基于PLC的硅铁配料自动控制系统的设计

马年拾，余淑荣，李凌云，吴明亮

(兰州理工大学机电工程学院，甘肃 兰州 730050)

在金属冶炼行业中，配料系统的准确度和稳定性直接关系着最终产品的品质、产量以及公司效益[1]。传统的机械称量、人工配送料的生产模式已经不能满足我国对工业硅的需求。目前常用的硅铁配料控制系统的主要缺陷有混合料精度低、控制系统的稳定性差、实时监控能力不足、生产数据处理欠缺等。因此，采用变频器控制技术、可编程逻辑控制技术和组态监控软件设计出自动化程度高的配料控制系统[2]，不仅能够提高混合料品质，降低工人的劳动强度，同时还能提升硅铁生产效率，提高企业竞争力。

为取代人工手动配料，进一步提高配料精度和系统稳定性，在研究系统总体控制方案的基础上，本文主要用迭代算法和冗余误差补偿来实现系统配料误差控制，并设计了系统控制和通讯软件以及人机交互界面。文中以甘肃省张掖市某公司自动上料系统项目为例。该配料系统可实现生产过程的自动化和智能化管理。

1 总体控制方案设计

1.1 配料工艺及控制要求

冶炼高纯硅的混合料成分有：石油焦、木片、精煤、硅石、石灰石，其中石灰石作为辅助料需求量较少。在上位机WinCC界面中输入配方，点击启动配料按钮即可进行配料。系统采用一料一秤的称量方式，所有物料同时称量。物料称量完毕延时数秒后启动输送皮带，按照事先设定的顺序进行布料，从而使物料在输送皮带上形成层状混合料，再由传送皮带送到相应的炉仓。生产工艺要求系统称料快速、准确，布料均匀，送料平稳。工艺流程图如图1所示。

图1 工艺流程图

1.2 系统总体控制方案

配料控制系统主要包括工控机、给料和布料电振机、称重设备、控制器、电气设备。工控机主要完成整个配料过程的整体管理，向可编程逻辑控制器(PLC)发出控制指令,并对整个过程进行动态监控，对数据进行归档。下位机PLC主要实现数据采集、数据交换，以及控制整个配料过程。控制系统结构框图如图2所示。

图2 控制系统结构框图

2 配料精度控制算法

2.1 配料过程分析

硅铁整个给料过程根据变频器频率变化可以分为启动(a)、快配(b)、慢配(d)、停止(e)4个阶段。启动阶段变频器频率从0Hz加速到设定的快投频率值，这个阶段物料迅速吸收动能。快配阶段物料以最大速度脱离料斗进入秤斗，整个过程只有数十秒或几秒。当物料质量达到快投值后变频器频率迅速下降到设定的慢投频率。慢投阶段和停止阶段尤为重要，是控制精度最主要的阶段。当达到提前量阈值后电振机停止，等待滞后余料落入称内。控制精度重点在于控制提前停机值的设定和慢投频率的设定。变频器频率变化情况如图3所示。

图3 变频器频率变化图

2.2 称重控制算法

称重仪表和传感器共同作用测得秤斗里物料的实时质量值。如果能够准确地预测PLC发出停机指令到电振机完全静止这一段时间落入秤斗内的物料质量，便能得到准确的配重质量。但由于受到物料颗粒度和黏度、电振机频率、环境温度等因素的影响，对滞留物料的预测值往往不够准确。针对这种问题，做如下分析。

称量过程示意图如图4所示，图中：H为料斗最低点到秤斗底部之间的距离，ht为秤斗内物料的堆积高度。此外设Ws为设定的物料目标值，U为提前质量值，ΔM为t4到t5时间段所测物料的质量变化量，We为t5到t6时间段脱离料斗的物料质量，W为停机指令发出后滑下料斗的物料质量，W终为最终的称量值。

图4 称量过程示意图

(1)

ht=k1(Ws-U)

(2)

(3)

W=M×T+We

(4)

We=k2×M(t6-t5)

(5)

(6)

式中：g为重力加速度；T为物料从料斗落入秤斗所需时间；k1,k2为经验系数；M为下料速度。

由式(6)可知，物料的最终值与U，ΔM，H，k1，k2，t有关，其中ΔM，H，k1，k2容易确定，这样在设定值Ws一定的情况下，最终的称量值W终受U的控制。可以将W终看作是U的函数，即W终=f(U)。

2.2.1迭代学习法

配料系统属于典型的重复率高的控制系统，因此采用迭代自学习控制算法，通过反复迭代来优化配料精度。

根据迭代学习控制的思想，控制量的初始值为U,其中U一般取Ws的10%。配料时，当秤斗内物料的实际质量达到(Ws-U)时，给料电振机停止工作，待空中余料落入秤斗内，得到最终质量值，并利用实际配料值与预期值W0间存在的误差(e0=W0-We),得到新的输入量：

U1=U0+re0=U0+r(W0-Ws)

(7)

式中：r为加权学习因子，一般0

由此递推，可以得到第k次配料时的提前量Uk，实际配料值为Wk，则第k次配料误差ek为：

ek=Wk-Ws

(8)

采用迭代学习控制算法，得第(k+1)次配料时的提前量为

Uk+1=Uk+rek=Uk+r(Wk-Ws)

(9)

式中Uk为提前停机量，所以存在边界条件：0

(10)

如此既能保证快的收敛速度，也不会导致大的波动。

迭代学习控制算法表明，经过几次配料后，可使得实际输出逼近期望输出，使系统误差在允许的范围内，从而使停机提前量不断被优化，配料精度不断提高。

2.2.2冗余误差补偿

迭代学习控制算法是在单次称量过程中对提前停机值进行修正，目的在于提高单次配料精度[3]。但是在实际操作中，由于物料颗粒度、黏度的随机性，称量值与设定值会存在小的误差。因为每天需要配上百批料，这样即使是很小的误差量,积累在一起也会严重影响配料精度，所以还需要对误差加以修正。本系统采用冗余误差补偿，通过自动改变物料配比的主设定值来减小误差。误差分析如下。

第(k-1)次配料误差为：

(11)

则第k次的主设定值自动变化为：

(12)

这样，整个配料过程的误差就只取决于最后一批配料的误差，按系统单批最大误差3kg计算，系统最大误差为3/(k·Ws),其中Ws按最小物料配比40kg选取，k为配料批数,取100。精度可达到0.025%，可见精度满足要求。

3 系统软件设计

3.1 系统通讯

系统采用集中管理、分散控制的设计理念。西门子S7-200编程软件具有ModbusRTU通讯指令库，便于PLC和外围设备的通讯，WinCC与PLC之间用以太网连接，这样就大大减少了串口通讯的工作量。

3.1.1PLC与WinCC间的通讯

以太网转换器ETH-iBUS保证了PLC与WinCC间实时数据的快速交换。以太网转化器ETH-iBUS能够利用WinCC自带的驱动连接S7-200，避免因使用OPC而带来的通讯不稳定[4]。此外还可以通过ETH-iBUS对PLC程序进行上传或下载并进行在线监控。

3.1.2PLC与称重仪表、变频器间的通讯

CPU226带有2个RS-485通讯接口，分别作为 ModbusRTU主站。其中从站称重仪表与PLC上的Port0口通信[5]，串行口设置格式为：无校验、1位停止位、8位数据位，综合考虑速度与稳定性选择波特率为19200。从站变频器与PLC上的Portl口通信，采用异步串行，半双工传输方式，从站地址设定为1～12，这样可以减轻单通信接口传输数据的负担，提高传输系统的稳定性。

3.2 PLC程序设计

编程语言采用了梯形图，简单易监控。PLC的主要功能有：作为中介将WinCC中写入的数据传给变频器和仪表；采集仪表数据传递给WinCC以便存档和监控；控制数字量的输入、输出和处理数据。流程图如图5所示。

3.3 人机界面设计

上位机采用WinCC组态软件，其集成脚本语言、动态数据交换和通讯协议。根据配料工艺设计用户管理、故障界面显示与报警、实时质量显示、配方设定、输送皮带电机的运行状态、电机运行状态以及设定给料、布料变频器频率参数，并在上位界面对各个执行机构设置了手动/自动切换按钮，以便设备维修，实现了对现场设备的远程控制。

4 结束语

本文通过建立配料系统的数学模型，分析了配料机理，探究了迭代自学习控制和冗余控制算法对配料精度的影响以及各种通讯方式对配料系统稳定性的影响，并将之应用于实际工程，消除累积误差，提高了混合料精度，增强了系统稳定性，同时减少了操作员的工作量。文中设计的系统简单易操作，便于扩展、架设Web发布等高级功能，数据归档方便，系统投资小，收益高，具有推广价值。

图5 配料控制流程图

[1] 刘卫,王宏启. 铁合金冶炼工艺与设备[M].北京：冶金工业出版社，2009：17-20.

[2] 吴明永,王国伟. 铁合金电炉自动化配料控制系统的设计与应用[J].工业仪表与自动化装置,2012(3): 41-44.

[3] 吴明亮,郜鹏鹏,巩运迎,等. 基于PLC的自动配料控制系统研究[J].自动化与仪表,2013, 8(4): 44-47.

[4] 季利伟. 迭代自学习动态称量配料方法及其在混凝土搅拌系统中的应用[D].杭州：浙江大学,2001.

[5] 西门子自动化与驱动集团.深入浅出西门子S7-200 PLC[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005：135-150.