自主失重给料控制算法的设计与应用

祝 震

（江西铜业集团公司 贵溪冶炼厂，江西贵溪 335424）

江西铜业集团公司贵溪冶炼厂（以下简称“贵冶”）一、二系统闪速炉失重给料装置由于引进时间不同，两套失重称的控制器（WB-930）型号不同，不能互为备用。特别是一系统的控制器使用已长达13年，该备件已经不再量产，只能定制，因此带来了备件费用高，采购周期长等问题。另外，由于失重给料WB-930控制器的内部控制方案、控制算法等都固化在其内部存储器中，大部分的控制参数无法调整或者不能在线调整。当给料量异常时，查找和处理问题十分不便，甚至根本无从下手；当系统故障时，维护人员很难获取具体的故障信息，不仅会拖延分析及处理故障的时间，影响闪速炉作业率，还会增加维护人员的压力。为此，在不影响原有控制的基础上，本文研究设计出一种自主DCS失重给料控制算法。

1 控制算法的设计

失重给料系统整个控制主要分为两大部分：一部分系统通过周期性的控制加料阀对失重仓进行加料，保证失重仓内精矿稳定在1个固定范围内；另一部分通过持续控制下部给料螺旋转速，控制单位时间内排出精矿的流量，达到稳定给料的目的[1]。为此，自主算法主要围绕这两大块展开设计。

1.1 加料控制程序的设计

当排料至料仓料位到达下限值时，加料阀、仓流态化阀打开，放空阀打开，吸气阀关闭；当料仓料位到达上限值时，加料阀、仓流态化阀关闭，放空阀关闭，吸气阀打开，如此周期反复进行。这种设计模式符合顺控程序的设计，因此加料控制程序采用DCS系统中的顺序控制模式进行开发组态。

1.2 给料螺旋的控制设计

在一个完整的失重给料周期内，根据所处的阶段不同，给料螺旋可分为正常的排料阶段及加料阶段。排料阶段时，根据单位时间内料仓称重量的减少量，连续计算出投料量的多少，并根据投料量大小与投料量设定值的比较结果，来调整给料螺旋的转速，从而使投料量与其设定值相符。这一部分采用DCS系统中常用的比例积分微分控制（PID）控制即可实现。加料阶段时，计量仓加料阀打开，计量仓处于一边加料一边排料的状态，因此计量仓在加料期间无法根据仓重减少的大小测量给料量。此时WB-930控制器保持加料末的输出，锁定给料螺旋的转速保持投料量不变。但是由于料仓料位的上升，即使给料螺旋保持恒定转速，也会导致恢复正常失重控制时可能多带料（正常情况下）。WB-930控制器有1套自适应的前馈[2]在加料后的一段时间内能进行修正控制，进一步提升失重给料的精确度,特别是随着给料螺旋的磨损，带料能力下降后，自适应控制可以自动调节适应不同磨损状况下螺旋修正值，达到稳定给料的目的。

1.3 安全联锁设计

结合多年的维护经验，总结出了很多联锁关系，如：给料螺旋转速信号为零，联锁停车；开车时，搅拌臂未运行，联锁停车；加料阀关位置不到位，WB-930控制输出走直线，造成下生料；加料阀开不到位，报警提示等。以上这些关系，都能通过DCS逻辑联锁、报警组态实现。

2 各I/O信号的接入

由于原有的控制信号都由WB-930控制器发出，DCS系统中仅仅通过通讯读取了各类阀门仪表的运行参数，但无法对现场的设备进行控制。贵冶一、二系统WB-930控制器的相关信号分别通过MODBUS和PROFIBUS-DP通讯至DCS系统。由于通讯点的刷新率低，无法满足控制及时性要求，因此需要所有的控制点直接接入系统，但又不能影响原WB-930控制器的控制。

2.1 称重信号的接入

利用一系统定修停车的机会，将失重仓仓重传感器毫伏信号并接[3]出来，通过毫伏信号变送器引入DCS系统（见图1）。硬线连接的方式基本上解决了通讯滞后问题，接着对接入的仓重信号进行处理，计算出了失重的给料流量信号。通过实时数据库的比对，采用此方法获取的仓重与原有系统保持了高度的一致（见图2）。

图1 WB930盘柜内称重信号引入DCS系统

图2 新接入仓重信号与原有仓重指示对比

2.2 给料螺旋控制信号的接入

将原有WB930控制输出直接送至给料螺旋变频器，改为先将信号接入DCS AI卡件，再通过AO卡件送至给料螺旋变频器控制输入，这样我们通过新增1个逻辑选择功能，便可选择是直接推送（由WB930控制器控制）还是由自主DCS算法控制。DCS系统替代原WB930控制算法输出布线物理连接，如图3所示。

图3 替代后DCS系统输出布线物理连接图

2.3 接入DCS系统

最后将一系列诸如仓重信号、加料阀开关以及其位置反馈开关、给料螺旋的控制信号等等都接入DCS系统，供DCS控制器直接调用，满足控制要求（见图 4）。

图4 控制器原理

3 DCS系统失重给料控制算法的开发

按照前期设计，贵冶在DCS系统中将控制算法一一实现：利用顺控程序完成周期性的加料控制（见图5）；使用比例积分微分（PID）控制模块用于排料的常规控制；使用逻辑功能块，对加料完成后的采样累计结果进行处理，设计出用作自适应前馈控制功能的逻辑。

图5 周期性加料控制逻辑

算法完成前期，贵冶先进行离线模式测试运行，利用PI实时系统对相关运行数据进行采样[4]，并与原有WB-930控制器实际运行的数据进行比对，以此不断优化整套控制程序。

在完成了初步的离线测试后，在生产时，单独启用了给料螺旋自主控制，将DCS算法的控制输出送至给料螺旋变频器进行短期的生产实测，边测试边在线调整控制参数，最终得到了1套稳定的控制算法参数（见图6）。

图6 给料螺旋的自主控制效果趋势

4 DCS控制算法的应用

贵冶利用1次一系统2#WB-930控制器故障的机会，将自主开发的失重给料控制系统投入正常生产使用，为期5 d（2014年 8月13日-18日），自主控制算法失重给料控制流量的实际历史趋势见图7，期间闪速炉铜温渣温趋势见图8，烟灰发生率情况见图9。

图7 首次长周期完整运行效果

图8 首次长周期投料运行期间FF铜渣温趋势

图9 首次长周期投料运行期间烟灰仓料位及烟灰投料量趋势

从以上趋势图中可以看出，自主DCS控制算法已经连续运行了超过120 h，各项生产经济技术指标都正常稳定[5]，闪速炉炉况正常，完全满足生产需要。

5 结论

贵冶通过DCS系统，利用原有现场设备，在没有进行大的改动的情况下，新增了1套在线的冗余控制系统。当原有控制系统出现问题时，可以快速切换到DCS系统控制，保证了生产的连续性。该自主系统的实现还丰富了大量状态信号，对仪表维护人员分析判断各类故障提供了有利的条件，为技术人员了解设备运行状况提供了数据支撑，对今后维护工作提供了一个新的思路和方向。