嵌入式電熔鎂爐智能控制系統(tǒng)研究.pdf

1、電熔鎂砂具有熔點(diǎn)高、抗氧化、絕緣性強(qiáng)等特性，主要用于生產(chǎn)各種類型的鎂制耐火材料。電熔鎂砂的生產(chǎn)過程以菱鎂礦石為原料，采用我國特有的三相交流電熔鎂爐進(jìn)行熔煉，通過調(diào)整三相電極與熔池液面之間的位置來控制三相電極電流，使之產(chǎn)生電弧，通過電弧放熱使?fàn)t內(nèi)原料受熱熔化形成熔液，熔液再經(jīng)過冷卻結(jié)晶后生成成品。電熔鎂爐是一種典型的高耗能設(shè)備，電能成本占整個(gè)生產(chǎn)成本的60％以上，因此熔煉過程的控制目標(biāo)是:在滿足產(chǎn)量約束的前提下，使單噸合格產(chǎn)品所消耗的電能

2、，即產(chǎn)品的單噸能耗指標(biāo)處于目標(biāo)值范圍內(nèi)并盡可能小。產(chǎn)品單噸能耗與三相電極電流值密切相關(guān)，熔煉過程要求將三相電極電流控制在理想的電流值范圍內(nèi)并盡量減小電流值波動(dòng)。
　　電熔鎂爐熔煉過程包括加熱熔化、加料和排氣三種正常工況，具有復(fù)雜的動(dòng)態(tài)特性，主要體現(xiàn)在:1）以單噸能耗為輸出，三相電極電流為輸入的運(yùn)行層模型具有強(qiáng)非線性、多變量耦合、熔煉機(jī)理不清、難以建立數(shù)學(xué)模型等特點(diǎn)，其動(dòng)態(tài)特性受原料顆粒長度、雜質(zhì)成分等邊界條件和熔煉工況變化的影響。

3、2）原料顆粒長度、雜質(zhì)成分變化導(dǎo)致電極與熔池液面之間的電弧電阻變化進(jìn)而造成電流異常波動(dòng)時(shí)，電流設(shè)定值不做調(diào)整會(huì)造成“半熔化”、“過加熱”、“加料異常”、“排氣異?！钡犬惓９r發(fā)生。3）單噸能耗無法在線檢測，只能在熔煉過程結(jié)束后通過產(chǎn)品化驗(yàn)獲得。4）以三相電極電流為輸出，以三相拖動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向?yàn)檩斎氲目刂茖幽Ｐ驮诩恿虾团艢夤r下具有強(qiáng)非線性。
　　為了使電熔鎂爐優(yōu)化運(yùn)行，控制系統(tǒng)需要能夠?qū)崿F(xiàn)電流設(shè)定控制、電流跟蹤和邏輯控制、異常

4、工況診斷和過程監(jiān)控等四種功能。由于電熔鎂爐熔煉環(huán)境惡劣，具有高粉塵、高溫、強(qiáng)電磁干擾等特點(diǎn)，由可編程邏輯控制器(PLC)和計(jì)算機(jī)構(gòu)成的常規(guī)控制系統(tǒng)難以安全可靠運(yùn)行，因此需要研制能夠一體化實(shí)現(xiàn)上述四種功能的智能控制系統(tǒng)。
　　電熔鎂爐難以采用已有的運(yùn)行優(yōu)化控制方法，熔煉過程還處于人工設(shè)定控制狀態(tài)，導(dǎo)致普遍存在單噸能耗高、產(chǎn)量低、異常工況頻發(fā)等問題。本文在國家973計(jì)劃項(xiàng)目“復(fù)雜生產(chǎn)制造全流程一體化控制系統(tǒng)整體控制策略與運(yùn)行控制方法(

5、2009CB320601)”的支持下，開展了嵌入式電熔鎂爐智能控制系統(tǒng)的研究，取得的主要成果如下:
　　1、以將單噸能耗控制在目標(biāo)值范圍內(nèi)并盡可能小為目標(biāo)，提出了由電流閉環(huán)設(shè)定控制和跟蹤電流設(shè)定值切換控制組成的電熔鎂爐智能運(yùn)行反饋控制方法。其中電流閉環(huán)設(shè)定控制算法由基于案例推理的電流預(yù)設(shè)定模塊、單噸能耗混合預(yù)報(bào)模型、電流預(yù)設(shè)定值的前饋和反饋PI補(bǔ)償模塊組成;跟蹤電流設(shè)定值切換控制算法由基于PID的加熱熔化工況電流控制模塊、基于規(guī)則

6、推理的加料、排氣工況電流控制模塊和相應(yīng)切換機(jī)制組成。
　　2、以能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理熔煉過程異常工況為目的，提出了由異常工況識(shí)別算法和自愈控制算法組成的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電熔鎂爐異常工況識(shí)別和自愈控制方法。其中，異常工況識(shí)別算法采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的規(guī)則推理技術(shù)診斷熔煉過程的異常工況。當(dāng)異常工況發(fā)生時(shí)，自愈控制模塊采用案例推理技術(shù)獲得電流設(shè)定值的調(diào)整量，通過控制電流跟蹤調(diào)整后的設(shè)定值，使異常工況消除。
　　3、研制了能夠一體化實(shí)現(xiàn)四種復(fù)雜功能

7、的嵌入式電熔鎂爐智能控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了基于嵌入式PC/104總線的硬件平臺(tái)，包括CPU主板和信號(hào)輸入輸出模塊，并針對惡劣熔煉環(huán)境開發(fā)了信號(hào)隔離保護(hù)電路板。基于RTAI-Linux雙內(nèi)核實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)，采用所提出的智能運(yùn)行反饋控制方法、異常工況識(shí)別和自愈控制方法，開發(fā)了電熔鎂爐智能控制軟件，該軟件同時(shí)還具有邏輯控制、過程監(jiān)控等功能。電熔鎂爐智能控制軟件將實(shí)現(xiàn)不同功能的程序分為實(shí)時(shí)程序和非實(shí)時(shí)程序兩類，并通過實(shí)時(shí)硬件抽象層（RTH

8、AL）和控制中間件實(shí)現(xiàn)兩類程序之間的管理和調(diào)用。
　　4、開展了嵌入式電熔鎂爐智能控制系統(tǒng)在電熔鎂爐實(shí)際熔煉過程中的工業(yè)實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用研究。針對電流閉環(huán)設(shè)定控制算法、異常工況識(shí)別和自愈控制算法，進(jìn)行了熔煉工況和生產(chǎn)邊界條件頻繁變化情況下的電流設(shè)定實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用上述算法能夠及時(shí)獲得合適的電流設(shè)定值，與人工設(shè)定相比，單噸能耗降低了3％，產(chǎn)品產(chǎn)量提高了1.2％，異常工況發(fā)生率降低了50％以上;針對跟蹤電流設(shè)定值切換控制算法進(jìn)行了電流