高炉槽下称重补偿算法及硬件构成.doc

蚅袆蒄螂羄袅膄薅袀袄芆螀螆袃荿薃蚂袃蒁莆羁羂膁薁袇羁芃莄螃羀蒅蕿蝿罿膅蒂蚅羈芇蚈羃羇莀蒀衿羇蒂蚆螅羆膂葿蚁肅芄蚄薇肄莆蒇袆肃肆蚃袂肂芈薅螈肂莀螁蚄肁蒃薄羂肀膂莆袈聿芅薂螄膈莇莅蚀膇肇薀薆膆腿莃羅膆莁虿袁膅蒄蒁螇膄膃蚇蚃膃芆蒀羁膂莈蚅袇芁蒀蒈螃芀膀蚃虿袇节蒆蚅袆蒄螂羄袅膄薅袀袄芆螀螆袃荿薃蚂袃蒁莆羁羂膁薁袇羁芃莄螃羀蒅蕿蝿罿膅蒂蚅羈芇蚈羃羇莀蒀衿羇蒂蚆螅羆膂葿蚁肅芄蚄薇肄莆蒇袆肃肆蚃袂肂芈薅螈肂莀螁蚄肁蒃薄羂肀膂莆袈聿芅薂螄膈莇莅蚀膇肇薀薆膆腿莃羅膆莁虿袁膅蒄蒁螇膄膃蚇蚃膃芆蒀羁膂莈蚅袇芁蒀蒈螃芀膀蚃虿袇节蒆蚅袆蒄螂羄袅膄薅袀袄芆螀螆袃荿薃蚂袃蒁莆羁羂膁薁袇羁芃莄螃羀蒅蕿蝿罿膅蒂蚅羈芇蚈羃羇莀蒀衿羇蒂蚆螅羆膂葿蚁肅芄蚄薇肄莆蒇袆肃肆蚃袂肂芈薅螈肂莀螁蚄肁蒃薄羂肀膂莆袈聿芅薂螄膈莇莅蚀膇肇薀薆膆腿莃羅膆莁虿袁膅蒄蒁螇膄膃蚇蚃膃芆蒀羁膂莈蚅袇芁蒀蒈螃芀膀蚃虿袇节蒆蚅袆蒄螂羄袅膄薅袀袄芆螀螆袃荿薃蚂袃蒁莆羁羂膁薁袇羁芃莄螃羀蒅蕿蝿罿膅 薇袈肃芁薃袇膆膄葿袆袅荿莅蒂羈膂芁蒂肀莇薀蒁螀膀蒆薀袂莆莂蕿羄膈芈薈膇羁蚆薇袆芇薂薆罿聿蒈薆肁芅莄薅螁肈芀薄袃芃蕿蚃羅肆蒅蚂肇节莁蚁螇肄莇蚁罿莀芃蚀肂膃薁虿螁莈蒇蚈袄膁莃蚇羆莆艿螆肈腿薈螅螈羂蒄螅羀膈蒀螄肃肀莆螃螂芆节螂袅聿薀螁羇芄蒆螀聿肇莂衿蝿节芈衿袁肅薇袈肃芁薃袇膆膄葿袆袅荿莅蒂羈膂芁蒂肀莇薀蒁螀膀蒆薀袂莆莂蕿羄膈芈薈膇羁蚆薇袆芇薂薆罿聿蒈薆肁芅莄薅螁肈芀薄袃芃蕿蚃羅肆蒅蚂肇节莁蚁螇肄莇蚁罿莀芃蚀肂膃薁虿螁莈蒇蚈袄膁莃蚇羆莆艿螆肈腿薈螅螈羂蒄螅羀膈蒀螄肃肀莆螃螂芆节螂袅聿薀螁羇芄蒆螀聿肇莂衿蝿节芈衿袁肅薇袈肃芁薃袇膆膄葿袆袅荿莅蒂羈膂芁蒂肀莇薀蒁螀膀蒆薀袂莆莂蕿羄膈芈薈膇羁蚆薇袆芇薂薆罿聿蒈薆肁芅莄薅螁肈芀薄袃芃蕿蚃羅肆蒅蚂肇节莁蚁螇肄莇蚁罿莀芃蚀肂膃薁虿螁莈蒇蚈袄膁莃蚇羆莆艿螆肈腿薈螅螈羂蒄螅羀膈蒀螄肃肀莆螃螂芆节螂袅聿薀螁羇芄蒆螀聿肇莂衿蝿节芈衿袁肅薇袈肃芁薃袇膆膄葿袆袅荿莅蒂羈膂芁蒂肀莇薀蒁螀膀蒆薀袂莆莂蕿羄膈芈薈膇羁蚆薇袆芇薂薆罿聿蒈薆肁芅莄薅螁肈芀薄袃芃蕿蚃羅肆蒅蚂肇节莁 高炉槽下称重补偿算法及硬件构成李正斌 郭丽霞（安阳工学院 电子信息与电气工程系，河南 安阳 455000）摘要：文章介绍了高炉槽下称重基于偏差和停振阈值的补偿算法的设计思想与原理，算法同时采用了一个二阶预估器对配料设定值进行预估，并在此基础上不断地作向后的递推运算。实际运算证明，这样的算法能对称重误差进行自动补偿，使配料误差收敛在一个相当小的范围内。该算法同时适用于其他类似的连续称量控制。系统硬件主要使用西门子PLC S7-300以及西门子称重模块SIWARE U实现闭环控制。关键词：补偿算法 二阶预估器 称重模块SIWARE U中图分类号：TP393 文献标识码：ABlast Furnace Compensation Algorithm and Hardware StructureLI Zheng-bin GUO Li-xia（Department of Electrical and Electronic, An Yang Institute Of Technology , An Yang 455000, China）Abstract: This paper introduces the ideology and theory of weighting which based on vibration threshold bias compensation algorithm; the algorithm also uses a second order predictor to predict the value of the ingredients set, and was constantly on this basis for backward recursive computation. Actual operation proved that the algorithm can automatically compensate the weighing error, so that ingredients error convergence in a fairly small range. The algorithm is also applicable to other similar continuous weighing control. Hardware use Siemens PLC S7-300 and Siemens SIWARE U weighing module to achieve closed-loop control.Key words : compensation algorithm; second order predictor; weighing module; SIWARE U1 前言高炉槽下称重的准确度越来越受到重视，因为高炉冶炼要求入炉的焦炭、矿石等原料的重量配比直接影响到生产过程。通常的开环称量误差的产生式单方向的，日积月累的频繁称量，其积累误差相当可观。所以采用PLC对整个称量过程进行闭环控制，同时采用先进的算法进行误差自修正和误差称量是十分有意义的。文章介绍了一种基于偏差和停振阈值的补偿算法，并且使用二阶预估器对配料设定值进行预估，可以使配料误差收敛在一个相当小的范围内。并且使用西门子PLC S7-300以及西门子称重模块SIWARE U来完成整个称重系统。2 基于偏差和停振阈值的补偿算法物料初次称量时直接把称量给定值传到本次称量设定值，实际称量时先是以高档快振频率给料，当物料达到设定值(含提前量)的90%时后开始以低档慢振频率给料，直到达到设定值(含提前量)为止。这样做的原因是给料频率低时给料机停止时的惯性就比较小，相应的由于给料机惯性原因给的料的重量就比较好估计，可以保证称量更准确。给料机停止本次称量结束后开始计算本次称量设定值与现在实际料斗里的重量的误差,根据这个误差调整提前量并计算出下一次称量设定值。文献2、3在物料混配上使用的恒值补偿算法，即给料提前量在对的补偿值基础上得到补偿， 。当称重误差收敛时采用恒值补偿，；当称重误差进入不灵敏带时将补偿值清零，。本文采用的是基于偏差和停振阈值的补偿算法，并使用了一个二阶预估器对配料设定值进行预估。物料初次称量时直接把称量给定值传到本次称量设定值,实际称量时先是以高档快振频率给料,当物料达到设定值(含提前量)的90%时后开始以低档慢振频率给料直到达到设定值(含提前量)为止。在误差的补偿上采用基于偏差和停振阈值的补偿算法，实现方法如下：式中是上次配料产生的偏差；是上次实际配料的测量值；是上次的设定值；是本次设定值；A是由工艺确定的配料给定值，是一个常数；和是本次及上次配料停振阈值。(1)式给出了配料偏差的定义；(2)式给出了计算本次设定值的方法，它的大小是基于上次偏差的大小；(3)式给出了给料器停振阈值的计算方法，停振阈值指的是相对于设定值的提前量：前一次过冲量越大，则本次停振阈值越小，反之亦然。上述表达式用递推的方法实现，即用新值代替旧值，这样的算法非常容易在计算机上实现，在开关量信号作用下，在大给定值及较慢速的给料过程中，其控制效果较好。除了上述基于偏差和停振阈值的控制算法外，为了更好地适应给料批量小、速度高和过渡过程短的情况，我们采用了一个二阶预估器对配料设定值进行预估，二阶预估器的数学模型表达式如下：,令这样(4)式又可以写成如下形式:(5)式中，是实测配料值；是配料设定值；是参数向量矩阵；是数据向量的转置矩阵。设计控制器使的性能指标最小。对于向量，采用最小二乘法递推估计；可以一次取定，不参加预估运算。经过推导与运算，写出如下的最小二乘法递推估计方程：式中项为增益矩阵；为修正项；由于采用的是二阶预估，n=2。(6)式的含义是：本次的参数预估值(k1)是在上次的参数预估值(k)的基础上增加一个修正项，如果将这些矩阵的运算表达式全部展开，我们就可以清楚地看到二阶预估器的优点是：本次预估值的产生不但与相邻的上一次有关，而且还和前(nk1)次的预估值以及实际配料值的历史情况有关，因此它能够更深刻地反映给料器停振后物料随机落下量的本质；而且，在递推的最小二乘法中，只要粗略地选取递推初始值，经过(2n1)次计算后，就会产生一组全新的预估值，并在此基础上不断地作向后的递推运算。实际运算证明，这样的算法能使配料误差收敛在一个相当小的范围内。3硬件组成及PLC称量流程西门子PLC S7系列，在我国冶金等各领域得到了广泛应用，事实证明西门子PLC S7系列价格低、功能强、可靠性好,其S7-300 PLC系列在高炉生产的应用上非常普遍。在系统中采用以西门子S7-300 PLC为基础的控制系统具有性价比高、并且便于维护、便于扩展、备件价格低、订货周期短等优点。物料的称量原件摒弃了常用的称重传感器、补偿接线盒及称重仪表的方式并取消了二次仪表。本系统采用西门子称重模块SIWARE U，该称重模块将其称重功能全部集成于SIMATIC自动化系统中，通过SIMATIC标准功能调用SIWARE U模块，并通过组态软件SIWATOOL由输入窗口确定SIWARE U的所有可调参数。电信号由现场称重传感器（矿石电子称3个SBT-1T压式荷重传感器称量范围0-3T； 焦炭电子称3个SBT-0.5T压式荷重传感器，称量范围0-1.5T）经过补偿接线盒后把MV信号直接传给称重模块，再经称重模块运算后变为重量值，通过PLC 总线直接传送给CPU并通过计算机显示出来，同时增强了抗干扰能力。具体称量流程见图1所示。校秤使用西门子提供的称重组态软件，通过计算机串行接口进行校秤。特别的，由于SIWARE U带有多种诊断功能，可以快速进行故障诊断并加快电子称的调试。生产过程中如需校秤，可用控制系统程序由上位机下达指令，通过S7-300 PLC 直接进行。图1软件流程图Fig.1 Software flowchart4 结束语文章应用西门子PLC S7-300以及西门子称重模块SIWARE U来对整个称重过程进行闭环控制，同时采用基于偏差和停振阈值的补偿算法进行误差补偿，最后使用一个二阶预估器对配料设定值进行预估。经实践证明该算法收敛快、误差小、控制精度高。该系统同时适用于其他类似的连续称量控制。参考文献1郭栋. 无触点智能主令控制器在活性石灰竖炉中的应用J. 制造业自动化.2002,24(1).-50-522郝玉东 李建宏. 石灰炉混配系统的PLC智能控制J. 周口师范高等专学报.2000,17(5).-31-343张如先 张安年. 石灰炉配料控制算法J. 洛阳工学院学报.2000,21(2).-70-724杜娟. 混合配料系统的智能控制在石灰炉中的应用J. 轻金属.2006(12).-69-71作者简介李正斌 男 1979 河南安阳 讲师 硕士研究生 研究方向：控制工程与控制理论通信地址：河南安阳 安阳工学院 电子信息与电气工程系 455000 电话：E-mail信箱: 膅莁蚈袁芅蒄袄螇芄薆蚇肅芃芅袂肁节蒈螅羇芁薀羀袃芀蚂螃膂艿莂薆肈艿蒄螂羄莈薇薄袀莇芆螀螆莆荿薃膅莅薁袈肁莄蚃蚁羆莃莃袆袂莃蒅虿膁莂薈袅肇蒁蚀蚈羃蒀荿袃衿肇薂蚆袅肆蚄羁膄肅莄螄肀肄蒆羀羆肃薈螂袂肂蚁薅膀膁莀螁肆膁蒃薄羂膀蚅蝿羈腿莅蚂袄膈蒇袇膃膇蕿蚀聿膆蚂袆羅膅莁蚈袁芅蒄袄螇芄薆蚇肅芃芅袂肁节蒈螅羇芁薀羀袃芀蚂螃膂艿莂薆肈艿蒄螂羄莈薇薄袀莇芆螀螆莆荿薃膅莅薁袈肁莄蚃蚁羆莃莃袆袂莃蒅虿膁莂薈袅肇蒁蚀蚈羃蒀荿袃衿肇薂蚆袅肆蚄羁膄肅莄螄肀肄蒆羀羆肃薈螂袂肂蚁薅膀膁莀螁肆膁蒃薄羂膀蚅蝿羈腿莅蚂袄膈蒇袇膃膇蕿蚀聿膆蚂袆羅膅莁蚈袁芅蒄袄螇芄薆蚇肅芃芅袂肁节蒈螅羇芁薀羀袃芀蚂螃膂艿莂薆肈艿蒄螂羄莈薇薄袀莇芆螀螆莆荿薃膅莅薁袈肁莄蚃蚁羆莃莃袆袂莃蒅虿膁莂薈袅肇蒁蚀蚈羃蒀荿袃衿肇薂蚆袅肆蚄羁膄肅莄螄肀肄蒆羀羆肃薈螂袂肂蚁薅膀膁莀螁肆膁蒃薄羂膀蚅蝿羈腿莅蚂袄膈蒇袇膃膇蕿蚀聿膆蚂袆羅膅莁蚈袁芅蒄袄螇芄薆蚇肅芃芅袂肁节蒈螅羇芁薀羀袃芀蚂螃膂艿莂薆肈艿蒄螂羄莈薇薄袀莇芆螀螆莆荿薃膅莅薁袈肁莄蚃蚁羆莃莃袆袂莃蒅虿膁莂 莄薆羀腿蕿羅罿莁莂袁羈蒄蚈螇羇膃蒀蚃羇芆蚆蕿羆莈葿袇肅肈蚄螃肄膀蒇虿肃节蚃蚅肂蒄蒅羄肂膄莈袀肁芆薄螆肀荿莆蚂聿肈薂薈膈膁莅袇膇芃薀螃膆莅莃蝿膆膅虿蚅膅芇蒁羃膄莀蚇衿膃蒂蒀螅膂膂蚅蚁衿芄蒈薇袈莆蚃袆袇肆蒆袂袆芈螂螈袅莀薅蚄袄蒃莇羂袃膂薃袈袃芅莆螄羂莇薁蚀羁肇莄薆羀腿蕿羅罿莁莂袁羈蒄蚈螇羇膃