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合金精炼炉计算机配料系统
1 冶炼工艺简介

  铬铁是由铬及铁元素互熔后形成的合金。铬铁合金的主要作用是作为炼钢用的脱氧剂和合金剂。铁合金厂冶炼是专门从事铬铁合金精炼生产的专业厂,它所采用的冶炼工艺是硅铬堆底法,其主要工艺过程是:用铬矿、硅铬合金和石灰在电炉中进行熔炼,利用电能使炉料熔化,依靠硅铬中的硅去还原铬矿中的三氧化二铬,从而得到微碳铬铁。对铬铁进行精炼的主要目的是除去杂质和脱气,从而获得成分合格、组织致密和结晶饱满的低、微碳铬铁合金。

2 系统构成

  在铁合金冶炼生产过程中,配料控制系统是一种典型的自动控制过程,因此,深入地理解其组成原理、各环节的特性和相互关系,对于正确地理解配料过程误差产生的原因以及采取相应的措施都不无益处。图1是一个带有状态反馈环节的计算机控制系统结构图,现根据自动控制理论知识,对结构图中的各个环节作一归纳性的分析。

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2.1被控对象

  该配料系统的被控对象是冶金炉料。它们是石灰、硅铬合金和铬矿,其自身的物理和化学性能将对配料控制特性产生影响。其中石灰有一定的颗粒要求,但实际上有时粉化较严重,粉末很多,而新制石灰的块度有可能太大而堵住称量斗出口,从而造成停止加料;铬矿通常采用熔化性较好的粉矿,通过偏心击打式电机振动下料,但在梅雨季节下料较困难,这样会延长装料时间;而硅铬合金经破碎后其块度均匀,流动性较好,最有利于称量控制。

2.2执行器

  执行器是控制系统中的执行元件,本系统采用开关量信号控制电振给料器。为了提高配料精度,用两级振动给料器进行调节,即粗配料与精配料,这种执行器的特点是结构简单,执行灵敏,动作滞后小,与调节器的接口甚为方便,在简单下料结构中使用最为广泛,在调节器合理的算法及程序控制下也能产生较好的执行效果。

2.3测量环节

  测量环节是由称重传感器、变送器和相关连线组成(传感器及变送器)。称重传感器在力的作用下输出毫伏信号,经变送器处理后产生4~20 ma的标准信号输入计算机,3个传感器采用并联方式与变送器连接,它与称量斗之间进行吊式安装连接,为了减少电压信号在传输过程中的干扰和损失,要求两者就近安装;变送器输出的是经过处理的电流信号,其抗干扰和远距离传输能力较好。

2.4调节器

  调节器是以计算机为核心,加上采样保持器、a/d、di、do等接口板组成,数字调节器的控制规律由编制的计算机程序来实现。采用计算机作为调节器的优点是:控制规律灵活多样,便于修改和进一步完善;1台计算机可以同时控制多个回路;适合于大量数据的存储和管理;灵活多样的视窗画面,完善的工艺流程图显示,维护和操作已变得非常简单。这些优点均在本次项目实施中得到了具体的体现。

3 影响配料精度的原因及补偿方法

3.1测量环节的影响

  测量环节所引起的误差主要受以下几个方面的影响:受力传感器的精度;传感器与称量斗之间力的传递方式;变送器的精度(包括供桥电压);信号传输方式及干扰等。

3.2执行器结构形式的影响

  当执行器在开关量信号控制下进行给料时,由于电振的振幅是恒定的,而原料的流动特性受到原料的颗粒度、湿度、原料在料仓中的分布情况等因素的影响,在精配阶段结束后,给料器端口上的余料还会继续掉入到称量斗中,而且这个余料量是一个随机值,如果只用一个固定的停振阈值进行停止操作必然产生配料误差。

3.3配料误差的补偿方法

  从测量环节入手。选用质量好、精度高和稳定性好的传感器、变送器作为称重数据采集系统,并且传感器与称量斗的连接方式要处理好。最好采用防扭装置或用吊环连接,称量斗的重心位置应选择合理并且在现场调试好。
  从控制结构入手。在工艺配比和装料控制时间都允许的情况下,适当减少总的装料批数,增加每批的装料量;或适当减慢给料器的速度,从而可以适当延长每批料的装料过渡时间,增加控制过程的平稳性。
  从控制算法入手。选择合理的控制结构固然可以减少配料过程的误差,但还不能从根本上消除误差,更何况配料过程中大块料的冲击、湿粉矿的成团甩入或料斗残重的不断增加等原因都可能进一步增加配料误差。为了进一步稳定地减少误差,提高精度和稳定性,有必要从控制算法入手,对配料偏差进行动态修正,才能从根本上解决问题,实现方法如下:

e(n-1)=c(n-1)-s(n-1)                 (1)

s(n)=a-e(n-1)                   (2)

t(n)=t(n-1)-[e(n-1)/s(n-1)]               (3)

式中e(n-1)是上次配料产生的偏差;c(n-1)是上次实际配料的测量值;s(n-1)是上次的设定值;s(n)是本次设定值;a是由工艺确定的配料给定值,是一个常数;t(n)和t(n-1)是本次及上次配料停振阈值。
  (1)式给出了配料偏差的定义;(2)式给出了计算本次设定值的方法,它的大小是基于上次偏差的大小;(3)式给出了给料器停振阈值的计算方法,停振阈值指的是相对于设定值的提前量:前一次过冲量越大,则本次停振阈值越小,反之亦然。上述表达式用递推的方法实现,即用新值代替旧值,这样的算法非常容易在计算机上实现,在开关量信号作用下,在大给定值及较慢速的给料过程中,其控制效果较好。
  除了上述基于偏差和停振阈值的控制算法外,为了更好地适应给料批量小、速度高和过渡过程短的情况,我们采用了一个二阶预估器对配料设定值进行预估,二阶预估器的数学模型表达式如下:

y(n+1)=a1y(n)+a2y(n-1)+b0u(n)+b1u(n-1)+b2u(n-2)      (4)

为了使表达式看起来更简明,令θt=[a1,a2,b1,b2]

xt=[y(n),y(n-1),u(n-1),

u(n-2)]                   (5)

这样(4)式又可以写成如下形式:

y(n+1)=b0u(n)+θtxt                 (6)

(6)式中,y(n+1)是实测配料值;u(n)是配料设定值;θt是参数向量的转置矩阵;xt是数据向量的转置矩阵。设计控制器的目的就是选择一个合适的u(n),使如下的性能指标最小:

j=[y(n+1)-a]2

  根据现代控制理论中的自校正原理,写出如下形式的控制方程:

u(n)=(1/b0)/[a-θt(n)xt(n)]                (7)

  对于向量θt(n),采用最小二乘法递推估计;b0可以一次取定,不参加预估运算。经过推导与运算,写出如下的最小二乘法递推估计方程:

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式中 k(n+1)项为增益矩阵;k(n+1)[y(n+n+1)-xt(n+1)(n)]为修正项,由于采用的是二阶预估,n=2。
  (8)式的含义是:本次的参数预估值(n+1)是在上次的参数预估值(n)的基础上增加一个修正项,如果将这些矩阵的运算表达式全部展开,我们就可以清楚地看到二阶预估器的优点是:本次预估值的产生不但与相邻的上一次有关,而且还和前(n+n+1)次的预估值以及实际配料值的历史情况有关,因此它能够更深刻地反映给料器停振后物料随机落下量的本质;而且,在递推的最小二乘法中,只要粗略地选取递推初始值,经过(2n+1)次计算后,就会产生一组全新的预估值,并在此基础上不断地作向后的递推运算。实际运算证明,这样的算法能使配料误差收敛在一个相当小的范围内。

4 配料过程的计算机实现

4.1硬件组成原理及特点

  计算机选用的是台湾研华公司的ipc-610工业计算机,该计算机除了具有一般商用机的功能外,最主要的特点是具有非常高的可靠性,可以连续几年不间断地通电运行而不发生故障,更主要的是在它的扩充槽中可以插入适合工业控制的各类功能板卡,如a/d、d/a、di和do等,外部可以通过扁平电缆接入各类工业端子板,根据需要,这些端子板可以直接连接继电器或模拟量信号,这样可以方便地组成一个相当规模的工业控制系统。本系统中,pcl812pg是多功能模拟量/数字量信号处理板,pcl720是数字量输入输出信号处理板,它们均插在pc扩充槽中;pcld880上接有8路4~20ma的称量斗模拟量信号;两块pcld785主要用于控制给料器(粗配与精配)、放料电动机及各类长距离运输皮带;pcld782是带光电隔离的开关量输入板,主要用于检测各类运输皮带的工作状况和各类仓门的开闭情况,上述pcld类板都属于信号调理板,它们的一头接于主机箱中的信号处理板上,另一头与现场工业信号相连接。其硬件组成原理如图2所示。

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4.2控制软件设计

  控制软件是调节器的核心部分,其功能的好坏决定着整个配料系统的成败。该软件是用borlabdc++在西文环境下编制而成的,采用c语言编程的最大优点之一是可移植性好,不用修改就可以在386微机至目前的奔腾微处理机上安全运行。整个软件自顶向下,采用模块化设计,因而层次分明,结构简单,便于调试、修改和扩充。其主要内容有:i/o设备初始化、内存数据区初始化、i/o设备基本测试、a/d采集及显示、键盘中断处理、鼠标中断处理、称量斗故障报警、数学模型计算、动态图形显示等。
  为了适应现代视窗软件界面的风格,在屏幕的上方设计有丰富的工具条,用鼠标点击相应的图标后,就可以进行相应的工作,例如修改称量给定值、装料批数、称量斗斜率等,还可以设置开关检测状态,启、停装料和各类工作皮带等。一般来说,只要事先设置好基本参数,点击启动图标,系统就会自动地按照原先设定的参数,准确无误地实现料仓定位、称量、给料、放料和控制小车行走等全部工作,屏幕上有同步的图形显示,无须人工干预,既减轻了工作人员的工作强度,又提高了配料的准确性。

4.3配料数据库设计

  现代企业中,仅用计算机完成测量和控制已远远不够了,还需要把其中的重要信息进行存储,以便对这些信息进行进一步的深加工,在精确定量分析的基础上,增加数据处理的科学性、预见性和系统性,实现高质量的测量、控制和管理一体化。
  为了实现对装料信息的精确管理,本系统用c语言定义了一个结构体数据结构,其中的域变量包括:班次、班序、炉台号、冶炼周期、冶炼炉号、产品名称、工艺配比、实际投料量、附加投料量、总批数、装料开始时间和结束时间等。这个数据结构可以独立存取,每进行一次有效的投料,就自动地存入一次,这样,以冶炼炉号为单位,就产生了最基础的历史数据,以此为起点,就可以对其进行进一步的处理和加工。
  首先,它代替了以往用手工记录配料数据的习惯。显然,用手工记录数据,无法考证数据的真实性,如果某操作员加错了料,引起炉矿恶化,手工记录表上却可能反映不出来。现在,每进行一次有效配料,系统自动记录一次,真凭实据,一目了然,但是,仅有记录还是不够的,因此,本系统还提供了查询和统计功能,这样可以方便地生成各类统计报表,工艺人员可以随时掌握原料消耗情况,根据炉上冶炼情况,及时调整原料配比,从根本上杜绝了数据记录的弄虚作假行为。

5 运行效果

  由我们设计、安装、调试、投运及日常维护,铁合金厂配料站现在全部实现了计算机控制。用计算机进行原料配料的最显著特点是控制精度高(系统误差小于0.6%),炉况稳定,指标可靠,即投入多少原料、何种原料与产出产品的产量和牌号呈现出稳定的对应关系。相比之下,在改造之前,由于是手动上料,而且各炉台之间竞争激烈,为了指标好,出现了多上料,少记录的情况,炉台上的指标是好了,但年底盘库时却发现原料亏空了,给管理上带来人为的困难。现在,这种情况已不会出现。
  用计算机控制的另一个特点是自动化作业率高,设备维护量却大大减少。从电气上来说,砍掉了原手动控制中的繁琐的继电器联锁节点,这些联锁功能在计算机上很容易实现,因此,电气回路大大简化,减少了故障点;从机械结构上来说,将卸料中的开关门装置改为皮带-油轮滚筒,减少了令人头疼的卡料,使卸料过程更为通畅,缩短了整个装料时间,提高了工作效率。

 

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