黄振 李丽娟

摘  要： 根据熔铜竖炉冶炼过程中对燃料浓度的控制要求，提出了基于西门子PLC和WinCC的控制系统设计方案。该控制系统采用西门子S7?1200系统模块作为下位机主控制器，Advantech IPC和WinCC软件作为上位机，采用模糊PID控制策略为控制算法，利用专业调节经验作为知识库，将其通过模糊控制理论转换成模糊推理机制，在线实时准确地自动调节PID参数。并对现场进行数据采集存档、自动控制、实时监控和故障报警。实践结果表明，该控制系统能够较好地实现对燃料浓度的自动控制，具有安全、高效、节能的效果，同时对阀门安全操作和设备安全管理具有重要的借鉴意义。

关键词： 熔铜竖炉; 燃料浓度控制; 系统设计; 模糊PID; 实时调控; 参数调整

中图分类号： TN876?34                             文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2020）12?0106?05

Abstract： According to the control requirements of fuel concentration in the smelting process of molten copper shaft furnace， the design scheme of control system based on Siemens PLC and WinCC is proposed. In the control system， the Siemens S7?1200 system module is used as the main controller of the lower computer， the Advantech IPC and WinCC software are applied as the upper computer， and the fuzzy PID control strategy is adopted as the control algorithm. The professional adjustment experience is used as the knowledge base， which is transformed into the fuzzy reasoning mechanism by means of the fuzzy control theory， so as to automatic adjust the PID parameters online， in real time and accurately. The data collection and archiving of on?site objects are performed， which are automatic control， real?time monitoring and make an alarming for faults. The practice results show that the control system can achieve automatic control of fuel concentration， which has the effects of safety， high efficiency and energy saving. It also has important reference significance for safe operation of valves and safety management of equipment.

Keywords： molten copper shaft furnace; fuel concentration control; system design; fuzzy PID; real?time regulation; parameter adjustment

0  引  言

熔铜竖炉是铜冶炼行业的重要设备，主要用于将铜精矿和铜矿砂中所含的精铜冶炼分离出来，冶炼所需燃料浓度的控制决定着熔铜竖炉冶炼出的精铜品质的好坏。传统的熔铜竖炉主要采用天然气为冶炼燃料，对燃料浓度的控制与巡检主要由人工对燃料阀门操作完成，存在对工人操作经验要求高、工作效率低、安全性差、易产生疲劳、对阀门的运行状态控制具有滞后性等问题[1]。对于天然气燃料浓度的数据采集与统计需要工人不断在现场进行记录和检查来掌握通入熔铜竖炉中的天然气燃料的浓度状态，熔铜竖炉燃料浓度自动控制系统能够对上述的问题提供一个较好的解决办法。

西门子公司生产的S7?1200 PLC在过程控制领域中得到广泛应用，它能够实现现场控制设备的集中管理和控制，且其构造结构相对简单，能够很好地适应现场的工作环境，具有相当强的抗干扰能力，同时在编程控制方面简单，对于现场调试比较方便[2]。从上述优点可以得出利用S7?1200 PLC实现对熔铜竖炉天然气浓度的监控和燃料浓度调节阀门的控制是可行的。

1  系统方案设计架构

熔铜竖炉燃料浓度控制系统主要是以Advantech IPC和WinCC为上位机，以S7?1200 PLC为主控制器，以气体浓度传感器、气体分析仪等为检测单元，电磁阀、电动调节阀等作为主要执行机构，其控制系统结构如图1所示。根据控制系统的要求，天然气浓度控制系统通过PLC控制电动阀门的开度实现实时调整天然气燃料的进气量，结合气体浓度传感器实时采集的天然气浓度信号，将冶炼所需的天然气浓度维持在一定范围之内稳定波动，实现燃料浓度的控制。

现场的工人在上位机上先设定好冶铜所需要的天然气燃料的浓度参数，把设定的参数信号传至控制柜中的PLC中;然后进行相应的逻辑计算;最后将计算的结果输出到相应的电动阀门中，相应的电动阀门根据得到的控制信号自动调节至相应的开度控制管内天然气的流量，从而达到对竖炉中燃料浓度的控制。当系统采集的燃料浓度值与设定值相比高或是低时，控制器会根据各传感器采集的数据用FPID控制算法进行调整电动阀门的开度，从而调整管内燃料的流量，将熔铜竖炉中的燃料浓度稳定在设定值内。

系统的应用环境为工厂车间工况下使用，该工厂车间温度随季节变化明显，设备运转时周围环境嘈杂且设备周围易堆积灰尘等，因此设备选型时必须考虑抗干扰性强以及对工作环境适应性强等因素。鉴于上述原因，结合系统控制需求，IPC选用研华IPC?610H主机。它抗干扰和抗冲击力强，且机身上端子接口丰富能够较好地满足日常的使用，使用机身自带的RS 232/RS 485以太网通信协议来与控制系统进行数据和信息的交换，可以实时地显示每一个阀门的状态和开度数据，这样极大地方便了现场的工人对数据的监控以便及时地对设定值和其他参数的修改[3]。控制器选用西门子的SIMATIC S7?1200控制器，这是一种紧凑的模块化PLC，可完成简单逻辑控制、高级逻辑控制、HMI和网络通信等任务[4]。其可扩展性和灵活的设计使得高标准工业通信的通信接口和强大的集成技术功能成为可能，结合博图V14（TIA Portal V14）编程软件，可以快速地处理各种开关量的顺序控制，同时对复杂的过程量运算控制也有很好的操作，且控制器本身内部资源丰富，调用简单、方便、快捷。

2  系统硬件与控制策略设计

2.1  硬件设计及工作原理

硬件系统主要由8路自动取样管件及电动调节阀、管式马氟炉、样品预处理单元、分析单元、仪器标定单元、计算机自动控制组件等部分组成。熔铜竖炉各分析回路的气样取样点经气样传输管线输送至分析单元8路电磁阀接口。在工作期间，计算机单元通过电磁阀开关控制每个回路的采样，利用抽气泵取样进行分析后，样气进入马氟电炉燃烧。燃烧后的气样经干燥除湿、过滤、“工作?校对”切换阀、流程气调节阀进行流量控制，进入天然气分析仪分析，得出天然气浓度值，输入工业电脑，由工业电脑控制给定燃料电动调节阀门开度大小控制天然气浓度值，其每个阀开度均反馈显示在工业电脑屏上，分析后的样品最后经放散管排空。

该装置为在线连续自动分析装置。正常投运后，将转换开关置“工作”“进样阀”开，分析仪流量计的流量调节在15 L/h（250 mL/min）左右。样气通过预处理单元进行取样、净化、除湿、流量控制等操作，确保送入仪器的样气达到超洁净、恒湿、稳压、流量满足要求。仪器分析样气并显示分析值，然后输出标准4～20 mA电流信号。整个系统的工作过程如图2所示。

2.2  模糊PID控制设计

燃料浓度的调节过程具有非线性、大惯性、时滞性等特点，在调节过程中要求系统要有良好的反应能力。在提升浓度时要有较好的快速性，在浓度保持不变时要有较好的平稳性和抗干扰性;而传统的PID控制策略很难达到这种对浓度控制的要求。因此，本设计采用控制性能更好的FPID作为控制策略。FPID的控制策略是智能PID控制的一种，它的主要特点是利用误差量e和误差的变化ec来自动调节PID参数[KP，KI和KD]。首先将操作人员或专家的调节经验作为知识库，然后运用模糊控制理论的基本方法把知识库转化为模糊推理机制，使用模糊规则实时在线修改PID参数，以满足误差量e和误差变化率ec在不同时刻自整定PID参数的要求。

气体浓度传感器反馈的浓度数据的恒值控制[5]是本控制系统的核心控制环节，利用模糊控制与PID控制相互结合可以大大提高控制性能。同时，它是恒定值控制的最优控制方法，也是工业生产过程控制中应用最广泛的控制方法[6]，通过在PLC控制器中编写的FPID程序来实现对天然气浓度的控制。FPID控制算法的模型[7]如图3所示。

式中，e和ec分别表示燃料浓度的偏差量和偏差变化率。当燃料浓度控制策略模糊化時，浓度偏差e和浓度偏差变化率ec的模糊论域范围均为[-6，6]，定义输入量偏差e、偏差变化率ec和输出控制量[KP，KI，KD]的模糊子集为：{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}。它们分别代表正大、正中、正小、零、负小、负中、负大。[KP，KI，KD]的论域为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，并且设e和ec以及[KP，KI，KD]都服从三角形隶属函数曲线分布，如图4所示。

根据专家经验，可以得到模糊控制规范表，如表1所示。

在系统运行时，不断检测系统的偏差量e和偏差变化率ec，然后依据指定的模糊控制规则在线调整参数，分别为[KP，KI和KD]。以满足在不同时刻偏差量e和偏差变化率ec对[KP，KI和KD]的不同要求：

1） 当|e|很大时，无论e趋势发生如何变化，控制器[KP]的值都应调整到一个相对较大的值，以此来提高系统的响应速度，达到尽快消除误差的目的;同时，为了防止|ec|的瞬时过大，[KD]应取比较小的值，[KI]也应取比较小的值，以此来抑制系统的超调过大。

2） 当|e|的大小处在一个中间值时，为了能在抑制超调的前提下保证系统的整体响应速变快，[KP]应该下降到一个小的值，同时增大[KI]的值，[KD]则取适中的值。

3） 当|e|很小时，为了使系统的稳态特性保持不变，以及保持执行结构控制规则和工作特性的一致性，[KP]将被调得相对小，于此同时调大[KI]，以防止控制系统产生较大的震荡，[KD]的取值要与|ec|相关，以此来提高系统的整体稳定性。为了验证控制策略的效果，在Matlab下建立传统PID与FPID控制模型并进行了仿真，如图5所示。

从仿真图中可以看出，FPID控制策略相比传统PID控制策略具有更快的响应速度，并且超调小，能够快速地达到设定值，对非线性大惯性系统具有良好的控制能力和适应能力。

3  系统软件与组态界面设计

3.1  S7?1200 PLC程序设计[9]

根据熔铜竖炉的天然气燃料浓度控制要求，首先对系统的传感器、电磁阀等进行I/O分配。为了使天然气浓度控制具备自动调节和手动调节两种工作模式，并结合系统所要完成的动作功能设计开发PLC程序。该系统的控制流程图如图6所示。

当该系统启动之后，首先操作员要进行模式的选择。默认情况下，系统的操作方式是手动操作。当进入到自动操作时，系统将每一个阀门开启，然后再根据工人在上位机上设定的参数数值进行调整，当控制器接收到上位机传达的工作指令后，开始自动调节阀门的开度并实时检测天然气的浓度参数。此时，控制柜中的PLC控制器根据气体分析仪实时采集的燃料浓度数据，利用在控制器中编写的FPID算法进行计算，以此得到合适的输出开度并控制阀门动作。当天然气的浓度偏离设定值时，PLC输出到电动阀门的开度数值也会相应的实时变化，从而改变阀门的开度，实现天然气浓度的恒定控制。电控系统实物图如图7所示。

3.2  组态界面设计[10]

上位机的操作界面由西门子的WinCC组态软件配置。WinCC组态软件为西门子公司自研的组态软件，与西门子PLC一起调试使用具有良好的兼容性和可操作性，为整个控制系统的稳定运行提供保障。根据系统的控制要求，组态界面共包含主界面、调整界面、曲线界面、实时报表、历史报表、报警界面、用户登录、修改密码、用户管理、退出系统等主要操作选项。熔铜竖炉自动化系统的监控画面结构如图8所示。

用户登录界面是整个控制系统启动之后的首个显示界面，用于操作用户的信息记录和备份，同时对各传感器及阀门的状态进行安全检查;主画面主要显示系统中的各项功能，方便工人选择所需要系统执行的控制功能。主画面界面如图9所示。

调整画面用于对设定值的选定和各项参数的调整，在没有操作的前提下系统会给出设定的默认值，当工人需要依据生产要求进行变更时可在此界面进行修改。调整画面界面如图10所示。

曲线画面用于将电动阀门的实时开度数值绘制成折线统计图，以便于操作员观察和监控系统运行状况，如图11所示。

实时报表用于记录整点时刻的天然气浓度值和电动阀门的开度值，此报表可以线上保存和线下打印，方便备案和查询;历史报表用于实时报表的记录和备份，且可以对记录和备份的时间段进行设置，超过设置时间后新数据自动覆盖老数据;报警画面用于记录系统中的一些报警信息，以便操作员根据报警信息处理相关报警值;用户管理用于存檔登录用户的备份信息;退出系统用于整个系统界面的关闭退出操作。

4  结  语

针对工厂作业环境的特点，结合实际需求和操作中暴露出的缺陷，本文设计一套熔铜竖炉天然气浓度自动控制系统并成功应用于实际的生产。本文所设计的控制系统在硬件和软件上都充分地与现场相结合，考虑操作的安全性与可靠性，设计了简单易操作的人机控制界面，有助于操作员对整个控制工况的有效监控，大大提高了操作效率和生产效率。在通过一段时间的使用及运行状况表明，该控制系统的整体运行状况稳定，冶炼出的精铜产品质量可靠，对冶炼时燃料的浓度控制效果明显、系统的整体速度快的同时也可以很好地控制，调节时的波动，提高了产品的生产效率，也降低了燃料的消耗，获得了与设计预期相同的控制效果，为冶金行业在冶炼燃料浓度的控制问题上提供了一个有效的解决方案。

注：本文通讯作者为李丽娟。

参考文献

[1] 刘跃志.基于西门子PLC技术的冶金企业自动化控制技术研究[J].世界有色金属，2018（22）：25?26.

[2] 翟潘.PLC在电气自动化系统中的应用[J].电子技术与软件工程，2019（3）：107.

[3] 李敏.PLC冶金自动化控制系统中的通信技术运用分析[J].世界有色金属，2018（23）：4?5.

[4] 李帅男.基于PLC的智能家居控制系统的研究[J].现代工业经济和信息化，2018，8（18）：41?42.

[5] 牛军凯.基于PLC的变频恒压供水系统[J].煤，2014，23（12）：94?96.

[6] 史云玲，杜文奇.自适应模糊PID控制在机场恒压加油中的应用[J].电气应用，2017，36（23）：66?71.

[7] 李山春，梁昔明，杨世品，等.基于模糊PID控制的氧压自动控制系统[J].仪表技术与传感器，2008（6）：96?98.

[8] 蒋丽，郭永刚.基于模糊PID算法的自动着水机研究[J].粮食与饲料工业，2009（9）：3.

[9] 廖常初.S7?1200 PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2010.

[10] 刘华波.组态软件WinCC及其应用[M].北京：机械工业出版社，2009.