基于現場儀表通訊的集散控制系統在燒結自動配料中的應用

基于現場儀表通訊的集散控制系統在燒結自動配料中的應用

  摘自《世界仪表与自动化》2006年第三期
山东莱芜钢铁股份有限公司烧结厂 山东莱芜 271104 作者:王如旭工程师

 

      編者按:燒結配料作爲鋼鐵生産的基礎工序,其自動化的作用日益突現。盡管大多數燒結廠都很重視,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。但終能可靠運行,性能投資比高的則爲數極少。萊蕪鋼鐵廠針對工廠配料工藝要求,采用基于現場儀表通信的集散控制系統,經過一年多的實踐,實現了運行可靠、性能投資比高的目標,爲燒結廠配料自動調節系統的改造設計積累了經驗。

 关键词:现场通信 集散控制 烧结配料 HART 人工智能調節器 
1、萊鋼1#燒結機配料工藝設備概況
 

    燒結配料工序是將生産燒結礦所需的混勻鐵礦粉、燃料(焦粉)、溶劑(石灰石、白雲石、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,實現配料。萊鋼燒結機配料室共17個使用的料倉,詳情見下表:

 
倉號 1#-5# 6# 7# 8# 10# 11# 12# 13# 14# 15# 16# 17# 18#
物料名稱 混勻礦粉 焦粉 焦粉 煤粉 石灰石 白雲石 生石灰 冷返礦 熱返礦
給料方式 圓盤 圓盤 拖料 圓盤 圓盤 圓盤 螺旋 拖料 圓盤
控制方式 變頻器改變給料量
 
2、設計方案的特點
 

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

2.1 系统采用基于现场仪表通讯的集散控制方式
    本设计将皮带秤、冲板流量计、雷达物位计、人工智能調節器等通过具备现场通信功能的宇电智能仪表与上位机通讯连接,组成基于现场通讯的集散控制系统。
該現場儀表通訊采用的是基于主從協議原理的HART通信協議。其特點爲通訊只有讀寫兩條指令,上位機軟件編寫容易,並可用PC機作上位機,應用其軟件資源豐富,發展極快的優勢。與模擬傳輸相比,具有易于調試維護和更高精度的優點。
    該系統具有以下優點:
(1)可靠性高。
     采用光电隔离技术将通讯接口与仪表其他部分线路隔离。当通讯接口或线路发生故障时,皮带秤、调节器仍能正常工作。由于采用低电平数字信号且相位连续平均值为零,抗干扰能力强。接线简单、维护方便,数据传输准确。单机间检测控制设备之间故障不蔓延,上下位机之间故障不扩散,故障对整个系统的影响减至小,大大提高系统的可靠性。手、自动转换方式灵活多样。既可在上位机,也可在基本调节器,还可在变频器及操作箱上转换,解决了故障时应急慢的问题。
(2)上位機數據處理能力強,監控程序功能更豐富。
    
由于以通訊方式采集數據,同時單機的部分統計數據由下位機完成,使得上位機主要進行系統數據的處理,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。
     上位机不用模拟量输入输出模块及相应盘柜,也免去了热备上位机。同时,增加单机时无须再添公共部分硬件,节省系统扩充费。另外,节省信号电缆及安装调试费。还对使用和维护人员素质要求低,节省培训费。

2.2 硬件设备先进实用,维护工作量小
(1) 针对一般皮带秤维护工作量大,抗干扰能力差的问题,选用秤架免维护、称重毫伏信号现场数字化和变为4-20mA信号的皮带秤。
(2) 选用先进实用冲板秤检测白灰、熱返礦流量
    白灰、熱返礦流量的连续检测是烧结配料的一大难题。 过去,一般用螺旋秤检测白灰,两台皮带秤或核子秤检测一个熱返礦下料点,均工作不稳定、维护工作量大、精度低、投资高。本设计选用先进实用的冲板秤检测。其差动放大器用高精度称重传感器代替,既提高了稳定性及检测精度,又降低了维修工作量和技术要求。同时,使用陶瓷耐磨冲板,解决了钢冲板寿命短的问题。另外,其流量信号用皮带秤称重模块处理,解决了与上位机匹配问题。
(3) 基本控制器选用先进的人工智能調節器
    能否实现高精度自动调节,正确选择调节器是关键。本设计选用厦门宇电AI-808型具备现场通讯功能采用模糊规则进行PID调节的人工智能調節器。与一般调节器相比,它能在降低超调的同时又提高响应速度。在误差大时,运用模糊算法进行调节,以彻底消除PID饱和积分现象;当误差趋小时,采用改进后的PID算法进行调节。具备自动学习系统特性及给定值和测量值的改变分别处理的功能。具有多种设定方式,既可直接在其面板按键上手动数字设定,还可在其外给定端子上模拟量设定。为防止异常超调,还具有控制量上、下限预设定功能 。同时调试简单,对正常超碰人人干人人射人人看影响小。结构型式为热拔插式,更换方便快捷。
(4)选用先进的雷达物位计检测白灰、熱返礦仓料位
    白灰、熱返礦仓料位传统检测方式为称重式、重锤式、手工探尺,均维护难及维修工作量大、不可靠。我们选用准确、可靠、免维护的雷达物位计检测。

2.3 应用程序功能新颖、实用、丰富
    應用程序采用可視化性能良好的VB6.0編寫。與一般配料監控程序相比,本系統監控程序功能更新穎、實用、豐富,且人機對話能力強,突出表現爲:
(1)報警方式采用超差反時限語音報警
    传统报警大多为瞬时量或长期连续累积量声光报警。由于給料方式的限制(下料不均) 瞬时量报警要么频繁误报警(来不及处理就恢复了);要么超差不报警(偏差大)而漏报警。连续累积量报警,也因累积时间过短或过长而误报及漏报。同时,确认报警对象时还要与显示器画面配合。我们采用超差反时限报警。即以一定累积量(误差)及时间间隔(短处理时间)为报警条件,瞬时量误差连续累积并以通讯方式传至上位机,其累积量在单位时间内越大,则报警时限越短,反之,报警时限越长。同时,瞬时量偏差过大时直接报警。这样既不误报也不漏报。另外,采用语音广播系统,自动直接报出报警对象并提示原因和处理措施。既缩短了报警确认及处理时间,也不需要操作人员盯着画面,减轻了其疲劳程度。
(2)解決了料批控制難題
    傳統模擬集中控制系統要實現變料料批控制,上位機與調節器之間爲模擬量設定,硬件結構複雜。我們采用在上位機預設定變料值後,以現場通訊方式改變調節器設定值,按料頭料尾對齊的原則自動發送,變料時間短,長時僅90秒(僅由混合料皮帶機速度及料倉間距決定),調節器不超調,減少了因變料波動帶來的惡性變料及生産不穩問題。在緩料停機時也不需與電氣聯鎖。
(3)宇電AI-808真正實現手、自動無擾動快速切換
    传统手、自动无扰动快速切换是指切换瞬间手﹑自动瞬时输出值相等。而在配料自动调节中,手、自动无扰动快速切换要求的是切换前后控制量或被控量平均值相等,这就必须先计算切换前控制量或被控量平均值,然后再切换,才能达到对工艺的影响小,真正实现手、自动无扰动切换。显然,传统意义上的瞬时量手、自动无扰动快速切换不适用于此。因此,我们利用现场通讯在手动向自动切换时,先在上位机跟踪计算出当时每分钟被控量平均值;将此值作为自动初始时的给定值;在自动向手动切换时,先在上位机跟踪计算出当时每分钟控制量平均值,将此值作为手动初始时的控制值。再将它们设定到人工智能調節器上,后进行平均值的手、自动无扰动快速切换。实现了一次转换成功,解决了以往手﹑自动切换时,须进行多次修改控制量或设定值厦门宇电温控仪 www.yudauto.com/,仍很難達到切換要求值,造成生産波動及延長達到穩定時間的問題。
2.3.4 自动修正各秤校零、校秤后对应调节器的原设定值
    根據校零、校秤前後零點變化量及**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,保持了生産的連續性。而一般配料系統無此功能。
2.3.5 实现了超差、换仓、断、变、缓料自动记录及按时间查询,解决了配料工序实时监督工艺纪律的难题。
    當發生以上報警時,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,爲正確分析波動原因打下了基礎,有利于工藝技術水平穩定提高。
2.3.6 历史趋势图纵坐标分两个比例段,确保了大小流量在同一画面均清晰分辨瞬时量变化趋势。
2.3.7 在上位机显示器集中查看、修改各秤参数,校秤方便。
2.3.8 料仓料位虚拟指示初始料量减下料量为剩余量,无须料位计也可较准确指示料位。
2.3.9 以数据打包方式无误差远传配料信息,并可异地查询,实现了配料信息共享,提高了工艺管理水平。
2.3.10 配比设置灵活多样。既可按工艺配料计算公式,输入有关成份及总量后,自动计算设定量,也可手工计算后逐个输入设定值;既可在上位机上按料批控制要求统一预设定,也可在各基本调节器上分别设定。
2.3.11 单机历史统计数据存放在其相应模块中,节省上位机时间及内存,系统扩充余地增大。
2.3.12 计量单位可在t/h及kg/m之间点击互换,方便现场验证。
2.3.13 显示画面设有帮助菜单, 方便操作及维修人员学习掌握。

 
3、效果
     經兩年來的運行實踐表明,系統工作穩定可靠,減輕了操作及維修人員的勞動強度。由于自動檢測調節,大大減少了人工跑盤稱料,可以騰出更多的時間巡檢,及時發現處理隱患,進而減少了突發性事故及其處理工作量。同時,報警准確及時,也減少了幹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,提高了控制精確度,又減輕了反複稱料的勞動強度。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,促進了生産指標的提升。
    该系统实现了在圓盤給料方式下,控制稳定性连续可调及每分钟累积量控制精确度为±1.5%。满足了变、缓料,手、自动切换,校秤前后平稳过渡及配料信息准确及时远传的工艺要求。应用程序功能集测、控、管于一体,达到了性能投资比高的目标。
 
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,使上位機所取數據盡可能在下位機已統計好並存放在指定存儲單元。同時,采用數據壓縮技術,減少數據傳輸量經縮短通信時間。另外,提高通信波特率。
4.2 给料设备下料不均匀。进一步改給料方式,将圓盤给料全部改为宽皮带拖料。
4.3 实物校验困难。在皮带机落料点处增设移动料斗秤,随时实物校秤。
4.4 仪控与电控分离。将仪控与电控结合,采用AI-301M型开关量输入/输出模块,实现系统全自动及配料信息入超碰人人干人人射人人看管理信息网。