專利名稱：可內(nèi)嵌先進過程控制(apc)模型軟件的控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)自動化控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及以PC為基礎(chǔ)的具有實時控制所需的高可靠性及可內(nèi)嵌先進過程控制(APC)模型軟件的控制器(APCC)。
個人計算機領(lǐng)域在當(dāng)前發(fā)生了翻天覆地的變化，使計算機技術(shù)在辦公領(lǐng)域獲得了空前的成功?，F(xiàn)在又逐漸開始進入工控領(lǐng)域，并把工廠自動化作為主要目標。
經(jīng)過長期的替代常規(guī)儀表的歷程，自動控制的發(fā)展要上一個臺階，那就是節(jié)能降耗，產(chǎn)生經(jīng)濟效益。這就要用先進過程控制方法和技術(shù)。先進過程控制是指對過程中的不可測量的量通過一系列的數(shù)學(xué)模型進行推測，并對其下一步的變化進行預(yù)估，從而對相應(yīng)的控制量進行預(yù)測，以減少過程控制中的波動，達到優(yōu)化控制的目的。就先進過程控制(APC)的實現(xiàn)而言，PC也有較強的優(yōu)勢。但是，PC在框架結(jié)構(gòu)、防塵、抗開擾等工業(yè)應(yīng)用方面不夠成熟，可靠性令人不夠信服，這些弱點限制了其在工業(yè)上尤其是在底層自動化方面的大量應(yīng)用。
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，嵌入式硬件系統(tǒng)已在各方面應(yīng)用，基于現(xiàn)場控制的實時操作系統(tǒng)已發(fā)展到第三代，為基于PC的控制系統(tǒng)打下了充分的基礎(chǔ)。但由于種種原因，這種變革一直未取得突破，就是由于這兩種新系統(tǒng)在原來的系統(tǒng)上有所改進的同時，都存在著自身的缺陷。還有一些利用經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論無法解決的問題，如一些復(fù)雜的過程控制，這些復(fù)雜的過程沒有明確的物理規(guī)律可遵循，即使做出各種假設(shè)，要進行傳統(tǒng)的定量的分析也是十分困難，甚至無法實現(xiàn)。它們的控制往往基于操作員的經(jīng)驗來完成，在這種情況下，無論是被控過程還是操作員的經(jīng)驗控制都無法以解析表達式來描述，這就為我們系統(tǒng)設(shè)計及分析帶來困難。
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有控制技術(shù)的不足，設(shè)計一種既以PC為基礎(chǔ)的，又具有實時控制所需的可靠性的控制器。它除了具備常規(guī)的DCS和PLC以及SCADA的控制器模件的功能外，還具有實現(xiàn)APC方法和技術(shù)的功能。而且，用戶可以完全自行編制APC程序，建立如非線性時序建模預(yù)測，小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性自適應(yīng)預(yù)測，神經(jīng)模糊控制，約束預(yù)測控制，串級模糊控制，頻譜分析，及基于神經(jīng)元與模糊控制的混沌系統(tǒng)等，或者利用APCC的標準功能塊如PID、前饋等模塊來編制APC程序，并通過APCC的內(nèi)嵌組態(tài)軟件 APC程序生成一個新的APC功能塊，下裝到控制器中，使得APC程序可以像普通控制功能塊一樣在控制器內(nèi)部隨意調(diào)用，運行，不再需要上位機的支持，這樣可以加快APC的過程響應(yīng)和可靠性，及解決一些用經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論到目前為止都無法解決問題。
本發(fā)明的目的，可以通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)，這種可內(nèi)嵌先進過程控制(APC)模型軟件的控制器包括1、于主要完成實時采集數(shù)據(jù)處理，運算及系統(tǒng)的管理，運行程序的奔騰型的CPU。
2、于存貯系統(tǒng)監(jiān)控程序，用戶程序，初始化程序，操作系統(tǒng)及以太網(wǎng)驅(qū)動程序和APC功能塊的電子硬盤。
3、用于運行系統(tǒng)程序的的動態(tài)隨機存貯器。
4、用于存貯動態(tài)數(shù)據(jù)，中間變量的靜態(tài)隨機存貯器。
5、用于聯(lián)接各接口單元及存貯各接口數(shù)據(jù)起緩沖作用的專用集成電路。
6、用于傳輸工業(yè)控制數(shù)據(jù)的I/O接口單元；7、用于傳輸工業(yè)控制數(shù)據(jù)的RS232接口和RS485/RS422通訊接口；8、用于各個遠程控制器單元之間的數(shù)據(jù)通訊和交換的以太網(wǎng)接口；9、用于暫存電子硬盤數(shù)據(jù)，增加CPU處理速度的一級緩沖器，及二級緩沖器。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比是以PC為基礎(chǔ)，并具有實時控制所需的高可靠性的控制器，它除了具備常規(guī)的PCS、PLC、及SCADA的控制器模件的功能外，還具有實現(xiàn)APC方法和技術(shù)的功能，而且用戶可以完全自行編APC程序，可利用APCC的標準功能塊如PID、前饋等模塊來編制APC程序，并通過APCC的內(nèi)嵌組態(tài)軟件將APC程序生成一個新的APC功能塊，下裝到控制器中，使得APC程序可以像普通控制功能塊一樣在控制器內(nèi)部隨意調(diào)用、運行，不再需要一些經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制理論到目前為止，無法解決的問題，并大大降低了成本。
圖l為本發(fā)明的原理框圖圖2為本發(fā)明的實施例磨礦過程優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖3為本發(fā)明的實施例給礦過程控制結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明的實施例給礦過程實際控制曲線圖；圖5為本發(fā)明的實施例分級機溢流濃度控制曲線圖；圖6為本發(fā)明的實施例磨礦機負荷控制圖。
下面結(jié)合附圖
對本發(fā)明詳述如下可內(nèi)嵌先進過程控制(APC)模型軟件的控制器(APCC)由CPU1、電子硬盤2、靜態(tài)隨機存貯器3、動態(tài)隨機存貯器4、一級緩沖器6、二級緩沖器5、專用集成電路7、接口及運行狀態(tài)顯示器8、傳輸工業(yè)數(shù)據(jù)的RS232接口9及RS422/485接口10、以太網(wǎng)接口11及I/O接口單元12。
系統(tǒng)的CPU正常運行，通過專用集成電路驅(qū)動顯示單元，通過RS232接口，RS422/RS485接口及以太網(wǎng)接口聯(lián)系與外界的通訊，通過TCS槽路總線與外界的I/O接口單元進行交換，通過三總線結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)內(nèi)部的電子硬盤，DRAM，SRAM進行連接，并進行數(shù)據(jù)運算處理和系統(tǒng)外圍控制，使用一級和二級緩存大大加快了系統(tǒng)運算處理的速度，使之能對一些復(fù)雜的控制進行快速的響應(yīng)，這也是它比其它類型的控制器更高級，更先進的地方。要進行APC程序，則采用的CPU的性能要求必須大大高于普通的控制器，裨上它是一個去掉了一些外圍設(shè)備的裁減了的PC，但是它保留的核心部分功能非常強大，包括它的浮點運算能力，邏輯處理能力等。這里我們選用了奔騰型CPU，它能完全滿足這一要求。此外，我們采用128M的電子硬盤，可支持功能可雙的嵌入式操作系統(tǒng)，而系統(tǒng)提供的32M動態(tài)存貯咖啡，256KB的靜態(tài)存貯器和一級及二級緩沖器更為系統(tǒng)的高速處理提供了保障。同樣，它提供RS232，RS422/RS485及以太網(wǎng)接口與外界保持通訊，大大強于一般的控制器。
本發(fā)明的實施如圖2、3、4、5、6所示，是APCC在磨礦過程優(yōu)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，具體過程如下一、目的背景為了利用浸出或浮選法提取礦物，必須將礦石粉磨到一定細度。因此，從實際操作和提取效率兩方面看，尋求一個最佳的磨礦細度是至關(guān)重要的。傳統(tǒng)的磨礦回路由熟練的操作者用一種似乎是本能的“觸---聽---嗅”的方法來進行磨礦過程的操作。對高效磨礦作業(yè)的需要、可靠儀器的使用、由于操作者的更換而造成熟練工人的減少，利用自動控制系統(tǒng)來生產(chǎn)所需的磨礦產(chǎn)品以及優(yōu)化磨礦效率已經(jīng)成為可能且常常是必須的。
二、控制目標通常用磨礦控制來改善磨礦回路的操作是基于下述操作上和經(jīng)濟上的原因?qū)嶋H操作上1、定操作，減少波動以便產(chǎn)生更符合標準的產(chǎn)品；2、夠避免因磨機發(fā)生故障而引起的耗費大的停機現(xiàn)象；3、一個良好的監(jiān)測控制過程有助于做出正確的管理決策；4、操作者可集中精力進行過程優(yōu)化而不是保持系統(tǒng)穩(wěn)定。
經(jīng)濟上1、增加處理量；2、品粒度能夠控制在最佳粒度范圍內(nèi)，對有用礦物進行有效地回收；3、提高磨機效率。
三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)功能(a) 工藝指標· 給礦量最大給礦85噸/小時，最小給礦50噸/小時；· 磨礦濃度70-75％；· 螺旋分級機溢流粒度-200目(-75μm)占65％；(b) 控制回路· 通過調(diào)節(jié)給礦機變頻器頻率輸出控制給礦機速度來控制一段磨礦給礦量；· 通過調(diào)節(jié)磨機入口加水流量來控制一段磨礦濃度；· 通過調(diào)節(jié)磨機出口加水流量(調(diào)節(jié)閥)來控制一段磨礦的溢流濃度；· 通過調(diào)節(jié)給礦量控制一段球磨機負荷，保持最大處理能力；四、先進控制技術(shù)(APC)的應(yīng)用1、給礦過程控制高效率的磨礦對給礦提出較高要求保證進入磨機的礦量快速、準確地跟蹤給定值；保證給礦持續(xù)、穩(wěn)定，盡可能減少對磨礦造成的干擾。
檢測儀表距給礦口有較長的距離，使給礦過程具有較大的純滯后特性，常規(guī)的PID調(diào)節(jié)器響應(yīng)速度很慢，不能快速地跟蹤設(shè)定值。集成于APCC控制器內(nèi)部的預(yù)測控制功能塊處理此類問題時非常有效的?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。
圖3為給礦機給礦控制曲線，當(dāng)給設(shè)定值改變時，實際給礦量能夠快速準確的跟蹤設(shè)定點。
2、磨礦濃度控制磨礦濃度主要是影響磨礦介質(zhì)與物料的摩擦力、介質(zhì)的有效重量(介質(zhì)的絕對重量減去礦漿浮力)、礦漿的流動性和磨礦機的運輸能力等。從而影響磨礦機的生產(chǎn)率。磨礦濃度應(yīng)該有一個適宜的范圍，過大過小均不好。
控制磨機內(nèi)部礦漿濃度是通過控制磨機入口礦漿濃度來實現(xiàn)的。只要保證按一定比例加水，就能保證磨機入口礦漿濃度的穩(wěn)定。在磨礦機濃度控制中，考慮了分級機返砂水對磨礦濃度的影響。
磨礦濃度控制采用串級控制方法，外回路采用比值控制器確定磨機入口補加水量，內(nèi)回路由PID控制器抑制水壓變化等造成的擾動，保證實際給水量快速無靜差跟蹤設(shè)定值。
3、溢流濃度控制溢流濃度的控制是通過改變螺旋分級機加水量來進行調(diào)節(jié)的。采用PI串級控制來設(shè)計溢流濃度的控制器。外回路由PI控制器設(shè)定分級機加水量，內(nèi)回路由PI控制抑制水壓等變化造成的快速擾動，穩(wěn)定給水。實際運行效果表明控制是有效的。圖4為分級機溢流濃度跟蹤設(shè)定值變化的響應(yīng)曲線。
4、磨機優(yōu)化控制提高磨機的處理量，充分發(fā)揮磨礦回路的作業(yè)效率，是磨礦作業(yè)重要的生產(chǎn)目標。實現(xiàn)這一目標的操作手段就是通過調(diào)節(jié)給礦量，保持磨機的裝載量處于最佳工況。
根據(jù)礦石性質(zhì)的變化，及時調(diào)整磨機入礦量，使磨內(nèi)物料適度，防止自繁殖現(xiàn)象的發(fā)生是優(yōu)化磨礦效率的關(guān)鍵。
根據(jù)操作經(jīng)驗，球磨機在正常的運轉(zhuǎn)負荷下，磨機電流基本保持穩(wěn)定。而當(dāng)磨機過負荷時，磨機電流會逐漸下降，并隨著磨機過負荷程度的加劇而下降幅度加大，最終導(dǎo)致磨機“脹肚”事故的發(fā)生。
因此，磨機電流可以反映磨機內(nèi)負荷的變化情況，通過對磨機電流的控制可以有效地調(diào)節(jié)磨內(nèi)負荷，從而實現(xiàn)增加磨機處理量，發(fā)揮磨機的最大處理能力，提高磨礦效率。
根據(jù)磨機電流與磨機負荷的變化關(guān)系，建立磨機負荷智能控制(GSISC) 其中，e為磨機穩(wěn)態(tài)電流I0與磨機瞬時電流I之差e＝I0-I，c為返砂比(循環(huán)負荷/新給礦量)，c0為磨機較高工作負荷時的返砂比。e0＞0，e1＞0，分別為標明磨機不同工作狀態(tài)的電流偏差域值，Δu為磨機處理量的增量，ΔDap為分級機溢流濃度設(shè)定值增量，f1(c)，f2(e，c)，f3(e，c)為模糊控制器。K1，K2，K3，K4為模糊控制器放大系數(shù)，K3＜K2＜0，K1＞0，K4＞0。
該控制算法利用APCC控制器內(nèi)部嵌入的模糊控制模塊得以實現(xiàn)實現(xiàn)。圖5為磨礦機負荷控制的實際控制曲線。
磨礦作業(yè)的實際的運行結(jié)果表明，磨機負荷控制能夠通過調(diào)整磨機給礦量，實現(xiàn)對磨機負荷的有效控制，避免了由于礦石特性的變化引起磨機“脹肚”事故的發(fā)生，同時充分發(fā)揮了磨機的處理能力。該控制系統(tǒng)運行以來，受到現(xiàn)場人員的一致肯定。
權(quán)利要求
1.可內(nèi)嵌先進過程控制(APC)模型軟件的控制器，其特征在于，所述控制器包括a、用于主要完成實時采集數(shù)據(jù)處理，運算及系統(tǒng)管理的CPU；b、用于存貯系統(tǒng)監(jiān)控程序，用戶程序，初始化程序，操作系統(tǒng)及以太網(wǎng)驅(qū)動程序和APC功能塊的電子硬盤；c、用于運行系統(tǒng)程序的動態(tài)隨機存貯器；d、用于存貯動態(tài)數(shù)據(jù)，中間變量的靜態(tài)隨機存貯器；e、用于聯(lián)接各接口單元及存貯各接口數(shù)據(jù)并起緩沖作用的專用集成電路；f、用于傳輸工業(yè)控制數(shù)據(jù)的I/O接口單元；g、用于傳輸工業(yè)控制數(shù)據(jù)的RS232接口和RS485/RS422通訊接口；h、用于各個遠程控制器單元之間的數(shù)據(jù)通訊和交換的以太網(wǎng)接口；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可內(nèi)嵌先進過程控制(APC)模型軟件的控制器，其特征在于，所述控制器包括用于暫存電子硬盤數(shù)據(jù)，增加CPU處理速度的一級緩沖器及二級緩沖器。
全文摘要
一種可內(nèi)嵌先進過程控制(APC)模型軟件控制器,由CPU、電子硬盤、靜態(tài)隨機存貯器、動態(tài)隨機存貯器、一級緩沖器、二級緩沖器、專用集成電路、接口及運行狀態(tài)顯示器、以太網(wǎng)接口及傳輸工業(yè)數(shù)據(jù)的RS232接口及RS422/485接口組成,本發(fā)明以PC為基礎(chǔ),并且有實時控制所需的高可靠性,APC程序可以像普通控制功能塊一樣在控制器內(nèi)部隨意調(diào)用、運行,其響應(yīng)速度快,可靠性高。
文檔編號G05B15/00GK1348122SQ00129789
公開日2002年5月8日 申請日期2000年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月12日
發(fā)明者史珺 申請人:德維森實業(yè)(深圳)有限公司