基于BPCSP系統平臺的結構化編程及應用

王俊鵬，楊 衛，馮彩霞，馮媛媛

（1．北京礦冶研究總院 礦冶過程自動控制技術北京市重點實驗室，北京100160；2．北方銅業股份有限公司銅礦峪礦選礦廠，山西 垣曲043700）

BPCSP系統平臺是北京礦冶研究總院開發的一種面向對象的PLC系統平臺，它致力于建立起一套可重用的、易于擴展和維護的、可靈活組態的過程控制控制系統，可以實現在一定條件下不用編程就能對PLC系統的過程數據分析、控制功能（控制回路、順序控制等）、特殊應用包（專家系統等）進行修改和調整［1］。目前BPCSP系統平臺已經發展有基于GE Fanuc PAC System 3i／7i系列PLC和基于西門子S7－300／400系列PLC的兩套系統，并在山東、新疆、廣東、山西、蒙古等多個大型自動化項目中得以應用。

1 BPCSP系統平臺的基本結構

BPCSP系統平臺的基本思想是面向對象的，即系統中的每個被控對象、控制回路等都是一個獨立的對象。比如一臺電機、一臺閥門、一個儀表、一個控制算法等，都可以看作是一個對象。BPCSP系統平臺的對象被封裝為一個含有16通道模擬量數據（AI／AO通道，簡稱AIO通道）、16通道數字量數據（DI／DO通道，簡稱DIO通道）以及若干可根據對象特性由驅動程序定義的UDA（User Define Attribute）數據。同時，被封裝的對象中還包含有一定數量的定時器、計數器、累加器、配置數據以及后臺使用的UDA數據等［1］。BPCSP系統平臺的靈活之處在于其所有的16個模擬量通道和16個數字量通道均可自由定義為輸入或者輸出通道，而且每個通道均可以通過配置參數的形式索引PLC內部的所有輸入、輸出地址以及內部寄存器和數據塊地址。同時，各個實例之間還可以通過實例編號和變量在實例中存儲的相對位置（即偏移量）來相互進行信息傳遞。修改通道的地址通過修改配置參數進行，無需修改和下載控制程序。

BPCSP系統平臺以驅動程序的方式對被控對象的數據和控制算法進行歸類封裝。常用的基礎驅動程序有：數據處理、通用電機類、PID類、連鎖控制類已經恒定給礦、比例給水、泵池液位控制算法等。

1．1 數據處理

數據處理類的主要功能是對模擬量數據進行工程量歸一化轉換，并按照設定的濾波強度和規則對數據進行濾波處理，可選的功能還包括：對數據進行低低限、低限、高限、高高限報警；對需要累計的數據還可以采用高精度的方式求累積量等。數據處理的AIO通道定義如表1所示。

1．2 通用電機類

對于電機類設備，其控制邏輯依賴于其電氣二次回路圖。在常規的控制程序中，必須先得到二次回路圖才可以編寫電機的控制程序，這樣就造成了控制程序開發的滯后，而且還會形成很多版本的電機控制程序。BPCSP系統平臺將常見的二次回路圖中的控制信號進行了歸類處理，歸類后的輸入、輸出只有五種（表2）。電機類驅動中的DIO＿1～DIO＿12通道的含義是可以通過參數進行配置的（即修改通道含義不需要修改和下載程序），每個通道都可以選擇表2中所列的信號類型。而DIO＿13～DIO＿16這4個數字量通道則用于連鎖控制，具體如表3所示。

表2 電機設備基礎信號列表

表3 電機設備連鎖控制信號列表

BPCSP系統平臺將電機的控制方式進行了拆解歸類，如圖1所示。在電機控制邏輯中，最重要的是電機的遠程連鎖控制。BPCSP系統平臺將遠程連鎖模式分為手動和自動兩種。在手動連鎖模式下，電機的啟動或者停車條件達到后，并不能立刻啟動或停止，還需要手動點擊畫面上的啟動或者停車按鈕才能執行動作；在啟動或者停車條件不具備時，點擊按鈕無效。在自動連鎖模式下，電機的啟動或者停車條件達到后，電機將自動開啟或者停車。

圖1 電機控制方式圖

1．3 PID類

BPCSP系統平臺PID控制器采用的是經典的PID控制算法，且用戶可在增量式算法（公式2）和位置式算法（公式1）中二選一。BPCSP系統平臺還對經典的PID算法進行了優化，增加了積分抗飽和及積分分離優化功能。

位置式PID控制算法，見式（1）。增量式PID控制算法，見式（2）。

式中：k：采樣序號，k＝0，1，2，……；uk：第k次采樣時刻的計算輸出值；Δuk：第k次采樣時刻相對于第k－1次采樣時刻的計算輸出增量；ek：第k次采樣時刻輸入的偏差值；ek－1：第k－1次采樣時刻輸入的偏差值；ek－2：第k－2次采樣時刻輸入的偏差值；T：控制周期；Kp：比例系數；Ti：積分時間；Td：微分時間。

1．4 連鎖控制類

連鎖控制又分為局部連鎖控制和全局連鎖控制兩類。在對設備進行連鎖啟停控制時，可將相關聯比較緊密的設備作為一個局部連鎖段進行控制。比如在破碎段，可以以礦倉為分界點對礦倉前后的設備分為兩個局部的連鎖段，多個局部連鎖段可以組成一個全局連鎖段。一個局部連鎖控制程序最多可以將16臺電機歸入一個局部連鎖段；一個全局連鎖實例可以管理16個局部連鎖控制程序。

連鎖程序只負責對程序中配置的各個電機實例（或者局部連鎖實例）進行歸納管理，并統一發送一鍵啟動、停止指令，但并不負責各個電機設備（或者局部連鎖實例）的具體啟停順序。各個電機實例（或者局部連鎖實例）號的先后順序并不是設備開停的具體順序。各個設備的開停順序由各自的“連鎖啟動許可”以及“連鎖停車許可”位來控制。

2 BPCSP系統平臺在選礦廠的應用

山西某銅礦選礦廠設計礦石處理能力為600萬t／a，設計日處理礦石能力為18000t／d，現日處理礦石能力已接近20000t／d。主要配置有：碎礦7臺套破碎機及皮帶運輸系統，磨浮3臺套大型球磨及浮選系統、石灰乳化系統，以及配套的濃縮、過濾系統等。

2．1 碎礦工段控制邏輯的設計

碎礦系統的流程如圖2所示。對于碎礦工段，其控制邏輯設計的基本原則是：①逆著物料流動的順序開車：首先開啟物料輸送流程中最末端的設備，物流輸送流程中所有下游設備全部開啟后才可以開啟給料設備；②順著物料流動的順序停車：正常停車時，必須先停止給料設備，才能停止流程中的下一級設備。故障時，立刻停止故障設備上游的所有帶料設備。

圖2 碎礦流程畫面

按照上述基本原則，將碎礦工段主流程設備劃分為4個分段，公共段：包含6＃、7＃、8＃皮帶，篩分段：包含5＃、39＃皮帶以及7臺振動篩和7臺給礦皮帶機，中細碎段：含38＃皮帶、7臺圓錐破碎機、8臺給礦皮帶機，預先篩分段：含0＃、1＃、2＃、3＃、4＃皮帶，預先篩，5臺震動放礦機以及相關皮帶的抱閘電機和油泵。此處以公共段為例簡要介紹使用BPCSP系統平臺如何通過修改參數即可完成連鎖邏輯的設計，而無需編輯和下載程序。

公共段的開車順序為：8＃皮帶→7＃皮帶→6＃皮帶；公共段的停車順序為：6＃皮帶→7＃皮帶→8＃皮帶。則這三條皮帶的連鎖控制信號在BPCSP平臺上的配置如表4所示。

表4 公共段皮帶連鎖位配置表

表4中，BCR＊＿Run為皮帶的運行狀態信號，皮帶運行時該信號ON，停車時該信號OFF；BCR＊＿Stop是皮帶的停止狀態信號，其狀態與BCR＊＿Run相反；Stop＿Lk和Start＿Lk則分別是來局部連鎖控制程序的連鎖停車和連鎖開車指令。

在對電機進行順序連鎖啟停時，電機需要處于“遠程”（“連鎖”（“手動連鎖”狀態，與之相關的局部連鎖控制程序則需要向其所轄的所有設備發送“連鎖”指令。連鎖控制畫面窗口如圖3所示。

圖3 公共段連鎖控制窗口

2．2 磨礦控制系統的設計

該選廠磨礦、浮選系統有3個相似的系列。其中一個磨礦回路如圖4所示。該磨礦回路共有3條給礦皮帶，15臺圓盤給礦機（其中8臺為變頻控制），2個磨機前給水回路（圖中①和②），2個磨機后給水回路（圖中③和④），渣漿泵為變頻控制。控制儀表的安裝情況為：No．14－1皮帶上裝有電子皮帶秤，4個給水回路分別裝有電磁流量計和電動調節閥，泵池上裝有雷達液位計，旋流器給礦和溢流管路上分別裝有電磁流量計和濃度計，旋流器頂裝有壓力變送器。

磨礦控制系統的應用的控制回路主要有：恒定給礦控制回路、比例給水控制回路和泵池液位控制回路。

2．2．1 恒定給礦控制

恒定給礦控制的目的是穩定球磨機的給料量。恒定給礦采用經典PID或者大間隔采樣積分控制算法（根據需要可以算作）。控制系統框圖如圖5所示。Q＊表示給礦量的設定值，e表示給礦誤差，T為采樣周期，u表示控制器輸出的控制量，y′表示給料機輸出礦量，y表示皮帶秤處的礦量。

圖4 磨礦控制系統圖

每個磨礦系統有多達15臺給料機，實際給料時一般選取4～6臺給料機開啟，其中有1～3臺變頻給料機，再在運行的變頻給料機中選取1臺作為主控設備接受大間隔采樣控制算法的輸出，另外的變頻給料機作為粗調設備。

在BPCSP系統平臺中，15臺給料機為通用電機類實例，控制算法為PID類或者大間隔采樣類的實例程序，皮帶秤數據濾波采用數據處理類實例。控制算法通過AIO通道直接引用皮帶秤數據處理實例的數據濾波結果，同時控制算法根據選擇的主控給料機將控制量直接通過給料機的實例編號傳送給給料機。設定礦量為275t／h時，恒定給礦控制回路運行1小時的控制數據分析如表5所示。

2．2．2 比例給水控制

比例給水控制的目的是控制磨礦系統的濃度，其算法的中心思想是物料平衡，即進入球磨系統的礦量和水量與旋流器溢流的礦量和水量相等。根據工藝要求的溢流濃度C、給礦量Q、修正系數k、前給水所占總水量的比例p可以計算出前給水水量F1和后給水水量F2，從而控制整個磨礦系統的溢流濃度y，控制系統框圖如圖6所示。其中前給水水量F1和后給水水量F2還可以再根據設定的比例值在所在回路的兩個水口中進行按比例分配。

圖5 恒定給礦控制框圖

表5 恒定給礦控制效果

一個比例給水控制回路由6個BPCSP系統實例構成，其中1個控制算法實例，4個PID類實例，1個數據處理實例。控制算法通過AIO通道直接引用濃度數據處理實例的數據，同時控制算法實例將計算出的各個水口的設定量直接通過實例編號傳送給各個PID實例作為PID的設定值。

2．2．3 泵池液位控制

泵池液位控制以控制球磨機泵池液位為基礎，同時兼顧穩定旋流器壓力。其控制思路為：將泵池液位按照低低限、低限、高限、高高限劃分為5個區域，當泵池液位處于高限和低限之間的穩定區時，泵速維持不變；當泵池液位低于低低限時，自動以設定的最低頻率運行；當泵池液位高于設定的高高限時，自動以設定的最高頻率運行；當泵池液位低于低限但高于低低限時或者高于高限但低于高高限時，采用PID算法調整液位，直到液位回到高限和低限之間的穩定區，再次維持泵速不變；在PID調節期間，還需要監視旋流器壓力，當旋流器壓力低于設定的壓力低限時，不再調低泵速；當旋流器壓力高于設定的壓力高限時，不再調高泵速。控制狀態圖如圖7所示。

一個泵池液位控制回路由2個數據處理類實例（液位和壓力）、2個通用電機類實例和1個泵池液位控制算法實例構成。控制算法通過AIO通道直接引用壓力數據處理實例的數據，通過實例編號直接引用液位數據處理實例的數據液位值和各個狀態的報警位，同時控制算法實例將計算出的頻率設定量直接通過實例編號傳送給當前運行的渣漿泵。泵池液位控制回路24小時運行效果如圖8所示。

3 結 語

圖6 比例給水系統框圖

BPCSP系統平臺采用結構化的編程方法，將基礎的數據處理功能、電機控制功能、PID控制功能、連鎖控制功能以及類似恒定給礦算法、比例給水算法和泵池液位控制算法等設計成基礎的模塊式的程序單元，配合靈活的數據IO接口和內部數據的引用機制，可以采用搭積木的方式用基礎的程序單元配置成各種復雜的連鎖和控制回路，而且其配置過程無需編譯和下載程序，極大的方便了控制系統的調試和維護。

圖7 泵池液位控制狀態圖

圖8 泵池液位回路24小時運行效果圖

［1］ 王俊鵬．面向對象的PLC系統平臺及其在黃金精煉廠的應用［J］．計算技術與自動化，2013（1）：62－65．

［2］ 孫艷艷，王俊鵬．模板化人機界面在浮選自動控制系統中的應用［J］．礦冶，2011，20（3）：96－99．

［3］ 代偉，柴天佑．數據驅動的復雜磨礦過程運行優化控制方法［J］．自動化學報，2014，40（9）：2005－2014．

［4］ 趙大勇，岳恒，周平，等．基于智能優化控制的磨礦過程綜合自動化系統［J］．山東大學學報：工學版，2005，35（3）：119－124．

［5］ 周俊武，徐寧．選礦自動化新進進展［J］．有色金屬：選礦部分，2011（B10）：47－54．

［6］ 《選礦手冊》編輯委員會．選礦手冊［Ｍ］．北京：冶金工業出版社，2005．