一种基于软件虚拟技术的物料料位检测方法与流程

本发明涉及一种物料料位检测方法，具体地说是一种基于软件虚拟技术的物料料位检测方法。

背景技术：

目前在冶金化工等企业中，物料供应工序普遍采用物理料位计进行料位检测，物理料位计根据用途和结构形式包括为以下几种：阻旋式料位计、电容式料位计、永磁式料位计、超声波物位计、导波雷达物位计、激光物位计、射频导纳料位计、重锤式料位计、射线式料位计以及称重式料位计等，上述各类物理料位计各有优缺点，如阻旋式料位计检测较靠，但不耐用；反之，电容式料位计虽然耐用，但可靠性较差；永磁式料位计可靠、灵敏、耐用，但安装时要求严格垂直，需要经常校正；超声波物位计和激光物位计均为非接触式，由于受粉尘、凹凸面以及噪音的影响，测量的准确性差；导波雷达物位计针和射频导纳料位计对某个点的测量，对被测介质的介电常数有较高要求，其准确性易受挂料、拉力或时漂、温漂的影响；射线式料位计为非接触式，对环境有污染，价格高；重锤式料位计分缆式及带式两种，断锤、埋锤以及乱绳等现象时有发生；称重式料位计可以测量质量/体积，但抗震性能差，影响测量的准确性。

由于检测点环境恶劣，粉尘、电磁、公共接地系统干扰等情况进一步缩短物理料位计使用寿命。物理料位计已无法满足生产需要。物理料位计装机量大，维护工作量大，企业难以实现自动化上料，主要靠人工进行上料操作。上料工人每天在粉尘高空等危险环境下，目测料位进行上料。上料效率和准确性均无法保证。劳动者的职业健康难以保证，人工上料带来的物料偏差无法克服。同时由于系统参数较多，误差类型也不同，人工进行参数调整工作量大，操作繁琐。

目前的物料信息在人机画面上进行显示的截图如图3所示，料位显示量程(单位：吨)，需人工换算剩余料位的百分比，不直观，且下料系统画面部分料位计已损坏。

技术实现要素：

针对现有技术中物料供应采用的物理料位计存在使用寿命短、装机量大、难以实现自动化上料等不足，本发明要解决的技术问题是提供一种能够替代原有物理料位计、在人机画面上进行显示的基于软件虚拟技术的物料料位检测方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种基于软件虚拟技术的物料料位检测方法，包括以下步骤：

建立信息采集平台，对物料的输入、输出情况进行统计，记录被测对象的工况信息；

建立上料模型，对物料按种类分别建模，根据前期采集的料流数据进行积分处理后输入上料模型；

建立下料模型，统计下料累计值；

建立物料虚拟检测模型，在此模块中，虚拟料位显示的虚拟料位值由上料模块与下料模块实时输出的差值构成；

制定虚拟料位计自动标定模块，对误差进行分析，调整参数，实现闭环控制。

上料模型的实际输入损耗采用加权平均的方式输入，并预留手动权值修改接口以适应温度或工况的变化。

上料模型输入总量由上料电振通电时间与料种上料料流的乘积或皮带秤计量装置决定。

下料模型通过下料前称重料仓的数值与下料后称重料仓的数值相减来统计下料累计值；下料完毕后将虚拟料位值减去下料累计值，更新当前料仓的剩余值。

在下料模型中增加一阶滞后滤波环节，消除上料电振停止后仍有少来余料缓慢随机加入带来的误差。

虚拟料位采用百分比的形式显示，百分比为料仓的量程除以虚拟料位值。

上料量不大于料仓容积的85％，以预防堆料情况的发生；当虚拟料位小于15％时进行报警，提醒及时上料。

虚拟料位值的增加由上料模块输出的上料累计量一次性添加，虚拟料位值的减少由下料模块称重前后的差值决定，以实现上料、下料同时进行，互不影响。

虚拟料位计自动标定模块定期进行人工标定，每周人工通过现场观测，输入料仓料位即可。

还具有系统异常处理与自诊断程序，列举各种异常情况并进行捕获，通过设置软件陷阱，对异常引起的中断进行响应，自动输出故障诊断代码，以方便故障的判断和处理。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明虚拟料位计完全满足生产需要，采用虚拟与人工定期标定相结合的方式可完全替代物理料位计，在物料检测节点较多，装机量较大的工况条件下，可大幅节约硬件投资费用，备件费用，设备维护费用；采用本技术后单个节点可节约物理料位计硬件投资2万元左右，参考现场实际情况和物理料位计的平均寿命，每三年可节省备件更换，设备维护费用共计3万元左右；此外应用虚拟物料检测技术后，待料情况大大改善，上料过多造成堆料情况已杜绝，物料供应更加顺畅。

2.采用本发明方法后，上料人员效率大大提高，能够更加直观地观察物料的剩余情况和加入情况，为实现自动化精炼操作提供了重要前提条件；劳动者的粉尘作业时间大幅减少，职业健康情况得到大大改善。

3.采用本发明方法后，上料过程采用全自动化操作，岗位标准化操作的到规范，而且无需上料人员根据经验进行判断、估算，上料的准确性大幅提高，可控制在1吨以内，完全满足生产需要。

4.与物理料位计相比，本发明可实现同一时间内同时进行上料和下料操作，克服物理料位计在上料的过程中同时进行下料带来的下料检测不准的缺点。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明系统结构原理图；

图3为现有技术中操作人员使用的料仓情况显示界面；

图4为本发明操作人员使用的料仓情况显示界面。

具体实施方式

通常情况下，在料位检测系统进行改造之前，要针对原有料位检测系统进行可行性评估，即对被测对象的上级、下级工序的检测元件进行可行性分析，对虚拟物料检测的测量精度进行评估，被测对象的下级工序必须具备物理检测环节，且运行和精度相对可靠。上级工序的物料检测可以由物理元件检测或通过上料设备运行时间推算。评估过程中采用几个典型的料仓进行测试。通过初步计算上级工序的上料量减去损耗与误差，与下级物料的消耗量进行比对。如偏差为小于等于80％，在工艺精度允许的范围内则得出改造可行的结论，之后实施如下方法。

如图1所示，本发明一种基于软件虚拟技术的物料料位检测方法，包括以下步骤：

建立信息采集平台，对物料的输入、输出情况进行统计，记录被测对象的工况信息；

建立上料模型，对物料按种类分别建模，根据前期采集的料流数据进行积分处理后输入上料模型；

建立下料模型，统计下料累计值；

建立物料虚拟检测模型，在此模块中，虚拟料位显示的值由上料模块与下料模块实时输出的差值构成；

制定虚拟料位计自动标定模块，对误差进行分析，调整参数，实现闭环控制。

虚拟料位检测技术是一种非物理检测技术，根据物料质量守恒的原则来实时推算出物料剩余量的一种软测量方法。该方法适用于工序的上级和下级物料能够实现计量的中间工序环节，借助上下级工序的计量手段根据损耗偏差可以推算出物料料位信息。与物理料位计相比，虚拟产生的料位计可在不进行硬件投资的前提下，同样可以显示物料料位信息。

为实现物料料位检测功能，本发明方法首先要建立必要的虚拟模块，如图2所示，建立物料虚拟检测模型、上料模型、下料模型以及自动标定模块，以物料虚拟检测模型做为虚拟料位检测的主模块，原有物理料位计损坏或故障后，使用虚拟料位检测技术进行物料料位测量，替代原有损坏的物理料位计，通过上料模型、下料模型对物料的输入、输出进行计量，增加自动标定模块实现系统的反馈环节，以提高闭环控制精度，并将物料信息在人机画面上进行显示。

本实施例中，工况信息包括物料种类、上料形式、料仓的数量、料仓的量程、料仓下级工序的检测环节、上料和下料的料流、漏料情况，误差种类以及上下料周期等参数。

建立上料模型，对物料按种类分别建模。根据前期采集的料流数据进行积分处理后输入上料模型。上料系统的实际输入损耗采用加权平均的方式输入模型，并预留手动权值修改接口以适应温度或工况的变化。上料模型输入总量由上料电振通电时间与料种上料料流的乘积或皮带秤等计量装置决定。

建立下料模型。下料模型的主要功能是计量下料前称重料仓的数值与下料后称重料仓的数值相减，以此来统计下料累计值。下料完毕后将虚拟料位值减去下料累计值，更新当前料仓的剩余值。在此模块中考虑到上料电振停止后，仍有少来余料缓慢随机加入，故设计一阶滞后滤波环节，消除此误差。

建立物料虚拟检测模型。在此模块中，虚拟料位显示的值(单位：吨)，由上料模块与下料模块实时输出的差值构成。虚拟料位显示的百分比为料仓的量程(单位：吨)除以虚拟料位值。采用百分比的形式更加直观地反应物料剩余情况。考虑到安全因素，上料量将不大于料仓容积的85％，以预防堆料，堵料情况的发生。当虚拟料位小于15％时进行报警，提醒及时上料。虚拟料位值的增加由上料模块输出的上料累计量一次性添加，虚拟料位值的减少由下料模块称重前后的差值决定。可实现上料、下料同时进行，互不影响。

制定虚拟料位计自动标定模块。该自动标定模块与传统仪器出现误差进行标定类似，当系统输出值与实际物理值偏差较大，为了提高测量精度，需定期进行标定，手动将真实值修改为系统输出值，进行校正。不同之处在于虚拟料位检测技术能够通过偏差值的大小及变化规律自动分析误差产生的原因，并修改系统参数，将最近10次的误差计入数组，自动计算出平均误差。当最新的误差累计值大于平均误差的10％时，对下级工序的物理检测元件进行温度漂移和过零漂移检查。如下级检测元件工作正常，则在系统输出值偏高的情况自动下提高漏料系数2％，降低一阶滞后滤波系统的增益1％。系统输出偏低的情况下自动降低漏料系数2％，提高一阶滞后滤波系统的增益1％。如下级检测元件工作异常，则及时进行维修，控制器参数不做调整。

为了保证测量精度，虚拟料位检测需要定期进行人工标定。由于系统参数较多，误差类型也不同，人工进行参数调整工作量大，操作繁琐。自动标定模块可自动完成参数整定工作，只需每周人工通过现场观测，输入料仓料位即可。此模块的引入增加了控制系统的反馈环节，实现闭环控制进一步提高精度。

系统异常处理与自诊断程序。设置软件陷阱，对异常引起的中断进行响应处理。列举各种异常情况并进行捕获。自动输出故障诊断代码，以方便故障的判断和处理。

进行系统集成，软件测试。各子模块设计完成后，首先进行单体模块的输入输出仿真测试，测试完毕后进行系统整合联动试车。在生产运行中测试可编程控制器运行结果与人机界面显示情况。将测试中的错误逐一改正并不断完善。修正模型参数，反复迭代,直至调整虚拟物料检测精度达到生产要求。

本发明方法中，高炉(lf钢包精炼)虚拟料位计采用高位料仓对应的称重料仓实际值递减累计的方式进行计算。在振空料仓的时候进行一次初始标定，程序根据漏料、经验损耗系数等情况自动计算出装入值并在人机界面上显示，同时根据料仓的量程计算出剩余百分比值，并在人机界面上显示，当物料剩余值小于15％进行报警，提醒生产人员及时要料。为了保证虚拟料位真实准确地反应料仓情况，精炼车间每周进行一次人工标定，标定后精确度显著提高。为保证称量准确，还在程序环节引入误差校正模块，对下级工序检测元件温度漂移，零点漂移进行自动补偿去皮。对电振停止后物料的增加滞后补偿。

虚拟料位计除了显示料位百分比值外，还提供虚拟称重功能，操作人员不用经过剩余百分比值进行换算，剩余料的公斤数直接显示，此外改造后每个高位料仓的数值加入历史数据组，操作人员可通过历史趋势分析模块进行分析查询。

例如本技术在某号炉应用情况如图4所示，下料画面新增物料剩余公斤数，恢复物料剩余百分比。由于上料由原料车间完成，上料过程中无上料称重信息，精确度略低，控制在1t范围内，其它工位精确度可达0.6t，大大缓解了备件费用不足对生产造成的不利影响。

在实践中，改造虚拟料位计共计26个，节约备件申报费用104万元。