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工控机在矿山充填控制系统中的应用 北京清华大学自动化系100084 杜继宏 刘 成 冯元琨 摘 要金属矿山充填是矿山生产中关键的环节,为保证充填系统的可靠运行,宜采用计算 机控制。新桥硫铁矿充填改造工程计算机控制系统,以研华工业控制计算机为核心,控制方案采 用了弱控制策略与P I D控制相结合的柔性递阶控制,从而保证了系统运行的可靠性、 安全性、 灵 活与与可操作性。 关键词工控机 矿山充填 弱控制策略 P I D 与传统的水泥沙浆充填方式相比,高水充填工艺 比较复杂,对充填过程中的各项参数的精度、 充填能力 以及系统运行的可靠性、 安全性均有着较高的要求。 在 该系统中我们采用了以工控机为核心的计算机控制。 1 系统分析及控制思路 整个充填系统包括供沙回路、 供水回路、 供料回 路、 搅拌系统以及输送系统。 对控制系统的要求主要有 两个方面,即1充填能力及精度要求,高水材料中关 键的两类配料称甲、 乙料的比值应稳定在1 1,误差 不大于5 ,料浆浓度控制在60～70 ,此外,为保 证工作效率,实际充填速度应在120吨 小时以上 ; 2 可靠性及安全性要求,即整个充填系统运行过程中,加 料、 加水、 出浆等环节应保持连续、 平稳,系统应具备自 动及手动两种运行方式,手动到自动的切换过程应是 无扰的。 从控制的精度方面来看,工艺要求对甲、 乙料的配 比精度要求较高,浓度要求次之,料浆流量及液位等的 精度要求再次。稳态误差大致要求在5以内,这样的 要求一般控制方法应该能够满足。 此外,系统控制基本 上是定值控制,对系统响应的要求不高。 系统控制的难 点主要在于系统对象存在很大的纯滞后和容积延迟, 如沙量给定与测量值之间的滞后达一分钟,一般控制 方法很难解决如此大的滞后问题;仪表精度差、 易损 坏,测量曲线呈明显非线性;执行机构精度差、 易失灵, 如电磁阀门经常会出现无法完全合死的现象;现场情 况复杂,易出现各种故障及异常现象,如堵管,抢道等。 基于以上分析,在控制系统设计中应充分注意系 统的鲁棒性和完整性,重点保证系统运行的可靠性及 安全性,即保证系统能平衡持续地正常工作,一旦发生 故障,应能即时处理,防止出现系统崩溃和发生工程事 故。以下,结合模糊控制及递阶控制的思想,我们提出 了一种弱控制策略和P I D控制相结合的柔性递阶控 制方案。 2 控制思路与控制方案 根据上面的分析,该控制系统的控制思路主要是 在保证一定的精度的前提下,重点保证系统运行的可 靠性及安全性。 从控制设计的角度,即整个控制系统在 保证一定的性能指标的前提下,鲁棒性和完整性要好。 因此,我们采用一种称之为柔性递阶控制的控制 策略,即上层控制采用 “弱控制方案”,通过上层控制给 出下层各回路控制的给定值,而各回路控制则采用 P I D控制的方法以保证必要的精度,如图1。 图1 系统控制方案 具体的控制方案是根据已知的系统充填能力、 甲 乙料配比、 浓度及沙、 料的密度算出系统运行时所需的 给料量、 给水量、 给沙量及出浆量作为各个回路的初始 给定值,在以后的运行过程中,则以实际供沙量的测量 值为基准实现各回路的配比控制,并强制甲乙料的设 定值为1 1,供沙量对料、 水给定值采用 “弱控制策 略” 。弱控制策略主要表现为三个方面 1以沙量的实际测量值作为料、 水的给定参考。 由于沙回路存在一个很大的滞后环节,一般的闭环控 制难以满足要求,为保证系统的稳定性,在沙回路采用 开环控制。 由于实际送沙量很难保持均匀,故通过皮带 秤的沙的实际排放值与给定值间存在一定误差,为保 证料浆浓度的要求,我们根据沙的实际测量值得出各 其他回路的参考给定。 但由于沙量测量值频繁变动,这 将导致各回路给定值的频繁波动,从而影响各回路的 稳定性。因此,有必要采用 “弱控制策略”,即当沙量在 给定允许值的上、 下5以内波动时,不改变各回路的 给定值;当沙量的波动范围超出5时,将沙量的波动 范围分为若干级,在某一级的给定范围内波动时,则给 予相应的固定参考值,同时采用延迟补偿的方法使各 01电子技术应用1997年第8期 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 回路保持同步。 2浓度控制。 浓度是充填工艺中要求较高的一项 指标,但由于浓度计本身的各种因素,如高度非线性, 检测范围有限,精度差,可靠性差以及浓度测量易受多 种因素影响,包括流体流动情况,流体均匀性,是否含 有气泡等,使得浓度计的测量值不宜作为各回路的给 定值参考。因此,在实际设计中也采用了 “弱控制策 略”,即当浓度波动范围不超过5时,不影响各回路 给定;当浓度波动范围超过5时,适当调整水回路给 定,以便浓度返回要求值;而当浓度波动过大时超过 10 ,在调整水量给定的同时发出报警信号。 图2 系统控制制流程简图 3液位控制。由于受分沙不均匀、 甲乙搅拌桶出 浆汇合时抢道、 颗粒堵管等现象影响,使搅拌桶液位经 常处于波动状态,严重时甚至可能发生溢出或排空现 象。由于控制时干扰过大,不宜采用一般的控制手段, 而宜采用 “弱控制策略”,即当液位在一定范围内波动 时7 ,系统视为正常运行,一旦超出该范围时,则通 过改变出浆量的方式使液位恢复给定值,而当其波动 超出更大范围时15 ,系统则作出相应的报警及故 障处理。 对于各回路的控制方案的选择,则根据不同回路 的具体情况而定,其中水给定回路不宜采用微分环节, 则沙给定则采用开环控制,而每个回路的控制参数与 实际对象是密切相关的,主要是通过现场实验加以调 整,或可通过神经网络自学习的方法对有关参数进行 训练、 调整。 系统的控制流程见图2。 3 系统硬件组成及软件设计 新桥硫铁矿充填控制系统的计算机硬件部分由工 控机和相应配套的IO板卡组成,包括路模拟输入, 路模拟输出,以及路数字量输入和路数字量输出。 系统 控制信号由工控机发出,经过输出接口板进行DA转 换输出给相应的执行机械,再驱动现场设备;而从现场 来的输入信号通过测量装置输入到相应的AD接口 板,再输入到计算机内进行处理。 新桥硫铁矿高水充填站控制系统软件包源程序采 用C 编程,这样一方面提供了强大的功能函数和 图形开发工具,另一方面保障了工控机输入、 输出接口 的通讯功能。 作为工业控制系统的应用软件,开发过程 中要特别注意这样几个方面 1界面友好,可操作性强,复杂操作提供相应的 操作指导; 2充分发挥微机监测功能,保障系统运行的安全 性; 3能处理各种人机交互功能,实时性强,以保证 系统的连续性和稳定性; 4软件模块化,包括自顶向下逐层细化的结构化 程序设计与自底向上的程序编制; 5软件实用性,充分考虑各种可能事件,发挥微 机强大的数据处理功能。 为实现系统控制策 略,一方面根据C 语言中对象、 类等概念, 采用面向对象的编程方 法,保证柔性递阶控制 决策层与控制层之间数 据的良好传递,以保证 弱控制策略的实现;另 一方面,在底层P I D运 算模块中,为保证手动 控制到自动控制的无扰 切换,加入了手动输出 跟踪及输出切换等功 能。程序中手动到自动 的切换过程见图3。 此外在系统软件包 设计中,还充分考虑了 系统控制中各项参数的 设置,包括软件仿真、 半 实物仿真及相应的在线 或离线参数修改功能。 本文介绍了新桥硫 下转第13页 11电子技术应用1997年第8期 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 每个汉字占32个连续的字节单元,寻址访问汉字 库由国际码作为地址直接寻址,但由于汉字国标码是 不连续的,不能和GB5199A的地址一一对应,因此,用 门阵列B202进行地址转换若使用较新的汉字库芯 片GB5199B,则可省去该器件 , 完成汉字库寻址。 GB5199A共18根地址线,但80C31只有16根地 址线,需要进行寻址扩展。常用的有IO口线扩展和 本文所用的扩展方法。 由于每个汉字占32个连续的字 节,故可将其视为一个大的寻址单元,用5根地址线细 分寻址。 图2中用了二根片选线,一根选择74HC573,另一 根选择GB5199A。采用74HC573是因为该芯片较常 用的74L S273或74L S373等在印刷电路板时更易于 布线。 操作时首先将32个字节的低字节地址以数据的 形式送出并锁存至74HC573,注意锁存的是代表地 址的数据,而非地址,应确保操作时序的正确性;然后, 按国标码寻址GB5199A ,读取汉字字模;将汉字字节 地址加1,重复上述操作32次,即为该汉字的字模点 阵。 LCD屏为12864点阵,可显示4行8列汉字。 获取LCD所需负压的方法有很多,MAX I M公司有一 系列芯片可进行各种电压转换,如MAX749。本系统 所采用的方法较为巧妙,由于需要串行数据通讯,此处 使用了MAX232E芯片。该片有一个不常被使用的附 加功能,即可提供 5V～ 10V双充电泵电压变换 器,相关电路如图3,负压由 V - 引脚得到。 图3 负压产生电路图 正常工作 时,用作 C1 ～ C4 的电容器类 型要求不是很 高,典型的电容 值为1ΛF。当从 V 或V - 端 取 出功率时,加大充电泵的电容值可达10ΛF有助于维 持性能。 113 低功耗系统设计 图4 选通方式 供电图 首先,尽可能地选取CMOS 芯片,对各芯片的片选要严格加 以限制,只有在对器件操作时才 使其有效,以减少系统功耗。 对没 有CMOS型号的芯片,设计成选 通供电的方式,即只在芯片工作 时,才提供工作电压VCCB,否 则,电源切断,如图4。 经过一定时间没有对系统施加任何操作时,本系 统将自动进入80C31的掉电 睡眠方式,也可设计成 定时自动关机,以减少功耗。 2 软件结构 程序流程图见图5。 图5 程度流程简图 每一步操作都有信息及误操作提示,人机界面十 分友好。 收稿日期 1996- 11- 08 上接第11页 图3 系统手动控制到自致力控制切换处理 铁矿充填改造工程中计算机监测控制系统的控制方案 和控制策略,以及相应的软、 硬件设计特点,尤其强调 了该系统中弱控制策略与P I D控制相结合的柔性递 阶控制的设计思路及实现。该系统运行可靠、 安全,充 填速度快、 精度高,人机界面良好,操作灵活,具有一定 的推广价值。 参考文献 1 王锦标、 方崇智 1 过程计算机控制 1 清华大学出版社, 1988 2 李清泉、 杜继宏 1 计算机控制系统及应用 1 机械工业出版 社, 1988 3 何丽丽、 康沁等 1Borland C 程序设计 1 学苑出版社, 1994 4 施小龙、 葛玉宝等 1Borland C 库函数快速参考 1 学苑 出版社, 1994 5 新桥硫铁矿高水充填工程仪表设备说明资料集 1 北京高 水材料研究所, 1994收稿日期 1997- 02- 25 31电子技术应用1997年第8期 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.