专利名称：动态配料数字控制系统和方法
技术领域：
本发明涉及自动控制领域，尤其涉及一种动态配料数字控制系统和方法。
背景技术：
在冶金、有色金属、水泥、煤化工、生物制药等行业中，在输入原料阶段均有涉及称重配料，尤其是动态配料，根据各种原料的有效成分按照一定比例，混匀配料对获得成分均匀的原料，和对制造加工提炼稳定品质的产品有及其重大的意义。
但是，国内涉及到的称重配料，尤其是动态配料的冶金、有色金属、水泥、煤化工、生物制药等行业目前仍然以仪表称重为主。通过仪表称重，经过仪表将重量值用模拟量输出给PLC，再通过PLC控制配料设备。这种技术虽然成熟，但存在以下几个问题(1)需专人进行仪表维护，增加岗位人员成本；(2)调节整定繁琐，修改仪表参数需在仪表面板上修改，皮重测量及标定工作任务繁重，工作量大；(3)系统响应慢，精度难以提高；(4)工程建设成本相对较高。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种动态配料数字控制系统和方法，从而实现自动控制配料流量。
为了实现上述目的，本发明提供了一种动态配料数字控制系统，包括 计算机控制系统，用于根据生产计划确定总流量自动生成配料单并进行分配，和进行A/D转换以及获得变频器输出频率； 配料圆盘，与所述计算机控制系统通信连接，用于根据所述配料单给出的具体的配料流量； 称重传感器，安装在称重皮带与所述计算机控制系统通信，检测所述配料圆盘配给的矿石重量并将检测到的数据反馈给计算机控制系统； 变频电机，与计算机控制系统和配料圆盘通信连接，用于按照计算机控制系统根据检测到的数据进行A/D转换获得的变频器输出频率调节速度，进而调节所述配料圆盘的转速。
进一步地，所述计算机控制系统包括 采样周期定时单元，设定周期采样时间； 皮重测量及标定单元，与所述采样周期定时单元连接，用于在所述采样周期定时单元设定的采样时间内进行采样，获取称量皮带有效称量长度的平均重量作为皮重零点； 量程测量及标定单元，与所述皮重测量及标定单元连接，用于获取所述皮重零点标定量程上限重量。
进一步地，所述计算机控制系统还包括 称重测量单元，与称重传感器通信，用于将传感器信号转化为重量信号； 称重单位的转换单元，与所述称重测量单元通信，用于将测量结果在吨、公斤、克、盎司、磅计量单位之间的转换； 重量/流量转化单元，与所述称重单位的转换单元通信，用于将进行计量单位转换后的重量数据计算出瞬时流量。
进一步地，所述计算机控制系统还包括 PID调速单元，与变频电机通信，用于获得变频器输出频率以消除偏差。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种动态配料数字控制方法，该方法包括 步骤1，圆盘下料； 步骤2，检测称重皮带上配料实际重量； 步骤3，根据所述配料实际重量进行A/D转换计算实际配料流量； 步骤4，根据所述实际配料流量计算获得变频器的输出频率，调节变频器输出频率以调节配料圆盘转速。
所述步骤1之前还包括自动生成配料单，并给定圆盘配料流量。
因此通过本发明控制系统和控制方法减少工程建设成本和使用维护成本，提高配料精度。通过对动态配料的各个物理环节的数学建模，选择合适的PID调节器，使得这一传动系统数字控制技术先进合理，模型优化，经过简单实物校验后即可移植到其他同类工程。
图1为本发明动态配料数字控制系统的结构示意图； 图2为计算机控制系统的结构示意图； 图3为本发明动态配料数字控制方法的流程图； 图4为皮重测量及标定过程的流程图。
具体实施例方式 如图1所示为本发明动态配料数字控制系统的结构示意图。如图所示对动态配料进行数字控制的系统硬件包括计算机控制系统10、配料圆盘20、称重传感器301和变频电机40。计算机控制系统10，用于根据生产计划确定总流量自动生成配料单并进行分配，和进行A/D转换以及获得变频器输出频率；配料圆盘20，与所述计算机控制系统10通信连接，用于根据所述配料单给出的具体的配料流量；称重传感器301，安装在称重皮带与所述计算机控制系统10通信，检测所述配料圆盘配给的矿石重量并将检测到的数据反馈给计算机控制系统；变频电机40，与计算机控制系统10和配料圆盘20通信连接，用于按照计算机控制系统根据检测到的数据进行A/D转换获得的变频器输出频率调节速度，进而调节所述配料圆盘的转速。
在本动态配料数字控制系统中，通过人机界面在计算机10上人工设置每种矿石成分比例，根据生产计划确定总流量，自动生成配料单，分配到各个具体配料圆盘20并给出具体配料流量，优选地可以设置8个配料圆盘，通常使用6个进行配料，另外2个备用。起动称重皮带30和配料圆盘20后，安装在称重皮带上的传感器301检测到矿石重量，通过计算机控制系统10A/D转换并通过数学转换模型转换为实际配料流量，带符号的比较差值通过PID调节器获得变频器输出频率，调节变频电机40速度进而调节配料圆盘20的转速，圆盘转速快慢决定落到称重皮带上的下料量的多少。周而复始从而实现自动调节。
而其中计算机控制系统的结构如图2所示，该计算机控制系统包括但并不限于如下单元 采样周期定时单元101，设定周期采样时间； 皮重测量及标定单元102，与所述采样周期定时单元101连接，用于在所述采样周期定时单元设定的采样时间内进行采样，获取称量皮带有效称量长度的平均重量作为皮重零点； 量程测量及标定单元103，与所述皮重测量及标定单元102连接，用于获取所述皮重零点标定量程上限重量。
进一步地，如图2所示所述计算机控制系统还包括 称重测量单元104，与称重传感器301通信，用于将传感器信号转化为重量信号； 称重单位转换单元105，与所述称重测量单元104通信，用于将测量结果在吨、公斤、克、盎司、磅计量单位之间的转换； 重量/流量转化单元106，与所述称重单位的转换单元105通信，用于将进行计量单位转换后的重量数据计算出瞬时流量。
进一步地，如图2所示所述计算机控制系统还包括 PID调速单元107，与重量/流量转化单元106和变频电机40通信，用于根据重量/流量转化单元计算出的瞬时流量获得变频器输出频率以消除偏差。
下面详细介绍采样周期定时单元101，在数字控制系统中，采样周期T的选择与系统的稳定性有关。由稳定条件可以求出采样周期的最大值Tmax。由采样定理可以确定采样周期的上限值。一般来说，T采＜Tmax。所以应该选取的采样周期T应小于T采。确定采样周期需要考虑以下因素 (1)由于控制对象为圆盘，圆盘角速度较小，采样周期不能太小。
(2)称量皮带的运行线速度和称重传感器的有效称量长度。
(3)所有PLC程序的扫描周期，采样周期必须大于程序的扫描周期。
因此，优选地，T取值范围在90ms～160ms为宜。
皮重测量及标定单元102与所述采样周期定时单元101连接，皮重测量及标定单元程序流程图见图4。
皮带称量很重要的参数之一就是皮重，皮重是每次测量都要使用的数据，是重量起始偏移量。称架有重量，称重皮带也有重量，而且皮带厚薄不均，这都是测量皮重需要考虑的因素。由于粉尘粘附，皮带磨损等均会造成皮重发生变化，经常性进行校验皮重很有必要。要保证配料精度，测量皮重时必须在称量皮带开启的情况下进行，通过多次采样加权平均计算，在称量皮带开启的情况下在采样单元设定的时间内进行采样，获取称量皮带有效称量长度的平均重量，因为称量皮带虽然有时能厚度有微小差异导致进入有效称量范围时存在重量差异(皮重差异)，但在长时间配料以及配料量大时平均重量作为平均皮重是可行的，取称量皮带整个周长运行5～10次的平均值作为皮重。
量程测量及标定单元103，有了皮重零点，还需要标定量程上限。标定量程需要使用称重单元自带软件功能块就地标定。标定量程有一个基本假定(即便采用常规的仪表方案同样有这样的假定)，称量的零点到满量程数值变化是线性的，在采用高精度、适合量程的传感器的前提下这一假定很容易满足。首先，将皮重零点重量下传到称重单元，此时皮带不得开启，下传结束后自动会弹出量程上限标定是否开始，此时将标准重量的砝码挂在称重皮带秤架上，点击开始量程上限标定，等单元将传感器输出电流信号值设置为对应的量程上限重量后即完成标定，由于称重单元在标定量程时要求输入极端稳定，因此，通常以静止已知重量的钩码作为标定辅助工具而不是链码。由于量程基数较大，静态标定量程上限造成的误差经多次调试，可以控制在0.3％以内，而使用实物标定根本行不通，只要配料的颗粒较为均匀，在下料时对皮带称的冲击力较为均匀，实际配料时一般流量在上限的60％左右最终配料精度就很高了。皮带称的量程标定在皮带称新投运或大修、更换传感器时才需要重新标定量程，平时一般不使用该功能。
重量/流量转化单元(仅适用于流速缓慢的流体)输入信号是称重传感器毫安信号，输出是按预先标定重量斜率计算出的重量信号。
严格意义上讲，动态配料的控制调节对象为下料瞬时流量，但实际流量均为事后数据，不能直接控制，传统的称重单元自带的功能块流量数据适用于液体流量而不适用于固体颗粒，因此，本发明没有直接选用该单元的流量输出，而是通过开发重量/流量转化单元，完成重量/流量的转化计算。重量数据从单元的“GrWeight”(Gross-Weight，毛重)根据标定的重量零点及量程确定重量线性度斜率，称重时依据传感器输出毫安信号计算出含秤架重量的总重量-毛重管角输出，通过实际测量皮带称的线速度、皮带长度等，再利用采样时间，引入积分概念，认为每个采样周期期间流量相同，这样即可计算出瞬时流量。
带自整定功能的PID调速单元，由于矿石存在粘结、颗粒不均匀(视作对下料流量存在干扰)的情况，即便圆盘恒速转动，下料对称重皮带的冲击力和下料重量都不是固定的，被控参数配料流量出现偏差，调节器根据偏差对被控参数配料流量进行控制，来补偿并消除干扰对被控参数的影响，因而它是一种消除偏差的反馈控制系统。在本类控制系统中，控制作用总是落后于干扰，是不及时控制。同时，本系统中圆盘机械减速比较大，是滞后较大的工控对象，从干扰产生到变频器输出频率改变再体现到圆盘转速变化需要一定时间。圆盘在停止状态启动开始配料时从零流量过渡到给定流量，相当于突跳干扰，如果没有自适应整定功能，过渡时间会非常长甚至根本稳定不了，因此，要达到预期的控制精度，带自整定功能的PID调速就是必须的。
以6#圆盘(BT6)程序为例BDLC标定量程为800吨/小时，PBGD(配比给定)配料给定流量为300吨/小时，称量皮带实测速度为0.6283米/秒，皮带有效称量段长度1.702米，通过实际校验及MATLAB仿真技术的校验，设置了多组PID参数，根据以下情况进行自动选择 圆盘从停止状态开始启动。此时要缩短起动时间应选用大比例因子，Kp＝Kp3＝3，Ti＝0.5S，(Kp为比例放大系数，Ti为积分时间常数，均为自动控制系统通用的标准符号)为PI调节器，动态响应快； 当圆盘转速达到给定理论值80％，下料流量达到75％给定流量值时，稍微减小比例因子，Kp＝Kp2＝1.5，Ti＝Ti2＝0.2S，Td＝Td2＝0.05S为PID调节器，引入微分因子，改善系统动态特性，抑制超调； 当下料流量达到95％给定流量值时，进一步减小比例因子，Kp在Kp-plus和Kp-minus间波动，Ti＝0.1S，Td＝0.03S为PID调节器，减少振荡，改善系统动态特性，抑制超调，促使配料流量稳定；设置输出限幅功能，防止过度振荡。
参见图3所示的动态配料数字控制方法的框图。该方法包括以下步骤 步骤302，圆盘下料； 步骤303，称重皮带上的传感器检测称重皮带上配料实际重量； 步骤304，传感器将称重毫安信号发送给计算控制系统，计算机控制系统的称重测量单元将传感器称重毫安信号转化为重量信号；将测量结果在吨、公斤、克、盎司、磅计量单位之间的转换；在转环后重量/流量转化单元将进行计量单位转换后的重量数据计算出瞬时流量，即根据所述配料实际重量进行A/D转换计算实际配料流量； 步骤305，PID调速单元根据所述实际配料流量计算获得变频器的输出频率，调节变频器输出频率以调节配料圆盘转速。
所述步骤302之前还包括自动生成配料单，并给定圆盘配料流量。上述流程是由控制系统进行控制实现的。
其中控制系统包括采样周期定时单元、皮重测量及标定单元、最程测量及标定单元、重量/流量转化单元、带自整定功能的PID调速单元等构成。重量/流量转化单元和带自整定功能的PID调速单元在对配料圆盘上的配料流量进行反馈控制起着重要的作用。
该动态配料数字控制方法还包括皮重测量及标定过程的流程图见图4。皮带称的量程标定在皮带称新投运或大修、更换传感器时才需要重新标定量程，由图可见，步骤201，设定每次皮带运行周数及皮重测量次数，启动称量皮带；步骤202，按计算机控制系统计算出的采样周期进行瞬时重量采样并累计；步骤203，称量皮带是否运行预定周数，如否执行步骤202；如是执行步骤204，步骤204，计算平均皮重＝总累计重量/总采样次数；步骤205，判断皮重测量次数是否已经完成，如否执行步骤202；如是执行步骤206；步骤206，判断几次测量的皮重值偏差是否大，如是执行步骤201；如否执行步骤207；步骤207，取平均皮重为最终皮重。皮重的测量完全自动化了，在控制室即可完成，比传统的仪表操作简单多了。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1、一种动态配料数字控制系统，其特征在于包括
计算机控制系统，用于根据生产计划确定总流量自动生成配料单并进行分配，和进行A/D转换以及获得变频器输出频率；
配料圆盘，与所述计算机控制系统通信连接，用于根据所述配料单给出的具体的配料流量；
称重传感器，安装在称重皮带与所述计算机控制系统通信，检测所述配料圆盘配给的矿石重量并将检测到的数据反馈给计算机控制系统；
变频电机，与计算机控制系统和配料圆盘通信连接，用于按照计算机控制系统根据检测到的数据进行A/D转换获得的变频器输出频率调节速度，进而调节所述配料圆盘的转速。
2、根据权利要求1所述的动态配料数字控制系统，其特征在于所述计算机控制系统包括
采样周期定时单元，设定周期采样时间；
皮重测量及标定单元，与所述采样周期定时单元连接，用于在所述采样周期定时单元设定的采样时间内进行采样，获取称量皮带有效称量长度的平均重量作为皮重零点；
量程测量及标定单元，与所述皮重测量及标定单元连接，用于获取所述皮重零点标定量程上限重量。
3、根据权利要求2所述的动态配料数字控制系统，其特征在于所述计算机控制系统还包括
称重测量单元，与称重传感器通信，用于将传感器信号转化为重量信号；
称重单位的转换单元，与所述称重测量单元通信，用于将测量结果在吨、公斤、克、盎司、磅计量单位之间的转换；
重量/流量转化单元，与所述称重单位的转换单元通信，用于将进行计量单位转换后的重量数据计算出瞬时流量。
4、根据权利要求3所述的动态配料数字控制系统，其特征在于所述计算机控制系统还包括
PID调速单元，与变频电机通信，用于获得变频器输出频率以消除偏差。
5、一种动态配料数字控制方法，其特征在于包括
步骤1，圆盘下料；
步骤2，检测称重皮带上配料实际重量；
步骤3，根据所述配料实际重量进行A/D转换计算实际配料流量；
步骤4，根据所述实际配料流量计算获得变频器的输出频率，调节变频器输出频率以调节配料圆盘转速。
6、根据权利要求5所述的动态配料数字控制方法，其特征在于所述步骤1之前还包括自动生成配料单，并给定圆盘配料流量。
全文摘要
本发明公开了一种动态配料数字控制系统，包括计算机控制系统，用于根据生产计划确定总流量自动生成配料单并进行分配，和进行A/D转换以及获得变频器输出频率；配料圆盘，与所述计算机控制系统通信连接，用于根据所述配料单给出的具体的配料流量；称重传感器，安装在称重皮带与所述计算机控制系统通信，检测所述配料圆盘配给的矿石重量并将检测到的数据反馈给计算机控制系统；变频电机，与计算机控制系统和配料圆盘通信连接，用于按照计算机控制系统根据检测到的数据进行A/D转换获得的变频器输出频率调节速度，进而调节所述配料圆盘的转速。以及还公开了一种动态配料数字控制方法。因此通过本发明控制系统和控制方法减少工程建设成本和使用维护成本，提高配料精度。
文档编号G05D11/00GK101249396SQ20071016854
公开日2008年8月27日 申请日期2007年11月30日 优先权日2007年11月30日
发明者姚红兴, 石祥林 申请人:武汉钢铁(集团)公司