度、煤气流量、空气流量三个检测输入量，以及煤气阀开度、空气阀开度两个控制输出量，而最终控制的参数为点火炉温度。煤气量、空气量的比例适宜，燃烧才能充分，燃烧温度才能达到最高点。若空气不足，燃烧不充分，则温度上不去，而空气比例过高，也会使点火炉温度降低。因此，煤气燃烧时应控制空气与煤气的比值。点火炉温度还可根据台车运行情况，实施燃烧(点火)强度控制。即根据台车速度情况，适当调整点火炉温度，在台车速度慢时降低点火炉温度，在车速高时适当提高点火温度，使经过点火炉的第一层底料点火温度趋于一致。在停车时自动压火，防止烧损台车及台车上料层过烧板结。2.5.2 控制器

44、及基于现场总线的实现 煤气燃烧系统采用串级双交叉控制。其系统结构如图2.20 所示。该方案利用实际运行中，煤气热值低时，煤气用量相对较大，煤气热值高时，煤气用量相对减少这一规律，在组态中增加了函数发生器功能块，适当配置其中参数，使得实际控制时的空煤比根据煤气发热值的变化，在1:0.91:1.3之间自动调整控制，从而使点火炉运行于恰当的空煤比状态，温度控制稳定，火焰燃烧情况趋于理想的状态。控制效果良好时，自动控制较人工控制可节省煤气615。 图2.20点火炉温度控制结构图铅烧结机点火炉温度控制软件主要由如图2.21所示的TIC10221和FIC10222两个控制功能模块构成。TIC10221为温

45、度控制模块，它由Raytek的红外高温计实现检测；FIC10222为空气煤气比控制，它由FF总线的3051差压变送器实现检测。TIC10221控制模块中，AI1即模拟量输入功能块，定义为点火炉温度信号输入模块，它的作用为：指定温度模拟信号的硬件I/O接口，将420mA的外部信号转换为计算机控制系统内部的对应为检测温度的数值信号提供给显示，并作为温度PID控制的过程检测参数PV值。PID1控制功能块为自动调节的主功能块，其中可在控制功能中进行设定的以及在调试中可显示的参数有60多个。在该功能块中，一方面可以设定自动控制的多种调节模式本系统中设定了手动控制NAM，自动控制AUTO和串级控制CASC三种运行模式，另一方面还定义了显示操作画面的过程变量PV值和设定值SP的显示刻度范围（对应于工程单位的刻度）、PID运算的控制特性参数、高低报警参数值和报警方式等控制参数，同时还指定了控制输出信号IOOUT的硬件I/O地址。图2.21点火炉温度控制模块 控制系统中温度控制环的设定值SP可以人工设定，这时的PID控制站为AUTO状态。自动调节的过程为当检测到的温度PV值小于设定值SP时，自动按一定的运算规律去逐渐开大煤气控制