鎂精煉爐智能控制器設計

高玉+楊賀緒

【摘要】簡要介紹了金屬鎂熱還原法生產現狀；以介紹鎂精煉爐爐溫控制器設計為例，并加以分析智能控制在高耗能企業生產過程中的影響，最后指出智能控制在高耗能產業中的發展方向。

【關鍵詞】鎂 加熱爐 智能控制設計

1、引言：

2005年為響應國家政策，西北地區嚴厲遏制高耗能產業的繼續擴大發展，提倡企業節能減排，好多企業由于環保不合格卷入這場大幅度改制風暴之中，而金屬鎂作為煤化工行業中收益最大的行業之一也不例外，高耗能、高污染企業都陷入困境之中。但是國家對西北地區開發力度的不斷加大以及西北地區豐富的煤礦資源，致使前幾年西北地區大力發展煤化工行業。因此金屬鎂項目至今在西北地區是較為火熱的一個項目。為響應政府號召本著服務當地經濟，節約企業成本，提高生產效率我們單位也投入了大量資金與企業合作開發低耗能加熱爐，先后曾與寧夏華源金屬鎂有限、全世達鎂業有限公司、鑫達鎂業有限公司、內蒙鄂爾多斯金屬鎂、陜西神木金屬鎂及山西大豐等多家單位合作開發蓄熱式還原爐，截止目前經過近十年的努力推廣蓄熱式還原爐在寧夏、陜北、內蒙、山西金屬鎂行業基本已經普及，傳統的生產線加熱爐基本看不到蹤影。

據調查這種新技術得引進不但大大的減少了工人的勞動量，工作環境也有進一步的改善，生產成本噸鎂比傳統加熱爐能節約160-240RMB，每個企業調查數據不盡相同，根據個人調查幾家大單位基本年生產能力都在1.2萬噸以上，按節約最低標準計算每年可為企業節省192萬，當然部分企業可能會達到200萬以上，這些只是爐體改造節約的成本，實際在企業調研中有一個至關重要的問題——控制問題，這些年一直在思索這個問題，由于以前只參與機械和土建部分，一是對控制沒有足夠的知識儲備，另一方面也沒有用心去做這件事，但是如果控制問題解決了就燃料與人工還能減少，目前還原車間一臺爐子配備7個工人，精煉車間按流水線算平均一臺爐子6人，如果控制問題能解決個人認為還原車間至少每臺爐子能抽出2人，精煉車間至少每個爐子上能少1.4人，年生產能力1.2萬噸企業還原車間、精煉車間基本都是24臺爐子，實現自動控制后單位能少用至少80個工人，每年節約成本至少在240萬左右，這一部分只是人工工資級福利待遇，燃料的節約目前沒有可靠的數據作為支撐。

由于在傳統生產流程中金屬鎂行業的控制都是手動控制，加之金屬鎂化學性能較為活躍（僅次于金屬鈉），而還原車間、精煉車間是金屬鎂最為危險、最難把握的，所以金屬鎂還原車間、精煉車間的自動控制可能不太為人所知。下面以金屬鎂精煉車間精煉爐為例設計、編程、調試的一個金屬鎂精煉項目做案例對此系統自控方面做以下設計。

2、系統介紹：

2、1系統構成：

為了提高控制系統的穩定性與可靠性，本系統上位機采用一臺工程師站、一臺操作工站兩臺工業計算機，相互獨立、各為服務器。上位機為操作工及工程師與系統的人機互換界面，使相關人員可以通過人機界面了解現場執行機構、相關數據、故障報警及進行報表歸檔查詢，提高了生產中的工作效率、數據的真實性、車間的控制簡化及相關故障查詢。設計如下圖：

由于現場控制及需要監控的變量過多，一個機架無法滿足控制要求，所以系統擴展了3個機架。系統主要分為爐溫控制、電壓控制、爐壓控制?，F場所有儀表4—20MA信號均以硬接線的方式將信號送至PLC，然后經過處理后通過工業以太網將數據傳輸至上位機。上位機上的所有啟?？刂埔嗖捎靡蕴W通訊傳輸至PLC，然后反應到現場所有執行機構。工作人員在現場通過上位機對現場所有設備進行監控及控制，現場設有手動控制機組，當一臺上位機出現死機或故障均不會影響系統的正常工作，因為兩臺上位機是互為冗余的，均是控制系統的服務器，工作臺也可以手動控制。這樣也大大提高了控制系統的穩定性及可靠性。

2、2仿真控制設計

本文采用的仿真工具是MTLAB。MATLAB是Math works公司于1982年推出的一套高性能計算和可視化軟件。它計算功能強大，圖形功能豐富方便，適用范圍廣泛；編程效率高，擴充能力強；語句簡單，易學易用。它集數值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，它的強大的擴展功能為各個領域的應用提供了基礎。特別是由各個領域的專家學者相繼開發的各種MATLAB工具箱，使得MATLAB從一個工程計算軟件變成為自動控制計算和仿真的強有力工具。

Simulink是MATLAB里的工具箱之一，主要的功能是實現動態系統建模，仿真與分析，從而可以在實際系統制作出來之前，預先對系統進行仿真與分析，并可以對系統做適當的實時修正或者按照仿真的最佳效果來調試及整定控制系統的參數，以提高系統的性能，減少系統設計過程中反復修改的時間，實現高效率地開發系統的目標。它使用簡單，功能強大，并且支持連續、離散及兩者混合的線性和非線性系統。Simulink包含多個子模型庫，每個子模型庫中又包含多個功能模塊。而且使用鼠標拖拽，搭積木式的編輯方法，簡單方便，直觀高效。用戶也可以用語言編寫自定義功能函數，通過Simulink中的M-function模塊將模塊控制程序連接到仿真模型中。模糊邏輯工具箱就是一個可以嵌入到Simulink仿真視圖的模糊控制器設計工具。

在這里我就是利用Simulink對電阻爐溫度進行仿真。

模糊控制器的設計：

模糊控制器選用二維輸入和一維輸出，輸入變量為溫度偏差E和溫度偏差變化率EC，輸出量為溫度控制變化量U。對每一個輸入和輸出變量，均將其規范化到[- 1，1]區間，并采用7個模糊集NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL（此處N代表負， P代表正）。每個輸入的模糊集采用三角型函數，每個輸出的模糊集采用單數值型。本文采用的模糊規則如表1-1所示。

通過以上的仿真嘗試，從仿真的圖形可以看出模糊控制能夠很快地穩定期望值，在期望值附近小幅度地振蕩，而PID控制要經過一段時間才能穩定到期望值。雖然在穩定后PID控制會穩定在期望值而模糊控制是在期望值附近振蕩，但是由圖1-7和圖1-10的比較中可以明顯看出模糊控制在有干擾的情況下還能穩定在期望值周圍，而PID控制受干擾的影響相當大。所以，通過仿真可以看出模糊控制在對付工業電阻爐這種不確定，大慣性，大時滯，非線形的控制對象時，它的穩定性還是遠遠優越于PID控制的。

3、結束語

電阻爐是一種不確定、大慣性、大時滯、非線性嚴重的控制對象，精確建模具有特殊的困難，用傳統的PID控制難以取得很好的控制效果。此外，常規PID的控制參數通常由人工調整，調整過程繁瑣，浪費人力物力。而模糊控制實際上是一個基于專家知識的無?？刂品椒?，它不依賴于對象的數學模型而實現了人類某些智能。為此，本文對有關控制理論與算法進行了研究，主要完成了以下工作：

（1）根據電阻爐溫度控制的內在機理，綜合考慮各方面的因素，運用數學分析的方法，對電阻爐溫度控制系統進行了設計，確定電阻爐為一階純滯后系統。

（2）在對比了模糊控制和PID控制優缺點的基礎上，并根據長期對電阻爐溫度控制系統的手工操作積累的經驗，應用模糊控制控制方法。該控制方法結合了模糊控制和常規PID的特點，揚長避短。在MATLAB的SIMULINK環境下仿真結果表明，對具有純滯后的非線性系統，它既有常規模糊控制響應快的特點，又具有PID控制穩態精度高的特點。此外還具有較強的自適應能力和魯棒性，因此，能夠滿足多干擾，變參數和非線性控制過程的要求。并且，程序比較容易實現。

該系統實現了實時監控、故障報警、歷史數據的存儲和查詢、報表的顯示和打印等多項功能，且用戶界面操作良好，易于學習。系統具有良好的通用性、可擴展性和可維護性。通過以上設計可使，大大降低了工人的勞動強度，提高了管理水平。該項設計為金屬鎂精煉項目的全自動化設計提供了極好的物質參考。如何更進一步的提高模糊控制的穩態精度，將先進的模糊控制策略應用到鎂行業的電阻爐溫度控制中，是下一步的理論研究工作。實踐工作主要是精確地調試單片機模糊控制器。

參考文獻：

[1]何平，王鴻緒.模糊控制器的設計及應用.北京：科學出版

社，1997：1～181

[2]張曾科.模糊數學在自動化技術中的應用.北京：清華大

學出版社.1997：130～189

[3]劉金琨，先進PID控制MATLAB仿真（第3版）.電子工業出

版社.2015.03.

[4]王正林.MATLAB/Simulink與控制系統仿真（第3版）.

2012.01

[5]王學濤 （編者），曹玉春（編者），蘭澤全（編者）.工業窯爐

節能技術.2010.07

[6]柳洪義 （作者），羅忠（作者），宋偉剛（作者）.機械工程控

制技術.2011.08