矿石码头混配恒流量控制优化

李 圳1,2, 袁 航2

(1.上海交通大学电子信息与电气工程学院, 上海 ;

2.中交第三航务工程勘察设计院有限公司, 上海 )

摘要:  为了解决码头矿石混配取料流量波动大、精度低的问题,利用数学建模和Matlab软件对矿石混配系统进行模拟仿真和优化。采用改进后的PID控制技术,避免传统人工操作响应时间长、超调量大的缺点。矿石混配精度和混配效率得到明显提高。

关键词:  港口;矿石码头;矿石混配;堆取料机;恒流量;PID控制技术

0 引 言

近些年,矿石码头行业不断探索转型升级的道路,通过完善港口功能、减员增效等措施提高生产效率,其中矿石混配业务就是利用港口堆场空间大、高效转运的优势开展的新业务。

此次研究基于矿石码头混配生产业务而开展,运用改进后的PID控制器在矿石混配过程中实现恒流量控制的优化处理,以提高混配生产效率,达到高效、持续、稳定的混配生产效果。

1 矿石码头混配生产工艺

国内矿石接卸码头主要分为通用散货码头和专业矿石码头等2类。随着外贸矿石运输船舶的大型化发展,为了适应全球铁矿石航运市场的发展趋势,国内矿石码头泊位也逐渐向大型化和专业化方向发展。[1] 近些年,我国沿海港口相继建成一大批 20万~40万吨级的专业化铁矿石码头,标志着我国港口铁矿石运输进入以大型化、专业化、高效化为导向的新阶段。这些码头配套的先进装卸设备、大面积的堆场和便利的集疏运通道,都具有开展矿石混配业务的先天优势。

1.1 矿石码头相关生产设备

1.1.1 散货卸船机

散货卸船机根据取料作业方式的不同分为连续式和间歇式等2大类。连续式卸船机主要利用连续输送机械,配以取料、喂料装置,将物料连续不断地提出船舱,应用最广的连续式卸船机主要有斗轮式、螺旋式和链斗式卸船机。使用较广泛的间歇式散货卸船机主要有门座式起重机和桥式抓斗卸船机。这2种卸船机在作业中都需要执行抓斗的起升和下降、抓斗的闭合和打开、小车行走等过程,所以物料转运并非连续。典型散货卸船机见图1。

1.1.2 斗轮堆取料机

在港口中常用的斗轮堆取料机是臂架式斗轮堆取料机[2],主要由斗轮机构、回转机构、带式输送机、尾车、俯仰机构、运行机构等组成。它有堆料和取料2种作业方式。堆料作业是将矿粉经尾车卸至悬臂的带式输送机上,从悬臂前端卸至料场,通过悬臂的回转、俯仰可使物料形成梯形断面整齐的垛堆。取料作业是通过悬臂回转和斗轮旋转配合实现的,矿粉经斗轮提取至运行的悬臂带式输送机上,再经过大机漏斗转运至料场带式输送机,进而将物料转运出堆场。

1.1.3 带式输送机

带式输送机(以下简称“皮带机”)是以挠性输送带作物料承载和牵引的连续输送机械。皮带机见图2。输送带环绕在驱动滚筒和改向滚筒上,两滚筒之间输送带由若干托辊支承,物料置于输送带上部,利用滚筒与输送带之间的摩擦力牵引输送带使物料移动。[3] 皮带机适用于水平和倾斜方向输送物料和成件物品,也可用于进行流水线作业的物品移动。皮带机结构简单,工作平稳可靠,输送能力大,功耗较小,应用较为广泛。

1.2 矿石码头装卸工艺和混配工艺

1.2.1 矿石码头装卸工艺

在矿石码头装卸工艺方案中,进场作业以码头卸船作业为起点。当矿石船靠泊后,卸船机对船上物料进行卸料作业,并通过皮带机、斗轮堆取料机将物料输送到堆场。反向运输至泊位装船出运则为装船出场作业。矿石码头卸船作业流程见图3,矿石码头装船作业流程见图4。

当多条矿石运输船在码头装船和卸船区域靠泊时,可以通过卸船设备直接将货物转运至装船机作业点,一般这种情况是大吨位的海运货船将矿石转运至小吨位的货船再运往内河港口。通常称“水转水”作业为直装作业。

1.2.2 矿石混配作业工艺

随着钢铁种类需求的精细化,优质和恰当比例的矿粉对于大型钢铁企业来说是难能可贵的,但因钢厂存储空间有限,大型钢铁企业也在找寻更加经济实惠的办法,通过海运中转时的初次混配能够减少钢厂储运压力和冶炼前的矿石混配时间。因此,码头转运混配,尤其是精确混配就成为各钢铁企业的迫切需求。

混配装船出场主要是指2种及以上矿粉通过堆场不同的皮带机和取料机,经过多个料斗、转运站,通过高程的变化和皮带机的振动混合至1条皮带输送机上再通过装船机装船出场。堆场混配暂存与混配出场一致,是将混配出场最后的装船作业变成转运至堆场其他区域暂存。根据混配效果,可以通过多次重复作业达到最终的混合要求。特定比例混合的矿粉,不仅要在化学成分上达到预期要求,而且还要在矿粉均匀度等指标上达到要求。在常规混配作业中,一般需要至少2名熟练的操作司机。在取料和堆料过程中,司机获得远程指令,操作堆取料机、装船机完成实时混配,但这需要司机操作够熟练,注意力够集中,能够不断操作斗轮进行取料。对于大吨位矿石混配,要连续作业几天,操作人员作业水平差异和长时间轮班作业后人员操作准确度的下降都会影响混配精度。

2 港口矿石混配系统设计

2.1 总体框架

对于矿石混配系统来说,硬件控制设备除了在中控室的PLC、服务器和操作台外,主要集中在堆取料机上,主要包括机上PLC、激光扫描仪、监控摄像头、定位编码器、雷达料位计和各类辅助测量装置等。

料堆扫描装置完成料堆二维原始点数据的获取,通过处理后的数据形成料堆的三维实时模型,并根据堆取料控制策略完成斗轮堆取料机自动堆取料的控制。在中控室设置人工干预装置,当堆取料远程工作出现异常时,可以进行人工干预,主要包括停机、暂停堆取料、大车后退等操作。矿石混配系统功能示意图见图5。

2.2 系统设计

矿石混配软件系统主要包括料堆扫描模块、上位机监视模块、中控PLC模块、堆取料机PLC模块和其他辅助模块等。矿石混配软件系统结构示意图见图6。

(1)料堆扫描模块。该模块负责对堆存区域、料堆信息进行扫描、采集,并对采集的数据进行初步处理,形成料堆三维点数据。

(2)上位机主控模块。该模块负责收集料堆扫描模块形成的数据,重构料堆、料场的三维模型数据库,并负责自动堆取料全过程中的数据整合,主要包括采集中控PLC相关数据、根据作业任务下发生产指令、存储生产过程中的悬臂回转、斗轮取料和大车移动等数据。

(3)中控PLC模块。该模块负责收集各系统信息,处理上位机下发的命令,并根据命令和现场反馈调整控制参数。

(4)堆取料机PLC控制模块。该模块负责接收作业任务,并根据作业任务自动完成堆取料作业,主要包括执行堆取料机对位、生产过程中的大车寸动、恒流量控制、防碰撞控制和人工干预[4]等命令。

3 恒流量控制系统实现与应用

3.1 恒流量控制系统设计

3.1.1PID控制器基本原理

数字PID控制是工业生产过程中普遍采用的控制方法,针对选定的控制对象调整控制器参数(比例、积分、微分参数等)以达到控制目标的要求。PID控制系统示意图见图7。

作为一种线性控制器,根据设定值r(t)和实际输出值y(t)之间比较的差值来控制偏差e(t),并将e(t)输入比例、积分和微分线性组合的控制器,输出控制量u(t),从而实现对被控对象的实时控制。[5] PID控制频域方程为

式中:Kp为比例系数;Ti为积分时间常数;Td为微分时间常数;U(s)为控制量。

3.1.2PID控制参数对控制系统的影响

PID 调节器本着响应速度快、鲁棒性好、调节准确的原则进行控制调节。比例控制是最基本的控制作用。Kp增大会使执行器动作更灵敏快速,但会使振荡加剧,系统稳定性变差;当Kp太小时,系统响应速度会降低。积分作用主要是为了消除稳态误差。偏差不为零,积分不停止,积分时间Ti越大,积分作用越弱,不利于消除系统稳态误差。微分控制是抑制动态偏差。微分时间Td越大,微分作用越强,动态偏差越小,但过大的微分作用会使系统超调量增大,增加调节时间。因此,合理的PID控制参数选取是系统控制的关键。

3.1.3 恒流量控制系统模型

3.1.3.1 模型数据采集和曲线拟合

对于矿石混配恒定流量控制,选取堆取料机作为控制对象。当斗轮旋转速度一定时,取料流量靠斗轮悬臂回转机构的回转速度来控制。通过采集斗轮电机的电流值和实际悬臂皮带秤流量[6](瞬时取料量)建立对应关系,并借助最小二乘法进行动态曲线拟合。在直角坐标平面上描出实际数据散点图,观察散点连线同哪类曲线接近,然后选用相接近的曲线拟合方程来进行分析。

3.1.3.2 恒流量模型建立和改进后的PID控制技术

根据现场实际运行数据,斗轮电机电流对应曲线为一元线性方程,即等效瞬时取料流量Q可表示为

式中:I为斗轮电机电流值;k和b均为测定系数。

在得到等效瞬时取料流量Q(即PID调节器负反馈信号)后,将此流量与设定的目标取料流量作比较,两者差值输入到PID调节器中。将悬臂回转速度作为调节器输出量,即通过调节悬臂回转速度控制取料流量,从而构成一个完整的闭环控制过程。

在实际混配生产中,干扰因素较多,固定不变的PID参数无法适应系统的变化,难以获得满意的控制效果。为了避免悬臂执行机构频繁动作的能量损耗和机械振荡,采用改进的PID算法,分为带死区约束的PID控制和分段PID控制。

(1)带死区约束的PID控制。当|e(t)|≥e0时,PID控制器输出控制量u(t);当|e(t)|<e0时,PID控制器不工作,控制量不变。其中e0为混配偏差的阈值。

(2)分段PID控制。根据实际生产经验,流量差值的大小对控制参数的选取有一定影响。根据差值的大小,选择合适的比例控制参数可以迅速地产生调节作用,使系统偏差快速向减小的趋势变化。对于较大的偏差,选择较大的比例控制系数可以快速有效地产生调节作用,但是,过大的比例系数会使调节过程出现超调,系统稳定性会降低。因此,本系统要根据实际生产经验,合理确定混配偏差的阈值,设定合适的比例控制系数。

3.2 应用实例分析

3.2.1 方案及控制结构分析

根据堆取料机混配作业特性,将被控对象选定为斗轮电机电流。通过采集现场实际取料流量数据,观察其动态特性,并考虑加入PID控制环节。取料恒流量控制系统示意图见图8。

3.2.2 系统模型建立

对于矿石码头混配恒流量控制系统的研究,除了定性的分析外,还需要定量地进行实际应用验证,通过理论分析、物理建模、类比分析等方法获得应用系统数学模型,找到系统中各变量之间的关系。根据实际生产经验,该系统具有一定的时滞性和非线性[7]特点,扰动因素较多,难以对被控对象建立精确的系统模型。

利用工程整定法中的阶跃响应曲线法来确定被控对象的近似传递函数。在实际生产中,悬臂皮带秤流量会出现较大的波动,所以在控制中以斗轮电机电流作为负反馈信号,参考输出线性比,与设定流量进行比较,再调节取料时的悬臂回转速度,以达到最终恒定的取料流量,从而提高矿石混配精度。取料瞬时流量和斗轮电机电流见表1。

在获得斗轮电机电流和取料瞬时流量数据后,运用Matlab软件中的polyfit函数进行曲线拟合,得到取料瞬时流量与斗轮电机电流之间的关系。数据曲线拟合输出截图见图9。

取料瞬时流量与斗轮电机电流之间的关系:取料瞬时流量越大,斗轮电机电流值越大。取料瞬时流量与悬臂回转速度之间的对应关系:悬臂回转速度越大,取料瞬时流量越大。因此,可以通过反馈电流分析取料流量,从而通过悬臂回转来控制取料流量。

在拟合控制系统的传递函数时,所测得的阶跃响应曲线的起始速度较慢。一阶时滞阶跃响应曲线见图10。 恒流量控制系统根据响应曲线可近似看作一阶时滞惯性系统。

根据恒流量控制系统的响应曲线,可通过图解法在Matlab软件中求解放大系数K、时间常数T和延时时间τ。结合现场实际,并通过系统辨识和参数估计可得传递函数模型为

此模型是在理想环境下,即不考虑外在干扰因素(矿粉密度和含水量、矿粉坍塌等)下的模型,所以模型不可避免地存在一些误差,这对控制器的控制性能提出更高的要求。

3.2.3 仿真和应用分析

某矿石中转码头建设规模为2个30万吨级卸船泊位、1个10万吨级装船舶位和2个5万吨级装船泊位,年吞吐量5 200万t。以该码头堆取料机为应用对象,堆取料机取料最大流量为6 000 t/h,堆料最大流量为7 500 t/h,悬臂长48 m。在仿真控制中,以斗轮电机电流作为负反馈信号,调节取料时的悬臂回转速度,以达到最终稳定的取料流量。

为满足现场实际生产需求,减少调试时间和调试成本,PID控制参数的确定放在Matlab软件的Simulink仿真试验中进行,利用延时时间τ、放大系数K和时间常数T,根据Ziegler-Nichols法整定控制器。Ziegler-Nichols法整定的控制器参数见表2。在获得基础数据后再根据试验整定法,进行反复调整测试,微调各参数,观察控制系统响应变化,直至得到较理想的控制结果。

在本系统中加入带死区约束和分段PID控制:当|e(t)|≥50时,PID控制器输出控制量u(t);当|e(t)|<50时,PID控制器不工作,控制量不变。当取料流量差值≥800 t/h时,取Kp=1.2、Ki=0.01、Kd=2的PID控制器;当取料流量差值<800 t/h时,取Kp=0.9、Ki=0.01、Kd=2的PID控制器。这样会使系统偏差快速向减小的趋势变化,从而快速有效地产生调节作用。控制系统Simulink模型示意图见图11。

根据比较结果,系统在加入带死区约束和分段PID控制后,流量偏差波动范围缩小。此外,将控制参数应用于2台斗轮堆取料机混配作业生产中,得到的混配作业生产数据截图见图12。

此次混配作业总量为10万t,设定的2种矿粉配比度为2.367∶1。从实际运行数据来看,2种矿粉的实际配比度在2.328∶1与2.367∶1之间,配比平均值为2.354∶1,相对误差为0.559%。前期人工混配参考误差为0.732%。此次矿石混配作业完成后,经货主方的矿粉检测,矿粉配比度满足使用要求,误差在可接受范围内且优于人工混配作业误差。

4 结 语

本文重点对矿石混配作业中的恒流量控制进行探索和改进,并提出改进后的带死区约束和分段PID控制方案。通过实际应用,该方案在一定程度上能提高矿石混配效率和混配精度。

参考文献

[1]  张梦天,王成金.我国铁矿石码头布局现状、问题及建议[J].综合运输,2015(10):11-14.

[2]  张笑祥,魏涛.斗轮堆取料机回转机构定位合理的重要性[J].科技创新与应用,2015(3):75.

[3]  张广平.浅谈PLC控制的带式输送机[J].科技资讯,2012(5):108-109.

[4]  雷斌.斗轮堆取料机单机全自动化系统的研究与设计[D].湖南:湖南大学,2013:24-31.

[5]  王述彦,师宇,冯忠绪.基于模糊PID控制器的控制方法研究[J].机械科学与技术,2011(1):166-172.

[6]  张子才.矿石堆取料机的自动堆取作业研究和应用[D].上海:上海交通大学,2008:20-27.

[7]  刘玲玲.PID参数整定技术的研究及应用[D].郑州:郑州大学,2010:19-24,30-33.