1．引言
燒結生產是鋼鐵生產中的重要環節，它包括原料受料，燃料破碎，配料，混料，燒結和篩分系統等幾方面，其中配料又是整個燒結生產過程的關鍵。以往的配料系統多采用采用智能儀表控制器進行簡單的稱量積算和PID調節，功能簡單，控制準確度低，管理功能弱，可靠性不高。為此，我們給出的方案:
?用功能強大的plc取代以往由二次儀表或上位機完成的復雜控制算法，二次儀表僅僅用于數據的收集；
?在控制算法上，取代了簡單PID調節器，采用了基于人工智能的FUZZY-PID算法，使控制更穩定；
?用Profibus_DP取代通訊速率低的485通訊；
2．總體設計
(1)系統軟、硬件組態
燒結配料控制系統分兩級：過程監控級和基礎自動化級。系統組成如圖1所示。
基礎自動化級：
① 6臺圓盤給料機采用變頻控制，變頻器采用施耐德ATV71,具有現場機旁手動和上位機自動雙重控制功能，來控制圓盤給料機的給料量。
② 6臺圓盤配料皮帶秤采用恒速皮帶秤，具有現場手動和上位自動雙重功能。稱重機控制原理如圖2所示。皮帶秤選用北京恒信天正系列電子皮帶秤。
③ 7臺直拖式皮帶秤采用調速皮帶秤，變頻器采用施耐德ATV71,皮帶秤選
用北京恒信天正系列電子皮帶秤,具有現場手動和上位自動雙重功能?？刂圃砣鐖D3。
④ 兩臺螺旋稱星型給料器由變頻驅動，變頻器采用施耐德ATV71產品，計量螺旋恒速，控制原理如圖2所示。計量秤選用北京恒信天正系列電子皮帶秤產品。
⑤ 選用西門子公司的S7-300系列PLC（CPU315-2DP）對配料系統進行數據采集、順控和配料自動控制。 PLC編程編程軟件采用：STEP7 V5.3。
⑥ 采用稱重配料控制器實現對配料系統的后備儀表控制功能。
⑦ PLC自動控制和儀表控制可選。
電子秤詳細參數及功能見附件一。
過程監控級
配料系統配有一臺上位機作為操作站。上位機采用臺灣研華公司的工業控制機IPC，主頻不低于P4 2.4G，硬盤80G，內存512MB，在系統開發時兼工程師站使用。監控級具有數據庫管理與維護功能、配料優化計算與設定、系統數據實時顯示、超限報警、趨勢記錄以及存檔打印等功能。系統配置一臺EPSON打印機。
監控軟件采用:WINCC 6。
（2）系統通訊組態
采用兩級通訊網絡
① 為保證數據采集的準確和傳輸的快捷，稱重控制器和PLC之間通訊采用Profibus-DP。
② PLC和工控機之間采用工業以太網。
3．系統功能
3.1 系統的工藝要求
配料系統的主要任務是按燒結機對物料的需求量，計算、分配、控制原料礦槽的下料量，以保證物料平衡和化學成分符合要求。工藝上對控制系統的要求是:
(1) 實現各配料秤和集料皮帶機的順序起停、單機起停和同時起停;
(2) 實現各配料秤的重量配比控制;
(3) 配比計算功能
根據總量和各臺秤的配比，計算每臺秤的流量設定值;
(4) 流量計算功能
根據檢測到的重量信號和皮帶速度信號，計算一段時間內物料的平均流量，以此平均流量作為反饋量進行PID調節;
(5) 報警功能
對經常出現的故障如堵料、皮帶打滑、電機過流過載等進行聲光報警，出現堵料情況時，要求自動起動礦槽上的振動器電機，恢復下料后自動停振;
(6) 后備功能
當PLC系統出現故障時，能迅速切換到后背儀表控制器進行控制;
(7) 報表打印功能
人工干預和定時打印各種時報、班報、月報等報表;
(8) 停電保護功能
停電后再次供電時，系統進行初始化復位，保證各臺設備均處于停機狀態，以防人身事故和設備事故的發生。
3.2 系統工作原理
系統自動調節原理如圖2、3所示。
以直拖式調速稱為例，系統開始工作時，工控機首先根據本次生產任務進行各種初始化，包括原料各成分的名稱、倉號、產量、標準配比，并優化計算出各倉的標準流量等，然后工控機將計算出的標準流量傳遞個plc和儀表控制器。plc按一定時序控制各給料機和皮帶秤的啟動，各給料機按一定流量給料。儀表控制器根據現場采集的皮帶機速度信號和重量信號累積計算出實際流量，并把此信號傳遞給plc和工控機，plc根據各成分累積量值計算當前的實際配比，通過與標準配比的比較修正各給料機的給料量，控制皮帶電機變頻器，控制給料流量，使系統工作在最佳配比狀態。
3.3系統調速控制策略
（1）目前常規配料自動控制策略
配料儀表接受來自秤體的稱重信號和測速信號，經積算后顯示瞬時流量和累計量，并將瞬時流量以4～20毫安模擬電流的形式送往PID調節器作為調節測量輸入信號，調節器將該信號與機內設定值比較運算后輸出4～20毫安模擬調節信號，控制給料電機轉速，從而進一步控制該種物料的下料流量，最終使幾種煤料的瞬時下料流量與階段累計量都保持在用戶要求的范圍內。要改變流量及配比可直接在調節器上進行設定操作，操作簡單方便。第i號給料機的控制方框圖模型如圖4所示。
適用上述解決方案的工藝現場首先必須滿足這樣一個前提條件，那就是物料給出量必須與給料控制電機的轉速成正比。要使系統具有良好的調節品質，即有較高的穩定性、準確性和快速性，系統還必須具備兩個條件：
1）系統自身的結構性質穩定，這包括它的容量系數、阻力和傳遞距離等內容。
2）調節器有合理的PID參數。只有將這三種作用的強度作適當的配合，才可以使調節器快速、平穩、準確地運行，從而獲得滿意的控制效果。
在這兩者中，條件1）是條件2）的前提，因為PID參數取決于系統的動態特性，而影響系統動態特性的主要因素是系統本身的結構性質。
因為以往常用配料稱重系統方案設計是采用一般的PID控制算法，其參數一般是按階躍響應的過渡過程時間來整定的，靈敏度較高，對于固定參數的系統有著較好的調節品質，從理論上講能做到無誤差調節，在誤差較小的范圍內確有其優越性。但是，實際中電子皮帶秤自動配料系統的控制準確度會受到多個因素的影響。如：物料物理特性、機械震動、給料設備安裝準確度、料倉結構形狀等因素的影響；而且現場環境較為復雜、惡劣，其他外界干擾頻繁。由于以上因素的存在，系統誤差往往較大，其動態特性并不理想，超調量一般較大，導致控制系統無法實現理想的控制效果。此時，皮帶秤的計量性能和配料準確度都會受到影響。在這里我們采用模糊-PID復合控制技術、將模糊控制技術結合傳統的PID控制策略應用在配料系統的調節中，可有效解決上述問題。
（2）系統FUZZY-PID控制模型
該系統的特點是由一臺上位機進行監控，由一套plc來控制多臺給料機，為了實現一定的配比，各給料機之間的工作又是相互聯系的，而且給定量要隨當前的實際配比進行修改，因此其控制結構是較為復雜的。第i號給料機的控制方框圖模型如圖5所示。
從圖5中可以看出，該系統屬于一個多閉環有關聯控制結構。就第i號給料倉而言，有兩個閉環和一個前饋，內環是一個FUZZY-PID控制器，據給定流量Fgi去控制調速給料機，使其給料流量Fi控制在理想的給定值Fgi附近,由plc實現。外環根據當前的累積值和希望產量之差ΔP以及前饋環節的給料機當前流量來修正內環的給定值有，由上位機實現。
控制器采用FUZZY-PID復合控制方式，當偏差較大時采用模糊控制，當偏差減小到較小范圍時采用PID控制方式。這樣就可以解決系統誤差較大，其動態特性不理想，超調量較大的控制難題。
（3）FUZZY-PID復合控制器的設計
如圖6所示，被控量為Fi，控制量為Ui，采用FUZZY-PID復合控制方式，當偏差較大時采用模糊控制，當偏差減小到較小范圍時采用PID控制方式。二種控制采用并行的方法，由Bang-Bang開關進行切換。
1）Bang-Bang轉換開關
Bang-Bang轉換開關實際上是控制器中的軟件開關，由其決定采用那種控制算法。設e1表示大小偏差的分界值，其切換規律如下：
當｜Ei｜〈= e1時，Kp=“1”，Kf=“0”，即采用PID控制規律；
當｜Ei｜ 〉e1時，Kp=“0”，Kf=“1”，即采用模糊控制規律。
2）PID控制器
PID控制器采用一般的增量式數字算法，其參數按常規整定。
理想的模擬PID控制算式見公式
其中，
p： 調節器輸出
e： 調節器偏差輸入信號
Kp： 比例系數，常用比例帶Ｐ表示，P＝1/Kp
Ti： 積分時間，Ti越大，積分作用越弱，積分時間越長
Td： 微分時間
3）模糊控制原理及模糊控制器的實現
模糊控制通過模糊邏輯和近似推理方法，把人的經驗形式化，模型化，變成計算機可以接受的控制模型，讓計算機代替人來進行有效的實時控制，為實現模糊控制，計算機作為模糊控制器，必須解決以下三個問題：
a 輸入量輸出量的模糊量化；
b 建立模糊控制規則，或模糊控制規則表；
c 輸出信息的模糊判決。
圖7所示，為模糊控制的原理框圖：
S：系統的設定值，是精確量。
e，c: 系統偏差與偏差變化率，均是精確量。
E，C：經模糊量化處理后，偏差與偏差變化率變成的模糊量。
