基于S7-1200PLC的熔銅豎爐燃料濃度控制系統設計

黃振 李麗娟

摘 ?要： 根據熔銅豎爐冶煉過程中對燃料濃度的控制要求，提出了基于西門子PLC和WinCC的控制系統設計方案。該控制系統采用西門子S7?1200系統模塊作為下位機主控制器，Advantech IPC和WinCC軟件作為上位機，采用模糊PID控制策略為控制算法，利用專業調節經驗作為知識庫，將其通過模糊控制理論轉換成模糊推理機制，在線實時準確地自動調節PID參數。并對現場進行數據采集存檔、自動控制、實時監控和故障報警。實踐結果表明，該控制系統能夠較好地實現對燃料濃度的自動控制，具有安全、高效、節能的效果，同時對閥門安全操作和設備安全管理具有重要的借鑒意義。

關鍵詞： 熔銅豎爐; 燃料濃度控制; 系統設計; 模糊PID; 實時調控; 參數調整

中圖分類號： TN876?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）12?0106?05

Abstract： According to the control requirements of fuel concentration in the smelting process of molten copper shaft furnace， the design scheme of control system based on Siemens PLC and WinCC is proposed. In the control system， the Siemens S7?1200 system module is used as the main controller of the lower computer， the Advantech IPC and WinCC software are applied as the upper computer， and the fuzzy PID control strategy is adopted as the control algorithm. The professional adjustment experience is used as the knowledge base， which is transformed into the fuzzy reasoning mechanism by means of the fuzzy control theory， so as to automatic adjust the PID parameters online， in real time and accurately. The data collection and archiving of on?site objects are performed， which are automatic control， real?time monitoring and make an alarming for faults. The practice results show that the control system can achieve automatic control of fuel concentration， which has the effects of safety， high efficiency and energy saving. It also has important reference significance for safe operation of valves and safety management of equipment.

Keywords： molten copper shaft furnace; fuel concentration control; system design; fuzzy PID; real?time regulation; parameter adjustment

0 ?引 ?言

熔銅豎爐是銅冶煉行業的重要設備，主要用于將銅精礦和銅礦砂中所含的精銅冶煉分離出來，冶煉所需燃料濃度的控制決定著熔銅豎爐冶煉出的精銅品質的好壞。傳統的熔銅豎爐主要采用天然氣為冶煉燃料，對燃料濃度的控制與巡檢主要由人工對燃料閥門操作完成，存在對工人操作經驗要求高、工作效率低、安全性差、易產生疲勞、對閥門的運行狀態控制具有滯后性等問題[1]。對于天然氣燃料濃度的數據采集與統計需要工人不斷在現場進行記錄和檢查來掌握通入熔銅豎爐中的天然氣燃料的濃度狀態，熔銅豎爐燃料濃度自動控制系統能夠對上述的問題提供一個較好的解決辦法。

西門子公司生產的S7?1200 PLC在過程控制領域中得到廣泛應用，它能夠實現現場控制設備的集中管理和控制，且其構造結構相對簡單，能夠很好地適應現場的工作環境，具有相當強的抗干擾能力，同時在編程控制方面簡單，對于現場調試比較方便[2]。從上述優點可以得出利用S7?1200 PLC實現對熔銅豎爐天然氣濃度的監控和燃料濃度調節閥門的控制是可行的。

1 ?系統方案設計架構

熔銅豎爐燃料濃度控制系統主要是以Advantech IPC和WinCC為上位機，以S7?1200 PLC為主控制器，以氣體濃度傳感器、氣體分析儀等為檢測單元，電磁閥、電動調節閥等作為主要執行機構，其控制系統結構如圖1所示。根據控制系統的要求，天然氣濃度控制系統通過PLC控制電動閥門的開度實現實時調整天然氣燃料的進氣量，結合氣體濃度傳感器實時采集的天然氣濃度信號，將冶煉所需的天然氣濃度維持在一定范圍之內穩定波動，實現燃料濃度的控制。

現場的工人在上位機上先設定好冶銅所需要的天然氣燃料的濃度參數，把設定的參數信號傳至控制柜中的PLC中;然后進行相應的邏輯計算;最后將計算的結果輸出到相應的電動閥門中，相應的電動閥門根據得到的控制信號自動調節至相應的開度控制管內天然氣的流量，從而達到對豎爐中燃料濃度的控制。當系統采集的燃料濃度值與設定值相比高或是低時，控制器會根據各傳感器采集的數據用FPID控制算法進行調整電動閥門的開度，從而調整管內燃料的流量，將熔銅豎爐中的燃料濃度穩定在設定值內。

系統的應用環境為工廠車間工況下使用，該工廠車間溫度隨季節變化明顯，設備運轉時周圍環境嘈雜且設備周圍易堆積灰塵等，因此設備選型時必須考慮抗干擾性強以及對工作環境適應性強等因素。鑒于上述原因，結合系統控制需求，IPC選用研華IPC?610H主機。它抗干擾和抗沖擊力強，且機身上端子接口豐富能夠較好地滿足日常的使用，使用機身自帶的RS 232/RS 485以太網通信協議來與控制系統進行數據和信息的交換，可以實時地顯示每一個閥門的狀態和開度數據，這樣極大地方便了現場的工人對數據的監控以便及時地對設定值和其他參數的修改[3]。控制器選用西門子的SIMATIC S7?1200控制器，這是一種緊湊的模塊化PLC，可完成簡單邏輯控制、高級邏輯控制、HMI和網絡通信等任務[4]。其可擴展性和靈活的設計使得高標準工業通信的通信接口和強大的集成技術功能成為可能，結合博圖V14（TIA Portal V14）編程軟件，可以快速地處理各種開關量的順序控制，同時對復雜的過程量運算控制也有很好的操作，且控制器本身內部資源豐富，調用簡單、方便、快捷。

2 ?系統硬件與控制策略設計

2.1 ?硬件設計及工作原理

硬件系統主要由8路自動取樣管件及電動調節閥、管式馬氟爐、樣品預處理單元、分析單元、儀器標定單元、計算機自動控制組件等部分組成。熔銅豎爐各分析回路的氣樣取樣點經氣樣傳輸管線輸送至分析單元8路電磁閥接口。在工作期間，計算機單元通過電磁閥開關控制每個回路的采樣，利用抽氣泵取樣進行分析后，樣氣進入馬氟電爐燃燒。燃燒后的氣樣經干燥除濕、過濾、“工作?校對”切換閥、流程氣調節閥進行流量控制，進入天然氣分析儀分析，得出天然氣濃度值，輸入工業電腦，由工業電腦控制給定燃料電動調節閥門開度大小控制天然氣濃度值，其每個閥開度均反饋顯示在工業電腦屏上，分析后的樣品最后經放散管排空。

該裝置為在線連續自動分析裝置。正常投運后，將轉換開關置“工作”“進樣閥”開，分析儀流量計的流量調節在15 L/h（250 mL/min）左右。樣氣通過預處理單元進行取樣、凈化、除濕、流量控制等操作，確保送入儀器的樣氣達到超潔凈、恒濕、穩壓、流量滿足要求。儀器分析樣氣并顯示分析值，然后輸出標準4～20 mA電流信號。整個系統的工作過程如圖2所示。

2.2 ?模糊PID控制設計

燃料濃度的調節過程具有非線性、大慣性、時滯性等特點，在調節過程中要求系統要有良好的反應能力。在提升濃度時要有較好的快速性，在濃度保持不變時要有較好的平穩性和抗干擾性;而傳統的PID控制策略很難達到這種對濃度控制的要求。因此，本設計采用控制性能更好的FPID作為控制策略。FPID的控制策略是智能PID控制的一種，它的主要特點是利用誤差量e和誤差的變化ec來自動調節PID參數[KP，KI和KD]。首先將操作人員或專家的調節經驗作為知識庫，然后運用模糊控制理論的基本方法把知識庫轉化為模糊推理機制，使用模糊規則實時在線修改PID參數，以滿足誤差量e和誤差變化率ec在不同時刻自整定PID參數的要求。

氣體濃度傳感器反饋的濃度數據的恒值控制[5]是本控制系統的核心控制環節，利用模糊控制與PID控制相互結合可以大大提高控制性能。同時，它是恒定值控制的最優控制方法，也是工業生產過程控制中應用最廣泛的控制方法[6]，通過在PLC控制器中編寫的FPID程序來實現對天然氣濃度的控制。FPID控制算法的模型[7]如圖3所示。

式中，e和ec分別表示燃料濃度的偏差量和偏差變化率。當燃料濃度控制策略模糊化時，濃度偏差e和濃度偏差變化率ec的模糊論域范圍均為[-6，6]，定義輸入量偏差e、偏差變化率ec和輸出控制量[KP，KI，KD]的模糊子集為：{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}。它們分別代表正大、正中、正小、零、負小、負中、負大。[KP，KI，KD]的論域為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，并且設e和ec以及[KP，KI，KD]都服從三角形隸屬函數曲線分布，如圖4所示。

根據專家經驗，可以得到模糊控制規范表，如表1所示。

在系統運行時，不斷檢測系統的偏差量e和偏差變化率ec，然后依據指定的模糊控制規則在線調整參數，分別為[KP，KI和KD]。以滿足在不同時刻偏差量e和偏差變化率ec對[KP，KI和KD]的不同要求：

1） 當|e|很大時，無論e趨勢發生如何變化，控制器[KP]的值都應調整到一個相對較大的值，以此來提高系統的響應速度，達到盡快消除誤差的目的;同時，為了防止|ec|的瞬時過大，[KD]應取比較小的值，[KI]也應取比較小的值，以此來抑制系統的超調過大。

2） 當|e|的大小處在一個中間值時，為了能在抑制超調的前提下保證系統的整體響應速變快，[KP]應該下降到一個小的值，同時增大[KI]的值，[KD]則取適中的值。

3） 當|e|很小時，為了使系統的穩態特性保持不變，以及保持執行結構控制規則和工作特性的一致性，[KP]將被調得相對小，于此同時調大[KI]，以防止控制系統產生較大的震蕩，[KD]的取值要與|ec|相關，以此來提高系統的整體穩定性。為了驗證控制策略的效果，在Matlab下建立傳統PID與FPID控制模型并進行了仿真，如圖5所示。

從仿真圖中可以看出，FPID控制策略相比傳統PID控制策略具有更快的響應速度，并且超調小，能夠快速地達到設定值，對非線性大慣性系統具有良好的控制能力和適應能力。

3 ?系統軟件與組態界面設計

3.1 ?S7?1200 PLC程序設計[9]

根據熔銅豎爐的天然氣燃料濃度控制要求，首先對系統的傳感器、電磁閥等進行I/O分配。為了使天然氣濃度控制具備自動調節和手動調節兩種工作模式，并結合系統所要完成的動作功能設計開發PLC程序。該系統的控制流程圖如圖6所示。

當該系統啟動之后，首先操作員要進行模式的選擇。默認情況下，系統的操作方式是手動操作。當進入到自動操作時，系統將每一個閥門開啟，然后再根據工人在上位機上設定的參數數值進行調整，當控制器接收到上位機傳達的工作指令后，開始自動調節閥門的開度并實時檢測天然氣的濃度參數。此時，控制柜中的PLC控制器根據氣體分析儀實時采集的燃料濃度數據，利用在控制器中編寫的FPID算法進行計算，以此得到合適的輸出開度并控制閥門動作。當天然氣的濃度偏離設定值時，PLC輸出到電動閥門的開度數值也會相應的實時變化，從而改變閥門的開度，實現天然氣濃度的恒定控制。電控系統實物圖如圖7所示。

3.2 ?組態界面設計[10]

上位機的操作界面由西門子的WinCC組態軟件配置。WinCC組態軟件為西門子公司自研的組態軟件，與西門子PLC一起調試使用具有良好的兼容性和可操作性，為整個控制系統的穩定運行提供保障。根據系統的控制要求，組態界面共包含主界面、調整界面、曲線界面、實時報表、歷史報表、報警界面、用戶登錄、修改密碼、用戶管理、退出系統等主要操作選項。熔銅豎爐自動化系統的監控畫面結構如圖8所示。

用戶登錄界面是整個控制系統啟動之后的首個顯示界面，用于操作用戶的信息記錄和備份，同時對各傳感器及閥門的狀態進行安全檢查;主畫面主要顯示系統中的各項功能，方便工人選擇所需要系統執行的控制功能。主畫面界面如圖9所示。

調整畫面用于對設定值的選定和各項參數的調整，在沒有操作的前提下系統會給出設定的默認值，當工人需要依據生產要求進行變更時可在此界面進行修改。調整畫面界面如圖10所示。

曲線畫面用于將電動閥門的實時開度數值繪制成折線統計圖，以便于操作員觀察和監控系統運行狀況，如圖11所示。

實時報表用于記錄整點時刻的天然氣濃度值和電動閥門的開度值，此報表可以線上保存和線下打印，方便備案和查詢;歷史報表用于實時報表的記錄和備份，且可以對記錄和備份的時間段進行設置，超過設置時間后新數據自動覆蓋老數據;報警畫面用于記錄系統中的一些報警信息，以便操作員根據報警信息處理相關報警值;用戶管理用于存檔登錄用戶的備份信息;退出系統用于整個系統界面的關閉退出操作。

4 ?結 ?語

針對工廠作業環境的特點，結合實際需求和操作中暴露出的缺陷，本文設計一套熔銅豎爐天然氣濃度自動控制系統并成功應用于實際的生產。本文所設計的控制系統在硬件和軟件上都充分地與現場相結合，考慮操作的安全性與可靠性，設計了簡單易操作的人機控制界面，有助于操作員對整個控制工況的有效監控，大大提高了操作效率和生產效率。在通過一段時間的使用及運行狀況表明，該控制系統的整體運行狀況穩定，冶煉出的精銅產品質量可靠，對冶煉時燃料的濃度控制效果明顯、系統的整體速度快的同時也可以很好地控制，調節時的波動，提高了產品的生產效率，也降低了燃料的消耗，獲得了與設計預期相同的控制效果，為冶金行業在冶煉燃料濃度的控制問題上提供了一個有效的解決方案。

注：本文通訊作者為李麗娟。

參考文獻

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