嵌入式電熔鎂爐智能控制系統(tǒng)研究.pdf

1、電熔鎂砂具有熔點高、抗氧化、絕緣性強等特性，主要用于生產各種類型的鎂制耐火材料。電熔鎂砂的生產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行熔煉，通過調整三相電極與熔池液面之間的位置來控制三相電極電流，使之產生電弧，通過電弧放熱使爐內原料受熱熔化形成熔液，熔液再經過冷卻結晶后生成成品。電熔鎂爐是一種典型的高耗能設備，電能成本占整個生產成本的60％以上，因此熔煉過程的控制目標是:在滿足產量約束的前提下，使單噸合格產品所消耗的電能

2、，即產品的單噸能耗指標處于目標值范圍內并盡可能小。產品單噸能耗與三相電極電流值密切相關，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并盡量減小電流值波動。
　　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，具有復雜的動態(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行層模型具有強非線性、多變量耦合、熔煉機理不清、難以建立數(shù)學模型等特點，其動態(tài)特性受原料顆粒長度、雜質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、雜質成分變化導致電極與熔池液面之間的電弧電阻變化進而造成電流異常波動時，電流設定值不做調整會造成“半熔化”、“過加熱”、“加料異?！薄ⅰ芭艢猱惓！钡犬惓９r發(fā)生。3）單噸能耗無法在線檢測，只能在熔煉過程結束后通過產品化驗獲得。4）以三相電極電流為輸出，以三相拖動電機的轉速和方向為輸入的控制層模型在加料和排氣工況下具有強非線性。
　　為了使電熔鎂爐優(yōu)化運行，控制系統(tǒng)需要能夠實現(xiàn)電流設定控制、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、強電磁干擾等特點，由可編程邏輯控制器(PLC)和計算機構成的常規(guī)控制系統(tǒng)難以安全可靠運行，因此需要研制能夠一體化實現(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行優(yōu)化控制方法，熔煉過程還處于人工設定控制狀態(tài)，導致普遍存在單噸能耗高、產量低、異常工況頻發(fā)等問題。本文在國家973計劃項目“復雜生產制造全流程一體化控制系統(tǒng)整體控制策略與運行控制方法(

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值范圍內并盡可能小為目標，提出了由電流閉環(huán)設定控制和跟蹤電流設定值切換控制組成的電熔鎂爐智能運行反饋控制方法。其中電流閉環(huán)設定控制算法由基于案例推理的電流預設定模塊、單噸能耗混合預報模型、電流預設定值的前饋和反饋PI補償模塊組成;跟蹤電流設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切換機制組成。
　　2、以能夠及時發(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別算法和自愈控制算法組成的數(shù)據(jù)驅動的電熔鎂爐異常工況識別和自愈控制方法。其中，異常工況識別算法采用數(shù)據(jù)驅動的規(guī)則推理技術診斷熔煉過程的異常工況。當異常工況發(fā)生時，自愈控制模塊采用案例推理技術獲得電流設定值的調整量，通過控制電流跟蹤調整后的設定值，使異常工況消除。
　　3、研制了能夠一體化實現(xiàn)四種復雜功能

7、的嵌入式電熔鎂爐智能控制系統(tǒng)。設計了基于嵌入式PC/104總線的硬件平臺，包括CPU主板和信號輸入輸出模塊，并針對惡劣熔煉環(huán)境開發(fā)了信號隔離保護電路板?；赗TAI-Linux雙內核實時嵌入式操作系統(tǒng)軟件平臺，采用所提出的智能運行反饋控制方法、異常工況識別和自愈控制方法，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現(xiàn)不同功能的程序分為實時程序和非實時程序兩類，并通過實時硬件抽象層（RTH

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