基于PLC 的高爐生產(chǎn)過程控制技術(shù)設(shè)計(jì)

辛博

（中鋼設(shè)備有限公司，北京 100080）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)的高爐生產(chǎn)自動(dòng)化水平越來(lái)越高[1]，現(xiàn)有的控制技術(shù)往往通過電子計(jì)算機(jī)完成。 但由于高爐生產(chǎn)過程控制因素較多，控制延時(shí)較長(zhǎng)，極易導(dǎo)致煉鐵生產(chǎn)效率低下，而PLC 是一種可編程控制器，可以實(shí)時(shí)操作計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，運(yùn)行相關(guān)的控制指令，降低高爐生產(chǎn)控制延時(shí)。因此，基于PLC 設(shè)計(jì)了一種新的高爐生產(chǎn)過程控制技術(shù)，本文對(duì)此做一介紹。

1 高爐生產(chǎn)過程控制技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 高爐生產(chǎn)過程控制參數(shù)確定

為了確定高爐生產(chǎn)過程控制參數(shù)，首先需要分析高爐爐頂壓的生產(chǎn)變化趨勢(shì)[2]。 在受到外部干擾后，高爐內(nèi)部的控制變量開始動(dòng)態(tài)化改變，其內(nèi)部參數(shù)的變化狀態(tài)也十分復(fù)雜，為了降低控制參數(shù)的計(jì)算難度，按照生產(chǎn)基礎(chǔ)控制目的對(duì)生產(chǎn)過程控制技術(shù)進(jìn)行了定量描述[3]，根據(jù)線性原理測(cè)量輸入輸出信號(hào)，判定控制環(huán)境條件。此時(shí)要注意的是，生產(chǎn)過程控制參數(shù)必須符合高爐爐頂壓力的動(dòng)態(tài)變化需求，基于此，計(jì)算動(dòng)態(tài)控制參數(shù)A如式（1）所示。

式中，B（z）代表控制噪聲；u代表動(dòng)態(tài)控制次數(shù)；k代表時(shí)滯；d代表觀察壓差；e（k）代表控制函數(shù)。 可以根據(jù)參數(shù)A辨別輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)的綜合系數(shù)，確定高爐爐頂壓生產(chǎn)變化趨勢(shì)，并計(jì)算輸入觀測(cè)向量A（z）和輸出觀測(cè)向量B（z），如式（2）、（3）所示。

式中，a1z......anz代表未知參數(shù)輸入項(xiàng)；b0，b1z......bnz代表未知參數(shù)輸出項(xiàng)。 在觀測(cè)高爐頂壓生產(chǎn)變化趨勢(shì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)觀測(cè)壓差影響最終觀測(cè)結(jié)果情況[4]。 因此，計(jì)算具體壓差值，進(jìn)行壓差排除，提高高爐頂壓生產(chǎn)變化趨勢(shì)分析的有效性，具體壓差值φ計(jì)算如式（4）所示。

式中，y（k）代表觀測(cè)估計(jì)值；ym（k）代表觀測(cè)向量矩陣。剔除壓差值后，得到的變化趨勢(shì)數(shù)據(jù)與實(shí)際高爐煉鐵的變化趨勢(shì)最接近。 當(dāng)獲取的爐頂壓力生產(chǎn)變化數(shù)據(jù)長(zhǎng)度較大時(shí)[5]，往往難以進(jìn)行計(jì)算，分析效果自然無(wú)法得到保證。因此，使用最小二乘法進(jìn)行技術(shù)修正，修正式θ如式（5）所示。

式中，yT代表數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；y代表數(shù)據(jù)占有量；Y代表數(shù)據(jù)修正項(xiàng)。 使用上述修正式可以有效地進(jìn)行修正，獲取符合分析要求的生產(chǎn)變化趨勢(shì)數(shù)據(jù)，從而得到更準(zhǔn)確的生產(chǎn)過程控制參數(shù)，提高生產(chǎn)過程的控制效果。

1.2 基于PLC 的自動(dòng)生產(chǎn)控制平臺(tái)設(shè)計(jì)

為了提高高爐生產(chǎn)過程控制效率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)控制，基于PLC 設(shè)計(jì)了自動(dòng)生產(chǎn)控制平臺(tái)。該平臺(tái)使用PLC 可編程控制器進(jìn)行編程，并使用模塊化設(shè)計(jì)提高平臺(tái)的擴(kuò)展性能，為了避免控制數(shù)據(jù)冗余，設(shè)計(jì)的自動(dòng)生產(chǎn)控制平臺(tái)選取CPU414-2DP 作為中央處理器，且部署了ET200遠(yuǎn)程控制主站。在自動(dòng)生產(chǎn)控制的過程中，存在較多的模擬信號(hào)。 因此，使用6ES7 331-7KF02-0AB0 模擬輸出模塊，有效地進(jìn)行A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換。

在上述控制平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，選取STEP-7 作為動(dòng)態(tài)編程軟件包，進(jìn)行PLC 硬件配置和程序編寫，為了提高平臺(tái)的控制效果，使用PLC創(chuàng)建控制通道，生成相關(guān)的編程語(yǔ)言。在自動(dòng)化控制過程中，需要利用OB/FB/FC/DB 等不同的模塊完成控制數(shù)據(jù)編寫，有效地進(jìn)行自動(dòng)化控制。自動(dòng)化項(xiàng)目創(chuàng)建的基本步驟如圖1 所示。

圖1 自動(dòng)化項(xiàng)目創(chuàng)建的基本步驟Fig. 1 Basic Steps for Establishing Automation Project

由圖1 可知，基于煉鐵高爐的自動(dòng)化生產(chǎn)原則，自動(dòng)化控制平臺(tái)使用PLC 采集相關(guān)的控制數(shù)據(jù)，包括爐體壓力、流量等。 在開始控制時(shí)，首先需要啟動(dòng)OB1 控制模塊，再進(jìn)行循環(huán)掃描，獲取主體控制程序，再經(jīng)過FC1/FC9/FC10/FC11 完成閉環(huán)部分的控制。

FC1 可以將輸入數(shù)據(jù)傳輸至寄存器內(nèi)，避免控制環(huán)境變化對(duì)實(shí)際控制效果造成的影響，從而提高控制效率；FC9 可以不斷采集煉鐵高爐控制過程中生成的壓力值和流量值，調(diào)用相關(guān)的控制程序；FC10 主要負(fù)責(zé)采集控制過程中的溫度變化，調(diào)整溫度主控程序；FC11 可以模擬輸出控制的子程序，完成實(shí)時(shí)控制。使用上述設(shè)計(jì)的控制平臺(tái)可以在最大程度上提高煉鐵高爐生產(chǎn)控制效率，保證生產(chǎn)過程控制的有效性。

1.3 高爐生產(chǎn)過程控制模型構(gòu)建

高爐在控制過程中可能會(huì)隨時(shí)產(chǎn)生較高的控制波動(dòng)，為了避免控制波動(dòng)對(duì)實(shí)際控制過程造成的影響，構(gòu)建高爐生產(chǎn)過程控制模型。使用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)進(jìn)行控制模擬，首先計(jì)算控制過程中生成的輸出機(jī)械轉(zhuǎn)角θ0，如式（6）所示。

式中，n代表執(zhí)行電機(jī)轉(zhuǎn)速；t代表控制延時(shí)；i代表控制常數(shù)。為了降低生產(chǎn)過程控制難度，對(duì)上述輸出機(jī)械轉(zhuǎn)角進(jìn)行拉普拉斯變換，變換式θ0（s）如式（7）所示。

式中，s代表變換系數(shù)；n（s）代表變換函數(shù)。 結(jié)合上述轉(zhuǎn)角，設(shè)計(jì)控制傳遞函數(shù)W，如式（8）所示。

式中，Kg代表減速機(jī)放大系數(shù)。由于高爐生產(chǎn)過程控制滿足非線性微分需求，因此根據(jù)其控制特性設(shè)計(jì)傳遞函數(shù)GD，從而得到高爐生產(chǎn)過程控制模型E，如式（9）、（10）所示。

式中，KMA代表動(dòng)態(tài)傳遞系數(shù)；Tms代表線性化參數(shù)；α代表傳遞角度；U代表傳遞常數(shù)。 使用上述模型可以成功地進(jìn)行高爐生產(chǎn)過程控制，保證控制合理性，為后續(xù)的鋼鐵冶煉作參考。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的高爐PLC 生產(chǎn)過程控制技術(shù)的控制效果，搭建仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將其與常規(guī)的高爐生產(chǎn)過程控制技術(shù)對(duì)比，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了降低仿真實(shí)驗(yàn)的滯后性和干擾性，提高實(shí)驗(yàn)的敏感性，避免在實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生不必要的誤差，使用Matlab7.0/Simulink 搭建仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 Matlab7.0/Simulink 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)部設(shè)置MATLAB 運(yùn)算矩陣，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求布置相關(guān)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，選取合理的計(jì)算工具，實(shí)現(xiàn)高爐生產(chǎn)過程動(dòng)態(tài)分析。為了增加仿真實(shí)驗(yàn)的可視化效果，對(duì)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)部的控制模型進(jìn)行擴(kuò)展。

在正常狀態(tài)下，為了避免高爐爐頂壓力劇烈變化，需要保證仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)部的控制參數(shù)始終穩(wěn)定。 參數(shù)調(diào)整完畢后，根據(jù)參數(shù)匹配狀態(tài)進(jìn)行參數(shù)反饋和濾波檢測(cè)，確保其滿足實(shí)驗(yàn)仿真變化規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)中共設(shè)置了若干個(gè)控制變化點(diǎn)，根據(jù)控制程度將其劃分為A1/A2/A3，結(jié)合布置的控制點(diǎn)數(shù)，可以選取仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用的硬件設(shè)備，其規(guī)格及數(shù)量如表1 所示。 由表1可知，選取的硬件設(shè)備符合高爐生產(chǎn)過程控制實(shí)驗(yàn)需求。在使用前，還需要根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)要求布置各個(gè)部分的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的最優(yōu)配置。

表1 硬件設(shè)備規(guī)格及數(shù)量Table 1 Specification and Quantity of Hardware Equipment

根據(jù)高爐的生產(chǎn)特性，可以設(shè)置高爐流量變化參數(shù)，設(shè)置實(shí)驗(yàn)周期，并繪制生成氣體流量曲線如圖2 所示。

圖2 生成氣體流量曲線Fig. 2 Curve for Flow Rate of Generated Gas

由圖2 可知，不同時(shí)間段下仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)部的氣體流量曲線存在較大差異，但Q1、Q2兩段波動(dòng)狀態(tài)吻合，符合本實(shí)驗(yàn)的生產(chǎn)仿真需求。

在實(shí)驗(yàn)過程中，會(huì)源源不斷地產(chǎn)生控制數(shù)據(jù)和控制指令，為了提高實(shí)驗(yàn)效率，使用恰當(dāng)?shù)某朔K和函數(shù)模塊，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，基于此，設(shè)計(jì)控制爐頂壓力波動(dòng)W計(jì)算式，如式（11）所示。

式中，VC代表控制完畢后爐頂壓力；V0代表高爐初始爐頂壓力，經(jīng)過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，高爐的擾動(dòng)范圍較小。 因此可以將其設(shè)為一個(gè)定值，避免擾動(dòng)對(duì)控制穩(wěn)定性造成的影響，提高實(shí)驗(yàn)的分析效果。

高爐生產(chǎn)過程中，內(nèi)部的鼓風(fēng)機(jī)始終處于工作狀態(tài)，為了滿足實(shí)驗(yàn)的控制需求，在開始實(shí)驗(yàn)前還需要額外設(shè)置合理的PID 控制參數(shù)，即預(yù)設(shè)5個(gè)鼓風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)，分別為k1、k2、k3、k4、k5，上述不同工作狀態(tài)PID 的控制參數(shù)分別為0.85、0.82、0.75、0.05、0.02，確定控制參數(shù)后即可開始后續(xù)的控制實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，可以進(jìn)行高爐生產(chǎn)過程控制實(shí)驗(yàn)，即分別采用高爐PLC 生產(chǎn)過程控制技術(shù)和常規(guī)高爐生產(chǎn)過程控制技術(shù)進(jìn)行控制，并使用式（11）計(jì)算兩種技術(shù)控制后的爐頂壓力波動(dòng)差值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

由表2 可知，采用高爐PLC 生產(chǎn)過程控制技術(shù)時(shí)爐頂壓力波動(dòng)差值較小，而采用常規(guī)的高爐生產(chǎn)過程控制技術(shù)時(shí)爐頂壓力波動(dòng)差值過高。 證明高爐PLC 生產(chǎn)過程控制技術(shù)的控制效果較好，控制穩(wěn)定性較高，符合高爐的生產(chǎn)需求，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

高爐煉鐵是我國(guó)冶煉工藝的重要組成部分，對(duì)我國(guó)工業(yè)化發(fā)展有一定的影響。 在高爐煉鐵過程中，為了提高生產(chǎn)效率，往往需要進(jìn)行生產(chǎn)過程控制。 但采用常規(guī)高爐生產(chǎn)過程控制技術(shù)時(shí)爐頂壓力波動(dòng)過高，不滿足目前高爐煉鐵生產(chǎn)需求，因此設(shè)計(jì)了一種新的基于PLC 的高爐生產(chǎn)過程控制技術(shù)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于PLC 高爐生產(chǎn)過程控制技術(shù)的爐頂壓力波動(dòng)差值較低，控制效果較好，具有可靠性，有一定的應(yīng)用價(jià)值，可以作為后續(xù)鋼鐵冶煉的參考。