基于现场仪表通讯的集散控制系统在烧结自动配料中的应用

编者按：烧结配料作为钢铁生产的基础工序，其自动化的作用日益突现。尽管大多数烧结厂都很重视，也投资了自动配料，有的甚至改造过不止一次，耗费了大量资金。但最终能可靠运行，性能投资比高的则为数极少。莱芜钢铁厂针对工厂配料工艺要求，采用基于现场仪表通信的集散控制系统，经过一年多的实践，实现了运行可靠、性能投资比高的目标，为烧结厂配料自动调节系统的改造设计积累了经验。

关键词：现场通信 集散控制 烧结配料 HART 人工智能调节器

1、莱钢1#烧结机配料工艺设备概况
烧结配料工序是将生产烧结矿所需的混匀铁矿粉、燃料（焦粉）、溶剂（石灰石、白云石、生石灰）及冷、热返矿，按照高炉冶炼要求及各种料的化学成分进行配料计算，确定各种料的配料比例，通过重量检测及控制给料设备，实现配料。莱钢烧结机配料室共17个使用的料仓，详情见下表：

2、设计方案的特点
针对传统烧结配料自动控制系统存在的问题，深入分析现场工艺及管理状况，结合最新测控实用先进技术，设计方案特点如下：

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、人工智能调节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。
该现场仪表通讯采用的是基于主从协议原理的HART通信协议。其特点为通讯只有读写两条指令，上位机软件编写容易，并可用PC机作上位机，应用其软件资源丰富，发展极快的优势。与模拟传输相比，具有易于调试维护和更高精度的优点。
该系统具有以下优点：
（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最小，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）上位机数据处理能力强，监控程序功能更丰富。
由于以通讯方式采集数据，同时单机的部分统计数据由下位机完成，使得上位机主要进行系统数据的处理，可腾出更多的时间和内存处理功能更丰富的应用程序。
（3）投资省。
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、热返矿流量
白灰、热返矿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热返矿下料点，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调节器
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调节的人工智能调节器。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，对正常生产影响小。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、热返矿仓料位
白灰、热返矿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
应用程序采用可视化性能良好的VB6.0编写。与一般配料监控程序相比，本系统监控程序功能更新颖、实用、丰富，且人机对话能力强，突出表现为：
（1）报警方式采用超差反时限语音报警
传统报警大多为瞬时量或长期连续累积量声光报警。由于给料方式的限制(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（绝对误差）及时间间隔（最短处理时间）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）解决了料批控制难题
传统模拟集中控制系统要实现变料料批控制，上位机与调节器之间为模拟量设定，硬件结构复杂。我们采用在上位机预设定变料值后，以现场通讯方式改变调节器设定值，按料头料尾对齐的原则自动发送，变料时间短，最长时仅90秒（仅由混合料皮带机速度及料仓间距决定），调节器不超调，减少了因变料波动带来的恶性变料及生产不稳问题。在缓料停机时也不需与电气联锁。
（3）宇电AI-808真正实现手、自动无扰动快速切换
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最小，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调节器上，最后进行平均值的手、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，仍很难达到切换要求值，造成生产波动及延长达到稳定时间的问题。
2.3.4 自动修正各秤校零、校秤后对应调节器的原设定值
根据校零、校秤前后零点变化量及精确度变化，自动计算出与原设定值对应的新设定值，确保新设定值与原设定值实物量相等，避免了因校零、校秤带来的附加误差，保持了生产的连续性。而一般配料系统无此功能。
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。
当发生以上报警时，显示器自动弹出具有报警对象、报警原因、处理方法、值班人等内容的对话框，值班人逐项进行确认。明确了责任，强化了操作人员的自律意识，为正确分析波动原因打下了基础，有利于工艺技术水平稳定提高。
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
经两年来的运行实践表明，系统工作稳定可靠，减轻了操作及维修人员的劳动强度。由于自动检测调节，大大减少了人工跑盘称料，可以腾出更多的时间巡检，及时发现处理隐患，进而减少了突发性事故及其处理工作量。同时，报警准确及时，也减少了干扰和处理故障的工作量。特别是变料及手、自动转换一次到位，既增强了控制实时性，提高了控制精确度，又减轻了反复称料的劳动强度。人机界面直观，功能操作简单，还设有帮助菜单，方便易学。监控程序人机对话能力强，方便工艺管理，提高了操作人员的责任心，减少了异常波动，促进了生产指标的提升。
该系统实现了在圆盘给料方式下，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、存在的问题及改进措施
4.1通信速度慢。进一步完善下位机功能，使上位机所取数据尽可能在下位机已统计好并存放在指定存储单元。同时，采用数据压缩技术，减少数据传输量经缩短通信时间。另外，提高通信波特率。
4.2 给料设备下料不均匀。进一步改给料方式，将圆盘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生产管理信息网。