钕铁硼氢碎炉智能优化控制系统设计

钕铁硼氢碎炉智能优化控制系统设计
李琦;王雪萍;张永胜
【摘要】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.%针对目前氢爆碎过程中与产品磁性能密切相关的温度、压力曲线仅凭经验设定，且很难在线调整的问题，设计了一种参数可在线调整的智能优化控制系统。

简要介绍了整个控制系统的软硬件设计，重点阐述了系统智能优化部分的设计与实现。

系统由上位机和下位机组成。

上位机主要完成系统的实时监控和工艺过程智能优化，下位机主要完成开关控制以及温度、压力和流量等过程量的监视和控制等。

系统可实现工艺参数的实时动态优化。

【期刊名称】《自动化仪表》
【年(卷),期】2014(000)011
【总页数】5页(P1-4,8)
【关键词】可编程控制器;KingView Matlab;动态数据交换;智能算法
【作者】李琦;王雪萍;张永胜
【作者单位】内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头 014010;内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头 014010;内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头 014010
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
目前,高性能钕铁硼永磁材料被广泛应用于各行各业,如计算机、网络信息、交通、办公自动化等,已成为高新技术、新兴产业与社会进步的重要物质基础之一。

氢爆碎工艺是高性能钕铁硼磁体生产过程中必不可少的核心关键工艺之一[1]。

国内外钕铁硼氢粉碎工艺研究表明,温度和压力是钕铁硼氢粉碎工艺过程中影响产品质量和生产周期的最关键的两个参数。

然而目前国内外的氢碎炉大多是参考日本岛津的温度与压力曲线进行控制,工艺参数不能在线调整,很难达到对氢爆碎过程的精确控制。

本文设计的氢碎炉由组态王软件实现系统的远程监控、动态工艺过程显示和数据信息处理等功能,由Matlab作为后台应用程序完成智能优化算法的编写,组态王与Matlab通过动态数据交换(dynamic data exchange,DDE)技术进行通信。

系统通过组态王获取实时的工艺现场数据,结合数据库中的离线数据,由参数优化模型经过综合计算给出优化的工艺参数;再通过DDE数据交换技术,将Matlab计算出的优化的工艺参数传送给组态王;然后由组态王传送给PLC,PLC通过RS-485通信功
能和AD/DA转换控制相应的执行机构。

本系统实现了氢爆碎过程工艺参数的实时动态优化调整。

氢爆碎工艺原理是利用氢气和钕铁硼合金中的主相与富钕相反应时膨胀系数不同,从而导致膨胀量不同,最终导致合金破裂与粉化。

氢爆碎过程分为准备、检漏、表面活化[2]、吸氢、置换、脱氢和冷却等工序。

准备阶段打开水电气开关,设定工艺参数,检查设备是否正常。

检漏阶段通过正负压检漏确保炉膛的密闭性。

表面活化阶段在吸氢过程之前,加热炉膛到一定温度(一般200℃左右),使得合金表面活化,缩短孕育期,加快吸氢过程的进行。

吸氢阶段从真空状态向炉膛充氢气,合金发生吸氢反应,通过控制炉膛的压力和温度,使吸氢过程沿着最优化的工艺曲线进行。

吸氢结束后需要对炉膛内的气体进行彻底置换。

置换结束后对炉膛进行抽真空,在真空状态下加热炉膛温度到550～600℃之间,并保持一段时间进行脱氢。

脱氢过程中持续抽真空。

脱氢结束后退加热炉,启动冷却设备,使反应炉膛温度降至室温,换气后物料出炉。

通过对氢爆碎工艺的分析,氢爆碎过程需要对反应过程中炉膛的温度和压力以及通入炉膛的气体流量进行控制。

本系统设计的氢爆碎炉,其加热炉是可移动的,反应炉是固定的。

在对反应过程加热时,需要对加热炉进行运动控制。

为了精确控制炉膛的温度,加热炉和反应炉内都分别装有3只热电偶,即3点控温,以达到更好的控温效果。

整个控制系统分为上位机和下位机两部分[3]。

上位机选用一台安装有Matlab软件和组态王软件的PC机。

下位机选用三菱系列的PLC作为核心控制器,程序中要用到一些浮点数的运算和PLC的定时中断功能[3-4],因此综合考虑各方面的因素,选用三菱FX2N-48MR系列的PLC。

同时,外扩两块FX0N-3A模块,其中一块的两路输入分别接真空电阻规管、流量传感器输出的0～5 V的电压信号和控制流量的调节阀;另外一块只用其中的一路输入信号接压力变送器输出的4～20 mA的电流
信号。

6块带有RS-485通信端口的智能温控仪表CD401和质量流量计CS200A 采用半双工的接线方式与外扩的FX1N-485-BD功能板连接。

触摸屏采用三菱GT1000系列的,通过RS-422接口连接到PLC。

系统的总体结构框图如图1所示。

控制系统软件包括PLC控制、数据采集与标度变换、智能仪表与PLC通信、触摸屏软件[5]、组态远程监控系统和Matlab中参数优化模型,以及组态王与Matlab 的DDE数据交换等程序的设计。

3.1 组态监控系统设计
组态监控系统需要完成系统的远程监控、工艺过程动态显示、历史数据保存和实时数据显示[7]等功能。

其开发过程是:启动组态王过程浏览器→制作图形画面→配置I/O设备(三菱PLC和DDE设备)→构造数据库(有些变量选择允许DDE访问)→定义动画连接→编写命令语言→运行和调试等。

编写命令语言,通过脚本程序的编写完成较复杂的操作。

本系统中组态画面中的按钮开关与PLC控制程序的关联用数据改变命令语言来实现,加热炉的前进、后退、停止、开门与关门等动作实现用事件命令语言来实现。

下面以加热炉前进为例进行介绍。

数据词典中定义了内存离散变量、I/O变量、连接FX2N设备变量M15和连接FX2N设备变量Y4。

数据改变命令语言如下。

加热炉前进到限位点时,进限位开关被置位,同时前进按钮自动复位,停止按钮自动置位,加热炉停止运动。

3.2 PLC控制程序的设计
系统PLC程序采用模块化的设计思想,即一个工序作为一个子程序。

对在工艺过程中反复用到的控制功能进行封装,如具有RS-485通信功能的智能仪表与PLC通信过程[6],封装成独立的子程序供别的程序调用;加热炉的运动控制、数据的A/D采集和标度变换等也作为独立的子程序。

其中6块温控仪表与PLC的通信和质量流
量计与PLC之间的通信程序用PLC的定时中断来实现。

控制系统流程框图如图2所示。

3.3 Matlab参数优化模型
将基于滚动优化[6-11]技术的径向基函数(radial basis function,RBF)神经网络预测模型用于钕铁硼氢爆碎过程工艺参数的优化,选取合金的成分、合金的质量、连续5个采样时刻的合金温度、反应炉内的压力和通入炉膛的氢气流量作为网络的输入变量,选取合金当前时刻的温度、压力、吸氢量作为网络的输出变量。

其中,合金的成分和合金的质量为固定参数,连续5个采样时刻的合金的温度、反应炉压力和通入炉膛的氢气流量是部分变化的。

每次优化计算后剔除第1个采样时刻的变量,将当前采样时刻的变量作为第5个采样时刻的变量,其他采样时刻的变量滚动前移,组成一组新的5个采样时刻的变量,作为下一时刻的输入变量,以预测一下时刻的输出变量,从而得到最优的控制变量。

这使得钕铁硼氢爆碎工艺过程的参数可以随着当前的工况条件实时动态优化。

利用Matlab神经网络工具箱函数编写相应的代码,实现优化模型。

Matlab通过与组态王的DDE通信[10],读取组态王数据库数据,利用这些数据由优化模型给出一组适应当前工况条件的最优控制参数。

将这些参数通过DDE技术回传给组态王,再由组态王传给PLC,PLC控制相应的执行机构。

3.4 Matlab与组态王通信的设计
动态数据交换(DDE)技术是Windows环境的消息机制。

两个Windows应用程序通过相互之间的消息传递进行“会话”,其中两个程序分别被称为“服务器”和“客户”。

DDE服务器是一个维护其他程序可能使用数据的程序,而DDE客户则是从服务器获得这些数据的程序。

双方有冷链、温链和热链3种连接方式。

其中每一方均应设置3个标志名:应用程序名、主题名和项目名。

3.4.1 组态王的DDE功能
组态王可兼作客户应用程序和服务器应用程序。

组态王为客户应用程序时,需要做如下工作。

①在组态王中定义DDE设备,为其设置逻辑名、服务程序名、主题名,并选择数据交换形式等。

本系统中连接对象名为Matlab,服务程序名为Matlab,话题名为TAGNAME。

②定义I/O变量,将变量连接到DDE设备,确认变量允许DDE访问。

本系统需要DDE访问的变量有反应过程中合金的温度、反应炉压力和氢气流量等信号。

当组态王作为服务器应用程序时,组态王运行系统的程序名为VIEW。

该程序的工作是通过驱动程序从PLC等现场设备获得数据,并向客户应用程序(Matlab)发送数据。

3.4.2 Matlab的DDE功能
当Matlab为服务器时,组态王对其进行访问必须提供服务器的名字、主题和项。

Matlab支持两类话题: System和Engine。

System话题包含了SysItems、Format和Topics。

Engine话题对客户应用程序中可能的DDE操作提供支持,这些操作包括发送命令到Matlab中执行、从Matlab中请求数据、向Matlab发送数据[11]。

当Matlab为客户机时,用ddeinit函数与服务器建立对话,然后用ddeadv函数请求建立热链。

Ddereq函数向服务器索要数据,返回数据矩阵。

Ddepoke函数向服务器发送数据。

传送结束后,用ddeterm函数请求解除热链连接。

当程序与服务器建立连接后,进入到等待状态。

服务器数据发生变化,ddeadv函数中的x矩阵参数就会存储该数据,并执行回调函数disp(x)。

3.4.3 组态王与Matlab之间DDE数据交换的实现
在本优化控制系统中,Matlab与组态王要实现数据的双向动态自动传输,需要两者同时兼做服务器和客户机,所以采用热链方式。

当组态王中的数据有变化时,Matlab 中的参数优化模型中的参数就被更新,启动优化模型进行参数优化计算,将计算出的
优化的控制变量回传给Matlab。

Matlab和组态王之间数据自动传输的示意图如图3所示。

由参数优化模型和工艺过程的分析可知,Matlab需要组态王采集的现场数据有反应过程的温度、压力和流量等数据。

Matlab参数优化模型需要通过Matlab传送给PLC的数据具体有模型计算出的反应过程的温度、压力和流量信号等。

本优化控制系统充分利用了组态王友好的人机交互界面以及Matlab强大的运算功能,二者通过DDE技术进行通信,使得各种智能优化控制算法能够方便地应用到氢爆碎工艺控制系统中,解决了钕铁硼氢爆碎工艺参数仅凭经验设定且不可在线调整的问题。

本智能优化控制系统参数可以根据实时的工矿条件在线动态优化,为生产高性能钕铁硼永磁材料提供了技术支持。

【相关文献】
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