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文章介紹了鉻鐵合金爐配料生產(chǎn)中使用微機(jī)配料系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝,包括該微機(jī)配料系統(tǒng)的構(gòu)造,原理,自動(dòng)配料算法和運(yùn)行效果等的詳細(xì)說明.

鉻鐵合金冶煉工藝及配料簡(jiǎn)介

　　　在鉻鐵合金冶煉生產(chǎn)過程中，微機(jī)配料控制系統(tǒng)是一種典型的自動(dòng)配料控制過程。鉻鐵是由鉻及鐵元素互熔后形成的合金。鉻鐵合金的主要作用是作為煉鋼用的脫氧劑和合金劑。浙江橫山鉻鐵合金廠冶煉三分廠是一家專門從事鉻鐵合金精煉生產(chǎn)的專業(yè)廠，它所采用的冶煉工藝是硅鉻堆底法，其主要工藝過程是：用鉻礦、硅鉻合金和石灰在電爐中進(jìn)行熔煉，利用電能使?fàn)t料熔化，依靠硅鉻中的硅去還原鉻礦中的三氧化二鉻，從而得到微碳鉻鐵。對(duì)鉻鐵進(jìn)行精煉的主要目的是除去雜質(zhì)和脫氣，從而獲得成分合格、組織致密和結(jié)晶飽滿的低、微碳鉻鐵合金。

微機(jī)配料系統(tǒng)的構(gòu)成

　深入地理解其組成原理、各環(huán)節(jié)的特性和相互關(guān)系，對(duì)于正確地理解配料過程誤差產(chǎn)生的原因以及采取相應(yīng)的措施都不無益處。現(xiàn)根據(jù)自動(dòng)控制理論知識(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)圖中的各個(gè)環(huán)節(jié)作一歸納性的分析。

被控對(duì)象

　　該配料系統(tǒng)的被控對(duì)象是冶金爐料。它們是石灰、硅鉻合金和鉻礦，其自身的物理和化學(xué)性能將對(duì)配料控制特性產(chǎn)生影響。其中石灰有一定的顆粒要求，但實(shí)際上有時(shí)粉化較嚴(yán)重，粉末很多，而新制石灰的塊度有可能太大而堵住稱量斗出口，從而造成停止加料；鉻礦通常采用熔化性較好的粉礦，通過偏心擊打式電機(jī)振動(dòng)下料，但在梅雨季節(jié)下料較困難，這樣會(huì)延長(zhǎng)裝料時(shí)間；而硅鉻合金經(jīng)破碎后其塊度均勻，流動(dòng)性較好，最有利于稱量控制。

微機(jī)執(zhí)行器

　　執(zhí)行器是配料控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，本系統(tǒng)采用開關(guān)量信號(hào)控制電振給料器。為了提高配料精度，用兩級(jí)振動(dòng)給料器進(jìn)行調(diào)節(jié)，即粗配料與精配料，這種執(zhí)行器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，執(zhí)行靈敏，動(dòng)作滯后小，與調(diào)節(jié)器的接口甚為方便，在簡(jiǎn)單下料結(jié)構(gòu)中使用最為廣泛，在調(diào)節(jié)器合理的算法及程序控制下也能產(chǎn)生較好的執(zhí)行效果。

系統(tǒng)測(cè)量環(huán)節(jié)

　　測(cè)量環(huán)節(jié)是由稱重傳感器、重量變送器和相關(guān)連線組成(傳感器及變送器選自中美合資的浙江余姚儀表總廠產(chǎn)品，其型號(hào)分別為CZL—YB—1及DBZ—2)。稱重傳感器在力的作用下輸出毫伏信號(hào)，經(jīng)變送器處理后產(chǎn)生4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸入微機(jī)，3個(gè)傳感器采用并聯(lián)方式與變送器連接，它與稱量斗之間進(jìn)行吊式安裝連接，為了減少電壓信號(hào)在傳輸過程中的干擾和損失，要求兩者就近安裝；變送器輸出的是經(jīng)過處理的電流信號(hào)，其抗干擾和遠(yuǎn)距離傳輸能力較好。

系統(tǒng)調(diào)節(jié)器

　　調(diào)節(jié)器是以微機(jī)為核心，加上采樣保持器、A/D、DI、DO等接口板組成，數(shù)字調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律由編制的微機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)。采用微機(jī)作為調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)是：控制規(guī)律靈活多樣，便于修改和進(jìn)一步完善；1臺(tái)微機(jī)可以同時(shí)控制多個(gè)回路；適合于大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理；靈活多樣的視窗畫面，完善的工藝流程圖顯示，維護(hù)和操作已變得非常簡(jiǎn)單。這些優(yōu)點(diǎn)均在本次項(xiàng)目實(shí)施中得到了具體的體現(xiàn)。

影響自動(dòng)配料精度的原因及補(bǔ)償方法

測(cè)量環(huán)節(jié)的影響

　　測(cè)量環(huán)節(jié)所引起的誤差主要受以下幾個(gè)方面的影響：受力傳感器的精度；傳感器與稱量斗之間力的傳遞方式；變送器的精度(包括供橋電壓)；信號(hào)傳輸方式及干擾等。

執(zhí)行器結(jié)構(gòu)形式的影響

　　當(dāng)執(zhí)行器在開關(guān)量信號(hào)控制下進(jìn)行給料時(shí)，由于電振的振幅是恒定的，而原料的流動(dòng)特性受到原料的顆粒度、濕度、原料在料倉(cāng)中的分布情況等因素的影響，在精配階段結(jié)束后，給料器端口上的余料還會(huì)繼續(xù)掉入到稱量斗中，而且這個(gè)余料量是一個(gè)隨機(jī)值，如果只用一個(gè)固定的停振閾值進(jìn)行停止操作必然產(chǎn)生配料誤差。

配料誤差的補(bǔ)償方法

  從測(cè)量環(huán)節(jié)入手。選用質(zhì)量好、精度高和穩(wěn)定性好的傳感器、重量變送器作為稱重系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并且傳感器與稱量斗的連接方式要處理好。最好采用防扭裝置或用吊環(huán)連接，稱量斗的重心位置應(yīng)選擇合理并且在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試好。
從控制結(jié)構(gòu)入手。在工藝配比和裝料控制時(shí)間都允許的情況下，適當(dāng)減少總的裝料批數(shù)，增加每批的裝料量；或適當(dāng)減慢給料器的速度，從而可以適當(dāng)延長(zhǎng)每批料的裝料過渡時(shí)間，增加控制過程的平穩(wěn)性。
從控制算法入手。選擇合理的控制結(jié)構(gòu)固然可以減少配料過程的誤差，但還不能從根本上消除誤差，更何況配料過程中大塊料的沖擊、濕粉礦的成團(tuán)甩入或料斗殘重的不斷增加等原因都可能進(jìn)一步增加配料誤差。為了進(jìn)一步穩(wěn)定地減少誤差，提高精度和穩(wěn)定性，有必要從控制算法入手，對(duì)配料偏差進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，才能從根本上解決問題，實(shí)現(xiàn)方法如下：

(1)e(N－1)=C(N－1)－S(N－1)

(2)S(N)=A－e(N－1)

(3)T(N)=T(N－1)－[e(N－1)/S(N－1)

式中e(N－1)是上次配料產(chǎn)生的偏差；C(N－1)是上次實(shí)際配料的測(cè)量值；S(N－1)是上次的設(shè)定值；S(N)是本次設(shè)定值；A是由工藝確定的配料給定值，是一個(gè)常數(shù)；T(N)和T(N－1)是本次及上次配料停振閾值。
(1)式給出了配料偏差的定義；

2. 式給出了計(jì)算本次設(shè)定值的方法，它的大小是基于上次偏差的大小；

(3)式給出了給料器停振閾值的計(jì)算方法，停振閾值指的是相對(duì)于設(shè)定值的提前量：前一次過沖量越大，則本次停振閾值越小，反之亦然。上述表達(dá)式用遞推的方法實(shí)現(xiàn)，即用新值代替舊值，這樣的算法非常容易在微機(jī)上實(shí)現(xiàn)，在開關(guān)量信號(hào)作用下，在大給定值及較慢速的給料過程中，其控制效果較好。除了上述基于偏差和停振閾值的控制算法外，為了更好地適應(yīng)給料批量小、速度高和過渡過程短的情況，我們采用了一個(gè)二階預(yù)估器對(duì)配料設(shè)定值進(jìn)行預(yù)估，二階預(yù)估器的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式如下：

y(N＋1)=a1y(N)＋a2y(N－1)＋b0U(N)＋b1U(N－1)＋b2U(N－2)

(4)為了使表達(dá)式看起來更簡(jiǎn)明，令θT=[a1,a2,b1,b2>則XT=[y(N),y(N－1),U(N－1),U(N－2)>

(5)這樣(4)式又可以寫成如下形式:y(N＋1)=b0U(N)＋θTXT　　　　　　　　　　　　　　　　　(6)

(6)式中，y(N＋1)是實(shí)測(cè)配料值；U(N)是配料設(shè)定值；θT是參數(shù)向量的轉(zhuǎn)置矩陣；XT是數(shù)據(jù)向量的轉(zhuǎn)置矩陣。設(shè)計(jì)配料控制器的目的就是選擇一個(gè)合適的U(N)，使如下的性能指標(biāo)最小：J=[y(N＋1)－A>2根據(jù)現(xiàn)代控制理論中的自校正原理，寫出如下形式的控制方程：U(N)=(1/b0)/[A－θT(N)XT(N)>

(7)對(duì)于向量θT(N)，采用最小二乘法遞推估計(jì)；b0可以一次取定，不參加預(yù)估運(yùn)算。經(jīng)過推導(dǎo)與運(yùn)算，寫出如下的最小二乘法遞推估計(jì)方程式中:K(N＋1)項(xiàng)為增益矩陣；K(N＋1)[y(n＋N＋1)－XT(N＋1)(N)>為修正項(xiàng)，由于采用的是二階預(yù)估，n=2。
(8)式的含義是：本次的參數(shù)預(yù)估值(N＋1)是在上次的參數(shù)預(yù)估值(N)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)修正項(xiàng)，如果將這些矩陣的運(yùn)算表達(dá)式全部展開，我們就可以清楚地看到二階預(yù)估器的優(yōu)點(diǎn)是：本次預(yù)估值的產(chǎn)生不但與相鄰的上一次有關(guān)，而且還和前(n＋N＋1)次的預(yù)估值以及實(shí)際配料值的歷史情況有關(guān)，因此它能夠更深刻地反映給料器停振后物料隨機(jī)落下量的本質(zhì)；而且，在遞推的最小二乘法中，只要粗略地選取遞推初始值，經(jīng)過(2n＋1)次計(jì)算后，就會(huì)產(chǎn)生一組全新的預(yù)估值，并在此基礎(chǔ)上不斷地作向后的遞推運(yùn)算。實(shí)際運(yùn)算證明，這樣的算法能使配料誤差收斂在一個(gè)相當(dāng)小的范圍內(nèi)。

硬件組成原理及特點(diǎn)

　　微機(jī)選用的是臺(tái)灣研華公司的IPC-610工業(yè)微機(jī)，該微機(jī)除了具有一般商用機(jī)的功能外，最主要的特點(diǎn)是具有非常高的可靠性，可以連續(xù)幾年不間斷地通電運(yùn)行而不發(fā)生故障，更主要的是在它的擴(kuò)充槽中可以插入適合工業(yè)控制的各類功能板卡，如A／D、D／A、DI和DO等，外部可以通過扁平電纜接入各類工業(yè)端子板，根據(jù)需要，這些端子板可以直接連接繼電器或模擬量信號(hào)，這樣可以方便地組成一個(gè)相當(dāng)規(guī)模的工業(yè)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)中，PCL812PG是多功能模擬量／數(shù)字量信號(hào)處理板，PCL720是數(shù)字量輸入輸出信號(hào)處理板，它們均插在PC擴(kuò)充槽中；PCLD880上接有8路4～20mA的稱量斗模擬量信號(hào)；兩塊PCLD785主要用于控制給料器(粗配與精配)、放料電動(dòng)機(jī)及各類長(zhǎng)距離運(yùn)輸皮帶；PCLD782是帶光電隔離的開關(guān)量輸入板，主要用于檢測(cè)各類運(yùn)輸皮帶的工作狀況和各類倉(cāng)門的開閉情況，上述PCLD類板都屬于信號(hào)調(diào)理板，它們的一頭接于主機(jī)箱中的信號(hào)處理板上，另一頭與現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)信號(hào)相連接。
配料控制軟件設(shè)計(jì)

　　控制軟件是調(diào)節(jié)器的核心部分，其功能的好壞決定著整個(gè)微機(jī)配料系統(tǒng)的成敗。該軟件是用BORLABDC＋＋在西文環(huán)境下編制而成的，采用C語言編程的最大優(yōu)點(diǎn)之一是可移植性好，不用修改就可以在386微機(jī)至目前的奔騰微處理機(jī)上安全運(yùn)行。整個(gè)軟件自頂向下，采用模塊化設(shè)計(jì)，因而層次分明，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于調(diào)試、修改和擴(kuò)充。其主要內(nèi)容有：I／O設(shè)備初始化、內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)初始化、I／O設(shè)備基本測(cè)試、A／D采集及顯示、鍵盤中斷處理、鼠標(biāo)中斷處理、稱量斗故障報(bào)警、數(shù)學(xué)模型計(jì)算、動(dòng)態(tài)圖形顯示等。
為了適應(yīng)現(xiàn)代視窗軟件界面的風(fēng)格，在屏幕的上方設(shè)計(jì)有豐富的工具條，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊相應(yīng)的圖標(biāo)后，就可以進(jìn)行相應(yīng)的工作，例如修改稱量給定值、裝料批數(shù)、稱量斗斜率等，還可以設(shè)置開關(guān)檢測(cè)狀態(tài)，啟、停裝料和各類工作皮帶等。一般來說，只要事先設(shè)置好基本參數(shù)，點(diǎn)擊啟動(dòng)圖標(biāo)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)地按照原先設(shè)定的參數(shù)，準(zhǔn)確無誤地實(shí)現(xiàn)料倉(cāng)定位、稱量、給料、放料和控制小車行走等全部工作，屏幕上有同步的圖形顯示，無須人工干預(yù)，既減輕了工作人員的工作強(qiáng)度，又提高了配料的準(zhǔn)確性。

配料數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

　　現(xiàn)代企業(yè)中，僅用微機(jī)完成測(cè)量和配料控制已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了，還需要把其中的重要信息進(jìn)行存儲(chǔ)，以便對(duì)這些信息進(jìn)行進(jìn)一步的深加工，在配料精確定量分析的基礎(chǔ)上，增加數(shù)據(jù)處理的科學(xué)性、預(yù)見性和系統(tǒng)性，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的測(cè)量、控制和管理一體化。
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)裝料信息的精確管理，本系統(tǒng)用C語言定義了一個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中的域變量包括：班次、班序、爐臺(tái)號(hào)、冶煉周期、冶煉爐號(hào)、產(chǎn)品名稱、工藝配比、實(shí)際投料量、附加投料量、總批數(shù)、裝料開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間等。這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以獨(dú)立存取，每進(jìn)行一次有效的投料，就自動(dòng)地存入一次，這樣，以冶煉爐號(hào)為單位，就產(chǎn)生了最基礎(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)，以此為起點(diǎn)，就可以對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的處理和加工。
首先，它代替了以往用手工記錄配料數(shù)據(jù)的習(xí)慣。顯然，用手工記錄數(shù)據(jù)，無法考證數(shù)據(jù)的真實(shí)性，如果某操作員加錯(cuò)了料，引起爐礦惡化，手工記錄表上卻可能反映不出來?，F(xiàn)在，每進(jìn)行一次有效配料，系統(tǒng)自動(dòng)記錄一次，真憑實(shí)據(jù)，一目了然，但是，僅有記錄還是不夠的，因此，本系統(tǒng)還提供了查詢和統(tǒng)計(jì)功能，這樣可以方便地生成各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表，工藝人員可以隨時(shí)掌握原料消耗情況，根據(jù)爐上冶煉情況，及時(shí)調(diào)整原料配比，從根本上杜絕了數(shù)據(jù)記錄的弄虛作假行為。

微機(jī)自動(dòng)配料系統(tǒng)運(yùn)行效果

　　浙江橫山鉻鐵合金廠有3個(gè)主要的冶煉分廠，共有5個(gè)配料站，在完全依靠本廠科技力量的條件下，我們自行設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、投運(yùn)及日常維護(hù)，現(xiàn)在全部實(shí)現(xiàn)了微機(jī)控制。用微機(jī)進(jìn)行原料配料的最顯著特點(diǎn)是控制精度高(系統(tǒng)誤差小于0．6％)，爐況穩(wěn)定，指標(biāo)可靠，即投入多少原料、何種原料與產(chǎn)出產(chǎn)品的產(chǎn)量和牌號(hào)呈現(xiàn)出穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。相比之下，在改造之前，由于是手動(dòng)上料，而且各爐臺(tái)之間競(jìng)爭(zhēng)激烈，為了指標(biāo)好，出現(xiàn)了多上料，少記錄的情況，爐臺(tái)上的指標(biāo)是好了，但年底盤庫(kù)時(shí)卻發(fā)現(xiàn)原料虧空了，給管理上帶來人為的困難?，F(xiàn)在，這種情況已不會(huì)出現(xiàn)。
用微機(jī)控制的另一個(gè)特點(diǎn)是自動(dòng)化作業(yè)率高，設(shè)備維護(hù)量卻大大減少。從電氣上來說，砍掉了原手動(dòng)控制中的繁瑣的繼電器聯(lián)鎖節(jié)點(diǎn)，這些聯(lián)鎖功能在微機(jī)上很容易實(shí)現(xiàn)，因此，電氣回路大大簡(jiǎn)化，減少了故障點(diǎn)；從機(jī)械結(jié)構(gòu)上來說，將卸料中的開關(guān)門裝置改為皮帶－油輪滾筒，減少了令人頭疼的卡料，使卸料過程更為通暢，縮短了整個(gè)裝料時(shí)間，提高了工作效率

 

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