CN1348122A

CN1348122A - 可内嵌先进过程控制(apc)模型软件的控制器

Info

Publication number: CN1348122A
Application number: CN 00129789
Authority: CN
Inventors: 史珺
Original assignee: DEWEISEN INDUSTRY (SHENZHEN) Co Ltd
Current assignee: DEWEISEN INDUSTRY (SHENZHEN) Co Ltd
Priority date: 2000-10-12
Filing date: 2000-10-12
Publication date: 2002-05-08

Abstract

一种可内嵌先进过程控制(APC)模型软件控制器,由CPU、电子硬盘、静态随机存贮器、动态随机存贮器、一级缓冲器、二级缓冲器、专用集成电路、接口及运行状态显示器、以太网接口及传输工业数据的RS232接口及RS422/485接口组成,本发明以PC为基础,并且有实时控制所需的高可靠性,APC程序可以像普通控制功能块一样在控制器内部随意调用、运行,其响应速度快,可靠性高。

Description

可内嵌先进过程控制(APC)模型软件的控制器

本发明涉及工业自动化控制技术领域，特别涉及以PC为基础的具有实时控制所需的高可靠性及可内嵌先进过程控制(APC)模型软件的控制器(APCC)。

个人计算机领域在当前发生了翻天覆地的变化，使计算机技术在办公领域获得了空前的成功。现在又逐渐开始进入工控领域，并把工厂自动化作为主要目标。

经过长期的替代常规仪表的历程，自动控制的发展要上一个台阶，那就是节能降耗，产生经济效益。这就要用先进过程控制方法和技术。先进过程控制是指对过程中的不可测量的量通过一系列的数学模型进行推测，并对其下一步的变化进行预估，从而对相应的控制量进行预测，以减少过程控制中的波动，达到优化控制的目的。就先进过程控制(APC)的实现而言，PC也有较强的优势。但是，PC在框架结构、防尘、抗开扰等工业应用方面不够成熟，可靠性令人不够信服，这些弱点限制了其在工业上尤其是在底层自动化方面的大量应用。

随着半导体技术的发展，嵌入式硬件系统已在各方面应用，基于现场控制的实时操作系统已发展到第三代，为基于PC的控制系统打下了充分的基础。但由于种种原因，这种变革一直未取得突破，就是由于这两种新系统在原来的系统上有所改进的同时，都存在着自身的缺陷。还有一些利用经典控制理论和现代控制理论无法解决的问题，如一些复杂的过程控制，这些复杂的过程没有明确的物理规律可遵循，即使做出各种假设，要进行传统的定量的分析也是十分困难，甚至无法实现。它们的控制往往基于操作员的经验来完成，在这种情况下，无论是被控过程还是操作员的经验控制都无法以解析表达式来描述，这就为我们系统设计及分析带来困难。

本发明的目的是针对现有控制技术的不足，设计一种既以PC为基础的，又具有实时控制所需的可靠性的控制器。它除了具备常规的DCS和PLC以及SCADA的控制器模件的功能外，还具有实现APC方法和技术的功能。而且，用户可以完全自行编制APC程序，建立如非线性时序建模预测，小波神经网络的非线性自适应预测，神经模糊控制，约束预测控制，串级模糊控制，频谱分析，及基于神经元与模糊控制的混沌系统等，或者利用APCC的标准功能块如PID、前馈等模块来编制APC程序，并通过APCC的内嵌组态软件

APC程序生成一个新的APC功能块，下装到控制器中，使得APC程序可以像普通控制功能块一样在控制器内部随意调用，运行，不再需要上位机的支持，这样可以加快APC的过程响应和可靠性，及解决一些用经典控制理论和现代控制理论到目前为止都无法解决问题。

本发明的目的，可以通过以下的技术方案实现，这种可内嵌先进过程控制(APC)模型软件的控制器包括：

1、于主要完成实时采集数据处理，运算及系统的管理，运行程序的奔腾型的CPU。

2、于存贮系统监控程序，用户程序，初始化程序，操作系统及以太网驱动程序和APC功能块的电子硬盘。

3、用于运行系统程序的的动态随机存贮器。

4、用于存贮动态数据，中间变量的静态随机存贮器。

5、用于联接各接口单元及存贮各接口数据起缓冲作用的专用集成电路。

6、用于传输工业控制数据的I/O接口单元；

7、用于传输工业控制数据的RS232接口和RS485/RS422通讯接口；

8、用于各个远程控制器单元之间的数据通讯和交换的以太网接口；

9、用于暂存电子硬盘数据，增加CPU处理速度的一级缓冲器，及二级缓冲器。

本发明与现有技术相比是以PC为基础，并具有实时控制所需的高可靠性的控制器，它除了具备常规的PCS、PLC、及SCADA的控制器模件的功能外，还具有实现APC方法和技术的功能，而且用户可以完全自行编APC程序，可利用APCC的标准功能块如PID、前馈等模块来编制APC程序，并通过APCC的内嵌组态软件将APC程序生成一个新的APC功能块，下装到控制器中，使得APC程序可以像普通控制功能块一样在控制器内部随意调用、运行，不再需要一些经典控制和现代控制理论到目前为止，无法解决的问题，并大大降低了成本。

图l为本发明的原理框图：

图2为本发明的实施例磨矿过程优化控制系统结构图：

图3为本发明的实施例给矿过程控制结构图；

图4为本发明的实施例给矿过程实际控制曲线图；

图5为本发明的实施例分级机溢流浓度控制曲线图；

图6为本发明的实施例磨矿机负荷控制图。

下面结合附图对本发明详述如下：可内嵌先进过程控制(APC)模型软件的控制器(APCC)由CPU1、电子硬盘2、静态随机存贮器3、动态随机存贮器4、一级缓冲器6、二级缓冲器5、专用集成电路7、接口及运行状态显示器8、传输工业数据的RS232接口9及RS422/485接口10、以太网接口11及I/O接口单元12。

系统的CPU正常运行，通过专用集成电路驱动显示单元，通过RS232接口，RS422/RS485接口及以太网接口联系与外界的通讯，通过TCS槽路总线与外界的I/O接口单元进行交换，通过三总线结构与系统内部的电子硬盘，DRAM，SRAM进行连接，并进行数据运算处理和系统外围控制，使用一级和二级缓存大大加快了系统运算处理的速度，使之能对一些复杂的控制进行快速的响应，这也是它比其它类型的控制器更高级，更先进的地方。要进行APC程序，则采用的CPU的性能要求必须大大高于普通的控制器，裨上它是一个去掉了一些外围设备的裁减了的PC，但是它保留的核心部分功能非常强大，包括它的浮点运算能力，逻辑处理能力等。这里我们选用了奔腾型CPU，它能完全满足这一要求。此外，我们采用128M的电子硬盘，可支持功能可双的嵌入式操作系统，而系统提供的32M动态存贮咖啡，256KB的静态存贮器和一级及二级缓冲器更为系统的高速处理提供了保障。同样，它提供RS232，RS422/RS485及以太网接口与外界保持通讯，大大强于一般的控制器。

本发明的实施如图2、3、4、5、6所示，是APCC在磨矿过程优化控制系统中的应用，具体过程如下：

一、目的背景

为了利用浸出或浮选法提取矿物，必须将矿石粉磨到一定细度。因此，从实际操作和提取效率两方面看，寻求一个最佳的磨矿细度是至关重要的。传统的磨矿回路由熟练的操作者用一种似乎是本能的“触---听---嗅”的方法来进行磨矿过程的操作。对高效磨矿作业的需要、可靠仪器的使用、由于操作者的更换而造成熟练工人的减少，利用自动控制系统来生产所需的磨矿产品以及优化磨矿效率已经成为可能且常常是必须的。

二、控制目标

通常用磨矿控制来改善磨矿回路的操作是基于下述操作上和经济上的原因：

实际操作上：

1、定操作，减少波动以便产生更符合标准的产品；

2、够避免因磨机发生故障而引起的耗费大的停机现象；

3、一个良好的监测控制过程有助于做出正确的管理决策；

4、操作者可集中精力进行过程优化而不是保持系统稳定。

经济上：

1、增加处理量；

2、品粒度能够控制在最佳粒度范围内，对有用矿物进行有效地回收；

3、提高磨机效率。

三、系统结构

系统功能

(a) 工艺指标：

· 给矿量：最大给矿85吨/小时，最小给矿50吨/小时；

· 磨矿浓度：70-75％；

· 螺旋分级机溢流粒度：-200目(-75μm)占65％；

(b) 控制回路

· 通过调节给矿机变频器频率输出控制给矿机速度来控制一段磨

矿给矿量；

· 通过调节磨机入口加水流量来控制一段磨矿浓度；

· 通过调节磨机出口加水流量(调节阀)来控制一段磨矿的溢流浓

度；

· 通过调节给矿量控制一段球磨机负荷，保持最大处理能力；

四、先进控制技术(APC)的应用

1、给矿过程控制

高效率的磨矿对给矿提出较高要求：保证进入磨机的矿量快速、准确地跟踪给定值；保证给矿持续、稳定，尽可能减少对磨矿造成的干扰。

检测仪表距给矿口有较长的距离，使给矿过程具有较大的纯滞后特性，常规的PID调节器响应速度很慢，不能快速地跟踪设定值。集成于APCC控制器内部的预测控制功能块处理此类问题时非常有效的。控制系统结构如图所示。

图3为给矿机给矿控制曲线，当给设定值改变时，实际给矿量能够快速准确的跟踪设定点。

2、磨矿浓度控制

磨矿浓度主要是影响磨矿介质与物料的摩擦力、介质的有效重量(介质的绝对重量减去矿浆浮力)、矿浆的流动性和磨矿机的运输能力等。从而影响磨矿机的生产率。磨矿浓度应该有一个适宜的范围，过大过小均不好。

控制磨机内部矿浆浓度是通过控制磨机入口矿浆浓度来实现的。只要保证按一定比例加水，就能保证磨机入口矿浆浓度的稳定。在磨矿机浓度控制中，考虑了分级机返砂水对磨矿浓度的影响。

磨矿浓度控制采用串级控制方法，外回路采用比值控制器确定磨机入口补加水量，内回路由PID控制器抑制水压变化等造成的扰动，保证实际给水量快速无静差跟踪设定值。

3、溢流浓度控制

溢流浓度的控制是通过改变螺旋分级机加水量来进行调节的。采用PI串级控制来设计溢流浓度的控制器。外回路由PI控制器设定分级机加水量，内回路由PI控制抑制水压等变化造成的快速扰动，稳定给水。实际运行效果表明控制是有效的。图4为分级机溢流浓度跟踪设定值变化的响应曲线。

4、磨机优化控制

提高磨机的处理量，充分发挥磨矿回路的作业效率，是磨矿作业重要的生产目标。实现这一目标的操作手段就是通过调节给矿量，保持磨机的装载量处于最佳工况。

根据矿石性质的变化，及时调整磨机入矿量，使磨内物料适度，防止自繁殖现象的发生是优化磨矿效率的关键。

根据操作经验，球磨机在正常的运转负荷下，磨机电流基本保持稳定。而当磨机过负荷时，磨机电流会逐渐下降，并随着磨机过负荷程度的加剧而下降幅度加大，最终导致磨机“胀肚”事故的发生。

因此，磨机电流可以反映磨机内负荷的变化情况，通过对磨机电流的控制可以有效地调节磨内负荷，从而实现增加磨机处理量，发挥磨机的最大处理能力，提高磨矿效率。

根据磨机电流与磨机负荷的变化关系，建立磨机负荷智能控制(GSISC)：

其中，e为磨机稳态电流I₀与磨机瞬时电流I之差：e＝I₀-I，c为返砂比(循环负荷/新给矿量)，c₀为磨机较高工作负荷时的返砂比。e₀＞0，e₁＞0，分别为标明磨机不同工作状态的电流偏差域值，Δu为磨机处理量的增量，ΔD_ap为分级机溢流浓度设定值增量，f₁(c)，f₂(e，c)，f₃(e，c)为模糊控制器。K₁，K₂，K₃，K₄为模糊控制器放大系数，K₃＜K₂＜0，K₁＞0，K₄＞0。

该控制算法利用APCC控制器内部嵌入的模糊控制模块得以实现实现。图5为磨矿机负荷控制的实际控制曲线。

磨矿作业的实际的运行结果表明，磨机负荷控制能够通过调整磨机给矿量，实现对磨机负荷的有效控制，避免了由于矿石特性的变化引起磨机“胀肚”事故的发生，同时充分发挥了磨机的处理能力。该控制系统运行以来，受到现场人员的一致肯定。

Claims

1、可内嵌先进过程控制(APC)模型软件的控制器，其特征在于，所述控制器包括：

a、用于主要完成实时采集数据处理，运算及系统管理的CPU；

b、用于存贮系统监控程序，用户程序，初始化程序，操作系统及以太网驱动程序和APC功能块的电子硬盘；

c、用于运行系统程序的动态随机存贮器；

d、用于存贮动态数据，中间变量的静态随机存贮器；

e、用于联接各接口单元及存贮各接口数据并起缓冲作用的专用集成电路；

f、用于传输工业控制数据的I/O接口单元；

g、用于传输工业控制数据的RS232接口和RS485/RS422通讯接口；

h、用于各个远程控制器单元之间的数据通讯和交换的以太网接口；

2、根据权利要求1所述的可内嵌先进过程控制(APC)模型软件的控制器，其特征在于，所述控制器包括：

用于暂存电子硬盘数据，增加CPU处理速度的一级缓冲器及二级缓冲器。