文章介紹了鉻鐵合金爐配料生產中使用微機配料係統的生產工藝,包括該微機配料係統的構造,原理,自動配料算法和運行效果等的詳細說明.

鉻鐵合金冶煉工藝及配料簡介

　　　在鉻鐵合金冶煉生產過程中，微機配料控製係統是一種典型的自動配料控製過程。鉻鐵是由鉻及鐵元素互熔後形成的合金。鉻鐵合金的主要作用是作為煉鋼用的脫氧劑和合金劑。浙江橫山鉻鐵合金廠冶煉三分廠是一家專門從事鉻鐵合金精煉生產的專業廠，它所采用的冶煉工藝是矽鉻堆底法，其主要工藝過程是：用鉻礦、矽鉻合金和石灰在電爐中進行熔煉，利用電能使爐料熔化，依靠矽鉻中的矽去還原鉻礦中的三氧化二鉻，從而得到微碳鉻鐵。對鉻鐵進行精煉的主要目的是除去雜質和脫氣，從而獲得成分合格、組織致密和結晶飽滿的低、微碳鉻鐵合金。

微機配料係統的構成

　深入地理解其組成原理、各環節的特性和相互關係，對於正確地理解配料過程誤差產生的原因以及采取相應的措施都不無益處。現根據自動控製理論知識，對結構圖中的各個環節作一歸納性的分析。

被控對象

　　該配料係統的被控對象是冶金爐料。它們是石灰、矽鉻合金和鉻礦，其自身的物理和化學性能將對配料控製特性產生影響。其中石灰有一定的顆粒要求，但實際上有時粉化較嚴重，粉末很多，而新製石灰的塊度有可能太大而堵住稱量鬥出口，從而造成停止加料；鉻礦通常采用熔化性較好的粉礦，通過偏心擊打式電機振動下料，但在梅雨季節下料較困難，這樣會延長裝料時間；而矽鉻合金經破碎後其塊度均勻，流動性較好，最有利於稱量控製。

微機執行器

　　執行器是配料控製係統中的執行元件，本係統采用開關量信號控製電振給料器。為了提高配料精度，用兩級振動給料器進行調節，即粗配料與精配料，這種執行器的特點是結構簡單，執行靈敏，動作滯後小，與調節器的接口甚為方便，在簡單下料結構中使用最為廣泛，在調節器合理的算法及程序控製下也能產生較好的執行效果。

係統測量環節

　　測量環節是由稱重傳感器、重量變送器和相關連線組成(傳感器及變送器選自中美合資的浙江餘姚儀表總廠產品，其型號分別為CZL—YB—1及DBZ—2)。稱重傳感器在力的作用下輸出毫伏信號，經變送器處理後產生4～20 mA的標準信號輸入微機，3個傳感器采用並聯方式與變送器連接，它與稱量鬥之間進行吊式安裝連接，為了減少電壓信號在傳輸過程中的幹擾和損失，要求兩者就近安裝；變送器輸出的是經過處理的電流信號，其抗幹擾和遠距離傳輸能力較好。

係統調節器

　　調節器是以微機為核心，加上采樣保持器、A/D、DI、DO等接口板組成，數字調節器的控製規律由編製的微機程序來實現。采用微機作為調節器的優點是：控製規律靈活多樣，便於修改和進一步完善；1台微機可以同時控製多個回路；適合於大量數據的存儲和管理；靈活多樣的視窗畫麵，完善的工藝流程圖顯示，維護和操作已變得非常簡單。這些優點均在本次項目實施中得到了具體的體現。

影響自動配料精度的原因及補償方法

測量環節的影響

　　測量環節所引起的誤差主要受以下幾個方麵的影響：受力傳感器的精度；傳感器與稱量鬥之間力的傳遞方式；變送器的精度(包括供橋電壓)；信號傳輸方式及幹擾等。

執行器結構形式的影響

　　當執行器在開關量信號控製下進行給料時，由於電振的振幅是恒定的，而原料的流動特性受到原料的顆粒度、濕度、原料在料倉中的分布情況等因素的影響，在精配階段結束後，給料器端口上的餘料還會繼續掉入到稱量鬥中，而且這個餘料量是一個隨機值，如果隻用一個固定的停振閾值進行停止操作必然產生配料誤差。

配料誤差的補償方法

  從測量環節入手。選用質量好、精度高和穩定性好的傳感器、重量變送器作為稱重係統數據采集係統，並且傳感器與稱量鬥的連接方式要處理好。最好采用防扭裝置或用吊環連接，稱量鬥的重心位置應選擇合理並且在現場調試好。
從控製結構入手。在工藝配比和裝料控製時間都允許的情況下，適當減少總的裝料批數，增加每批的裝料量；或適當減慢給料器的速度，從而可以適當延長每批料的裝料過渡時間，增加控製過程的平穩性。
從控製算法入手。選擇合理的控製結構固然可以減少配料過程的誤差，但還不能從根本上消除誤差，更何況配料過程中大塊料的衝擊、濕粉礦的成團甩入或料鬥殘重的不斷增加等原因都可能進一步增加配料誤差。為了進一步穩定地減少誤差，提高精度和穩定性，有必要從控製算法入手，對配料偏差進行動態修正，才能從根本上解決問題，實現方法如下：

(1)e(N－1)=C(N－1)－S(N－1)

(2)S(N)=A－e(N－1)

(3)T(N)=T(N－1)－[e(N－1)/S(N－1)

式中e(N－1)是上次配料產生的偏差；C(N－1)是上次實際配料的測量值；S(N－1)是上次的設定值；S(N)是本次設定值；A是由工藝確定的配料給定值，是一個常數；T(N)和T(N－1)是本次及上次配料停振閾值。
(1)式給出了配料偏差的定義；

2. 式給出了計算本次設定值的方法，它的大小是基於上次偏差的大小；

(3)式給出了給料器停振閾值的計算方法，停振閾值指的是相對於設定值的提前量：前一次過衝量越大，則本次停振閾值越小，反之亦然。上述表達式用遞推的方法實現，即用新值代替舊值，這樣的算法非常容易在微機上實現，在開關量信號作用下，在大給定值及較慢速的給料過程中，其控製效果較好。除了上述基於偏差和停振閾值的控製算法外，為了更好地適應給料批量小、速度高和過渡過程短的情況，我們采用了一個二階預估器對配料設定值進行預估，二階預估器的數學模型表達式如下：

y(N＋1)=a1y(N)＋a2y(N－1)＋b0U(N)＋b1U(N－1)＋b2U(N－2)

(4)為了使表達式看起來更簡明，令θT=[a1,a2,b1,b2>則XT=[y(N),y(N－1),U(N－1),U(N－2)>

(5)這樣(4)式又可以寫成如下形式:y(N＋1)=b0U(N)＋θTXT　　　　　　　　　　　　　　　　　(6)

(6)式中，y(N＋1)是實測配料值；U(N)是配料設定值；θT是參數向量的轉置矩陣；XT是數據向量的轉置矩陣。設計配料控製器的目的就是選擇一個合適的U(N)，使如下的性能指標最小：J=[y(N＋1)－A>2根據現代控製理論中的自校正原理，寫出如下形式的控製方程：U(N)=(1/b0)/[A－θT(N)XT(N)>

(7)對於向量θT(N)，采用最小二乘法遞推估計；b0可以一次取定，不參加預估運算。經過推導與運算，寫出如下的最小二乘法遞推估計方程式中:K(N＋1)項為增益矩陣；K(N＋1)[y(n＋N＋1)－XT(N＋1)(N)>為修正項，由於采用的是二階預估，n=2。
(8)式的含義是：本次的參數預估值(N＋1)是在上次的參數預估值(N)的基礎上增加一個修正項，如果將這些矩陣的運算表達式全部展開，我們就可以清楚地看到二階預估器的優點是：本次預估值的產生不但與相鄰的上一次有關，而且還和前(n＋N＋1)次的預估值以及實際配料值的曆史情況有關，因此它能夠更深刻地反映給料器停振後物料隨機落下量的本質；而且，在遞推的最小二乘法中，隻要粗略地選取遞推初始值，經過(2n＋1)次計算後，就會產生一組全新的預估值，並在此基礎上不斷地作向後的遞推運算。實際運算證明，這樣的算法能使配料誤差收斂在一個相當小的範圍內。

硬件組成原理及特點

　　微機選用的是台灣研華公司的IPC-610工業微機，該微機除了具有一般商用機的功能外，最主要的特點是具有非常高的可靠性，可以連續幾年不間斷地通電運行而不發生故障，更主要的是在它的擴充槽中可以插入適合工業控製的各類功能板卡，如A／D、D／A、DI和DO等，外部可以通過扁平電纜接入各類工業端子板，根據需要，這些端子板可以直接連接繼電器或模擬量信號，這樣可以方便地組成一個相當規模的工業控製係統。本係統中，PCL812PG是多功能模擬量／數字量信號處理板，PCL720是數字量輸入輸出信號處理板，它們均插在PC擴充槽中；PCLD880上接有8路4～20mA的稱量鬥模擬量信號；兩塊PCLD785主要用於控製給料器(粗配與精配)、放料電動機及各類長距離運輸皮帶；PCLD782是帶光電隔離的開關量輸入板，主要用於檢測各類運輸皮帶的工作狀況和各類倉門的開閉情況，上述PCLD類板都屬於信號調理板，它們的一頭接於主機箱中的信號處理板上，另一頭與現場工業信號相連接。
配料控製軟件設計

　　控製軟件是調節器的核心部分，其功能的好壞決定著整個微機配料係統的成敗。該軟件是用BORLABDC＋＋在西文環境下編製而成的，采用C語言編程的最大優點之一是可移植性好，不用修改就可以在386微機至目前的奔騰微處理機上安全運行。整個軟件自頂向下，采用模塊化設計，因而層次分明，結構簡單，便於調試、修改和擴充。其主要內容有：I／O設備初始化、內存數據區初始化、I／O設備基本測試、A／D采集及顯示、鍵盤中斷處理、鼠標中斷處理、稱量鬥故障報警、數學模型計算、動態圖形顯示等。
為了適應現代視窗軟件界麵的風格，在屏幕的上方設計有豐富的工具條，用鼠標點擊相應的圖標後，就可以進行相應的工作，例如修改稱量給定值、裝料批數、稱量鬥斜率等，還可以設置開關檢測狀態，啟、停裝料和各類工作皮帶等。一般來說，隻要事先設置好基本參數，點擊啟動圖標，係統就會自動地按照原先設定的參數，準確無誤地實現料倉定位、稱量、給料、放料和控製小車行走等全部工作，屏幕上有同步的圖形顯示，無須人工幹預，既減輕了工作人員的工作強度，又提高了配料的準確性。

配料數據庫設計

　　現代企業中，僅用微機完成測量和配料控製已遠遠不夠了，還需要把其中的重要信息進行存儲，以便對這些信息進行進一步的深加工，在配料精確定量分析的基礎上，增加數據處理的科學性、預見性和係統性，實現高質量的測量、控製和管理一體化。
為了實現對裝料信息的精確管理，本係統用C語言定義了一個結構體數據結構，其中的域變量包括：班次、班序、爐台號、冶煉周期、冶煉爐號、產品名稱、工藝配比、實際投料量、附加投料量、總批數、裝料開始時間和結束時間等。這個數據結構可以獨立存取，每進行一次有效的投料，就自動地存入一次，這樣，以冶煉爐號為單位，就產生了最基礎的曆史數據，以此為起點，就可以對其進行進一步的處理和加工。
首先，它代替了以往用手工記錄配料數據的習慣。顯然，用手工記錄數據，無法考證數據的真實性，如果某操作員加錯了料，引起爐礦惡化，手工記錄表上卻可能反映不出來。現在，每進行一次有效配料，係統自動記錄一次，真憑實據，一目了然，但是，僅有記錄還是不夠的，因此，本係統還提供了查詢和統計功能，這樣可以方便地生成各類統計報表，工藝人員可以隨時掌握原料消耗情況，根據爐上冶煉情況，及時調整原料配比，從根本上杜絕了數據記錄的弄虛作假行為。

微機自動配料係統運行效果

　　浙江橫山鉻鐵合金廠有3個主要的冶煉分廠，共有5個配料站，在完全依靠本廠科技力量的條件下，我們自行設計、安裝、調試、投運及日常維護，現在全部實現了微機控製。用微機進行原料配料的最顯著特點是控製精度高(係統誤差小於0．6％)，爐況穩定，指標可靠，即投入多少原料、何種原料與產出產品的產量和牌號呈現出穩定的對應關係。相比之下，在改造之前，由於是手動上料，而且各爐台之間競爭激烈，為了指標好，出現了多上料，少記錄的情況，爐台上的指標是好了，但年底盤庫時卻發現原料虧空了，給管理上帶來人為的困難。現在，這種情況已不會出現。
用微機控製的另一個特點是自動化作業率高，設備維護量卻大大減少。從電氣上來說，砍掉了原手動控製中的繁瑣的繼電器聯鎖節點，這些聯鎖功能在微機上很容易實現，因此，電氣回路大大簡化，減少了故障點；從機械結構上來說，將卸料中的開關門裝置改為皮帶－油輪滾筒，減少了令人頭疼的卡料，使卸料過程更為通暢，縮短了整個裝料時間，提高了工作效率

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