李琦 王雪萍 張永勝

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院,內(nèi)蒙 古包頭 014010)

釹鐵硼氫碎爐智能優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計

李琦 王雪萍 張永勝

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院,內(nèi)蒙 古包頭 014010)

針對目前氫爆碎過程中與產(chǎn)品磁性能密切相關(guān)的溫度、壓力曲線僅憑經(jīng)驗設(shè)定,且很難在線調(diào)整的問題,設(shè)計了一種參數(shù)可在線調(diào)整的智能優(yōu)化控制系統(tǒng)。簡要介紹了整個控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計,重點闡述了系統(tǒng)智能優(yōu)化部分的設(shè)計與實現(xiàn)。系統(tǒng)由上位機和下位機組成。上位機主要完成系統(tǒng)的實時監(jiān)控和工藝過程智能優(yōu)化,下位機主要完成開關(guān)控制以及溫度、壓力和流量等過程量的監(jiān)視和控制等。系統(tǒng)可實現(xiàn)工藝參數(shù)的實時動態(tài)優(yōu)化。

可編程控制器 KingView Matlab 動態(tài)數(shù)據(jù)交換 智能算法

0 引言

目前,高性能釹鐵硼永磁材料被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),如計算機、網(wǎng)絡(luò)信息、交通、辦公自動化等,已成為高新技術(shù)、新興產(chǎn)業(yè)與社會進(jìn)步的重要物質(zhì)基礎(chǔ)之一。氫爆碎工藝是高性能釹鐵硼磁體生產(chǎn)過程中必不可少的核心關(guān)鍵工藝之一[1]。國內(nèi)外釹鐵硼氫粉碎工藝研究表明,溫度和壓力是釹鐵硼氫粉碎工藝過程中影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)周期的最關(guān)鍵的兩個參數(shù)。然而目前國內(nèi)外的氫碎爐大多是參考日本島津的溫度與壓力曲線進(jìn)行控制,工藝參數(shù)不能在線調(diào)整,很難達(dá)到對氫爆碎過程的精確控制。本文設(shè)計的氫碎爐由組態(tài)王軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、動態(tài)工藝過程顯示和數(shù)據(jù)信息處理等功能,由Matlab作為后臺應(yīng)用程序完成智能優(yōu)化算法的編寫,組態(tài)王與Matlab通過動態(tài)數(shù)據(jù)交換(dynamic data exchange,DDE)技術(shù)進(jìn)行通信。系統(tǒng)通過組態(tài)王獲取實時的工藝現(xiàn)場數(shù)據(jù),結(jié)合數(shù)據(jù)庫中的離線數(shù)據(jù),由參數(shù)優(yōu)化模型經(jīng)過綜合計算給出優(yōu)化的工藝參數(shù);再通過DDE數(shù)據(jù)交換技術(shù),將Matlab計算出的優(yōu)化的工藝參數(shù)傳送給組態(tài)王;然后由組態(tài)王傳送給PLC,PLC通過RS-485通信功能和AD/DA轉(zhuǎn)換控制相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)。本系統(tǒng)實現(xiàn)了氫爆碎過程工藝參數(shù)的實時動態(tài)優(yōu)化調(diào)整。

1 釹鐵硼氫爆碎工藝介紹

氫爆碎工藝原理是利用氫氣和釹鐵硼合金中的主相與富釹相反應(yīng)時膨脹系數(shù)不同,從而導(dǎo)致膨脹量不同,最終導(dǎo)致合金破裂與粉化。氫爆碎過程分為準(zhǔn)備、檢漏、表面活化[2]、吸氫、置換、脫氫和冷卻等工序。準(zhǔn)備階段打開水電氣開關(guān),設(shè)定工藝參數(shù),檢查設(shè)備是否正常。檢漏階段通過正負(fù)壓檢漏確保爐膛的密閉性。表面活化階段在吸氫過程之前,加熱爐膛到一定溫度(一般200℃左右),使得合金表面活化,縮短孕育期,加快吸氫過程的進(jìn)行。吸氫階段從真空狀態(tài)向爐膛充氫氣,合金發(fā)生吸氫反應(yīng),通過控制爐膛的壓力和溫度,使吸氫過程沿著最優(yōu)化的工藝曲線進(jìn)行。吸氫結(jié)束后需要對爐膛內(nèi)的氣體進(jìn)行徹底置換。置換結(jié)束后對爐膛進(jìn)行抽真空,在真空狀態(tài)下加熱爐膛溫度到550～600℃之間,并保持一段時間進(jìn)行脫氫。脫氫過程中持續(xù)抽真空。脫氫結(jié)束后退加熱爐,啟動冷卻設(shè)備,使反應(yīng)爐膛溫度降至室溫,換氣后物料出爐。

通過對氫爆碎工藝的分析,氫爆碎過程需要對反應(yīng)過程中爐膛的溫度和壓力以及通入爐膛的氣體流量進(jìn)行控制。本系統(tǒng)設(shè)計的氫爆碎爐,其加熱爐是可移動的,反應(yīng)爐是固定的。在對反應(yīng)過程加熱時,需要對加熱爐進(jìn)行運動控制。為了精確控制爐膛的溫度,加熱爐和反應(yīng)爐內(nèi)都分別裝有3只熱電偶,即3點控溫,以達(dá)到更好的控溫效果。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個控制系統(tǒng)分為上位機和下位機兩部分[3]。上位機選用一臺安裝有Matlab軟件和組態(tài)王軟件的PC機。下位機選用三菱系列的PLC作為核心控制器,程序中要用到一些浮點數(shù)的運算和PLC的定時中斷功能[3-4],因此綜合考慮各方面的因素,選用三菱FX2N-48MR系列的PLC。同時,外擴兩塊FX0N-3A模塊,其中一塊的兩路輸入分別接真空電阻規(guī)管、流量傳感器輸出的0～5 V的電壓信號和控制流量的調(diào)節(jié)閥;另外一塊只用其中的一路輸入信號接壓力變送器輸出的4～20 mA的電流信號。6塊帶有RS-485通信端口的智能溫控儀表CD401和質(zhì)量流量計CS200A采用半雙工的接線方式與外擴的FX1N-485-BD功能板連接。觸摸屏采用三菱GT1000系列的,通過RS-422接口連接到PLC。

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of overall structure of the system

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件包括PLC控制、數(shù)據(jù)采集與標(biāo)度變換、智能儀表與PLC通信、觸摸屏軟件[5]、組態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和Matlab中參數(shù)優(yōu)化模型,以及組態(tài)王與Matlab的DDE數(shù)據(jù)交換等程序的設(shè)計。

3.1 組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)需要完成系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、工藝過程動態(tài)顯示、歷史數(shù)據(jù)保存和實時數(shù)據(jù)顯示[7]等功能。其開發(fā)過程是:啟動組態(tài)王過程瀏覽器→制作圖形畫面→配置I/O設(shè)備(三菱PLC和DDE設(shè)備)→構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(有些變量選擇允許DDE訪問)→定義動畫連接→編寫命令語言→運行和調(diào)試等。

編寫命令語言,通過腳本程序的編寫完成較復(fù)雜的操作。本系統(tǒng)中組態(tài)畫面中的按鈕開關(guān)與PLC控制程序的關(guān)聯(lián)用數(shù)據(jù)改變命令語言來實現(xiàn),加熱爐的前進(jìn)、后退、停止、開門與關(guān)門等動作實現(xiàn)用事件命令語言來實現(xiàn)。

下面以加熱爐前進(jìn)為例進(jìn)行介紹。數(shù)據(jù)詞典中定義了內(nèi)存離散變量、I/O變量、連接FX2N設(shè)備變量M15和連接FX2N設(shè)備變量Y4。數(shù)據(jù)改變命令語言如下。

加熱爐前進(jìn)到限位點時,進(jìn)限位開關(guān)被置位,同時前進(jìn)按鈕自動復(fù)位,停止按鈕自動置位,加熱爐停止運動。

3.2 PLC控制程序的設(shè)計

系統(tǒng)PLC程序采用模塊化的設(shè)計思想,即一個工序作為一個子程序。對在工藝過程中反復(fù)用到的控制功能進(jìn)行封裝,如具有RS-485通信功能的智能儀表與PLC通信過程[6],封裝成獨立的子程序供別的程序調(diào)用;加熱爐的運動控制、數(shù)據(jù)的A/D采集和標(biāo)度變換等也作為獨立的子程序。其中6塊溫控儀表與PLC的通信和質(zhì)量流量計與PLC之間的通信程序用PLC的定時中斷來實現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)流程框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)流程框圖Fig.2 Block diagram of process flow of the control system

3.3 Matlab參數(shù)優(yōu)化模型

將基于滾動優(yōu)化[6-11]技術(shù)的徑向基函數(shù)(radial basis function,RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型用于釹鐵硼氫爆碎過程工藝參數(shù)的優(yōu)化,選取合金的成分、合金的質(zhì)量、連續(xù)5個采樣時刻的合金溫度、反應(yīng)爐內(nèi)的壓力和通入爐膛的氫氣流量作為網(wǎng)絡(luò)的輸入變量,選取合金當(dāng)前時刻的溫度、壓力、吸氫量作為網(wǎng)絡(luò)的輸出變量。其中,合金的成分和合金的質(zhì)量為固定參數(shù),連續(xù)5個采樣時刻的合金的溫度、反應(yīng)爐壓力和通入爐膛的氫氣流量是部分變化的。每次優(yōu)化計算后剔除第1個采樣時刻的變量,將當(dāng)前采樣時刻的變量作為第5個采樣時刻的變量,其他采樣時刻的變量滾動前移,組成一組新的5個采樣時刻的變量,作為下一時刻的輸入變量,以預(yù)測一下時刻的輸出變量,從而得到最優(yōu)的控制變量。這使得釹鐵硼氫爆碎工藝過程的參數(shù)可以隨著當(dāng)前的工況條件實時動態(tài)優(yōu)化。

利用Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱函數(shù)編寫相應(yīng)的代碼,實現(xiàn)優(yōu)化模型。Matlab通過與組態(tài)王的DDE通信[10],讀取組態(tài)王數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù),利用這些數(shù)據(jù)由優(yōu)化模型給出一組適應(yīng)當(dāng)前工況條件的最優(yōu)控制參數(shù)。將這些參數(shù)通過DDE技術(shù)回傳給組態(tài)王,再由組態(tài)王傳給PLC,PLC控制相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)。

3.4 Matlab與組態(tài)王通信的設(shè)計

動態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)技術(shù)是Windows環(huán)境的消息機制。兩個Windows應(yīng)用程序通過相互之間的消息傳遞進(jìn)行“會話”,其中兩個程序分別被稱為“服務(wù)器”和“客戶”。DDE服務(wù)器是一個維護(hù)其他程序可能使用數(shù)據(jù)的程序,而DDE客戶則是從服務(wù)器獲得這些數(shù)據(jù)的程序。雙方有冷鏈、溫鏈和熱鏈3種連接方式。其中每一方均應(yīng)設(shè)置3個標(biāo)志名:應(yīng)用程序名、主題名和項目名。

3.4.1 組態(tài)王的DDE功能

組態(tài)王可兼作客戶應(yīng)用程序和服務(wù)器應(yīng)用程序。組態(tài)王為客戶應(yīng)用程序時,需要做如下工作。

①在組態(tài)王中定義DDE設(shè)備,為其設(shè)置邏輯名、服務(wù)程序名、主題名,并選擇數(shù)據(jù)交換形式等。本系統(tǒng)中連接對象名為Matlab,服務(wù)程序名為Matlab,話題名為TAGNAME。

②定義I/O變量,將變量連接到DDE設(shè)備,確認(rèn)變量允許DDE訪問。本系統(tǒng)需要DDE訪問的變量有反應(yīng)過程中合金的溫度、反應(yīng)爐壓力和氫氣流量等信號。當(dāng)組態(tài)王作為服務(wù)器應(yīng)用程序時,組態(tài)王運行系統(tǒng)的程序名為VIEW。該程序的工作是通過驅(qū)動程序從PLC等現(xiàn)場設(shè)備獲得數(shù)據(jù),并向客戶應(yīng)用程序(Matlab)發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.4.2 Matlab的DDE功能

當(dāng)Matlab為服務(wù)器時,組態(tài)王對其進(jìn)行訪問必須提供服務(wù)器的名字、主題和項。Matlab支持兩類話題: System和Engine。System話題包含了SysItems、Format和Topics。Engine話題對客戶應(yīng)用程序中可能的DDE操作提供支持,這些操作包括發(fā)送命令到Matlab中執(zhí)行、從Matlab中請求數(shù)據(jù)、向Matlab發(fā)送數(shù)據(jù)[11]。

當(dāng)Matlab為客戶機時,用ddeinit函數(shù)與服務(wù)器建立對話,然后用ddeadv函數(shù)請求建立熱鏈。Ddereq函數(shù)向服務(wù)器索要數(shù)據(jù),返回數(shù)據(jù)矩陣。Ddepoke函數(shù)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。傳送結(jié)束后,用ddeterm函數(shù)請求解除熱鏈連接。當(dāng)程序與服務(wù)器建立連接后,進(jìn)入到等待狀態(tài)。服務(wù)器數(shù)據(jù)發(fā)生變化,ddeadv函數(shù)中的x矩陣參數(shù)就會存儲該數(shù)據(jù),并執(zhí)行回調(diào)函數(shù)disp(x)。

3.4.3 組態(tài)王與Matlab之間DDE數(shù)據(jù)交換的實現(xiàn)

在本優(yōu)化控制系統(tǒng)中,Matlab與組態(tài)王要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向動態(tài)自動傳輸,需要兩者同時兼做服務(wù)器和客戶機,所以采用熱鏈方式。當(dāng)組態(tài)王中的數(shù)據(jù)有變化時,Matlab中的參數(shù)優(yōu)化模型中的參數(shù)就被更新,啟動優(yōu)化模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化計算,將計算出的優(yōu)化的控制變量回傳給Matlab。Matlab和組態(tài)王之間數(shù)據(jù)自動傳輸?shù)氖疽鈭D如圖3所示。

圖3 Matlab和組態(tài)王的數(shù)據(jù)傳輸示意圖Fig.3 Schematic diagrams of Matlab and KingView data transmission

由參數(shù)優(yōu)化模型和工藝過程的分析可知,Matlab需要組態(tài)王采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)有反應(yīng)過程的溫度、壓力和流量等數(shù)據(jù)。Matlab參數(shù)優(yōu)化模型需要通過Matlab傳送給PLC的數(shù)據(jù)具體有模型計算出的反應(yīng)過程的溫度、壓力和流量信號等。

4 結(jié)束語

本優(yōu)化控制系統(tǒng)充分利用了組態(tài)王友好的人機交互界面以及Matlab強大的運算功能,二者通過DDE技術(shù)進(jìn)行通信,使得各種智能優(yōu)化控制算法能夠方便地應(yīng)用到氫爆碎工藝控制系統(tǒng)中,解決了釹鐵硼氫爆碎工藝參數(shù)僅憑經(jīng)驗設(shè)定且不可在線調(diào)整的問題。本智能優(yōu)化控制系統(tǒng)參數(shù)可以根據(jù)實時的工礦條件在線動態(tài)優(yōu)化,為生產(chǎn)高性能釹鐵硼永磁材料提供了技術(shù)支持。

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Design of the Intelligent and Optimal Control System for NdFeB Hydrogen Decrepitation Furnace

At present,in hydrogen decrepitation process,the temperature and pressure curves which are closely related to the magnetic property are set only by experiences,and difficult to be adjusted online,so the intelligent optimal control system of which the parameters can be adjusted online has been designed.The hardware and software design of overall control system is introduced briefly,and the design and implementation of the optimization part of the system are emphatically described.The system is composed of the host computer and slave computers,the host computer is used for real time monitoring and intelligent optimization of the technological process,the slave computers are mainly responsible to accomplish switches control and monitoring and control for process variables,such as temperature,pressure and flow.The system can realize real time dynamic optimization for process parameters.

Programmable logic controller KingView Matlab Dynamic data exchange Intelligent algorithm

TP273

A

國家自然科學(xué)基金資助項目(編號:61064001)。

修改稿收到日期:2014-01-21。

李琦(1973-),男,2002年畢業(yè)于同濟大學(xué)系統(tǒng)工程專業(yè),獲碩士學(xué)位,副教授;長期從事復(fù)雜過程的智能優(yōu)化控制以及流程工業(yè)綜合自動化技術(shù)的研究。