高爐上料仿真平臺的研究與應用

吳召明

（山鋼股份萊蕪分公司 自動化部，山東 萊蕪 271104）

0 引言

仿真，也稱模擬，是以計算機技術、網絡技術、數字化建模技術、圖形圖像技術、仿真支撐軟件技術等多學科技術為基礎，根據被仿真對象的結構、原理、流程、特點，對真實的環境或過程進行模擬和再現。利用仿真技術所開發的產品可用來進行培訓、設計、可行性論證、前期驗證和實際運行狀況分析及優化［1］。本文將對高爐上料仿真平臺進行設計。

1 PLC仿真程序

1.1 高爐上料工藝流程

1.1.1 槽下工藝流程

高爐1＃～10＃燒結礦倉分別和11＃～20＃球團塊雜礦倉公用稱量斗，槽下共配有燒結球團塊雜礦稱量斗、焦炭稱量斗、焦丁稱量斗、碎焦倉、碎礦倉，所有稱量斗呈雙排式布置。燒結、球團塊雜礦倉中的物料經振動篩篩分，符合粒度要求的礦進入各自配套的稱量斗，再分別經供料膠帶機K1轉運到上料主膠帶機到爐頂；小于粒度要求的碎礦分別經SK1、SK2、SK3、SK4返礦皮帶送入碎礦倉，再經機運系統的返－1皮帶送走。焦倉流程與此類似。

1.1.2 爐頂工藝流程

焦炭、燒結礦等各種入爐原料由皮帶運到爐頂，倒入受料罐中，稱量料罐放散完畢后打開上密封閥和上料閘向稱量料罐裝料。裝料完成后，關閉上料閘和上密封閥，稱量料罐進行均壓，一旦探尺到料線就進行布料。一批料中，允許焦／礦設定兩個不同的料線位置。

1.2 控制程序

由于仿真平臺運行在現場之外的環境下，該環境中沒有現場的各種設備和儀器儀表，因此高爐上料系統中的各種輸入輸出信號都需要通過程序進行模擬。對于開關量信號，可以在PLC控制程序中模擬，但是對于模擬量信號，需要建立設備模型進行模擬。

根據上述的高爐上料工藝流程進行PLC仿真程序的設計與編寫，實現生產過程自動化控制和開關量信號的模擬。PLC仿真程序運行環境的硬件為施耐德的機架和CPU模板，軟件為施耐德的Unity。控制程序編寫完成后下裝到CPU模板里，即可運行，同時可以在Unity下進行變量監控。為避免PLC仿真程序在CPU模板上丟失或者重新下裝程序后部分信號和數據丟失，在PLC仿真程序中增加了一個初始化料單程序，包括礦槽的初始化料單及爐頂布料的初始化料單。

2 仿真監控畫面

仿真監控畫面運行環境為施耐德的Citect軟件，監控畫面主要用于對工藝流程進行實時監控，可顯示初始數據、設定數據、仿真數據，可選擇手動和自動操作方式，可對儀器儀表進行強制操作等。為了防止仿真系統終止運行后重新啟動，引起監控畫面上的工藝流程被卡住現象的發生，在畫面中增加了初始化按鈕。點擊“初始化”按鈕，使仿真監控畫面程序能夠自動運行。

在Citect軟件的Cicode文件中編寫函數，把監控畫面的變量寫進數據庫，提供給仿真系統使用；同時把仿真系統提供的變量通過數據庫讀進Citect系統并顯示在監控畫面上。槽下工藝監控畫面如圖1所示，爐頂工藝監控畫面如圖2所示。

3 基于MATLAB的數學建模［2］

本文根據現場采集到的各設備的歷史數據，在MATLAB環境下對這些歷史數據進行整理、分析、計算、擬合、仿真驗證，最終得到符合現場實際情況的設備模型。

圖1 槽下工藝監控畫面

圖2 爐頂工藝監控畫面

3.1 槽下部分數學建模

槽下部分的數學建模包括稱量斗稱重模型和料倉料位模型。圖3為稱量斗稱重和料倉料位實測數據曲線圖。

圖3 稱量斗稱重和料倉料位實測數據曲線圖

下面以稱量值為例進行分析。對稱量值的相關變量進行數據觀察，找出與稱量值有關的變量，然后進行變量篩選和數據整理，每個上料周期具有明顯的下降、上升、等待狀態，對每個周期內的各狀態轉換點進行標記，按照標記進行數據分割，得到多個連續曲線段。

對每個曲線段尋找樣本中心，以樣本中心的擬合曲線進行建模與仿真。建模步驟為：①樣本歸一化處理；②尋找樣本空間的中心；③曲線擬合；④仿真。樣本的歸一化從時長和幅值兩方面進行。時長歸一化將同類波形處理成相同長度的波形，幅值歸一化則將波形的數值映射到區間［－1，1］。使用K均值聚類方法對樣本曲線進行聚類，獲得樣本中心。對各樣本中心曲線進行擬合，獲得可以滿足精度要求的最小多項式系次數。

3.2 爐頂部分數學建模

爐頂部分的設備模型包括上料罐、稱量罐、頂壓、北探尺位置、南探尺位置、東探尺位置、西南頂溫、西北頂溫、東南頂溫、東北頂溫。圖4為探尺位置曲線圖。在MATLAB環境下采用曲線擬合方法建立各種設備模型。

圖4 北探尺、南探尺、東探尺位置曲線圖

4 基于動態鏈接庫的仿真系統

仿真系統的開發在Visual Studio 2005環境下進行，采用了C＃開發語言。主要包括主界面的設計與開發、與數據庫的通訊、數據庫中變量的顯示、設備模型開發與調用等。高爐上料仿真平臺的數據流程圖如圖5所示。

圖5 高爐上料仿真平臺的數據流程圖

考慮到設備模型的通用性和保密性，采用動態鏈接庫的方法將設備模型的功能函數封裝起來，其他系統只要引用該動態鏈接庫，然后調用其中的函數就可以訪問和使用設備模型了。數據庫開發環境為SQL Server 2005［3］，數據庫的表用于存放礦槽工藝與爐頂工藝中監控畫面與仿真系統需要交換使用的變量，實現兩者之間數據的通訊。

5 仿真平臺的應用效果

高爐上料仿真平臺的實現，使得那些需要了解高爐生產工藝但又不能到生產現場觀看的人員在該仿真平臺上觀看到了與現場生產工藝一樣的流程；對那些不熟悉現場操作、容易操作失誤的新工人，利用該平臺可以獲得很好的培訓效果；自主開發的基礎自動化控制程序經該平臺驗證后應用到現場，優化了現場控制系統的重要參數，提高了生產效率和產品質量。

目前該平臺硬件系統和軟件系統運行都很穩定，沒有出現系統故障和通訊故障，操作維護方便，系統界面友好，子系統之間通訊正常，響應速度快，仿真準確率高，達到了預期的性能指標要求。

［1］ 張列剛，張建康，劉興科.仿真實驗設計與分析［M］.北京：電子工業出版社，2010.

［2］ 卓金武.MATLAB在數學建模中的應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2010.

［3］ 陳秋萍.C＃2005數據庫編程經典教程［M］.北京：人民郵電出版社，2007.