左晶榮
（河北新武安鋼鐵集團(tuán)烘熔鋼鐵有限公司信息自動(dòng)化部）
摘要：在全球經(jīng)濟(jì)下行大環(huán)境下，受美聯(lián)儲(chǔ)加息和俄羅斯鋼材輸入的影響，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)舉步維艱，普遍面臨虧損，擺在鋼鐵企業(yè)面前的只能控制成本，謀取利潤(rùn)保生存。我公司制定的將本路線是燒結(jié)以結(jié)構(gòu)將本，在保證產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的前提合理配加劣質(zhì)雜料來達(dá)到將低成本的目的。為了防止劣質(zhì)原料在料場(chǎng)混合不夠均勻或質(zhì)量波動(dòng)特新建設(shè)混均料場(chǎng)來保證配料的均勻性。為了保證新建混均料場(chǎng)的前瞻性和先進(jìn)性，我公司采用全自動(dòng)的控制方式，包括啟停設(shè)備的配比偏差也做了優(yōu)化，極大限度的降低了質(zhì)量波動(dòng)。
關(guān)鍵詞：混均料場(chǎng)；自動(dòng)控制；開發(fā)與應(yīng)用
1 系統(tǒng)概況
項(xiàng)目建設(shè)10個(gè)料倉，配套有裝倉皮帶1條，圓盤給料機(jī)10臺(tái)，皮帶秤10臺(tái)，接料皮帶1條，成品皮帶1條，成品卸料倉1個(gè)；配備有震動(dòng)電機(jī)、熱保護(hù)裝置。整個(gè)項(xiàng)目建設(shè)完成后實(shí)現(xiàn)一鍵啟動(dòng)和一鍵停止，自動(dòng)開啟和關(guān)閉震動(dòng)、自動(dòng)提高給料速度、分組分步啟動(dòng)和停止等功能。本項(xiàng)目?jī)?yōu)化控制粒度把小時(shí)控制優(yōu)化到按秒控制，傳統(tǒng)的配料是按小時(shí)或分鐘累計(jì)計(jì)算配料數(shù)量，但中間截取料面偶爾會(huì)出現(xiàn)階段性不均勻現(xiàn)象，本次項(xiàng)目采用按秒調(diào)整配比下料量。
2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
根據(jù)混均料工藝要求，該系統(tǒng)選用西門子300PLC對(duì)整改系統(tǒng)進(jìn)行控制。模塊選型有CPU317-2 DP、CP343-1、AI8x13Bit、AO8x12Bit、DO16xDC24V、DI16Xdc24V等。變頻器均配比DP卡，選用DP通訊。編程軟件選用step7，上位機(jī)軟件選用WINCC。項(xiàng)目設(shè)計(jì)理念是高類聚、低耦合，封裝了通用的邏輯處理、計(jì)算、判斷等FC塊和FB塊，能夠在程序中重復(fù)調(diào)用?？刂坪驮O(shè)置采用上位機(jī)操作方式，組態(tài)軟件用西門子的WINCC軟件，通訊協(xié)議選用TCP/IP協(xié)議。設(shè)計(jì)要求自動(dòng)化、智能化，系統(tǒng)要涵蓋常用的操作模型，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)應(yīng)對(duì)和處理常見變化。
2.1 控制模式設(shè)計(jì)
通過調(diào)研和整理，梳理操作流程和操作方法，把人工操作的3種模式和46類異常處理進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)；增加故障檢測(cè)和異常報(bào)警方便排查原因。操作模式分“自動(dòng)模式”、“手動(dòng)模式”、“檢修模式”三種，異常處理有過熱異常、斷料異常、變頻器異常、過流異常、稱重儀表異常、裝料急停、槽下急停等處理模型。
2.1.1自動(dòng)模式
操作工只需要按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)會(huì)按照預(yù)設(shè)規(guī)程和操作方法進(jìn)行啟動(dòng)，首先啟動(dòng)成品提升皮帶，待提升皮帶電機(jī)大于45Hz后啟動(dòng)接料皮帶，待接料皮帶大于40Hz開始從1號(hào)倉啟動(dòng)皮帶成和圓盤給料機(jī)，每隔3秒啟動(dòng)一臺(tái)皮帶秤和圓盤，圓盤的啟動(dòng)條件是判斷皮帶秤大于40Hz和接料皮帶大于45Hz。
自動(dòng)給料是由圓盤給料機(jī)、電子皮帶稱、稱重顯示器、變頻器等組成，各種原料的配比由操作人員通過上位機(jī)設(shè)定,物料的流量經(jīng)電子皮帶秤、稱重顯示器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)通過DP通訊輸入到閉環(huán)控制模板的功能模塊,與設(shè)定值比較,再經(jīng)過PID運(yùn)算,得到控制量的數(shù)字值,通過DP通訊發(fā)指令給變頻器,變頻器根據(jù)這個(gè)信號(hào)控制圓盤給料機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而使各臺(tái)圓盤給料機(jī)的給料量緊緊圍繞在其設(shè)定值的周圍,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的自動(dòng)控制功能
2.1.2手動(dòng)模式
手動(dòng)單獨(dú)啟動(dòng)成品提升皮帶或接料皮帶，啟動(dòng)時(shí)機(jī)需要人為控制。料倉啟動(dòng)需要人工選擇，其他的安全連鎖會(huì)驗(yàn)證是否具備啟動(dòng)條件。如：稱重皮帶不啟動(dòng)不能啟動(dòng)圓盤；接料皮帶不啟動(dòng)不能啟動(dòng)皮帶秤；皮帶秤不啟動(dòng)不能啟動(dòng)圓盤等。
2.1.3檢修模式
檢修模式不受連鎖控制，可隨意啟動(dòng)指定設(shè)備，也可反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)。方便檢修和查找問題。電機(jī)頻率也可手動(dòng)設(shè)置，不受連鎖條件影響。只有最基本的過熱保護(hù)，過載保護(hù)生效。
2.2自動(dòng)下料設(shè)計(jì)
采用的PID算法，設(shè)Yr(kg)為每秒下料量的設(shè)定值，Y(kg)為每秒下料量的實(shí)際值，e(kg)=Yr(kg)-Y(kg) 為每秒下料偏差，設(shè)此時(shí)系統(tǒng)控制輸出為U(kg),則
u(kg)=Kp{e(kg)+1/ti∫e(kg)dt+dt[de(kg)/dt]
kp、ti、td 分別為比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)。
調(diào)整上述三個(gè)系數(shù)就可以改變控制輸出，得到良好的控制效果。
2.3 配方流量計(jì)算
根據(jù)小時(shí)需求量乘以單倉配比占比得到小時(shí)下料量，根據(jù)小時(shí)下料量分解的每秒即下料給定數(shù)。公式如下：
W = Wz×P÷3600
W為每秒下料量;Wz小時(shí)需求量;P單倉占比百分?jǐn)?shù)；計(jì)算程序如下
2.4斷料和震打控制設(shè)計(jì)
當(dāng)稱重反饋流量小于給定流量，且圓盤頻率大于45Hz持續(xù)10秒判斷為斷料狀態(tài)，出現(xiàn)斷料自動(dòng)開啟振打設(shè)備。處理程序如下：
3 控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案
3.1 配料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
程序按照PLC的掃描順序進(jìn)行先讀后寫原則，首先讀取變頻器運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，然后讀取儀表狀態(tài)和參數(shù)，拿到數(shù)據(jù)后進(jìn)行配比計(jì)算和邏輯處理，最后將處理完成的參數(shù)寫入變頻器和儀表。
3.2 稱重裝置控制實(shí)現(xiàn)
調(diào)速皮帶秤是一種通過改變皮帶機(jī)的皮帶速度，調(diào)整物料流量的給料設(shè)備。通過安裝在計(jì)量輥下的荷重傳感器，可將皮帶上物料的重量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)（mV級(jí)）由儀表的模擬輸入通道輸入儀表，通過計(jì)算得到單位長(zhǎng)度物料重量G(kg/m)。在皮帶秤上還安裝有皮帶速度傳感器，該傳感器可以將皮帶速度轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，再由DI6口輸入儀表，得到皮帶的速度V(m/s)，則皮帶秤的瞬時(shí)流量為L(zhǎng)=G*V。該瞬時(shí)流量與設(shè)定流量值相比較，通過DA的輸出調(diào)整皮帶速度，使調(diào)整后的流量與設(shè)定流量相等。通過稱重儀表可實(shí)現(xiàn)調(diào)零點(diǎn)、砝碼標(biāo)定、實(shí)物標(biāo)定。
3.3 模擬人工操作的實(shí)現(xiàn)
本次技術(shù)主要是利用信息化手段來處理復(fù)雜的人機(jī)交互，讓生產(chǎn)制造更智能，PLC、上位機(jī)、變頻器、儀表、電機(jī)、拉繩開關(guān)、限位、料位計(jì)等設(shè)備均采用國產(chǎn)國標(biāo)設(shè)備，操作模型由人工編寫下發(fā)到PLC的CPU執(zhí)行，動(dòng)作輸出由PLC發(fā)出。上位機(jī)可以選擇手動(dòng)、自動(dòng)。通過梳理生產(chǎn)中可能存在的問題和故障，整理成生產(chǎn)模型，把模型導(dǎo)入到自動(dòng)化控制設(shè)備，有自動(dòng)化設(shè)備來判斷什么時(shí)候執(zhí)行什么指令。工藝出現(xiàn)異常時(shí)，如：卡料、堵塞等，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備旁的報(bào)警燈會(huì)亮起，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開震動(dòng)設(shè)備輔助下料。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)過熱、過載、過流是故障報(bào)警會(huì)響起影響維護(hù)人員前去處理。自動(dòng)模式執(zhí)行邏輯如下：
第一步；操作員點(diǎn)擊自動(dòng)模式，然后點(diǎn)全部啟動(dòng)后，設(shè)備開始自檢，檢查設(shè)備位置和各傳感器故障信號(hào)是否觸發(fā)。
第二步：首先啟動(dòng)提成品升皮帶電機(jī)，啟動(dòng)時(shí)間大約為30秒，待啟動(dòng)頻率大于45Hz后啟動(dòng)槽下接料皮帶，啟動(dòng)時(shí)間約20秒；待電機(jī)頻率大于45Hz后進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節(jié)。
第三步：為了實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)混料，啟停設(shè)備時(shí)的混料誤差，先從1#給料機(jī)和1#稱重儀表開始啟動(dòng)，然后間隔3秒啟動(dòng)2#給料機(jī)和稱重儀表，再間隔3秒啟動(dòng)3#給料機(jī)，依次類推，直到啟動(dòng)10#給料機(jī)。
第四步：開始故障監(jiān)測(cè)，儀表反饋流量小于給定流量時(shí)，開始增加圓盤給料機(jī)頻率，若頻率大于45Hz后連續(xù)5秒下料任然不足，判斷為斷料；系統(tǒng)自動(dòng)開啟振打裝置。
第五步：上位機(jī)的停機(jī)按鈕指令，先停1#給料機(jī)，間隔3秒后再停1#計(jì)量?jī)x表和計(jì)量皮帶，再間隔1秒后停2#給料機(jī)，再間隔3秒后停2#計(jì)量皮帶和儀表，依次類推直到10#給料機(jī)和計(jì)量皮帶停機(jī)后等待5秒停接料皮帶，再等待40秒后停提升皮帶。
3.4 故障連鎖實(shí)現(xiàn)
如果提成品升皮帶出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止所有給料機(jī)、計(jì)量?jī)x表和接料皮帶。若接料皮帶故障首先停止給料機(jī)和計(jì)量?jī)x表。待提升皮帶輸送完成物料后停止運(yùn)行。若阻旋料位計(jì)報(bào)警，系統(tǒng)判斷成品料倉滿，執(zhí)行自動(dòng)停機(jī)指令，按照順序陸續(xù)停機(jī)。
槽下急停拉升分兩組，提升皮帶和接料皮帶；提升皮帶拉繩開關(guān)拉動(dòng)后所有設(shè)備馬上停止運(yùn)轉(zhuǎn)；接料皮帶拉繩開關(guān)拉動(dòng)后，停止所有圓盤給料機(jī)、皮帶秤和接料皮帶。
3.5 故障報(bào)警實(shí)現(xiàn)
設(shè)置故障檢測(cè)裝置有電機(jī)過流、電機(jī)過熱保護(hù)、變頻器故障報(bào)警、空料報(bào)警、急停報(bào)警、成品接料斗倉滿報(bào)警等故障檢測(cè)。有效保障了設(shè)備的正常運(yùn)行，另外還安裝了監(jiān)控設(shè)備和四個(gè)監(jiān)控探頭，人工輔助監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，防止著火、設(shè)備下沉等問題發(fā)生。
4 結(jié)束語
本次項(xiàng)目運(yùn)行后可實(shí)現(xiàn)日混料3000噸；目前日平均混料800噸，節(jié)約成本約6萬元/天,另外本次項(xiàng)目采用智能一鍵操作，只需要一名人員即可實(shí)現(xiàn)混料操作、設(shè)備巡檢和日常維護(hù)。
參考文獻(xiàn)
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