基于智能化技術的冶金電氣工程自動化控制系統設計

裴鴻雁

（內蒙古建筑職業技術學院，機電與暖通工程學院，內蒙古 呼和浩特 010070）

隨著電子計算機技術和其他高科技技術的發展，自動化控制技術的水平越來越高，應用越來越廣泛，作用越來越重要。電氣自動化控制系統在生產過程的自動化、工廠自動化、綜合管理工程等領域，起到了關鍵作用。目前，制造控制系統在冶金企業的作用越來越明顯，它綜合應用多種技術，協調生產線中各工序工作流程，對流程進行全線跟蹤，并能進行控制。

1 冶金電氣工程自動化控制系統設計

冶金電氣工程重點關注磨礦過程自動化、系統運轉速度協調自動化控制以及至關重要的安全運轉的智能化改造。冶金系統組成復雜，投資巨大，連續運轉時間長，因此要求智能化的冶金電氣系統魯棒性強，可靠性高，能夠滿足長期不間斷無故障工作的苛刻條件。基于上述要求限制，系統的設計應滿足以下要求：①能夠嵌入運動控制算法；②有足夠的RS485和RS232串口通信接口；③能夠實現A/D采集④有足夠的I/O接口，能夠實現I/O控制功能。系統的主控板軟件設計時應滿足以下要求：①實現運動控制算法；②實現串口通信；③可以采集超聲波傳感器和安全觸邊的信號，防跌落和防碰撞；④能夠根據傳感器信息以及電池管理系統回饋信息做出報警。

（1）智能化控制系統組成和模塊分解設計。針對冶金自動化需要實現的工作內容，按照工序流程進行了控制系統功能分解。首先，磨礦過程控制系統替代傳統手動控制系統。其次，在自動的基礎上調節其速度的匹配控制。最后，考量自動化設備的安全性，設計了EF-ACS控制系統，用來控制電氣工程自動化過程中電氣火災情況。

在硬件控制系統的設計上，經過分析和比較，系統控制器硬件系統，主控芯片選擇STM8S207MB單片機。STM8S20731-32增強型8位單片機提供大容量的f l ash程序存儲器比STM8S10x系列的微控制器更好，并且還具有以下優秀的性能：成本低、可靠性高、性能好、開發周期短、產品可延續性高[1]。STM8S207高性能系列產品特點如表1所示：

表1 STM8S207高性能系列產品特點

從系統需求以及設計要求可以得出，本系統應具有串口通信模塊、A/D轉化等模塊。需要將各模塊有機組合為一體，實現協同工作。硬件電路原理圖見圖1。

圖1 智能化電氣控制系統原理圖

各模塊的具體功能為：

STM8S207MB：系統運算中心，執行智能控制算法，對比運轉數據與正常值的偏差，給出調整方案，控制各功能模塊執行調整動作。RS485、RS232串行接口：通過串口接收控制中心命令；將主控芯片解析后發出的送控制指令給直流伺服驅動器，控制電機運動。離散量接口：接收溫度傳感器、速度傳感器、重量傳感器等的電壓信號，轉化到最小系統可以承受的電壓量程。微控制單元與按鍵：功能與參數選擇界面，接收輸入的控制指令。LED：將系統運轉的狀態信息和重要參數以狀態指示燈的形式展示給操作人員。

（2）磨礦過程控制系統。磨礦是冶金的第一步，在智能控制系統中，首先需要給磨礦系統裝上大腦，實現礦粉直徑適中，高效低磨損的目的。

很多冶煉廠目前仍然是手動控制制粉系統，這樣會造成系統運行較不穩定。系統可以分三層，上層管理級是根據系統的運行狀況調整控制的策略以及實時的辨識。中層協調級是修改下層控制器已有的設定，并且能夠協調互相矛盾的被控量[2]。下層基礎控制級則是采用一些先進的控制技術，比如自整定參數等。

（3）運轉速度協調控制系統。除了球磨機智能控制系統還需要對冶金電氣的運轉速度加以控制，以便協調同步的完成自動化生產。冶金電氣自動化速度和位置的實時控制主要由其運動控制系統來完成，假設沒有適當的控制算法，在冶金過程中不可避免的產生抖動或噪聲影響設備正常運轉。要使速度穩定，從而降低機身機械部件的磨損，使動作連貫。以下階段組成了梯形加減速算法：勻加速、勻速、勻減速。其速度的遞推公式如下：

上式中，a代表系統加速度，V(t)代表系統任意時刻的速度，Vmax代表系統速度的最大值。

梯形加減速算法的優點是響應速度快，控制簡單，運行時間較短。

（4）冶金自動化EF-ACS控制系統。EF-ACS系統是冶金電氣工程自動化過程中電氣火災監視與控制系統。EF-ACS系統的功能需求有下列幾點：第一，能夠實現手動甚至自動的脫扣控制工作，能夠對火警數據進行記錄和保存，必要的時候能夠報警。第二，電氣設備因為用電不良造成的溫度過高控制系統會有所警示能夠對電氣設備火警及時的預防。第三，配電箱預警。配電箱工作溫度過高時也需要報警。第四，發現剩余電流時的預警。根據上述功能要求，以及國家的相關標準化規范，這里需要對報警點進行設計，主要方法為：①基于照明等普通用電線路的設計，把工程中的用電設備以及線路整理，確認設備的點位，讓EF-ACS系統可以監控到所有的設備。②基于不同的電氣設備劃分級別，在火情發生時應對措施采取的難度作為其劃分的依據。這里大致分為三個等級。③設置二級保護。④檢測電氣設備和線路溫度，包括變壓器、所有的開關與開關柜，母線的節點以及配電設備節點等。

2 智能化冶金電氣系統控制系統試運行效果

冶金電氣工程自動化控制系統打通了礦粉研磨和送料速度調節環節，并增加了安全管理功能，安排了系統試運行以驗證效果。為了保證球磨機智能控制系統的有效性，進行實驗論證，實驗論證抓取相同時間，為了保證實驗的嚴謹性，在其他條件都相同只有方法不同的環境下制粉，一種采用手動控制制粉系統，一種采用球磨機只能控制制粉系統作為實驗論證對比，對制粉數量進行統計其實驗論證結果如圖2所示。

根據圖2分析可以得出，在相同時間下，球磨機智能控制系統比傳統手動控制制粉系統制粉數量明顯增加，既節約了時間，又增加了產量，使冶金企業經濟效益大幅提高。

圖2 實驗論證結果曲線

試運行期間的操作人工數、冶金時間和產能數據見表3。

表3 傳統冶金與自動化冶金對比

通過上表對比，可以看出冶金電氣工程自動化控制系統對比傳統冶金方式，人工需求減少四分之三強，生產時間縮短一半以上，產能提高一倍。

3 結束語

本文對冶金電氣工程自動化控制系統進行設計，依托智能化的相關技術，根據冶金電氣工程的需求，對自動化的控制系統進行了分析，實現智能化設計。試生產結果表明，控制系統的設計對冶金電氣自動化的實現提供了便捷的方法。