【正文】 在 本 課 題 軟 件 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 中 ， 引 入 了 煤 量 計(jì) 算 模 型 ， 依 據(jù) 煤 量 計(jì) 算 模 型所 設(shè) 計(jì) 的 思 路 ， 巧 妙 地 實(shí) 現(xiàn) 了 實(shí) 時(shí) 噴 吹 量 大 小 的 計(jì) 量 ， 并 將 此 參 數(shù) 作 為 了 噴 煤 量 PID調(diào) 節(jié) 的 閉 環(huán) 輸 入 信 號 ， 實(shí) 現(xiàn) 了 噴 吹 系 統(tǒng) 的 自 動 控 制 。32圖 程序區(qū)段圖其 中 ， 煤 量 計(jì) 算 模 塊 為 整 個(gè) 控 制 系 統(tǒng) 的 關(guān) 鍵 ， 因 為 在 噴 煤 自 動 控 制 軟 件 系 統(tǒng) 中 ，最 終 要 控 制 的 就 是 小 時(shí) 噴 煤 量 ， 操 作 工 每 次 只 輸 入 工 長 要 求 的 小 時(shí) 要 煤 量 后 ， 系 統(tǒng) 需要 根 據(jù) 此 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 運(yùn) 算 ， 進(jìn) 而 自 動 調(diào) 節(jié) 控 制 罐 壓 和 二 次 風(fēng) 的 流 量 ， 以 得 到 滿 足 生 產(chǎn) 工藝 要 求 的 噴 煤 量 。如圖 所示。 軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)結(jié)合 2200m3 高爐噴煤控制系統(tǒng) PLC 硬件選型，選擇 Concept 及 Monitor Pro 作為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的下位程序控制及上位人機(jī)界面開發(fā)軟件工具。安鋼煉鐵廠 2200m3 高爐噴煤自動控制軟件系統(tǒng)的硬件模塊配置如表 ~表 所示：表 硬件模塊配置表一本地I/O機(jī)架 描 述1 140 CPS11400 AC PS 8A2 140 CPU43412 中央處理器3 140 CRP93100 RIO HEAD S9084 140 ACI04000 16通道電流輸入5 140 ACI04000 16通道電流輸入6 140 ACI04000 16通道電流輸入7 140 ACO13000 8通道電流輸出8 140 ACO13000 8通道電流輸出9 140 DDO35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸出10 140 DDO35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸出11 140 DDO35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸出12 140 DDO35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸出13 140 DDO35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸出14 140 DDO35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸出15 140 DDO35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸出16 140 NOE77100 以太網(wǎng)通訊模塊表 硬件模塊配置表二遠(yuǎn)程I/O機(jī)架1 描 述1 140 CPS11400 AC PS 8A2 140 CRA93100 RIO DROP S9083 140 ARI03000 8通道熱電阻輸入4 140 ARI03000 8通道熱電阻輸入5 140 ARI03000 8通道熱電阻輸入6 140 ARI03000 8通道熱電阻輸入7 140 DDI35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸入8 140 DDI35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸入299 140 DDI35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸入10 140 DDI35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸入11 140 DDI35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸入12 140 DDI35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸入13 140 DDI35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸入表 硬件模塊配置表三遠(yuǎn)程I/O機(jī)架2 描 述1 140 CPS11400 AC PS 8A2 140 CRA93100 RIO DROP S9083 140 DDI35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸入4 140 DDI35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸入5 140 DDI35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸入6 140 DDI35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸入7 140 DDI35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸入8 140 DDI35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸入9 140 DDI35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸入10 140 DDI35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸入11 140 DDO35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸出12 140 DDO35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸出13 140 DDO35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸出14 140 DDO35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸出表 硬件模塊配置表四遠(yuǎn)程I/O機(jī)架3 描 述1 140 CPS11400 AC PS 8A2 140 CRA93100 RIO DROP S9083 140 DDI35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸入4 140 DDI35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸入5 140 DDI35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸入6 140 DDI35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸入7 140 DDI35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸入8 140 DDI35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸入9 140 DDI35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸入10 140 DDO35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸出11 140 DDO35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸出12 140 DDO35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸出13 140 DDO35300 4*8 24VDC開關(guān)量輸出14 140 ACI04000 16通道電流輸入30硬件每個(gè)機(jī)架模塊的配置原則要求不超過 64 個(gè) words，并且各類模塊保留一定的余量，以備將來擴(kuò)充時(shí)使用。中央機(jī)架又叫本地 I/O，它通過 CRP 通訊模塊與其它三個(gè)擴(kuò)展機(jī)架上的　CRA 模塊相連接，擴(kuò)展機(jī)架又叫遠(yuǎn)程 I/O，它們之間采用的是同軸電纜連接。28整個(gè)系統(tǒng)中實(shí)際 I/O 開關(guān)量點(diǎn)數(shù) 1100 點(diǎn)，模擬量點(diǎn)數(shù) 102 點(diǎn)，開關(guān)量采用 DDI35300 和 DDO35300，它們均為 DC24V 4*8 點(diǎn)模塊，模擬量采用 ACI04000、ARI03000 和 ACO13000 三種，它們分別為 16 通道電流輸入模塊、8 通道RTD 輸入模塊與 8 通道電流輸出模塊。環(huán)型工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)某處網(wǎng)線斷裂時(shí)，它仍能夠通過環(huán)網(wǎng)的另一通路進(jìn)行通訊，各監(jiān)控站點(diǎn)間均采用 Window 2022 Professional 作為網(wǎng)絡(luò)平臺。 硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)考慮安鋼煉鐵廠 2200m3 高爐噴煤自動控制系統(tǒng)與整個(gè)高爐自動控制的兼容及備品備件的通用性等原因，本系統(tǒng)硬件采用施耐德公司的 QUANTUM 系列 PLC，CPU采用 140 CPU 434 12，本地 I/O 與遠(yuǎn)程 I/O 采用同軸電纜連接，PLC 與上位監(jiān)控站通訊采用工業(yè)以太網(wǎng)，選用 140 NOE 771 00 以太網(wǎng)模塊，它集成有 RJ45 以太網(wǎng)接口，可以與上位監(jiān)控站網(wǎng)卡相連接。實(shí)現(xiàn)全部過程檢測信號的顯示、報(bào)警、聯(lián)鎖及重要參數(shù)的歷史趨勢記錄等。27所有控制設(shè)備對象均采用三種控制方式：就地控制、鍵盤控制與自動控制?；景凑展δ苄枨筮M(jìn)行模塊劃分，模塊間盡量減少耦合。系統(tǒng)采用施耐德 QUANTUM 控制器及擴(kuò)展單元，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通訊 OPC方式，并采用基于 C/S 結(jié)構(gòu)的“多站式”的軟件體系架構(gòu) [37]。 總體設(shè)計(jì)根據(jù)功能與技術(shù)需求，安鋼煉鐵廠 2200m3 高爐自動控制軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如下：采用 Window 2022 Professional 操作系統(tǒng)平臺，安裝 SQL Server 2022 個(gè)人版數(shù)據(jù)庫軟件。8）系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)及歷史趨勢顯示、報(bào)警等功能。266）采用基于 Windows 2022 平臺的窗口式操作環(huán)境，C/S 系統(tǒng)架構(gòu)。4）噴吹系統(tǒng)設(shè)備自動控制，支持自動倒罐、自動裝粉、噴煤量計(jì)量及其自動調(diào)節(jié)等。2）貯運(yùn)系統(tǒng)設(shè)備自動控制，三臺稱重機(jī)及五條皮帶、除塵器、除鐵器、犁式卸料機(jī)等聯(lián)鎖啟停等。通過以上的幾種方式，我們得到了安鋼煉鐵廠 2200m3 高爐自動控制系統(tǒng)的功能和性能需求，并寫出可行性研究報(bào)告及軟件功能規(guī)格書。信息的收集是需求分析的基礎(chǔ) [36]。 需求分析與規(guī)范確定Tom Gilb 提出了下列定律：一個(gè)沒有明確目標(biāo)的項(xiàng)目，是不可能明確地實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的 [35]。模型設(shè)計(jì)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)，它將在下一章得到具體實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。首先，設(shè)一脈沖間隔變量 F_JG_T，它的具體大小可以在程序投運(yùn)的過程中調(diào)試決定，它是等分的時(shí)間間隔及實(shí)現(xiàn)重量累加功能的前提條件，同時(shí)在整點(diǎn)脈沖到時(shí)復(fù)位；然后，在任一罐倒為“噴吹罐”時(shí)，記錄下其罐重的裝粉值 RW101（以 A 罐為例） ，同時(shí)，由間隔變量 F_JG_T 脈沖上升沿觸發(fā)，將“在噴罐”實(shí)時(shí)重量傳給罐重中間寄存器變量 RW101_END，相減得到在第一個(gè)間隔時(shí)間 F_JG_T 內(nèi)的罐重的差值△ 1（DELT1） ，再將 RW101_END 賦給RW101，作為下一個(gè)時(shí)間間隔 F_JG_T 的罐重的初值，如此循環(huán)下去，可以得到 m個(gè)△ 1，同理，如果 B 為“噴吹罐”時(shí)，可以得到 B 罐的 q 個(gè)△ 2（DELT2） ，直到下一整點(diǎn)脈沖到來；則小時(shí)內(nèi)已噴煤量：　????..._ 2)1(2211)(112 ????????? ?? BqqAmHOURML24小時(shí)內(nèi)已用時(shí)間可以在整點(diǎn)脈沖到來時(shí)開時(shí)計(jì)時(shí) ET，存入寄存器即可，則可以求出小時(shí)剩余時(shí)間 T_LEFT1；小時(shí)瞬時(shí)平均煤量 ML_INSTANT= 小時(shí)內(nèi)已噴煤量（t ）/小時(shí)內(nèi)已用時(shí)間(h)。在并罐噴吹工藝中，主要是兩個(gè)噴吹罐的裝粉、倒罐和噴吹過程，而一般一個(gè)罐噴吹，另一個(gè)裝粉備用，所以“在噴吹罐”有一個(gè)固定的設(shè)備狀態(tài)，那就是它的二次風(fēng)閥、噴煤閥 噴煤閥 輸煤閥全部為開啟狀態(tài)，因此可以以此作為“在噴吹罐”的標(biāo)志。利用 Concept 實(shí)現(xiàn)煤量計(jì)算算法模型，首先將模塊輸入的 4~20mA 信號轉(zhuǎn)化為實(shí)際的工程單位重量，本課題中的 A、B 兩個(gè)罐轉(zhuǎn)化后的實(shí)際重量存入了 W101和 W102 兩個(gè)寄存器變量中，在有了罐重信號后，實(shí)現(xiàn)上述算法模型主要有三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：一是要有整點(diǎn)的觸發(fā)脈沖；二是要判斷出哪個(gè)罐是“噴吹罐” ；三是要求出“噴吹罐”的罐重的微小變化量對時(shí)間積分值。 煤量計(jì)算模型設(shè)計(jì)安鋼 2200m3 高爐噴煤系統(tǒng)硬件系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)采用了施耐德公司的 QUANTUM23系列 PLC，下位編程軟件平臺為 Concept ，上位監(jiān)控軟件采用 Windows 2022 專業(yè)版下安裝的 MP72，要實(shí)現(xiàn)上述算法，主要是下位控制編程代碼實(shí)現(xiàn)，Concept 是一種自動控制項(xiàng)目的解決方案，它提供了多種編程語言，包括功能語言 FBD（功能塊圖） 、LD （梯形圖） 、順序語言 SFC（順序功能圖） 、指令表 IL、結(jié)構(gòu)化文本 ST。22圖 算法一時(shí)序圖解B罐A罐整 點(diǎn) 開 始 記 錄噴 吹 罐 A罐 重 倒 為 噴 吹罐 記 錄 其 罐 重 倒 為 噴 吹罐 記 錄 其 罐 重1個(gè) 時(shí) 間 內(nèi) 的 n個(gè) 時(shí) 間 等 份罐 重 差 2罐 重 差 N整 點(diǎn) 結(jié) 束 記 錄噴 吹 罐 B罐 重TT圖 算法二時(shí)序圖解2）兩種算法模型比較一個(gè)好的算法，要求實(shí)現(xiàn)簡單，計(jì)算準(zhǔn)確，使用方便，特別是對生產(chǎn)要有一定的指導(dǎo)效果，前面設(shè)計(jì)的兩種算法思路，在應(yīng)用 PLC 編程軟件實(shí)現(xiàn)及生產(chǎn)使用過程中，具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)：①算法一因?yàn)槭悄M人工的工作過程，具有計(jì)算比較精確的優(yōu)點(diǎn)，能基本上消除在噴吹過程中煤量計(jì)量的干擾，但是缺點(diǎn)是不易取任意小時(shí)中間點(diǎn)的噴煤量，而且只有采用即時(shí)煤量作為煤量自動控制回路的 PID 參數(shù)調(diào)節(jié)的輸入，這樣得到的回路控制，擾動大，必須加入濾波，但濾波時(shí)間短，起不到作用，濾波時(shí)間長，則滯后時(shí)間長，控制失去了作用，因此在生產(chǎn)控制中參數(shù)不易調(diào)整，應(yīng)用效果不太好，另外倒罐脈沖觸發(fā)不易選取，且在外部設(shè)備故障需要單罐噴吹時(shí)，又要采用不同的倒罐脈沖，計(jì)算繁雜。記 錄 Wa1， bB罐A罐 記 錄 3， W記 錄 39。其二，這種算法的思路來自高等數(shù)學(xué)中的微積分算法，只要判斷出哪一個(gè)罐為在噴罐，就可以將其任意一小時(shí)內(nèi)的噴煤量的減少值平均分割為 N 個(gè)時(shí)間等份，求出在這 N 個(gè)時(shí)間等份中罐重的差值，并在整個(gè)小時(shí)區(qū)間內(nèi)積分，就可以得到小時(shí)煤量，同時(shí)可以用在任意整點(diǎn)至當(dāng)前時(shí)間區(qū)間內(nèi)的積分，除以在任意整點(diǎn)至當(dāng)前所用時(shí)間，得到一個(gè)煤量的瞬時(shí)平均值，以它來代替算法一中的瞬時(shí)煤量，作為煤量 PID 自動控制回路的 PV 參數(shù)。 煤量計(jì)算的數(shù)學(xué)模型1）兩種算法模型構(gòu)造思路針對 2200m3 高爐噴吹系統(tǒng)工藝，結(jié)合需求的 IPO 模型，在進(jìn)行煤量計(jì)算模型構(gòu)造中，確立了兩種思路：其一，模擬人工，在任意整點(diǎn)時(shí)記下罐重值，在倒罐時(shí)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，記憶在噴罐重值及待噴罐的裝粉罐重值，如此循環(huán)，可得到△ 1，△ 2，△ 3，△ 4……，在下一整點(diǎn)信號到來時(shí)將△ 1，△ 2，△ 3，△ 4……求和，即可得到本小時(shí)的噴煤量△h，瞬時(shí)噴煤量采用取半分鐘內(nèi)平均下煤量的值，并以此作為煤量 PID 自動控制回路的 PV參數(shù)。在這里要產(chǎn)生實(shí)時(shí)噴煤量的電流輸出，并產(chǎn)生 8 小時(shí)的噴煤量報(bào)表。在這里要實(shí)現(xiàn)小時(shí)實(shí)時(shí)噴煤量的計(jì)量及已噴煤量的計(jì)算。這里要接收 A 罐、B罐的罐重實(shí)時(shí)電流信號。其中，軟件要素在這個(gè)模型的各個(gè)方面都起著一定的作用。IPO 模型是用來描述一個(gè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)輸入和輸出的模型，同時(shí)也被應(yīng)用于描述一個(gè)系統(tǒng)與外界的信息交換。但實(shí)際噴煤量是否增大或減小