DCS集散自动控制系统在安钢烧结厂的应用

　　1引言

　　某烧结厂现有90m2、105m2烧结机2台、36m2烧结机五台和中和料场1个，担负着为炼铁分厂提供高质量烧结矿的任务，年产烧结矿近500万吨，占高炉人炉料的80%左右。由于集团公司铁料品种繁多，成分稳定性差，原料直接参加烧结配料，难以生产出高质量烧结矿，从而制约企业的发展。为此，烧结厂于1997初建成了包括火车皮卸料、预配料、堆取料等功能的中和料场。

　　随着烧结厂配料系统自动化程度的逐步提高，工业对配料的要求也越来越严格，如果配料系统异常，会造成烧结矿矾矿率增加结矿率低，同时导致烧结矿消耗燃料上升，烧结矿应有成分波动较大过烧氧化等众多问题。因此，完善烧结配料系统对提高工厂的技术经济指标至关重要。

　　2一次中和料场控制系统

　　本配料系统主要功能就是将煤粉、精矿、生石灰、镁粉和一定数量的返矿和除尘灰等不同的原料品种按照一定的比例均衡地混配在一起，形成一种成分均一的物料。本套系统包括8自动给料系统。按照给料的方式可以分为两种：一种方式1号～8号采用小皮带机拖料方式直接从旋转的圆盘拖动给料，通过调整电子皮带称的转速和圆盘的转速来控制给料量;为了防止造成污染和产生巨大灰尘，两仓均采用全密封结构。中和料场配料控制系统如图1所示。

　　为了保证瞬时总量实时准确的显示在监控室内，特别安装了9号一台电子计量皮带秤，准确可靠的将配料的瞬时总料量传送到主控室以供操作人员方便使用。此秤还有一个一举两得的功能：利用此秤来校验另外的8台电子皮带秤，每台皮带秤的积算仪皆有校验功能，由于9号秤的精确度高达0.01fs，而其他8台秤仅有0.5fs，当主控室里的操作人员准备好后，就可以下料了，积算仪上的09p开始计数，同时9号秤也开始动作，结束时两者的积算仪都显示一个数值，比较两者的差值就可以计算出要校验秤的仪表系数。要保证那8台秤计量准确，必须保证9号秤的精确度保持在0.01fs(满量程精度)之内。

　　3智能电子皮带秤

　　智能电子皮带秤主要有称量框架、荷重传感器、速度传感器以及环形皮带、橡胶耳轴、调速电机、摆线针轮减速机、主从动滚筒等组成。其中主体部分称量框架是一台皮带给料机，采用两组橡胶耳轴与支架相连，构成秤架的支撑点，参见图2。

　　3.1电子皮带秤的工作原理

　　3.2电子皮带秤的阶跃响应

　　3.3自动配料系统的控制原理

　　安装在称量框架上的荷重传感器感受皮带上的物料的重量，并将此重量转化为可测线性mv信号;安装在电机尾部的速度传感器检测皮带的瞬时速度，这两个信号一块送给sa-201智能电子积算仪，此仪表及可以动态显示物料的瞬时流量，又可以输出与流量成正比的4～20ma电流信号，后将电流信号输送给西门子的模拟量输入模块ai，又经过plc的模拟量输出模块ao转为4～20madc电流信号，此信号与设定值两者的差值比较后送给变频调速器，由变频器的输出信号来控制电机的频率，从而来控制电机转速的快慢，也就控制了物料的瞬时流量，使物料的流量维持在设定值附近。

　　4 皮带机双调速控制系统

　　该机是一种具有电子称重装置的单机式计量输送皮带机，主要有主动从动滚筒、环形胶带、摆线针轮减速机、物料挡板、称重传感器等组成。电子皮带秤的信号输入sa-201电子积算仪，经过二次仪表而实现自动调零、调间隔、挂码标定、静态标定、电流输出及通讯功能。电子皮带秤机械上设有跑偏装置，确保皮带机长期运行在良好状态。支点采用无运动摩擦橡胶耳轴支撑，线形度好寿命长防水防尘防腐性强，环境适应性强，传感器采用双层充氮密封稳定性好，不易损坏。这种双调速圆盘配料皮带秤虽然稳定了输送皮带上的料层厚度，也有助于减少纯滞后时间，可以减轻料量大幅度变化时的冲击，但也存在一些薄弱环节：

　　(1)每台秤将需要增加变频调速装置和光电编码器及其处理单元等设备。这一方面会导致建设投资增大，另一方面也会增加故障点，使维护难度增大。

　　(2)增加了控制回路数量，编程和回路之间匹配的调试难度会有所上升。

　　(3)皮带打滑成为了必须解决好的问题。另外，在工艺控制机理上，也尚有可斟酌的地方。其一，在配料过程中一种配方一旦确定，就不会经常改变。控制回路的任务主要是抑制由物料的粘度、比重、粒度发生变化而引起的扰动。而双调速方案并没有实现实质性的改善。圆盘下料时出现的扰动仍然会滞后一段时间后，才体现在瞬时流量的称重信号上。其二，双调速方案会加快抑制扰动的过程，相当于快速pi调节，可能较易引起系统振荡。当然，在双调速设备的基础上是有多种控制方案可选择的，可以尽量扬长避短。目前看来双调速方案尚处于试验推广阶段，还需要长期大量的实践考验。显然主皮带上瞬时料量中成分分配的准确程度被极大的弱化了，经过2～3次这样的混合过程，完全可以说，混合料最终的配料准确性应当是由一定时间的主皮带上累计料量中成分分配的准确程度来决定的。由此可见，片面地追求圆盘配料秤的瞬时料量控制，由于受现场条件所限，困难很大，不但影响控制系统的配置和调节过程，而且对工艺来讲，没有多大的实际效果，反而加剧了系统的扰动影响。所以，对圆盘下料量的控制，应偏重于控制累计料量精度。

　　基于这一思路，我们对安钢原料场圆盘配料秤的控制进行了改造，参见图4。安钢原料场的圆盘配料秤配料系统进行控制检测，结构形式是最普通的方式，即变频调速技术驱动圆盘给料，由运输小皮带上的称重传感器检测瞬时料流量。小皮带由恒速电机驱动，旋转1周时间约为30s。考虑到累计料量的变化可能与小皮带的循环周期有关，故取其旋转周期的1/3，即以每10s作为一个大的控制周期，作为控制累计料量总的响应周期。但又需处理好系统快速动态抑制干扰的能力，所以又取每10s为一个快速的控制周期。整个控制回路使用通常的pi调节，控制流程原理框图见图这样的控制方案充分利用了工艺所允许的条件进行了灵活的数据简约处理。首先，10s内的平峰数据处理，极大地减弱了阶跃突变的称重数据的影响，增强了控制回路的稳定性。相应的电气、机械设备运转极为平稳。一般正常运行时，圆盘变频器的频率瞬时变化均小于0.5hz，这一方面有助于运输小皮带上的料层厚度稳定，另一方面设备的磨损和故障都会大幅度下降。同时，由于不使用改变数据总量的滤波方法(如：均方差、剔除最大最小值等)，而是使用取一段时间总值的平均值的方法，保证了累计料量的平衡，使得每一次瞬时料流量的检测值都能如实的反映在累计料量的变化上;其次，10s周期的控制回路专用于累计料量控制，可充分试验确定权重系数，大大提高累计料量控制精度;第三，l0s周期的快速控制，也能根据权重系数在合理的程度上反映当前检测点上的物料变化，较好的实现了累计料量控制为主，瞬时料流量控制为辅的控制方案。

　　该系统由西门子s7-400与工控机组成，8台电子配料皮带秤及8台圆盘给料机的手自动开关、事故开关、运转信号及电子配料皮带秤的称重输出，s7-400输出信号控制配料皮带秤及圆盘给料机的启停和圆盘给料机的转速，s7-400与工控机之间通过rs-485串行通信电缆连接。同时，8台电子配料皮带秤的称重抽出信号，8台圆盘给料机的启停号，8台电子配料皮带秤的启停信号和一次配料系统皮带的启停信号均送人西门子输入输出模块中，由二次配料系统主控室对其进行组态、显示，并对有关参数进行报表打印，实现配料控制室对一次配料系统运行状况的监视。

　　5结束语

　　一次中和料场基于西门子s7-400的自动配料系统经过详细的论证和大量的实验证明是成功的，该系统运行到目前运行状况良好，它不仅提高了烧结的自动化水平，减少了维修工、操作工的劳动强度，而且会减少返矿率，提高局大的经济效益。因此值得借鉴这种控制方式。