基于現(xiàn)場儀表通訊的集散控制系統(tǒng)在燒結自動配料中的應用

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

    編者按：燒結配料作為鋼鐵生產的基礎工序，其自動化的作用日益突現(xiàn)。盡管大多數(shù)燒結廠都很重視，也投資了自動配料，有的甚至改造過不止一次，耗費了大量資金。但zui終能可靠運行，性能投資比高的則為數(shù)極少。萊蕪鋼鐵廠針對工廠配料工藝要求，采用基于現(xiàn)場儀表通信的集散控制系統(tǒng)，經過一年多的實踐，實現(xiàn)了運行可靠、性能投資比高的目標，為燒結廠配料自動調節(jié)系統(tǒng)的改造設計積累了經驗。

關鍵詞：現(xiàn)場通信 集散控制 燒結配料 HART 人工智能調節(jié)器 
1、萊鋼1#燒結機配料工藝設備概況

    燒結配料工序是將生產燒結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成分進行配料計算，確定各種料的配料比例，通過重量檢測及控制給料設備，實現(xiàn)配料。萊鋼燒結機配料室共17個使用的料倉，詳情見下表：

2、設計方案的特點

    針對傳統(tǒng)燒結配料自動控制系統(tǒng)存在的問題，深入分析現(xiàn)場工藝及管理狀況，結合測控實用先進技術，設計方案特點如下：

2.1 系統(tǒng)采用基于現(xiàn)場儀表通訊的集散控制方式
    本設計將皮帶秤、沖板流量計、雷達物位計、人工智能調節(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。其特點為通訊只有讀寫兩條指令，上位機軟件編寫容易，并可用PC機作上位機，應用其軟件資源豐富，發(fā)展極快的優(yōu)勢。與模擬傳輸相比，具有易于調試維護和更高精度的優(yōu)點。
    該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：
（1）可靠性高。
     采用光電隔離技術將通訊接口與儀表其他部分線路隔離。當通訊接口或線路發(fā)生故障時，皮帶秤、調節(jié)器仍能正常工作。由于采用低電平數(shù)字信號且相位連續(xù)平均值為零，抗干擾能力強。接線簡單、維護方便，數(shù)據(jù)傳輸準確。單機間檢測控制設備之間故障不蔓延，上下位機之間故障不擴散，故障對整個系統(tǒng)的影響減至zui小，大大提高系統(tǒng)的可靠性。手、自動轉換方式靈活多樣。既可在上位機，也可在基本調節(jié)器，還可在變頻器及操作箱上轉換，解決了故障時應急慢的問題。
（2）上位機數(shù)據(jù)處理能力強，監(jiān)控程序功能更豐富。
     由于以通訊方式采集數(shù)據(jù)，同時單機的部分統(tǒng)計數(shù)據(jù)由下位機完成，使得上位機主要進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理，可騰出更多的時間和內存處理功能更豐富的應用程序。
（3）投資省。
     上位機不用模擬量輸入輸出模塊及相應盤柜，也免去了熱備上位機。同時，增加單機時無須再添公共部分硬件，節(jié)省系統(tǒng)擴充費。另外，節(jié)省信號電纜及安裝調試費。還對使用和維護人員素質要求低，節(jié)省培訓費。

2.2 硬件設備先進實用，維護工作量小
（1） 針對一般皮帶秤維護工作量大，抗干擾能力差的問題，選用秤架免維護、稱重毫伏信號現(xiàn)場數(shù)字化和變?yōu)?-20mA信號的皮帶秤。
（2） 選用先進實用沖板秤檢測白灰、熱返礦流量
    白灰、熱返礦流量的連續(xù)檢測是燒結配料的一大難題。 過去，一般用螺旋秤檢測白灰，兩臺皮帶秤或核子秤檢測一個熱返礦下料點，均工作不穩(wěn)定、維護工作量大、精度低、投資高。本設計選用先進實用的沖板秤檢測。其差動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要求。同時，使用陶瓷耐磨沖板，解決了鋼沖板壽命短的問題。另外，其流量信號用皮帶秤稱重模塊處理，解決了與上位機匹配問題。
（3） 基本控制器選用先進的人工智能調節(jié)器
    能否實現(xiàn)高精度自動調節(jié)，正確選擇調節(jié)器是關鍵。本設計選用廈門宇電AI-808型具備現(xiàn)場通訊功能采用模糊規(guī)則進行PID調節(jié)的人工智能調節(jié)器。與一般調節(jié)器相比，它能在降低超調的同時又提高響應速度。在誤差大時，運用模糊算法進行調節(jié)，以*消除PID飽和積分現(xiàn)象；當誤差趨小時，采用改進后的PID算法進行調節(jié)。具備自動學習系統(tǒng)特性及給定值和測量值的改變分別處理的功能。具有多種設定方式，既可直接在其面板按鍵上手動數(shù)字設定，還可在其外給定端子上模擬量設定。為防止異常超調，還具有控制量上、下限預設定功能 。同時調試簡單，對正常生產影響小。結構型式為熱拔插式，更換方便快捷。
（4）選用先進的雷達物位計檢測白灰、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，均維護難及維修工作量大、不可靠。我們選用準確、可靠、免維護的雷達物位計檢測。

2.3 應用程序功能新穎、實用、豐富
    應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、實用、豐富，且人機對話能力強，突出表現(xiàn)為：
（1）報警方式采用超差反時限語音報警
    傳統(tǒng)報警大多為瞬時量或長期連續(xù)累積量聲光報警。由于給料方式的限制(下料不均) 瞬時量報警要么頻繁誤報警(來不及處理就恢復了)；要么超差不報警(偏差大)而漏報警。連續(xù)累積量報警，也因累積時間過短或過長而誤報及漏報。同時，確認報警對象時還要與顯示器畫面配合。我們采用超差反時限報警。即以一定累積量（誤差）及時間間隔（zui短處理時間）為報警條件，瞬時量誤差連續(xù)累積并以通訊方式傳至上位機，其累積量在單位時間內越大，則報警時限越短，反之，報警時限越長。同時，瞬時量偏差過大時直接報警。這樣既不誤報也不漏報。另外，采用語音廣播系統(tǒng)，自動直接報出報警對象并提示原因和處理措施。既縮短了報警確認及處理時間，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)要實現(xiàn)變料料批控制，上位機與調節(jié)器之間為模擬量設定，硬件結構復雜。我們采用在上位機預設定變料值后，以現(xiàn)場通訊方式改變調節(jié)器設定值，按料頭料尾對齊的原則自動發(fā)送，變料時間短，zui長時僅90秒（僅由混合料皮帶機速度及料倉間距決定），調節(jié)器不超調，減少了因變料波動帶來的惡性變料及生產不穩(wěn)問題。在緩料停機時也不需與電氣聯(lián)鎖。
（3）宇電AI-808真正實現(xiàn)手、自動無擾動快速切換
    傳統(tǒng)手、自動無擾動快速切換是指切換瞬間手﹑自動瞬時輸出值相等。而在配料自動調節(jié)中，手、自動無擾動快速切換要求的是切換前后控制量或被控量平均值相等，這就必須先計算切換前控制量或被控量平均值，然后再切換，才能達到對工藝的影響zui小，真正實現(xiàn)手、自動無擾動切換。顯然，傳統(tǒng)意義上的瞬時量手、自動無擾動快速切換不適用于此。因此，我們利用現(xiàn)場通訊在手動向自動切換時，先在上位機跟蹤計算出當時每分鐘被控量平均值；將此值作為自動初始時的給定值；在自動向手動切換時，先在上位機跟蹤計算出當時每分鐘控制量平均值，將此值作為手動初始時的控制值。再將它們設定到人工智能調節(jié)器上，zui后進行平均值的手、自動無擾動快速切換。實現(xiàn)了一次轉換成功，解決了以往手﹑自動切換時，須進行多次修改控制量或設定值，仍很難達到切換要求值，造成生產波動及延長達到穩(wěn)定時間的問題。
2.3.4 自動修正各秤校零、校秤后對應調節(jié)器的原設定值
    根據(jù)校零、校秤前后零點變化量及度變化，自動計算出與原設定值對應的新設定值，確保新設定值與原設定值實物量相等，避免了因校零、校秤帶來的附加誤差，保持了生產的連續(xù)性。而一般配料系統(tǒng)無此功能。
2.3.5 實現(xiàn)了超差、換倉、斷、變、緩料自動記錄及按時間查詢，解決了配料工序實時監(jiān)督工藝紀律的難題。
    當發(fā)生以上報警時，顯示器自動彈出具有報警對象、報警原因、處理方法、值班人等內容的對話框，值班人逐項進行確認。明確了責任，強化了操作人員的自律意識，為正確分析波動原因打下了基礎，有利于工藝技術水平穩(wěn)定提高。
2.3.6 歷史趨勢圖縱坐標分兩個比例段，確保了大小流量在同一畫面均清晰分辨瞬時量變化趨勢。
2.3.7 在上位機顯示器集中查看、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，無須料位計也可較準確指示料位。
2.3.9 以數(shù)據(jù)打包方式*遠傳配料信息，并可異地查詢，實現(xiàn)了配料信息共享，提高了工藝管理水平。
2.3.10 配比設置靈活多樣。既可按工藝配料計算公式，輸入有關成份及總量后，自動計算設定量，也可手工計算后逐個輸入設定值；既可在上位機上按料批控制要求統(tǒng)一預設定，也可在各基本調節(jié)器上分別設定。
2.3.11 單機歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)存放在其相應模塊中，節(jié)省上位機時間及內存，系統(tǒng)擴充余地增大。
2.3.12 計量單位可在t/h及kg/m之間點擊互換，方便現(xiàn)場驗證。
2.3.13 顯示畫面設有幫助菜單, 方便操作及維修人員學習掌握。

3、效果     經兩年來的運行實踐表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，減輕了操作及維修人員的勞動強度。由于自動檢測調節(jié)，大大減少了人工跑盤稱料，可以騰出更多的時間巡檢，及時發(fā)現(xiàn)處理隱患，進而減少了突發(fā)性事故及其處理工作量。同時，報警準確及時，也減少了干擾和處理故障的工作量。特別是變料及手、自動轉換一次到位，既增強了控制實時性，提高了控制度，又減輕了反復稱料的勞動強度。人機界面直觀，功能操作簡單，還設有幫助菜單，方便易學。監(jiān)控程序人機對話能力強，方便工藝管理，提高了操作人員的責任心，減少了異常波動，促進了生產指標的提升。
    該系統(tǒng)實現(xiàn)了在圓盤給料方式下，控制穩(wěn)定性連續(xù)可調及每分鐘累積量控制度為±1.5%。滿足了變、緩料，手、自動切換，校秤前后平穩(wěn)過渡及配料信息準確及時遠傳的工藝要求。應用程序功能集測、控、管于一體，達到了性能投資比高的目標。

4、存在的問題及改進措施 4.1通信速度慢。進一步完善下位機功能，使上位機所取數(shù)據(jù)盡可能在下位機已統(tǒng)計好并存放在存儲單元。同時，采用數(shù)據(jù)壓縮技術，減少數(shù)據(jù)傳輸量經縮短通信時間。另外，提高通信波特率。
4.2 給料設備下料不均勻。進一步改給料方式，將圓盤給料全部改為寬皮帶拖料。
4.3 實物校驗困難。在皮帶機落料點處增設移動料斗秤，隨時實物校秤。
4.4 儀控與電控分離。將儀控與電控結合，采用AI-301M型開關量輸入/輸出模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)全自動及配料信息入生產管理信息網。