基于現(xiàn)場儀表通訊的集散控制系統(tǒng)在燒結(jié)自動(dòng)配料中的應(yīng)用

摘自《世界儀表與自動(dòng)化》2006年第三期 
山東萊蕪鋼鐵股份有限公司燒結(jié)廠 山東萊蕪 271104 作者：王如旭工程師

    編者按：燒結(jié)配料作為鋼鐵生產(chǎn)的基礎(chǔ)工序，其自動(dòng)化的作用日益突現(xiàn)。盡管大多數(shù)燒結(jié)廠都很重視，也投資了自動(dòng)配料，有的甚至改造過不止一次，耗費(fèi)了大量資金。但zui終能可靠運(yùn)行，性能投資比高的則為數(shù)極少。萊蕪鋼鐵廠針對(duì)工廠配料工藝要求，采用基于現(xiàn)場儀表通信的集散控制系統(tǒng)，經(jīng)過一年多的實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行可靠、性能投資比高的目標(biāo)，為燒結(jié)廠配料自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場通信 集散控制 燒結(jié)配料 HART 人工智能調(diào)節(jié)器 
1、萊鋼1#燒結(jié)機(jī)配料工藝設(shè)備概況

    燒結(jié)配料工序是將生產(chǎn)燒結(jié)礦所需的混勻鐵礦粉、燃料（焦粉）、溶劑（石灰石、白云石、生石灰）及冷、熱返礦，按照高爐冶煉要求及各種料的化學(xué)成分進(jìn)行配料計(jì)算，確定各種料的配料比例，通過重量檢測及控制給料設(shè)備，實(shí)現(xiàn)配料。萊鋼燒結(jié)機(jī)配料室共17個(gè)使用的料倉，詳情見下表：

2、設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)

    針對(duì)傳統(tǒng)燒結(jié)配料自動(dòng)控制系統(tǒng)存在的問題，深入分析現(xiàn)場工藝及管理狀況，結(jié)合測控實(shí)用先進(jìn)技術(shù)，設(shè)計(jì)方案特點(diǎn)如下：

2.1 系統(tǒng)采用基于現(xiàn)場儀表通訊的集散控制方式
    本設(shè)計(jì)將皮帶秤、沖板流量計(jì)、雷達(dá)物位計(jì)、人工智能調(diào)節(jié)器等通過具備現(xiàn)場通信功能的宇電智能儀表與上位機(jī)通訊連接，組成基于現(xiàn)場通訊的集散控制系統(tǒng)。
該現(xiàn)場儀表通訊采用的是基于主從協(xié)議原理的HART通信協(xié)議。其特點(diǎn)為通訊只有讀寫兩條指令，上位機(jī)軟件編寫容易，并可用PC機(jī)作上位機(jī)，應(yīng)用其軟件資源豐富，發(fā)展極快的優(yōu)勢。與模擬傳輸相比，具有易于調(diào)試維護(hù)和更高精度的優(yōu)點(diǎn)。
    該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）可靠性高。
     采用光電隔離技術(shù)將通訊接口與儀表其他部分線路隔離。當(dāng)通訊接口或線路發(fā)生故障時(shí)，皮帶秤、調(diào)節(jié)器仍能正常工作。由于采用低電平數(shù)字信號(hào)且相位連續(xù)平均值為零，抗干擾能力強(qiáng)。接線簡單、維護(hù)方便，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確。單機(jī)間檢測控制設(shè)備之間故障不蔓延，上下位機(jī)之間故障不擴(kuò)散，故障對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響減至zui小，大大提高系統(tǒng)的可靠性。手、自動(dòng)轉(zhuǎn)換方式靈活多樣。既可在上位機(jī)，也可在基本調(diào)節(jié)器，還可在變頻器及操作箱上轉(zhuǎn)換，解決了故障時(shí)應(yīng)急慢的問題。
（2）上位機(jī)數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，監(jiān)控程序功能更豐富。
     由于以通訊方式采集數(shù)據(jù)，同時(shí)單機(jī)的部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)由下位機(jī)完成，使得上位機(jī)主要進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理，可騰出更多的時(shí)間和內(nèi)存處理功能更豐富的應(yīng)用程序。
（3）投資省。
     上位機(jī)不用模擬量輸入輸出模塊及相應(yīng)盤柜，也免去了熱備上位機(jī)。同時(shí)，增加單機(jī)時(shí)無須再添公共部分硬件，節(jié)省系統(tǒng)擴(kuò)充費(fèi)。另外，節(jié)省信號(hào)電纜及安裝調(diào)試費(fèi)。還對(duì)使用和維護(hù)人員素質(zhì)要求低，節(jié)省培訓(xùn)費(fèi)。

2.2 硬件設(shè)備先進(jìn)實(shí)用，維護(hù)工作量小
（1） 針對(duì)一般皮帶秤維護(hù)工作量大，抗干擾能力差的問題，選用秤架免維護(hù)、稱重毫伏信號(hào)現(xiàn)場數(shù)字化和變?yōu)?-20mA信號(hào)的皮帶秤。
（2） 選用先進(jìn)實(shí)用沖板秤檢測白灰、熱返礦流量
    白灰、熱返礦流量的連續(xù)檢測是燒結(jié)配料的一大難題。 過去，一般用螺旋秤檢測白灰，兩臺(tái)皮帶秤或核子秤檢測一個(gè)熱返礦下料點(diǎn)，均工作不穩(wěn)定、維護(hù)工作量大、精度低、投資高。本設(shè)計(jì)選用先進(jìn)實(shí)用的沖板秤檢測。其差動(dòng)放大器用高精度稱重傳感器代替，既提高了穩(wěn)定性及檢測精度，又降低了維修工作量和技術(shù)要求。同時(shí)，使用陶瓷耐磨沖板，解決了鋼沖板壽命短的問題。另外，其流量信號(hào)用皮帶秤稱重模塊處理，解決了與上位機(jī)匹配問題。
（3） 基本控制器選用先進(jìn)的人工智能調(diào)節(jié)器
    能否實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)調(diào)節(jié)，正確選擇調(diào)節(jié)器是關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)選用廈門宇電AI-808型具備現(xiàn)場通訊功能采用模糊規(guī)則進(jìn)行PID調(diào)節(jié)的人工智能調(diào)節(jié)器。與一般調(diào)節(jié)器相比，它能在降低超調(diào)的同時(shí)又提高響應(yīng)速度。在誤差大時(shí)，運(yùn)用模糊算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，以*消除PID飽和積分現(xiàn)象；當(dāng)誤差趨小時(shí)，采用改進(jìn)后的PID算法進(jìn)行調(diào)節(jié)。具備自動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)特性及給定值和測量值的改變分別處理的功能。具有多種設(shè)定方式，既可直接在其面板按鍵上手動(dòng)數(shù)字設(shè)定，還可在其外給定端子上模擬量設(shè)定。為防止異常超調(diào)，還具有控制量上、下限預(yù)設(shè)定功能 。同時(shí)調(diào)試簡單，對(duì)正常生產(chǎn)影響小。結(jié)構(gòu)型式為熱拔插式，更換方便快捷。
（4）選用先進(jìn)的雷達(dá)物位計(jì)檢測白灰、熱返礦倉料位
    白灰、熱返礦倉料位傳統(tǒng)檢測方式為稱重式、重錘式、手工探尺，均維護(hù)難及維修工作量大、不可靠。我們選用準(zhǔn)確、可靠、免維護(hù)的雷達(dá)物位計(jì)檢測。

2.3 應(yīng)用程序功能新穎、實(shí)用、豐富
    應(yīng)用程序采用可視化性能良好的VB6.0編寫。與一般配料監(jiān)控程序相比，本系統(tǒng)監(jiān)控程序功能更新穎、實(shí)用、豐富，且人機(jī)對(duì)話能力強(qiáng)，突出表現(xiàn)為：
（1）報(bào)警方式采用超差反時(shí)限語音報(bào)警
    傳統(tǒng)報(bào)警大多為瞬時(shí)量或長期連續(xù)累積量聲光報(bào)警。由于給料方式的限制(下料不均) 瞬時(shí)量報(bào)警要么頻繁誤報(bào)警(來不及處理就恢復(fù)了)；要么超差不報(bào)警(偏差大)而漏報(bào)警。連續(xù)累積量報(bào)警，也因累積時(shí)間過短或過長而誤報(bào)及漏報(bào)。同時(shí)，確認(rèn)報(bào)警對(duì)象時(shí)還要與顯示器畫面配合。我們采用超差反時(shí)限報(bào)警。即以一定累積量（誤差）及時(shí)間間隔（zui短處理時(shí)間）為報(bào)警條件，瞬時(shí)量誤差連續(xù)累積并以通訊方式傳至上位機(jī)，其累積量在單位時(shí)間內(nèi)越大，則報(bào)警時(shí)限越短，反之，報(bào)警時(shí)限越長。同時(shí)，瞬時(shí)量偏差過大時(shí)直接報(bào)警。這樣既不誤報(bào)也不漏報(bào)。另外，采用語音廣播系統(tǒng)，自動(dòng)直接報(bào)出報(bào)警對(duì)象并提示原因和處理措施。既縮短了報(bào)警確認(rèn)及處理時(shí)間，也不需要操作人員盯著畫面，減輕了其疲勞程度。
（2）解決了料批控制難題 
    傳統(tǒng)模擬集中控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)變料料批控制，上位機(jī)與調(diào)節(jié)器之間為模擬量設(shè)定，硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜。我們采用在上位機(jī)預(yù)設(shè)定變料值后，以現(xiàn)場通訊方式改變調(diào)節(jié)器設(shè)定值，按料頭料尾對(duì)齊的原則自動(dòng)發(fā)送，變料時(shí)間短，zui長時(shí)僅90秒（僅由混合料皮帶機(jī)速度及料倉間距決定），調(diào)節(jié)器不超調(diào)，減少了因變料波動(dòng)帶來的惡性變料及生產(chǎn)不穩(wěn)問題。在緩料停機(jī)時(shí)也不需與電氣聯(lián)鎖。
（3）宇電AI-808真正實(shí)現(xiàn)手、自動(dòng)無擾動(dòng)快速切換
    傳統(tǒng)手、自動(dòng)無擾動(dòng)快速切換是指切換瞬間手﹑自動(dòng)瞬時(shí)輸出值相等。而在配料自動(dòng)調(diào)節(jié)中，手、自動(dòng)無擾動(dòng)快速切換要求的是切換前后控制量或被控量平均值相等，這就必須先計(jì)算切換前控制量或被控量平均值，然后再切換，才能達(dá)到對(duì)工藝的影響zui小，真正實(shí)現(xiàn)手、自動(dòng)無擾動(dòng)切換。顯然，傳統(tǒng)意義上的瞬時(shí)量手、自動(dòng)無擾動(dòng)快速切換不適用于此。因此，我們利用現(xiàn)場通訊在手動(dòng)向自動(dòng)切換時(shí)，先在上位機(jī)跟蹤計(jì)算出當(dāng)時(shí)每分鐘被控量平均值；將此值作為自動(dòng)初始時(shí)的給定值；在自動(dòng)向手動(dòng)切換時(shí)，先在上位機(jī)跟蹤計(jì)算出當(dāng)時(shí)每分鐘控制量平均值，將此值作為手動(dòng)初始時(shí)的控制值。再將它們?cè)O(shè)定到人工智能調(diào)節(jié)器上，zui后進(jìn)行平均值的手、自動(dòng)無擾動(dòng)快速切換。實(shí)現(xiàn)了一次轉(zhuǎn)換成功，解決了以往手﹑自動(dòng)切換時(shí)，須進(jìn)行多次修改控制量或設(shè)定值，仍很難達(dá)到切換要求值，造成生產(chǎn)波動(dòng)及延長達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間的問題。
2.3.4 自動(dòng)修正各秤校零、校秤后對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)器的原設(shè)定值
    根據(jù)校零、校秤前后零點(diǎn)變化量及度變化，自動(dòng)計(jì)算出與原設(shè)定值對(duì)應(yīng)的新設(shè)定值，確保新設(shè)定值與原設(shè)定值實(shí)物量相等，避免了因校零、校秤帶來的附加誤差，保持了生產(chǎn)的連續(xù)性。而一般配料系統(tǒng)無此功能。
2.3.5 實(shí)現(xiàn)了超差、換倉、斷、變、緩料自動(dòng)記錄及按時(shí)間查詢，解決了配料工序?qū)崟r(shí)監(jiān)督工藝紀(jì)律的難題。
    當(dāng)發(fā)生以上報(bào)警時(shí)，顯示器自動(dòng)彈出具有報(bào)警對(duì)象、報(bào)警原因、處理方法、值班人等內(nèi)容的對(duì)話框，值班人逐項(xiàng)進(jìn)行確認(rèn)。明確了責(zé)任，強(qiáng)化了操作人員的自律意識(shí)，為正確分析波動(dòng)原因打下了基礎(chǔ)，有利于工藝技術(shù)水平穩(wěn)定提高。
2.3.6 歷史趨勢圖縱坐標(biāo)分兩個(gè)比例段，確保了大小流量在同一畫面均清晰分辨瞬時(shí)量變化趨勢。
2.3.7 在上位機(jī)顯示器集中查看、修改各秤參數(shù)，校秤方便。
2.3.8 料倉料位虛擬指示初始料量減下料量為剩余量，無須料位計(jì)也可較準(zhǔn)確指示料位。
2.3.9 以數(shù)據(jù)打包方式*遠(yuǎn)傳配料信息，并可異地查詢，實(shí)現(xiàn)了配料信息共享，提高了工藝管理水平。
2.3.10 配比設(shè)置靈活多樣。既可按工藝配料計(jì)算公式，輸入有關(guān)成份及總量后，自動(dòng)計(jì)算設(shè)定量，也可手工計(jì)算后逐個(gè)輸入設(shè)定值；既可在上位機(jī)上按料批控制要求統(tǒng)一預(yù)設(shè)定，也可在各基本調(diào)節(jié)器上分別設(shè)定。
2.3.11 單機(jī)歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)存放在其相應(yīng)模塊中，節(jié)省上位機(jī)時(shí)間及內(nèi)存，系統(tǒng)擴(kuò)充余地增大。
2.3.12 計(jì)量單位可在t/h及kg/m之間點(diǎn)擊互換，方便現(xiàn)場驗(yàn)證。
2.3.13 顯示畫面設(shè)有幫助菜單, 方便操作及維修人員學(xué)習(xí)掌握。

3、效果     經(jīng)兩年來的運(yùn)行實(shí)踐表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，減輕了操作及維修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。由于自動(dòng)檢測調(diào)節(jié)，大大減少了人工跑盤稱料，可以騰出更多的時(shí)間巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理隱患，進(jìn)而減少了突發(fā)性事故及其處理工作量。同時(shí)，報(bào)警準(zhǔn)確及時(shí)，也減少了干擾和處理故障的工作量。特別是變料及手、自動(dòng)轉(zhuǎn)換一次到位，既增強(qiáng)了控制實(shí)時(shí)性，提高了控制度，又減輕了反復(fù)稱料的勞動(dòng)強(qiáng)度。人機(jī)界面直觀，功能操作簡單，還設(shè)有幫助菜單，方便易學(xué)。監(jiān)控程序人機(jī)對(duì)話能力強(qiáng)，方便工藝管理，提高了操作人員的責(zé)任心，減少了異常波動(dòng)，促進(jìn)了生產(chǎn)指標(biāo)的提升。
    該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在圓盤給料方式下，控制穩(wěn)定性連續(xù)可調(diào)及每分鐘累積量控制度為±1.5%。滿足了變、緩料，手、自動(dòng)切換，校秤前后平穩(wěn)過渡及配料信息準(zhǔn)確及時(shí)遠(yuǎn)傳的工藝要求。應(yīng)用程序功能集測、控、管于一體，達(dá)到了性能投資比高的目標(biāo)。

4、存在的問題及改進(jìn)措施 4.1通信速度慢。進(jìn)一步完善下位機(jī)功能，使上位機(jī)所取數(shù)據(jù)盡可能在下位機(jī)已統(tǒng)計(jì)好并存放在存儲(chǔ)單元。同時(shí)，采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，減少數(shù)據(jù)傳輸量經(jīng)縮短通信時(shí)間。另外，提高通信波特率。
4.2 給料設(shè)備下料不均勻。進(jìn)一步改給料方式，將圓盤給料全部改為寬皮帶拖料。
4.3 實(shí)物校驗(yàn)困難。在皮帶機(jī)落料點(diǎn)處增設(shè)移動(dòng)料斗秤，隨時(shí)實(shí)物校秤。
4.4 儀控與電控分離。將儀控與電控結(jié)合，采用AI-301M型開關(guān)量輸入/輸出模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全自動(dòng)及配料信息入生產(chǎn)管理信息網(wǎng)。