高性能自动配料集散控制系统的研制成功

高性能自动配料集散控制系统的研制成功

1 概述

随着科学技术的发展，电子技术不断更新，为使该系统适应未来发展，使该装置更加完善，目前有针对性的研究主要朝人性化的设计思路发展。 
电气部分:充分利用软件的功能，将现有的硬件部分用软件所替代，如:将电脑积算器部分做成通道的形式，将PID调节器用VB或C++语言来替换。实现现有的软件换代工作，通过的系统配置进一步提高运行速度，控制精度及其稳定性。选用更好更新的传输介质，改变固有的传输速率，提高网络的运行速度和可靠性。 

随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，原有的生产配料装置远不能满足当前高度自动化的需要。减轻劳动强度，保障生产的可靠性、安全性，降低生产成本，减少环境污染、提高产品的质量及经济效益是企业生产必须面临的重大问题。 
电子皮带配料系统是一种集散控制系统。它集自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化系统;充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制，以及分散式控制系统和集中控制系统的优点，它采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。 

2 自动配料系统 
2.1 系统结构组成(以某钢厂7台配料秤为例) 
电子皮带秤（自动将皮带输送机上流过的散装物料进行连续累计的一种装置）自动配料系统主要由以下几部分组成:7台储料仓、7台圆盘给料机、7台自动皮带输送机（内嵌电子皮带秤）、7台现场操作盘、1台仪表控制柜（内嵌EMC1495电脑积算仪和AI-808智能调节器等）、1台动力控制柜、1台低压开关柜、2台变频器柜、1台工业控制微型计算机及组态软件。 
其系统结构如图1所示。 

2.2 系统工作原理 
2.2.1 比例调节(下料闭环控制)原理 
系统运行时，下料控制主要是通过电子配料皮带秤对圆盘给料机输送的物料进行计量，由控制仪表接收称重信号和速度信号，经处理后转化为累计值和瞬时流量，并将累计值、瞬时流量信号由RS-485口传送给工业控制机（上位机）、以4～20mA模拟电流信号传送给PID调节器，PID调节器将该信号与内部设定值进行比较运算后， 4～20mA的模拟信号送给变频器，再由变频器去调节圆盘给料机的转速，当流量增大时，降低圆盘给料机的转速，反之提高圆盘给料机的转速，从而使得几种物料的流量和阶段累计量均保持在设定的范围内，进而得到可靠的产品质量。 
闭环控制系统结构框图如图2所示: 

2.2.2 系统工作原理 
（1）集中控制 
工控机作为上位机，通过RS485接口与电脑积算仪和人工智能调节器进行双向通讯，并通过RS232接口与动力控制柜中的PLC进行双向通讯，构成完整的配料系统。根据生产工艺过程的需要，用户可在工控机端设定参数，启停设备，并对整个配料系统运行状况集中监控和生产数据集中管理，打印报表。同时工控机还留有一个RS485双向通讯接口，以备与其它工控机通讯。 

（2）分散控制 
脱离工控机，根据生产工艺过程的要求，直接向电脑积算仪和人工智能调节器输入参数，启动动力控制柜面板上的按钮，即使系统进行自动工作;也可通过手动方式（就地或远程控制）使系统进行工作。 

2.3 系统性能特点 
（1）系统的可靠性高 
采用集散控制可使系统进行如下工作:手动工作;就地工作;脱离工控机后在智能控制仪表的支持下自动工作;上位机控制自动工作及由上位机通过串口向下位机送入设定配方参数实现自动工作，从而大大提高系统的可靠性。 

（2）产品的质量和生产效益好 
根据生产过程的特点及工艺要求，通过自动控制系统和自动计量设备，整过生产过程中，可保证每种物料均在较高精度下进行运行（单机精度可达0.5%），进而保证混合物料的精度（系统精度可达1.0%），从而保证产品的质量，增加生产效益。 

（3）生产过程的处理能力强 
根据生产过程的需要，在工控机内修改相应参数，即可满足不同工矿的需要，使系统适应生产过程的能力大大提高。 

（4）节约能源 
系统动力部分的电机功率有11KW×7=77KW（以7台11KW电机计算），采用变频器进行控制，功率大约为40 KW大左右，大大节约能源。 

（5） 工作效率和生产管理水平高 
由于采用自动化生产过程控制，不仅改变以前半工半机的工作方式，而且能对生产过程中的每一环节进行监控和控制，可减少现场操作人员的数量。同时由于全面实现自动化，有助于生产管理人员进行生产数据分析和趋势预测，从而大大提高工作效率和生产管理水平。 

（6）优化环境 
系统采用变频控制，大大降低环境的燥声污染、减少动力启动对电网的冲击，整套设备采用全密封结构，大大减少粉尘对生产环境的污染。 

2.4 系统应用领域 
该系统可用于对多种散装物料按预定的配比进行自动连续的流量控制的场合，例如石油、化工、冶金、纺织、制药、烟草、机械加工、建材、市政建设等行业的散状物料配料的工艺控制。 

3 系统配置方案及其实施 

3.1 配置方案 
3.1.1 上位机单元 
（1）硬件 
上位机采用研华工控机:机箱IPC-610，PⅢ650，128M内存，40X光驱，1.44M软驱，17"显示器，CPU接口卡PCA-6179L，多端口通讯板 PCL-746+。 

（2）软件 
采用北京亚控组态软件，256点。“组态王”是在PC机上建立工业控制对象人机接口的一种智能软件包，它以WINDOWS98/WINDOWSNT4.0中文操作系统作为其操作平台，充分利用WINDOWS功能，图形界面较好。它能与电脑积算仪和AI智能调节器进行通讯，如:读取数据，发送数据;并与PLC进行通讯，可读取I/O状态，发送I/O指令;具有报警、故障查询及打印功能;组态画面真实反映实时状态;工程设定及配方输入多样，适应工况能力较强。而且软件设有不同的访问权限，可让不同权限的人操作不同的内容。运行系统主画面如图3所示。 

（3）系统开发 
系统开发主要内容有:自动校准回路控制，下料闭环调节控制（比例调节、单机闭环控制），系统物料总量实行大闭环跟踪控制，配料设备自动启动、自动停止控制，自动换斗下料的切换启停控制，储料斗上下料位控制，PLC程序设计，组态软件设计等。 

3.1.2 下位机单元 
（1）电脑积算仪 
电脑积算仪是电子皮带秤的核心部件，电源工作范围较宽（90～264VAC），4位半液晶显示，综合精度优于0.01%，它接受来自秤体上的称重传感器的重量信号和测速传感器的带速脉冲信号，计算出瞬时流量和累计量，可显示累重、瞬时流量、皮带速度、皮重、报警信号内容。带有4～20mA线性模拟输入输出、RS-485串行通讯接口、RS-232串行通讯及接口继电器报警输出等接口。 

（2）AI人工智能调节器 
AI人工智能调节器可显示测量值和设定值，具有*的AI人工智能调节算法,无超调, 自整定AT功能和自动/手动双向无扰动切换及用户参数编程等功能;同时还带有4～20mA线性模拟输入输出、RS-485串行通讯接口及继电器报警输出等接口。它与一般的PID调节器相比，由于采用模糊规则进行PID调节，能在降低超调的同时提高响应速度。而一般PID算法能地控制被调节对象，但有超调大、PID较难确定、对扰动恢复慢等缺点。采用模糊调节算法，能适应大滞后对象，超调小，易确定参数，但它控制的效果比较差，控制曲线会产生微小的锯齿形波动。 

AI人工智能调节器的调节算法一方面对PID算法加以改进，如在PID调节中增加微分积分作用;另一方面又采用模糊调节规则，在误差较大时，运用模糊算法进行调节，以*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，具有无超调、高精度控制、参数确定简单等特点。 

人工智能调节算法具备学习功能，能自动学习系统特性。当自整定完成后，即使初次控制时效果较差，第二次使用时也能获得非常的控制。 
AI人工智能调节器具有手动和自整定功能，当被控变量响应快时，手动自整定能够获得更的自整定结果。 

（3）可编程控制器 
采用OMRON公司生产的用于分散控制的紧凑型CQM1H型可编程控制器，电源单元型号为CQM1-PA203、CPU单元型号为CQM1H-CPU21、输入单元型号为CQM1-ID212、输出单元型号为CQM1-QC212、CPT编程软件等。 

（4）变频器 
详见《变频器世界》2001年第六期，《变频器在自动配料系统中的应用》。 

3.2 硬件配置方案及依据 
根据系统实现功能的需要，控制系统须配的硬件主要有:工控机（含组态软件）、可编程控制器（含控制程序）、电脑积算器、AI智能调节器、变频器等。 

3.3 自动化系统的功能及特点 

3.3.1 自动化系统的功能 
（1）决策调度全厂生产过程; 
（2）集成全部过程控制系统; 
（3）综合支持管理信息系统; 
（4）整个生产过程的自动监控，如设备运行状态、故障状态、历史趋势; 
（5）整个生产设备的启停顺序和连锁控制; 
（6）各种物料的自动计量; 
（7）生产工矿中各种物料配比自动调节; 
（8）报表编制及打印功能。 

3.3.2 自动化系统的特点 
（1）脱离工控机、脱离智能控制仪表的手动工作; 
（2）脱离工控机、脱离智能控制仪表的就地工作; 
（3）脱离工控机、在智能控制仪表的支持下自动工作; 
（4）上位机控制的自动方式; 
（5）由上位机通过串口向下位机送入设定配方参数实现自动控制; 
（6）自动启动、自动停机控制方式。 

    通过现场调试及用户现场的使用情况来看，系统的可靠性好，操作简单，维护方便，系统的精度高，不但保证了产品的质量和产量，同时又克服了环境污染问题，为企业创造良好的经济效益.

   机械部分:采用*的设计工具，进行有限元分析，优化产品结构，在提高产品性能的前提下，不断采用新材料、新工艺，不断改进外观设计，降低设备成本，提高可靠性。