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輥道窯溫度分布式智能控制系統的研究及應用

來源:神華熱工  時間:2011年05月16日

  1、引言

  陶瓷生產是一門古老、歷史悠久的傳統工業,陶瓷輥道窯的生產過程均采用傳統的手工操作,爐溫波動幅度大,造成瓷磚質量不高,甚至出現產品不合格的情況,再加上現場環境條件差,工人的勞動強度大,操作員工增加,對企業的經濟效益影響較大。為了提高陶瓷生產水平,根據企業的實際需求和工廠提出的工藝要求,我們研制了一套分布式智能控制系統對輥道窯爐溫度進行集中監控,保證爐溫的誤差在工藝要求之內,從而提高瓷磚的質量與產量,改善工人的勞動條件,提高生產效率。

  2、輥道窯溫度分布式控制系統的組成及原理

  該系統由上位機與下位機兩大部分組成,上位機與下位機通過RS-485通訊協議完成信息的傳遞,上位機由586微機加RS232C/RS485轉換器構成,位于集中控制室,完成向下位機(現場控制器)發送命令、接收現場控制器數據及數據分析、存儲、報表打印、顯示等功能。下位機由現場溫度智能控制器、溫度傳感器,電動比例調節閥等組成,主要完成對輥道窯爐各點溫度的測量、控制及向上位機發送有關數據等。6個控制器通過電動比例調節閥調整噴油量達到分別控制窯爐內6點溫度,從而保證窯爐燒成帶溫度的恒定,該系統特別適合于象輥道窯這樣的小規模DCS系統。

  3、智能溫度控制器的設計

  3.1概述

  常規PID控制器由于具有原理簡單,穩定性好,易于實現等優點,因而在過程控制中得到廣泛應用,但在輥道窯溫度控制系統中,常規PID控制器也暴露出其局限性。首先常規PID控制器的設計是基于對象的數學模型,而輥道窯爐難以用數學表達式描述,故系統達不到預期的控制品質。其次當輥道窯的工況發生變化時(例如,油壓波動,油的品質變化時),在某一工況下整定的PID參數不能滿足性能指標要求。為此,在PID控制器設計時,首先采用基于繼電反饋的整定方法,確定PID調節器參數,再對PID參數實行實時Fuzzy校正,使其具有自適應功能,從而滿足系統變工況的要求。

  3.2溫控器的控制策略

  3.2.1PID參數自整定

  根據繼電振蕩原理,繼電反饋系統框圖如圖1所示。若繼電器輸出幅度為b,則根據非線性理論,繼電器的描述函數為,其中誤差信號的幅度為不斷調整繼電特性的幅值,使系統發生自振蕩,然后測取振蕩周期與幅度,便可得出臨界增益與臨界周期。利用這兩個參數,根據Ziegler-Nichols方法,可得出PID參數,PID參數整定完畢后,此參數作為PID控制器Fuzzy校正的初值,并自動轉入PID參數Fuzzy校正控制。一般在系統初次投入時整定,并把整定值存入EEPROM中。

  其中Kp為比例系數;Ti為積分時間常數;Td為微分時間常數。

  3.2.2PID參數實時Fuzzy校正

  根據上述自整定得出的PID參數,當輥道窯爐參數或工況發生變化時,系統的性能將下降,甚至無法滿足工藝要求,所以必須對PID參數進行在線調整。目前較多地采用自校正PID算法,但這種方法是基于被控對象精確的數學模型,為此,我們采用模糊控制技術,根據系統運行過程中的偏差絕對值及偏差的積累絕對值,對PID參數進行實時校正,當參數或工況發生變化時,逐步調整值,使系統控制性能處于最優狀態。的修正規則如下:

  (1)比例系數增大,系統響應速度加快,穩態誤差減小,因此在偏差大的情況下,要增大值。但是過大會使系統產生超調,甚至不穩定,因此在偏差小的情況下,要減小值。將偏差絕對值的模糊子集取為很大(VB)、大(B)、中(M)、小(S)和很小(VS),的模糊子集取為PB、PS、O、NS、NB,則的修正量的Fuzzy控制規則如表1所示。其中,的基本論域為[0,10],分為11個量化等級,即={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10},的基本論域為[-0.5,+0.5],分為11個等級即={-0.5,-0.4,-0.3,-0.2,-0.1,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5}。

  (2)在PID控制器中,積分作用是為了消除穩態誤差,加強積分作用(減小)有利于減小穩態誤差,但過強的積分作用會引起積分飽和,使系統超調加大,甚至引起振蕩。因此,在調節過程中的初期,即誤差的積累較小時,應減弱積分的作用(加大)。而在調節過程的后期,即誤差累積較大時,應加強積分作用(減小)。將誤差累積絕對值的模糊子集取為VB、B、M、S和VS,的模糊子集取為PB、PS、O、NS、NB,則的修正量的Fuzzy控制規則如表2所示。其中,的基本論域為[0,10],分為11個量化等級,即={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10},的基本論域為[-5,+5],分為11個量化等級即={-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}。

  (3)微分在PID控制中的作用主要是改善系統的動態性能,控制超調。對于變工況且不確定系統,在調節過程的初期,即誤差的累積絕對值較小時,應加強微分的作用(即增大),而在調節過程的后期,即誤差累積的絕對值較大時,應減弱微分的作用(即減小),將的模糊子集取為PB、PS、O、NS、NB,則的修正量的Fuzzy控制規則如表2所示。其中,的的基本論域為[-1,1],分為11個量化等級即={-1,-0.8,-0.6,-0.4,-0.2,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1}。


  4、智能控制器的實現

  4.1控制器的硬件系統

  控制器的硬件主要由微處理機系統,輸入通道,輸出通道,鍵盤及顯示等部分組成。

  (1)微處理機系統:由8031單片機,2764EPROM(用于存放監控及控制程序),2816EEPROM(用于存放自整定的參數及溫度設定值),譯碼電路與鎖存器等組成。

  (2)輸入通道:由熱電偶冷端補償電路,放大電路(OP07,741),V/F,光電耦合,計數器,定時器等組成。熱電偶冷端補償電路利用PN結電壓隨溫度上升而線性下降的特性進行補償。采用兩級放大器可將毫伏級信號放大到需要幅度0~5V,由上V/F轉換成頻率量,再通過軟件的定時,計數完成A/D轉換工作。

  (3)輸出通道:由D/A轉換器,V/I轉換器,輸出鎖存器和光電隔離電路組成。D/A轉換器將輸出轉換為0~5V的電壓信號,經V/I轉換器輸出0~10mA標準電流信號。

  (4)鍵盤及顯示部分:由8279,4個鍵與4個LED組成。

  4.2控制器的軟件設計

  控制器的軟件主要由監控軟件與控制軟件組成,其軟件框圖如圖3所示。

  4.3調度與應用

  為了不影響窯爐的正常生產,在PID參數整定前,先手動調節爐溫到正常工作點(1200℃)附近,并設定電動比例調節閥的開度在工作點附近±10%范圍內變化,使PID調節器參數整定時,爐溫變化幅度較小,如圖4所示,其中前10min為參數整定時間。溫度的變化情況,采樣周期t=15s。

  該系統已在現場長期連續運行,性能穩定,可靠性高,采用溫度智能控制后,在設定溫度1200℃時,溫度波動范圍從原來手動控制時的℃降為℃,(見圖4),說明該系統具有良好的控制性能。

  5、結論

  (1)由于采用分布式控制系統,上位機為586微機,軟件資源豐富,可進行集中監控、畫面顯示、參數設定等工作,下位機能方便地與上位機交換信息,也可以單獨運行,對現場進行實時控制,系統可靠性高,且價格低廉。

  (2)溫度控制器采用PID參數自整定技術,可以大大縮短現場調試時間,特別適合于缺乏自動化工程技術人員的工廠。

  (3)對于無法確定精確數學模型及變工況(象燃油爐)控制對象,采用PID控制時,先采用自整定技術確定PID參數的初值,然后根據實時數據,對PID參數進行在線Fuzzy調整,是一種非常實用且有效的控制策略。

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