CN105785760B - 一种退火炉净环水硬度自动控制系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
一种退火炉净环水硬度的自动控制系统及其方法，属于工业水硬度控制技术领域。包括控制模块、硬度分析仪、净环水池、生产水流量计、软化水流量计、液位计、软化水和生产水调节阀等现场设备以及控制中心，控制模块接收生产水流量计和软化水流量计输出的流量信号值、硬度分析仪输出的净环水硬度值，通过模糊化计算、模糊控制运算和清晰化计算，得出净环水中生产水比例系数增量△K，控制模块通过生产水理论比例系数计算、生产水比例系数计算和生产水流量设定值计算，得出所需生产水流量设定值SP1和软化水流量设定值SP2。优点在于，通过控制实际生产水比例系数，实现退火炉净环水硬度的最优控制。
Description
技术领域
本发明属于工业水硬度控制技术领域，特别涉及一种退火炉净环水硬度自动控制系统及其方法。一种基于硬度分析仪、模糊控制和比例控制相结合计算生产水比例系数来实现退火炉净环水硬度最优的控制方法。
背景技术
退火炉净环水硬度自动控制系统是退货炉净环水供水系统的重要组成部分，其控制系统承担着为退火炉冷却的重要任务。由于净环水硬度自动控制系统具有较大的非线性和大滞后性，目前最常用的方法是采用PID调节器来实现，生产水比例系数是通过人工设定的，其控制系统一直处于精度不高的状态，造成了输送管道损耗大，影响了退火炉的生产周期，增加了软化水生产成本。在这种条件下，生产需要的生产水比例系数应该是实时变化的，同时由于净环水硬度控制的非线性和大滞后性，目前常用的生产水比例系数的确定方法也需要进行一定的改善。
张明亮同志提出的(申请号：CN2009202716631)《一种可降低水硬度的无负压给水设备》专利主要讲述了一种可降低水硬度的无负压给水设备，它是由稳流补偿器、真空抑制器、水泵、电控系统、电动阀、全自动软水器、在线硬度检测仪组成，通过在水泵出水管上安装有在线硬度检测仪，运行时，电控系统根据在线硬度检测仪检测到水的硬度，来调节电动阀的开度，以调整生产水和软化水的混合比例，以实现降低生产水硬度，但是这种方法需要对现有设备进行大量硬件改造，整体成本较高，并且控制精度较低，滞后时间较长。
并且，现有的调节生产水硬度的系统各组件连接关系较为复杂，实际操作不便，在工厂或者大型生产车间等场合，系统涉及的各个生产环节所在地点之间的距离较远，操作者难以同时获取各个部件的状态，对系统总体运行情况进行监控，并且也无法对单个环节的部件设置实时控制参数，系统整体自动化、可视化和信息化的程度较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种退火炉净环水硬度自动控制系统，采集现场设备的测量参数和控制参数，通过模糊控制和比例控制相结合，得出生产水比例系数，来实现退火炉净环水硬度的最优控制。
本发明的水硬度自动控制系统包括控制模块、硬度分析仪、净环水池、生产水流量计、软化水流量计、液位计、软化水和生产水调节阀等现场设备以及控制中心。生产水管道上安装有生产水流量计3和生产水调节阀1，软化水管道上安装有软化水流量计4和软化水调节阀2，生产水管道和软化水管道中的水在净环水池7中混合成净环水，液位计6安装在净环水池7内，净环水池中的净环水通过净环水输送管道输送到退火炉，硬度分析仪5安装在净环水输送管道上。生产水流量计3、软化水流量计4、液位计6、硬度分析仪5均与控制模块连接，所述控制模块接收生产水流量计3和软化水流量计4输出的流量信号值、液位计6输出的液位值、硬度分析仪5输出的净环水硬度值。所述控制模块的输出与生产水调节阀1软化水调节阀2连接，生产水调节阀1和软化水调节阀2接收控制模块输出的控制信号以实现对生产水调节阀1和软化水调节阀2的开度的控制。
生产水调节阀1软化水调节阀2是数字化控制仪表，具备PID控制器对阀门的开度进行控制，并具有信号输入端，其能接收外部输入的控制信号。控制模块接收生产水流量计3和软化水流量计4输出的流量信号值、硬度分析仪5输出的净环水硬度值，通过模糊化计算、模糊控制运算和清晰化计算，得出净环水中生产水比例系数增量△K，再根据液位计6输出的净环水池的液位值L，控制模块通过生产水理论比例系数计算、生产水比例系数计算和生产水流量设定值计算，得出所需生产水流量设定值SP1和软化水流量设定值SP2，并将SP1和SP2分别送给生产水调节阀1和软化水调节阀2的PID控制器。生产水调节阀1和软化水调节阀2的PID控制器分别获取所述SP1和SP2设定值后，各自调节阀开度数据，以实现对生产水和软化水流量的控制。
控制中心与生产水流量计3、软化水流量计4、液位计6、硬度分析仪5、生产水调节阀1、软化水调节阀2和控制模块等现场设备实现通信连接，并利用组态软件完成上述现场设备的组态设置，实现对上述现场设备的单独控制和集中显示。更具体地，控制中心可以获得生产水流量计3、软化水流量计4、液位计6、硬度分析仪5测得的测量数据以及生产水调节阀1、软化水调节阀2的相关控制参数，并可以对生产水调节阀1、软化水调节阀2进行具体的控制参数修改和设置，控制中心也可以获得控制模块的数据，并对控制模块的参数和程序进行编辑。
本发明还提出一种应用于退火炉净环水硬度的自动控制系统，包括模糊化计算单元、模糊控制运算单元、清晰化计算单元、生产水理论比例系数计算单元、生产水比例系数计算单元、生产水流量设定值计算单元。
所述的模糊化计算单元，根据净环水硬度分析仪测得的净环水硬度实际值PV和人工设定的硬度目标值SP计算出硬度偏差e和硬度偏差变化率ec，其中e＝PV-SP，ec是硬度偏差e每分钟的变化值，并将硬度偏差e和硬度偏差变化率ec变成模糊数，作为模糊控制运算单元的模糊输入值。
所述的模糊控制运算单元，根据模糊化计算单元中获取的硬度偏差e和硬度偏差变化率ec的模糊数作为模糊输入值，采用模糊控制的最大最小合成算法，计算得出模糊控制输出。所述最大最小合成算法是：首先对硬度偏差e和硬度偏差变化率ec的模糊数取最小，然后对相应的模糊控制输出取最大。
所述的清晰化计算单元，将模糊控制运算单元输出的模糊数转换成实际的生产水比例系数增量△K。
所述的生产水理论比例系数单元，通过对生产水和软化水成分分析，经过物理方法和化学方法计算，得出生产水理论比例系数K0。通过化学方程式：CaCO3+2HCL＝CaCL2+CO2↑+H2O和物理方法收集并称量CO2，进而得到生产水和软化水中CaCO3的含量，即水硬度值。
所述的生产水理论比例系数单元，通过计算得到生产水和软化水中CaCO3的含量，即净环水硬度值H，其范围为：79≤H≤81，进而确定理论生产水比例系数为0.7左右，即所述的生产水比例系数K0，其范围为：0.69≤K0≤0.71。
所述的生产水比例系数计算单元，根据生产水理论比例系数K0和生产水比例系数增量△K计算出生产水比例系数K，计算公式为K＝K0+△K，△K的取值为：-0.19≤ΔK≤0.21。
所述生产水流量设定值计算单元利用净环水池液位实际值L计算出生产水流量设定值SP1，再通过生产水流量设定值SP1和生产水比例系数K计算出所述的软化水流量设定值SP2，并将SP1和SP2分别送给生产水调节阀1和软化水调节阀2的PID控制器。
本发明还提出的一种应用于退火炉净环水硬度的自动控制方法，所述自动控制方法采用上述自动控制系统实现。具体步骤如下：
步骤一：安装控制系统的控制中心和现场设备的软硬件，通过以太网络建立控制中心和现场设备之间的通讯，并通过组态软件实现控制中心对现场设备的有效控制。
步骤二：对净环水硬度值设定一个控制目标值；对生产水和软化水调节阀各自设定一个初始开度。
步骤三：生产水和软化水按照理论配比在净环水池内混合，达到要求最低液位后通过净环水输送管道向退火炉区输送，净环水输送管道的净环水硬度分析仪向控制模块发送净环水硬度的实时数据；
步骤四：控制模块经过模糊化计算、模糊控制运算、清晰化计算，得出净环水中生产水比例系数增量△K；根据液位计反馈的净环水池实际液位L，控制模块再通过生产水理论比例系数计算、生产水比例系数计算和生产水流量设定值计算，得出所需生产水流量设定值SP1和软化水流量设定值SP2，并将SP1和SP2分别送给生产水调节阀1和软化水调节阀2的PID控制器。
步骤五：生产水调节阀1和软化水调节阀2的PID控制器分别获取所述SP1和SP2设定值后，各自调节阀开度数据，对生产水和软化水调节阀开度进行控制，并最终确定P、I参数和控制限幅的调节。
本发明的一种应用于退火炉净环水硬度的自动控制方法的步骤四计算出生产水流量设定值SP1和软化水流量设定值SP2的具体步骤如下：
模糊化运算，根据净环水硬度分析仪测得的净环水硬度实际值PV和人工设定的硬度目标值SP计算出硬度偏差e和硬度偏差变化率ec，其中e＝PV-SP，ec是硬度偏差e每分钟的变化值，并将硬度偏差e和硬度偏差变化率ec变成模糊数，作为模糊控制运算的模糊输入值。进一步地，模糊化计算中硬度偏差e所对应的模糊参数可为：NB(e)＝-51.3，NM(e)＝-20.1，NS(e)＝-12.5，ZO(e)＝0.0，PS(e)＝12.3，PM(e)＝20.2，PB(e)＝51.5；硬度偏差变化率ec所对应的模糊参数为：NB(ec)＝-15.4，NM(ec)＝-11.3，NS(ec)＝-5.6，ZO(ec)＝0.0，PS(ec)＝5.8，PM(ec)＝11.5，PB(ec)＝15.2；本领域技术人员可以理解，上述模糊参数的含义在模糊算法中具有明确的定义，本领域技术人员在知晓上述参数的设定值后均可以通过模糊运算的一般算法获得相应结果，在此不再赘述。
模糊控制运算，根据模糊化计算中获取的硬度偏差e和硬度偏差变化率ec的模糊数作为模糊输入值，采用模糊控制的最大最小合成算法，计算得出模糊控制输出。所述最大最小合成算法是：首先对硬度偏差e和硬度偏差变化率ec的模糊数取最小，然后对相应的模糊控制输出取最大。
清晰化计算，将模糊控制运算得到的模糊数转换成实际的生产水比例系数增量△K。进一步地，清晰化计算单元对应的模糊参数可为：NB(△K)＝-0.19，NM(△K)＝-0.11，NS(△K)＝-0.06，ZO(△K)＝0.00，PS(△K)＝0.07，PM(△K)＝0.13，PB(△K)＝0.21；本领域技术人员可以理解，清晰化计算单元中所述模糊参数的含义在模糊算法中具有明确的定义，本领域技术人员在知晓上述参数的设定值后均可以通过模糊运算的一般算法获得相应结果，在此不再赘述。
生产水理论比例系数计算，通过对生产水和软化水成分分析，经过物理方法和化学方法计算，得出生产水理论比例系数K0。通过化学方程式：CaCO3+2HCL＝CaCL2+CO2↑+H2O和物理方法收集并称量CO2，进而得到生产水和软化水中CaCO3的含量，即水硬度值。
所述的生产水理论比例系数计算通过计算得到生产水和软化水中CaCO3的含量，即净环水硬度值H，其范围为：79≤H≤81，进而确定理论生产水比例系数为0.7左右，即所述的生产水比例系数K0，其范围为：0.69≤K0≤0.71。
生产水比例系数计算，根据生产水理论比例系数K0和生产水比例系数增量△K计算出生产水比例系数K，计算公式为K＝K0+△K。更具体地，△K的取值可为：-0.19≤ΔK≤0.21。
所述生产水流量设定值计算，利用净环水池液位实际值L计算出生产水流量设定值SP1，再通过生产水流量设定值SP1和生产水比例系数K计算出所述的软化水流量设定值SP2，并将SP1和SP2分别送给生产水调节阀(1)和软化水调节阀(2)的PID控制器。进一步地，所述的生产水流量设定值SP1为：其中L是净环水池液位实际值。所述的软化水流量设定值SP2为：其中K是生产水比例系数；其中，所述的K的范围值为0.51≤K≤0.91，所述的L的范围值为2.1≤L≤7.5；所述的SP1范围值为0.0≤SP1≤98.0；所述的SP2范围值为0.0≤SP2≤42.0。
本本发明的一种应用于退火炉净环水硬度的自动控制方法的步骤一的具体内容如下：
(1)安装控制系统软件：包括安装控制中心的操作系统和组态软件、控制模块的编程软件。具体地，控制中心采用EI-TEK工控机，操作系统为微软Windows Pro7SP1；组态软件采用的是西门子Wincc7.0SP3版，用于对工艺流程进行监控画面的组态，控制模块使用的编程软件采用的是西门子TIA PORTAL V13版本。更具体地，所述组态软件和编程软件可用于对控制模块的PLC进行硬件组态和编程；
(2)安装控制系统硬件：将控制模块与生产水流量计3、软化水流量计4、液位计6、硬度分析仪5、生产水调节阀1和软化水调节阀2连接，使得控制模块接收生产水流量计3和软化水流量计4输出的流量信号值、液位计6输出的液位值、硬度分析仪5输出的净环水硬度值，生产水调节阀1和软化水调节阀2接收控制模块输出的控制信号以实现对生产水调节阀1和软化水调节阀2的开度的控制。
(3)组态软件组态：在控制中心的组态软件中完成对控制模块、生产水流量计3、软化水流量计4、液位计6、硬度分析仪5、生产水调节阀1和软化水调节阀2的相应组态，按照工艺要求完成控制系统的编程工作，并在控制中心实现对现场设备的参数控制和显示功能。
(4)安装现场设备：包括生产水流量计3、软化水流量计4、液位计6、硬度分析仪5、生产水调节阀1和软化水调节阀2，现场的流量、液位、硬度分析仪和调节阀等信号检测设备；实现现场设备与PLC柜内的端子正确连接。
(5)建立通讯网络：通过以太网络的连接，把(1)中所述控制中心的编程软件、监控软件、(2)中所述控制模块和(4)中所述现场设备连接为一个控制系统，从而实现控制退火炉净环水硬度所需的硬件和软件基础；设置以太网参数并选择通讯模式，采用ISO通讯方式进行通讯，检测与控制模块相连接的以太网实际连接线路，实现(1)中所述编程软件、组态软件与(2)中所述的控制模块、(4)中所述现场设备之间的通讯功能，完成对现场设备的检测信号、编程软件与组态软件之间的对应关系。
本发明的一种应用于退火炉净环水硬度的自动控制方法的步骤五中对生产水调节阀1和软化水调节阀2的PID控制器的控制方法具体如下：
(1)P和I参数：对生产水调节阀和软化水调节阀，分别人工设定一个开度。根据现场实际应用效果，最后确定生产水和软化水调节阀P和I参数的范围，在实际应用中，0.001≤P≤0.005，28≤I≤79。
(2)控制限幅：根据生产水流量过程值、软化水流量过程值、净环水液位过程值和调节阀位置反馈，结合工艺确定生产水、软化水控制器调节的上、下限值。本实施例中，20.0≤生产水调节阀调节范围≤98.0，8.6≤软化水调节阀调节范围≤42.0。
(3)生产水比例系数范围：根据实际生产水比例系数K对生产水和软化水调节阀进行PID参数调节，以达到工艺所需的控制效果。在本实施例中K的范围值为0.51≤K≤0.91。
在一个实施例中，步骤一中的组态软件实现控制中心对现场设备的有效控制需要在组态软件流程画面中组态以下内容：
(1)选择控制方式：有一个选择按钮用来选择调节阀的控制方式，即手动和自动的模式切换；系统能够实现人工对P和I参数进行修改、调试，有一个按钮来实现对P和I的控制模式选择，即参数投入或不投入模式。
(2)生产水比例系数：有一个选择按钮实现生产水比例系数的手动/自动模式切换，根据生产节奏和所加软化水等因素进行设定。画面中能够人工设定生产水比例系数，也能够自动设定生产水比例系数。
(3)硬度分析仪控制模式：选择(2)中所述生产水比例系数自动模式，依据设定净环水硬度过程值计算所需的生产水比例系数增量；否则选择手动模式，生产水比例系数增量为零。
(4)实际界面内容：显示的数据内容有生产水流量过程值、软化水流量过程值、净环水硬度过程值、净环水硬度设定值、理论生产水比例系数、实际生产水比例系数。
本发明提出的退火炉净环水硬度的自动控制系统和方法，以生产水和软化水调节阀为控制对象，创造性地将模糊算法进行适应性改造并应用到本发明所属技术领域中，通过控制实际生产水比例系数，实现退火炉净环水硬度最优的自动控制系统。相比现有技术，大大减少了控制的滞后性，降低了生产水对管道的腐蚀，延长了管道使用寿命，提高了退火炉生产周期，节约了系统整体成本，提高了控制的智能化和自动化水平，并且利用控制中心的组态软件对整个系统进行控制和监控，实现了整个系统的信息化和可视化，最大限度地避免人为干预，减轻了操作人员的工作强度。
附图说明
图1为本发明具体实施例的硬度分析仪的安装位置图。其中，生产水调节阀1；软化水调节阀2；生产水流量计3；软化水流量计4；硬度分析仪5；液位计6；净环水池7。
具体实施方式
本发明提出的一种应用于退火炉净环水硬度的自动控制系统，采用理论生产水比例系数和生产水比例系数增量进行生产水比例系数的自动修正，进而得到生产水和软化水调节阀的开度数据，实现对净环水硬度的硬度的自动调节。下面以一个具体的退火炉净环水控制系统为实施例，详细说明对退火炉净环水硬度的控制过程。本实施例的水硬度自动控制系统包括硬度分析仪、净环水池、生产水流量计、软化水流量计、液位计、软化水和生产水调节阀等现场设备。选用的净环水池高度为8米，容量为744立方米。净环水由生产水和软化水混合而成，理论配比是7:3(生产水：软化水)，净环水硬度的控制目标值为：80mg/L。如说明书附图1所示，生产水管道上安装有生产水流量计3和生产水调节阀1，软化水管道上安装有软化水流量计4和软化水调节阀2，生产水管道和软化水管道中的水在净环水池7中混合成净环水，液位计6安装在净环水池7内，净环水池中的净环水通过净环水输送管道输送到退火炉，硬度分析仪5安装在净环水输送管道上。
在一个实施例里，本发明的退火炉净环水硬度的自动控制系统还包括控制模块，生产水流量计3、软化水流量计4、液位计6、硬度分析仪5均与控制模块连接，所述控制模块接收生产水流量计3和软化水流量计4输出的流量信号值、液位计6输出的液位值、硬度分析仪5输出的净环水硬度值。所述控制模块的输出与生产水调节阀1软化水调节阀2连接，生产水调节阀1和软化水调节阀2接收控制模块输出的控制信号以实现对生产水调节阀1和软化水调节阀2的开度的控制。控制模块也作为现场设备进行安装。
在一个实施例中，生产水调节阀1软化水调节阀2是数字化控制仪表，具备PID控制器对阀门的开度进行控制，并具有信号输入端，其能接收外部输入的控制信号。
在一个实施例中，控制模块包括PLC处理器，更具体地，控制模块可以由PLC及其周边电路实现，并且以下实施例中控制模块中实现的计算过程均由PLC编程实现，PLC及其周边电路硬件属于公知常识，在此不再赘述。本领域技术人员可以理解，控制模块也可以采用其他任何可以实现编程并输出控制信号的处理器。更具体地，控制模块采用的编程软件是西门子TIA PORTAL V13版本，所述编程软件可用于对控制模块的处理器进行硬件组态和编程。
在一个实施例中，控制模块接收生产水流量计3和软化水流量计4输出的流量信号值、硬度分析仪5输出的净环水硬度值，通过模糊化计算、模糊控制运算和清晰化计算，得出净环水中生产水比例系数增量△K，再根据液位计6输出的净环水池的液位值L，控制模块通过生产水理论比例系数计算、生产水比例系数计算和生产水流量设定值计算，得出所需生产水流量设定值SP1和软化水流量设定值SP2，并将SP1和SP2分别送给生产水调节阀1和软化水调节阀2的PID控制器。生产水调节阀1和软化水调节阀2的PID控制器分别获取所述SP1和SP2设定值后，各自调节阀开度数据，以实现对生产水和软化水流量的控制。
在一个实施例中，本发明的退火炉净环水硬度的自动控制系统还包括控制中心，所述控制中心与生产水流量计3、软化水流量计4、液位计6、硬度分析仪5、生产水调节阀1、软化水调节阀2和控制模块等现场设备实现通信连接，并利用组态软件完成上述现场设备的组态设置，实现对上述现场设备的单独控制和集中显示。更具体地，控制中心可以获得生产水流量计3、软化水流量计4、液位计6、硬度分析仪5测得的测量数据以及生产水调节阀1、软化水调节阀2的相关控制参数，并可以对生产水调节阀1、软化水调节阀2进行具体的控制参数修改和设置，控制中心也可以获得控制模块的数据，并对控制模块的参数和程序进行编辑。
在一个实施例中，控制中心采用EI-TEK工控机，操作系统为微软WindowsPro7SP1；组态软件采用的是西门子Wincc7.0SP3版，用于对工艺流程进行监控画面的组态。
在一个实施例中，本发明的应用于退火炉净环水硬度的自动控制系统包括模糊化计算单元、模糊控制运算单元、清晰化计算单元、生产水理论比例系数计算单元、生产水比例系数计算单元、生产水流量设定值计算单元。
所述的模糊化计算单元，根据净环水硬度分析仪测得的净环水硬度实际值PV和人工设定的硬度目标值SP计算出硬度偏差e和硬度偏差变化率ec，其中e＝PV-SP，ec是硬度偏差e每分钟的变化值，并将硬度偏差e和硬度偏差变化率ec变成模糊数，作为模糊控制运算单元的模糊输入值。
在一个实施例中，模糊化计算单元中硬度偏差e所对应的模糊参数为:NB(e)＝-51.3，NM(e)＝-20.1，NS(e)＝-12.5，ZO(e)＝0.0，PS(e)＝12.3，PM(e)＝20.2，PB(e)＝51.5；硬度偏差变化率ec所对应的模糊参数为：NB(ec)＝-15.4，NM(ec)＝-11.3，NS(ec)＝-5.6，ZO(ec)＝0.0，PS(ec)＝5.8，PM(ec)＝11.5，PB(ec)＝15.2；本领域技术人员可以理解，上述模糊参数的含义在模糊算法中具有明确的定义，本领域技术人员在知晓上述参数的设定值后均可以通过模糊运算的一般算法获得相应结果，在此不再赘述。
所述的模糊控制运算单元，根据模糊化计算单元中获取的硬度偏差e和硬度偏差变化率ec的模糊数作为模糊输入值，采用模糊控制的最大最小合成算法，计算得出模糊控制输出。所述最大最小合成算法是：首先对硬度偏差e和硬度偏差变化率ec的模糊数取最小，然后对相应的模糊控制输出取最大。
所述的清晰化计算单元，将模糊控制运算单元输出的模糊数转换成实际的生产水比例系数增量△K。
在一个实施例中，清晰化计算单元对应的模糊参数为：NB(△K)＝-0.19，NM(△K)＝--0.11，NS(△K)＝-0.06，ZO(△K)＝0.00，PS(△K)＝0.07，PM(△K)＝0.13，PB(△K)＝0.21；本领域技术人员可以理解，清晰化计算单元中所述模糊参数的含义在模糊算法中具有明确的定义，本领域技术人员在知晓上述参数的设定值后均可以通过模糊运算的一般算法获得相应结果，在此不再赘述。
所述的生产水理论比例系数单元，通过对生产水和软化水成分分析，经过物理方法和化学方法计算，得出生产水理论比例系数K0。通过化学方程式：CaCO3+2HCL＝CaCL2+CO2↑+H2O和物理方法收集并称量CO2，进而得到生产水和软化水中CaCO3的含量，即水硬度值。
在一个实施例中，所述的生产水理论比例系数单元，通过计算得到生产水和软化水中CaCO3的含量，即净环水硬度值H，其范围为：79≤H≤81，进而确定理论生产水比例系数为0.7左右，即所述的生产水比例系数K0，其范围为：0.69≤K0≤0.71。
所述的生产水比例系数计算单元，根据生产水理论比例系数K0和生产水比例系数增量△K计算出生产水比例系数K，计算公式为K＝K0+△K。
在一个实施例中，△K的取值为：-0.19≤ΔK≤0.21。
所述生产水流量设定值计算单元利用净环水池液位实际值L计算出生产水流量设定值SP1，再通过生产水流量设定值SP1和生产水比例系数K计算出所述的软化水流量设定值SP2，并将SP1和SP2分别送给生产水调节阀1和软化水调节阀2的PID控制器。
在一个实施例中，所述的生产水流量设定值SP1为：其中L是净环水池液位实际值。所述的软化水流量设定值SP2为：其中K是生产水比例系数；其中，所述的K的范围值为0.51≤K≤0.91，所述的L的范围值为2.1≤L≤7.5；所述的SP1范围值为0.0≤SP1≤98.0；所述的SP2范围值为0.0≤SP2≤42.0。
在一个实施例中，本发明的退火炉净环水硬度的自动控制系统的控制模块包括所述模糊化计算单元、模糊控制运算单元、清晰化计算单元、生产水理论比例系数计算单元、生产水比例系数计算单元、生产水流量设定值计算单元。优选地，上述运算单元通过控制模块中的PLC编程实现。
本发明还提出的一种应用于退火炉净环水硬度的自动控制方法，所述自动控制方法采用上述任一实施例的自动控制系统实现。具体步骤如下：
步骤一：安装控制系统的控制中心和现场设备的软硬件，通过以太网络建立控制中心和现场设备之间的通讯，并通过组态软件实现控制中心对现场设备的有效控制。
步骤二：对净环水硬度值设定一个控制目标值；对生产水和软化水调节阀各自设定一个初始开度。
步骤三：生产水和软化水按照理论配比在净环水池内混合，达到要求最低液位后通过净环水输送管道向退火炉区输送，净环水输送管道的净环水硬度分析仪向控制模块发送净环水硬度的实时数据；
步骤四：控制模块经过模糊化计算、模糊控制运算、清晰化计算，得出净环水中生产水比例系数增量△K；根据液位计反馈的净环水池实际液位L，控制模块再通过生产水理论比例系数计算、生产水比例系数计算和生产水流量设定值计算，得出所需生产水流量设定值SP1和软化水流量设定值SP2，并将SP1和SP2分别送给生产水调节阀1和软化水调节阀2的PID控制器。
步骤五：生产水调节阀1和软化水调节阀2的PID控制器分别获取所述SP1和SP2设定值后，各自调节阀开度数据，对生产水和软化水调节阀开度进行控制，并最终确定P、I参数和控制限幅的调节。
更具体地，在一个实施例中，本发明的退火炉净环水硬度的自动控制方法中步骤四计算出生产水流量设定值SP1和软化水流量设定值SP2的具体步骤如下：
模糊化运算，根据净环水硬度分析仪测得的净环水硬度实际值PV和人工设定的硬度目标值SP计算出硬度偏差e和硬度偏差变化率ec，其中e＝PV-SP，ec是硬度偏差e每分钟的变化值，并将硬度偏差e和硬度偏差变化率ec变成模糊数，作为模糊控制运算的模糊输入值。进一步地，模糊化计算中硬度偏差e所对应的模糊参数可为：NB(e)＝-51.3，NM(e)＝-20.1，NS(e)＝-12.5，ZO(e)＝0.0，PS(e)＝12.3，PM(e)＝20.2，PB(e)＝51.5；硬度偏差变化率ec所对应的模糊参数为：NB(ec)＝-15.4，NM(ec)＝-11.3，NS(ec)＝-5.6，ZO(ec)＝0.0，PS(ec)＝5.8，PM(ec)＝11.5，PB(ec)＝15.2；本领域技术人员可以理解，上述模糊参数的含义在模糊算法中具有明确的定义，本领域技术人员在知晓上述参数的设定值后均可以通过模糊运算的一般算法获得相应结果，在此不再赘述。
模糊控制运算，根据模糊化计算中获取的硬度偏差e和硬度偏差变化率ec的模糊数作为模糊输入值，采用模糊控制的最大最小合成算法，计算得出模糊控制输出。所述最大最小合成算法是：首先对硬度偏差e和硬度偏差变化率ec的模糊数取最小，然后对相应的模糊控制输出取最大。
清晰化计算，将模糊控制运算得到的模糊数转换成实际的生产水比例系数增量△K。进一步地，清晰化计算单元对应的模糊参数可为：NB(△K)＝-0.19，NM(△K)＝-0.11，NS(△K)＝-0.06，ZO(△K)＝0.00，PS(△K)＝0.07，PM(△K)＝0.13，PB(△K)＝0.21；本领域技术人员可以理解，清晰化计算单元中所述模糊参数的含义在模糊算法中具有明确的定义，本领域技术人员在知晓上述参数的设定值后均可以通过模糊运算的一般算法获得相应结果，在此不再赘述。
生产水理论比例系数计算，通过对生产水和软化水成分分析，经过物理方法和化学方法计算，得出生产水理论比例系数K0。通过化学方程式：CaCO3+2HCL＝CaCL2+CO2↑+H2O和物理方法收集并称量CO2，进而得到生产水和软化水中CaCO3的含量，即水硬度值。
在一个实施例中，所述的生产水理论比例系数计算通过计算得到生产水和软化水中CaCO3的含量，即净环水硬度值H，其范围为：79≤H≤81，进而确定理论生产水比例系数为0.7左右，即所述的生产水比例系数K0，其范围为：0.69≤K0≤0.71。
生产水比例系数计算，根据生产水理论比例系数K0和生产水比例系数增量△K计算出生产水比例系数K，计算公式为K＝K0+△K。更具体地，△K的取值可为：-0.19≤ΔK≤0.21。
所述生产水流量设定值计算，利用净环水池液位实际值L计算出生产水流量设定值SP1，再通过生产水流量设定值SP1和生产水比例系数K计算出所述的软化水流量设定值SP2，并将SP1和SP2分别送给生产水调节阀1和软化水调节阀2的PID控制器。进一步地，所述的生产水流量设定值SP1为：其中L是净环水池液位实际值。所述的软化水流量设定值SP2为：其中K是生产水比例系数；其中，所述的K的范围值为0.51≤K≤0.91，所述的L的范围值为2.1≤L≤7.5；所述的SP1范围值为0.0≤SP1≤98.0；所述的SP2范围值为0.0≤SP2≤42.0。
在一个实施例中，本发明的退火炉净环水硬度的自动控制方法中步骤一的具体内容：
(1)安装控制系统软件：包括安装控制中心的操作系统和组态软件、控制模块的编程软件。具体地，控制中心采用EI-TEK工控机，操作系统为微软Windows Pro7SP1；组态软件采用的是西门子Wincc7.0SP3版，用于对工艺流程进行监控画面的组态，控制模块使用的编程软件采用的是西门子TIA PORTAL V13版本。更具体地，所述组态软件和编程软件可用于对控制模块的PLC进行硬件组态和编程；
(2)安装控制系统硬件：将控制模块与生产水流量计3、软化水流量计4、液位计6、硬度分析仪5、生产水调节阀1和软化水调节阀2连接，使得控制模块接收生产水流量计3和软化水流量计4输出的流量信号值、液位计6输出的液位值、硬度分析仪5输出的净环水硬度值，生产水调节阀1和软化水调节阀2接收控制模块输出的控制信号以实现对生产水调节阀1和软化水调节阀2的开度的控制。
(3)组态软件组态：在控制中心的组态软件中完成对控制模块、生产水流量计3、软化水流量计4、液位计6、硬度分析仪5、生产水调节阀1和软化水调节阀2的相应组态，按照工艺要求完成控制系统的编程工作，并在控制中心实现对现场设备的参数控制和显示功能。
(4)安装现场设备：包括生产水流量计3、软化水流量计4、液位计6、硬度分析仪5、生产水调节阀1和软化水调节阀2，现场的流量、液位、硬度分析仪和调节阀等信号检测设备；实现现场设备与PLC柜内的端子正确连接。
(5)建立通讯网络：通过以太网络的连接，把(1)中所述控制中心的编程软件、监控软件、(2)中所述控制模块和(4)中所述现场设备连接为一个控制系统，从而实现控制退火炉净环水硬度所需的硬件和软件基础；设置以太网参数并选择通讯模式，采用ISO通讯方式进行通讯，检测与控制模块相连接的以太网实际连接线路，实现(1)中所述编程软件、组态软件与(2)中所述的控制模块、(4)中所述现场设备之间的通讯功能，完成对现场设备的检测信号、编程软件与组态软件之间的对应关系。
在一个实施例中，步骤五中对生产水调节阀1和软化水调节阀2的PID控制器的控制方法具体如下：
(1)P和I参数：对生产水调节阀和软化水调节阀，分别人工设定一个开度。根据现场实际应用效果，最后确定生产水和软化水调节阀P和I参数的范围，在实际应用中，0.001≤P≤0.005，28≤I≤79。
(2)控制限幅：根据生产水流量过程值、软化水流量过程值、净环水液位过程值和调节阀位置反馈，结合工艺确定生产水、软化水控制器调节的上、下限值。本实施例中，20.0≤生产水调节阀调节范围≤98.0，8.6≤软化水调节阀调节范围≤42.0。
(3)生产水比例系数范围：根据实际生产水比例系数K对生产水和软化水调节阀进行PID参数调节，以达到工艺所需的控制效果。在本实施例中K的范围值为0.51≤K≤0.91。
在一个实施例中，步骤一中的组态软件实现控制中心对现场设备的有效控制需要在组态软件流程画面中组态以下内容：
(1)选择控制方式：有一个选择按钮用来选择调节阀的控制方式，即手动和自动的模式切换；系统能够实现人工对P和I参数进行修改、调试，有一个按钮来实现对P和I的控制模式选择，即参数投入或不投入模式。
(2)生产水比例系数：有一个选择按钮实现生产水比例系数的手动/自动模式切换，根据生产节奏和所加软化水等因素进行设定。画面中能够人工设定生产水比例系数，也能够自动设定生产水比例系数。
(3)硬度分析仪控制模式：选择(2)中所述生产水比例系数自动模式，依据设定净环水硬度过程值计算所需的生产水比例系数增量；否则选择手动模式，生产水比例系数增量为零。
(4)实际界面内容：显示的数据内容有生产水流量过程值、软化水流量过程值、净环水硬度过程值、净环水硬度设定值、理论生产水比例系数、实际生产水比例系数。
Claims (10)
1.一种退火炉净环水硬度自动控制系统，其特征在于：所述自动控制系统包括控制中心以及控制模块、硬度分析仪(5)、净环水池(7)、生产水流量计(3)、软化水流量计(4)、液位计(6)、软化水调节阀(2)和生产水调节阀(1)的现场设备；所述生产水流量计(3)和生产水调节阀(1)安装在生产水管道上，所述软化水流量计(4)和软化水调节阀(2)安装在软化水管道上，生产水管道和软化水管道中的水在净环水池(7)中混合成净环水，液位计(6)安装在净环水池(7)内，净环水池中的净环水通过净环水输送管道输送到退火炉，硬度分析仪(5)安装在净环水输送管道上；生产水流量计(3)、软化水流量计(4)、液位计(6)、硬度分析仪(5)均与控制模块连接，所述控制模块接收生产水流量计(3)和软化水流量计(4)输出的流量信号值、液位计(6)输出的液位值、硬度分析仪(5)输出的净环水硬度值；所述控制模块的输出与生产水调节阀(1)和软化水调节阀(2)连接，生产水调节阀(1)和软化水调节阀(2)接收控制模块输出的控制信号以实现对生产水调节阀(1)和软化水调节阀(2)的开度的控制；生产水调节阀(1)和软化水调节阀(2)是数字化控制仪表，具备PID控制器对阀门的开度进行控制，并具有信号输入端，其能接收外部输入的控制信号；所述控制模块接收生产水流量计(3)和软化水流量计(4)输出的流量信号值、硬度分析仪(5)输出的净环水硬度值，通过模糊化计算、模糊控制运算和清晰化计算，得出净环水中生产水比例系数增量△K，再根据液位计(6)输出的净环水池的液位值L，控制模块通过生产水理论比例系数计算、生产水比例系数计算和生产水流量设定值计算，得出所需生产水流量设定值SP1和软化水流量设定值SP2，并将SP1和SP2分别送给生产水调节阀(1)和软化水调节阀(2)的PID控制器，所述生产水调节阀(1)和软化水调节阀(2)的PID控制器分别获取所述SP1和SP2设定值后，各自调节阀开度数据，以实现对生产水和软化水流量的控制；所述控制中心与生产水流量计(3)、软化水流量计(4)、液位计(6)、硬度分析仪(5)、生产水调节阀(1)、软化水调节阀(2)和控制模块现场设备实现通信连接，并利用组态软件完成上述现场设备的组态设置，实现对上述现场设备的单独控制和集中显示。
2.如权利要求1所述的退火炉净环水硬度自动控制系统，其特征在于：所述控制中心获得生产水流量计(3)、软化水流量计(4)、液位计(6)、硬度分析仪(5)测得的测量数据以及生产水调节阀(1)、软化水调节阀(2)的相关控制参数，并对生产水调节阀(1)、软化水调节阀(2)进行具体的控制参数修改和设置，控制中心也获得控制模块的数据，并对控制模块的参数和程序进行编辑。
3.如权利要求1所述的退火炉净环水硬度自动控制系统，其特征在于：所述控制模块包括PLC处理器。
4.如权利要求1所述的退火炉净环水硬度自动控制系统，其特征在于：所述控制中心采用EI-TEK工控机，操作系统为微软Windows Pro 7SP1；组态软件采用的是西门子Wincc7.0SP3版，用于对工艺流程进行监控画面的组态。
5.一种退火炉净环水硬度自动控制系统，其特征在于：所述退火炉净环水硬度自动控制系统包括模糊化计算单元、模糊控制运算单元、清晰化计算单元、生产水理论比例系数计算单元、生产水比例系数计算单元、生产水流量设定值计算单元；
所述的模糊化计算单元，根据净环水硬度分析仪测得的净环水硬度实际值PV和人工设定的硬度目标值SP计算出硬度偏差e和硬度偏差变化率ec，其中e＝PV-SP，ec是硬度偏差e每分钟的变化值，并将硬度偏差e和硬度偏差变化率ec变成模糊数，作为模糊控制运算单元的模糊输入值；
所述的模糊控制运算单元，根据模糊化计算单元中获取的硬度偏差e和硬度偏差变化率ec的模糊数作为模糊输入值，采用模糊控制的最大最小合成算法，计算得出模糊控制输出；所述最大最小合成算法是：首先对硬度偏差e和硬度偏差变化率ec的模糊数取最小，然后对相应的模糊控制输出取最大；
所述的清晰化计算单元，将模糊控制运算单元输出的模糊数转换成实际的生产水比例系数增量△K；
所述的生产水理论比例系数单元，通过对生产水和软化水成分分析，经过物理方法和化学方法计算，得出生产水理论比例系数K0；
所述的生产水比例系数计算单元，根据生产水理论比例系数K0和生产水比例系数增量△K计算出生产水比例系数K；
所述生产水流量设定值计算单元利用净环水池液位实际值L计算出生产水流量设定值SP1，再通过生产水流量设定值SP1和生产水比例系数K计算出所述的软化水流量设定值SP2，并将SP1和SP2分别送给生产水调节阀(1)和软化水调节阀(2)的PID控制器。
6.一种退火炉净环水硬度自动控制方法，其应用于以上任一权利要求所述的退火炉净环水硬度自动控制系统，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：安装控制系统的控制中心和现场设备的软硬件，通过以太网络建立控制中心和现场设备之间的通讯，并通过组态软件实现控制中心对现场设备的有效控制；
步骤二：对净环水硬度值设定一个控制目标值；对生产水和软化水调节阀各自设定一个初始开度；
步骤三：生产水和软化水按照理论配比在净环水池内混合，达到要求最低液位后通过净环水输送管道向退火炉区输送，净环水输送管道的净环水硬度分析仪向控制模块发送净环水硬度的实时数据；
步骤四：控制模块经过模糊化计算、模糊控制运算、清晰化计算，得出净环水中生产水比例系数增量△K；根据液位计反馈的净环水池实际液位L，控制模块再通过生产水理论比例系数计算、生产水比例系数计算和生产水流量设定值计算，得出所需生产水流量设定值SP1和软化水流量设定值SP2，并将SP1和SP2分别送给生产水调节阀(1)和软化水调节阀(2)的PID控制器；
步骤五：生产水调节阀(1)和软化水调节阀(2)的PID控制器分别获取所述SP1和SP2设定值后，各自调节阀开度数据，对生产水和软化水调节阀开度进行控制，并最终确定P、I参数和控制限幅的调节。
7.如权利要求6所述的退火炉净环水硬度自动控制方法，其特征在于：所述步骤四计算出生产水流量设定值SP1和软化水流量设定值SP2的具体步骤如下：
模糊化运算，根据净环水硬度分析仪测得的净环水硬度实际值PV和人工设定的硬度目标值SP计算出硬度偏差e和硬度偏差变化率ec，其中e＝PV-SP，ec是硬度偏差e每分钟的变化值，并将硬度偏差e和硬度偏差变化率ec变成模糊数，作为模糊控制运算的模糊输入值；所述模糊化计算中硬度偏差e所对应的模糊参数为：NB(e)＝-51.3，NM(e)＝-20.1，NS(e)＝-12.5，ZO(e)＝0.0，PS(e)＝12.3，PM(e)＝20.2，PB(e)＝51.5；硬度偏差变化率ec所对应的模糊参数为：NB(ec)＝-15.4，NM(ec)＝-11.3，NS(ec)＝-5.6，ZO(ec)＝0.0，PS(ec)＝5.8，PM(ec)＝11.5，PB(ec)＝15.2；
模糊控制运算，根据模糊化计算中获取的硬度偏差e和硬度偏差变化率ec的模糊数作为模糊输入值，采用模糊控制的最大最小合成算法，计算得出模糊控制输出；所述最大最小合成算法是：首先对硬度偏差e和硬度偏差变化率ec的模糊数取最小，然后对相应的模糊控制输出取最大；
清晰化计算，将模糊控制运算得到的模糊数转换成实际的生产水比例系数增量△K；所述清晰化计算单元对应的模糊参数为：NB(△K)＝-0.19，NM(△K)＝-0.11，NS(△K)＝-0.06，ZO(△K)＝0.00，PS(△K)＝0.07，PM(△K)＝0.13，PB(△K)＝0.21；
生产水理论比例系数计算，通过对生产水和软化水成分分析，经过物理方法和化学方法计算，得出生产水理论比例系数K0；所述物理方法和化学方法计算通过化学方程式：CaCO3+2HCL＝CaCL2+CO2↑+H2O和物理方法收集并称量CO2，进而得到生产水和软化水中CaCO3的含量，即水硬度值；
所述的生产水理论比例系数计算通过计算得到生产水和软化水中CaCO3的含量，即净环水硬度值H，其范围为：79≤H≤81，进而确定理论生产水比例系数K0，其范围为：0.69≤K0≤0.71；
生产水比例系数计算，根据生产水理论比例系数K0和生产水比例系数增量△K计算出生产水比例系数K，计算公式为K＝K0+△K；△K的取值为：-0.19≤ΔK≤0.21；
所述生产水流量设定值计算，利用净环水池液位实际值L计算出生产水流量设定值SP1，再通过生产水流量设定值SP1和生产水比例系数K计算出所述的软化水流量设定值SP2，并将SP1和SP2分别送给生产水调节阀(1)和软化水调节阀(2)的PID控制器；进一步地所述的生产水流量设定值SP1为：其中L是净环水池液位实际值；所述的软化水流量设定值SP2为：其中K是生产水比例系数；其中，所述的K的范围值为0.50≤K≤0.92，所述的L的范围值为2.1≤L≤7.5；所述的SP1范围值为0.0≤SP1≤98.0；所述的SP2范围值为0.0≤SP2≤98.0。
8.如权利要求6所述的退火炉净环水硬度自动控制方法，其特征在于：所述步骤一的具体内容如下：
1)安装控制系统软件：包括安装控制中心的操作系统和组态软件、控制模块的编程软件；控制中心采用EI-TEK工控机，操作系统为微软Windows Pro 7 SP1；组态软件采用的是西门子Wincc7.0SP3版，用于对工艺流程进行监控画面的组态，控制模块使用的编程软件采用的是西门子TIA PORTAL V13版本；所述组态软件和编程软件用于对控制模块的PLC进行硬件组态和编程；
2)安装控制系统硬件：将控制模块与生产水流量计(3)、软化水流量计(4)、液位计(6)、硬度分析仪(5)、生产水调节阀(1)和软化水调节阀(2)连接，使得控制模块接收生产水流量计(3)和软化水流量计(4)输出的流量信号值、液位计(6)输出的液位值、硬度分析仪(5)输出的净环水硬度值，生产水调节阀(1)和软化水调节阀(2)接收控制模块输出的控制信号以实现对生产水调节阀(1)和软化水调节阀(2)的开度的控制；
3)组态软件组态：在控制中心的组态软件中完成对控制模块、生产水流量计(3)、软化水流量计(4)、液位计(6)、硬度分析仪(5)、生产水调节阀(1)和软化水调节阀(2)的相应组态，按照工艺要求完成控制系统的编程工作，并在控制中心实现对现场设备的参数控制和显示功能；
4)安装现场设备：包括生产水流量计(3)、软化水流量计(4)、液位计(6)、硬度分析仪(5)、生产水调节阀(1)和软化水调节阀(2)，现场的流量、液位、硬度分析仪和调节阀信号检测设备；实现现场设备与PLC柜内的端子正确连接；
5)建立通讯网络：通过以太网络的连接，把1)中所述控制中心的编程软件、组态软件、2)中所述控制模块和4)中所述现场设备连接为一个控制系统，从而实现控制退火炉净环水硬度所需的硬件和软件基础；设置以太网参数并选择通讯模式，采用ISO通讯方式进行通讯，检测与控制模块相连接的以太网实际连接线路，实现1)中所述编程软件、组态软件与2)中所述的控制模块、4)中所述现场设备之间的通讯功能，完成对现场设备的检测信号、编程软件与组态软件之间的对应关系。
9.如权利要求6所述的退火炉净环水硬度自动控制方法，其特征在于：步骤五中对生产水调节阀(1)和软化水调节阀(2)的PID控制器的控制方法具体如下：
1)P和I参数：对生产水调节阀和软化水调节阀，分别人工设定一个开度；根据现场实际应用效果，最后确定生产水和软化水调节阀P和I参数的范围，在实际应用中，0.001≤P≤0.005，28≤I≤79；
2)控制限幅：根据生产水流量过程值、软化水流量过程值、净环水液位过程值和调节阀位置反馈，结合工艺确定生产水、软化水控制器调节的上、下限值；20.0≤生产水调节阀调节范围≤98.0，8.6≤软化水调节阀调节范围≤42.0；
3)生产水比例系数范围：根据实际生产水比例系数K对生产水和软化水调节阀进行PID参数调节，以达到工艺所需的控制效果；K的范围值为0.50≤K≤0.92。
10.如权利要求6所述的退火炉净环水硬度自动控制方法，其特征在于：步骤一中的组态软件实现控制中心对现场设备的有效控制需要在组态软件流程画面中组态以下内容：
1)选择控制方式：有一个选择按钮用来选择调节阀的控制方式，即手动和自动的模式切换；系统能够实现人工对P和I参数进行修改、调试，有一个按钮来实现对P和I的控制模式选择，即参数投入或不投入模式；
2)生产水比例系数：有一个选择按钮实现生产水比例系数的手动/自动模式切换，根据生产节奏和所加软化水因素进行设定；画面中能够人工设定生产水比例系数，也能够自动设定生产水比例系数；
3)硬度分析仪控制模式：选择2)中所述生产水比例系数自动模式，依据设定净环水硬度过程值计算所需的生产水比例系数增量；否则选择手动模式，生产水比例系数增量为零；
4)实际界面内容：显示的数据内容有生产水流量过程值、软化水流量过程值、净环水硬度过程值、净环水硬度设定值、理论生产水比例系数、实际生产水比例系数。
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