基于PLC的压风机模糊控制系统设计.pdf
文章编号 l O 0 1 9 9 4 4 2 0 1 1 0 7 0 0 4 5 0 5 基 于 P L C 的压风机 模糊控 制 系统设 计 毕伟 , 任 国华 , 姚 连杰 f 中 国矿 业 大 学 机 电 工程 学院 . 徐 J ,t、j 2 2 l 0 0 8 摘 要 为 了提 高煤 矿 压 风 机 自动 化 程 度 , 根 据 风 包压 力 自动 控 制 压 风 机 启 动 台数 , 介 绍 了应 用模 糊 控 制 算 法 建 立一 套 压 风 机 自动 控 制 系统 的 方 法 采 用 西 门 子P L C作 为控 制 系统 的核 心 .对 压风 机 及 各 设 备 的 运 行 过 程进 行 检 测 、 控 制和 管理 。上位 机 采 用W i n c c R态界 面 , 实现 对 参数 的显 示 和 修 改 . 并 可进 行 远 程 控 制 . .实践 证 明该 系统 运 行 平 稳 、 维 护 方便 、 提 高 了煤 砖 生 产效 率 关 键 词 压 风 机 } L C 模 糊 控 制 ;自动 化 监 控 系 统 W1 r l c c 中 图分 类 号 TP 2 7 3 文 献 标 志 码 B De s i g n o f Fuz z y Co n t r o l Sy s t e m o f Ai r Co mp r e s s o r Ba s e d o n PLC B I We i . R EN Gn o . h u a . YAO L j a n fie S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c l “ ,n g i n e e r i n g ,Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ,Xu z h o u 2 2 1 0 0 8,C h i n a Abs t r a c t I n o r d e r t o i mp r o v e t he a u t o ma t i o n l e v e l o f c o a l m i n e a i r c o mpr e s s o r , a n d a u t o mat i c a l l y c o nt r o l t h e nmn b e r o f w o r k i n g a i r c o mp r e s s o r i n a c c o r d a n c w i t h a i r p r e s s u r e , t h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e a p p l i c a t i o n o t ’ f u z z y c o n t r o l a l g o r i t h m t o e s t a b l i s h i n g a n a u t o ma t i c c o n t r o ls y s t e m o f a i r c o mp r e s s o r .I t a d o p t s S I EME NS P L C a s t h e c o r e o f c o n t r o l s y s t e m , mo n i t o r i n g、 c o n t r o l l i ng a nd ma na g i n g t he r u n ni n g p r o c e s s o f a i r c o n l p r e s s o r a n d o t he r e qu i p me n t s .Th e W i n CC i s u s e d f o r c o n fig u r a t i o n i n u p pe r c o mp u t e r i n t e r f a c e, whi c h c a n mo d i f y t h e p a r a me t e r a n d di s pl a y t h e v a r i e t i e s o f t he p a r a me t e r s, a nd r e a l i z e r e mo t e c o n t r o 1 .Th e pr ac t i c e ha s p r o v e d t h a t t h e s y s t e m p e r f o r ma nc e i s r e l i a b l e , a n d ma i n t e n a n c e i s e o n v e ni e n t ,wh i c h i mpr o v e s t h e p r o d uc t i v i t y e ffi c i e n c y o f c o a l mi n e i mpr e s s i v e l y . Ke y wo r ds a i r c o mp r e s s o r;PLC;Fu z z y c o n t r o l ; a ut o ma t i o n mo ni t o r i n g s y s t e m;W i n CC 压 风 机 是 一 种 将 电能 转 变 为 气 压 力 能 的 能 量转换装置 . 是许多风动设 备的动 力源 . 在煤矿安 全生产 中 占有举 足 轻重 的地 位 。 j 一 专统 的 风机 控 制多 数采 用 的是 人 r 就 地控 制 方 式 . 压 风机 的启 动 与停 止 . 冷却 水 系统 的 运行 与关 闭郡 需 要 由人 工 来 完成 .压 风 机需 要根 据 风包 的压 力频 繁 的 肩停 . 且 压风 机房 温度 高 、 噪 声 大 , 工 人 容 易产 生 疲 劳感 , 不 利于煤 矿 的安全 生产 为 了提高煤 旷压风机 房 的 自 动化 程 度 . 实 现 无人 值 守 . 并 实 时 地 将 现 场 各 设 备 的运行状态和系统参数传回控制室 . 开发了一套压 风机 实时 监控 系 统 . 采用 模 糊控 制 算 法 及时 高 效 地 决 策压 风 机 的启 动 台数 . 为煤 矿安 全 高效 生 产提 供 了有力的保证 。 1 系统整体 结构 压 风 机 房 配 置 5台 复 盛 螺 杆 式 空 气 压 缩 机 S A1 2 0 A. 排 气 压 力 为 0 . 7 5 MP a ~ 1 . 2 5 MP a . 功 率 1 2 0 k W 。容积 流量 2 1 . 1 m V m i n . 噪声 7 5 d B. 单 台内置 P L C, 具 有 自我诊测 及 保护 功能 . 且 有 R S 4 8 5通信 功 能 . 具备 了多 台连 锁控制 与远 程控 制的条件 . 液 晶显 示 屏可 显 示设 备 的运 行状 态 . 并 可 以修 改 压风 机 的 运行 参数 每 台压风 机都 配有 一 俞 I D M3 0自能数字 收稿 日期 2 0 1 1 0 3 一 l 6 修订 日期 2 0 【 1 - 0 4 2 6 作者简介 牛伟 1 9 8 6 一 , 男 , 在读硕士研究生 , 研充方向为工业 自动化 、 集控系统的设计 与开 发。 自 动 化 s 仪 表2 0 1 1 7 口 电表 , 可 以把 供 电线 路 的线 电 压 、 相 电压 、 线 电 流 、 相 电流 、 功率 等 电气参数 传 到上 位机 。由 于压风 机 功 率较 大 . 工作 时 产 生 大量 的 热 量 . 因此 配 有 冷 却 水 系统 .包 含一 座水池 、 3座冷却 水塔 和 5台水泵 。 用于风能存储的 5台风包与压风机配套使用 . 根据 煤矿安全规程 规定, 风包应放在室外阴凉处 。排 气 管 道和排 水管 道上 分别 装有 电动球 阀 . 可 以远程 控制其开启或关闭状态 压风机正常工作时. 4台工 作 , l台备用 。 2 控制系统设计 2 . 1 控 制 系统 的结构 控制 系统设 计成 由现场设 备 层 、过程 监 控层 、 信息管理层组成的 3级网络架构。现场设备层是网 络结 构 的最底 层 .主要 包 括 复盛 螺 杆 式 空 气压 缩 机 、 循环水系统和各种传感器 , 它是整个系统 的执 行部分 过程监控层是 3级网络结构的中间层 , 主 要包括 P L C 、 通信模块 、 交换机和 U P S电源等, 它可 以完成现场设备层中各设备间的连锁控制 , 并可以 将设备层的数据上传 到信息管理层 , 它是连接设备 层和信息管理层的桥梁 信息管理层主要包括服务 器、 工作站、 打印机等 , 它可以完成对生产设备状态 的在线监控、 设备故 障报警 , 并可以通过集线器 与 车 间办 公管 理 网连 接 . 便 于领 导层 的决策 和监督 l 2 ] 。 采用 3层网络架构的控制方式可以降低 出错率 , 提 高系统的诊断效率, 从而对企业的平稳运行产生积 极作 用 。图 l 为控 制系统 的结构 。 信息 管理层 过 程 监控层 现场 设备层 2 - 2硬 件配置 下 位机 控 制系统 选 用 西 门子 S 7 3 0 0系列 P L C 作 为控制 系统 的核心 为 了确 保系统在 断 电情 况下 能正常工作, 配备不问断电源 U P S . 提高控制层的稳 定性 下位机与上位机间的通信设备选用 E T H MP I 模 块 , 它是一 款 可 以代 替 C P 5 6 1 1的交换 机 . 一 端 连 接 S 7 3 0 0 / 4 0 0 P L C的 MP I 编 程 口 .另 一端 是 R J 4 5 以太 网接 13, 用户 可 以方便 地 下载 程序 并实 现 与上 位机的通信 图 2为控制系统的硬件配置图 U P S 电 源I- - - 电 源 模 块P S 3 0 7 C P U 模 块C P U 3 1 5 2 D P - - I E T H M P I 模 块 I I / O模块 S M3 2 3 模拟量输入模块 S M3 3 1 4 8 5总线 通 信 模 块C P 3 4 0 一 ] 一 { 一 压 风 机 分 一 图 2控 制 系统 的 硬件 配 置 F i g . 2 Ha r d wa r e c o n f ig u r a t ion o f c o n t r o l s y s t e m 上位 机选用 3台研 华 I P C 一 6 1 0 H工控 机 . 1台作 为服务器 . 另外 2台作为工程师站。 2 , 3 软件 设计 1 下位 机程序 设计 下 位 机编 程 选 用 西 门子公 司 开发 的组 态 软件 S T E P 7 V 5 . 4 S P 4编辑 本设 计采用 结构化 编程方式 编 辑下位机 程序 . 把 结构相 似 、 控制 功能相 近 的程序 编写成通用的指令模块 . 只要给通用模块赋不同的 参数 . 即可实 现不 同的控制 功能 。 在 P L C 工 作 时 . 系 统 程 序 循 环 扫 描 组 织 块 图 1 控 制 系统 的结 构 F i g . 1 S t r u c t u r e o f c o n t r o l s y s t e m O B1 . O B 1再 调 用 各 种 功 能 块 F C 完成控制任务。逻辑量判断处理 功能块 F C 2控制冷却水泵 、电动 阀门、压风机等开关量设备 的启 停 模拟 量数据采 集功 能块 F C 1 1 采 集各 种 传感 器 的数 据 并进 行 标 准 化 处 理 压 风 机 模 糊 控 制 器 F C 1 7会根 据风包 压力 的大小采用 模 糊控 制算 法 控制 压 风 机启 动 的 台数 复盛 压风 机通 信功 能块 F C 1 8主要是实现 P L C与压风机 和智能电表 I D M3 0的通信 .及时 地 采集 压风 机 的各 项 内部 参 数 和 智 能 电表 电压 、 电流等 情 况 , 一旦 数据 异常进 行故 障报警 。 2 上位 机程 序设计 上 位机 编 程 采 用 西 门子 专 业 组 态 软件 Wi n C C V 6 . 0 S P 3 A S I A来设 计 系统 设计 了 7 个 监 控界 面 , 包 括压 风机 集 控 界 面 、 低 压柜 供 电 界 面 、 报 警 查 询 界 面 、 系 统 曲线 界 面 、 报 表 打 印界 面 、 事 件 记 录 界 面 、 设 备 管 理与 维 护界 面 、 当班 人 员界 面 、 用 户 注 销 及退出界面 在上位机上不仅可以 荬现对系统各项 参数 的 显示 .还 可 以动 态 显示 各 设备 的运 行状 态 . 通 过 上 位 机 上 的软 按 钮 可 以远 程 控制 压 风 机 、 水 泵 、 阀 门等设 备 的开启 与关 闭 。 上位 机具 备 安全 操 控 与报 警 功 能 . 用 户 只有 在 登 录界 面输 入用 户 名和 密码 才 能 进入 系统 . 在 开 启 或关 闭设备时也必须输入密码 才可以实现远程 控 制 . 同 时事件 记 录界 面会 记 录操控 设 备 的用 户 名 和 操控时间, 做到责任到人 当设备 出现故障时 , 上位 机 自动启 动 声光 报 警器 发 出报 警 信 号 . 通 知 当班 人 员确认并排 除故障 . 通过组态 的报警记 录 . 记录故 障发 生 的时 间 、 设备 号及 故 障 类 型 . 便 于事 故查 询 。 图 3显示 的画 面是压风 机 的集控 界 面 图 3压 风 机 集 控 界 面 F i g . 3 I n t e r f a c e o f c e n t r a l iz e d c o n t r o l f 3 r a i r c o mp r e s s o r 3 模糊控 制算 法 3 . 1 本 系统 的模 糊控 制 策略 模 糊控 制是 基 于 丰富 的操作 经 验 总结 出 的 、 用 自然语 言 描述 的控 制 策 略 . 或通 过 量历 史 数据 归 纳出的控制规则 . 并通过计算机实现的 自动控制[ 3 ] 对 于压 风 机集 控 系统 . 虽 然难 以建 立 比较 精 确 的数 学模 型. 但现场师傅却能通过丰富的操作经验实现 良好 的控制 效 果 . 模 糊 控 制 的思 想 正是 基 于此 建 立 与 发展 的 . 并且 对 系统 参 数变 化 及 负载 扰 动 变化 不 敏感 [ 。 在压 风机 房 .每 台压 风机 都 连 接一 个 风包 . 压 自动 化s 仪表2 0 1 1 7 风 机产生 的压 缩空气 存储 在风 包 当中 通 常情 况 下 . 4个 风包 的供气 阀门都 打开 .并 与主 排气 管路 相 连 接 . 形 成 了一 个 等 压 系 统 . 在风 包 中装 有 压 力 传感 器 .排气 管路 上装有 超声 波流 量计 .采用计 算机处 理 . 很容 易得 到风包 压力 和压力 的变化 率 。因此 . 采 用模 糊控 制算 法 , 利 用量 化 因子和 比例 因子 . 可 以分 级控制压风机 的启动台数 . 在控制精度要求不是很 高的情况下 . 能明显提升系统对外部用气量的响应 能 力 。 3 _ 2模糊 控 制方法 的实现 模糊控制算法涉及 的数据比较多 . 计算量也 比 较 大 . 本 设计 利用 Ma t l a b强大 的数 据 分析 及处 理 能 力 , 结合模糊控制箱 F I S , 通过以下几个步骤 . 可以 比较容易地实现模糊控制算法 1 选 择语 言变量 如 上所 述 , 本设 计 以风包 压 力 的偏 差 和压 力偏 差的变化率为输入量 . 以压风机运行的台数为输出 量。3个模糊变量为 压力偏差 E ,压力变化率 E C , 压风机 运行 的 台数 U 2 确 定模 糊论域 和隶 属度 函数 压力 偏 差 E 分 为 l l 级 , 定 义其 论域 为 { 一 5 , 一 4, 一 3, 一 2, 一1 , 0, 1 , 2, 3 , 4, 5} ; E的模 糊子 集 为 { N B 负 大 , N M 负 中 , N S 负 小 , P S i E d x , P M 正 中 , P B 正大 } ; 压力变化率 E C 分为 7级 , 定 义其论 域为 t 一 3 , 一 2 , - 1 , 0 , 1 , 2 , 3 } ; E C的模糊 子集为 { N B 负大 , N M 负 中 . N S 负 小 , Z E C 零 , P S 正 小 , P M 正 中 , P B 正 大 } ; 输 出量 分 为 5档 , 定 义其论 域 为 { 0 , 1 , 2 , 3 , 4 , } ; 的模糊子集为 { z 零 , s J l , , M 中 , B 大 , O B 很大 } 由于不 同类 型 的隶属度 函数对 控制 的灵敏 性和 稳定性有直接的影响 , 结合专家经验和实际控制要 求 , 输入 量 和控 制量 的隶属 度 函数 曲线 如 图 4 ~ 图 6 所 示 。 3 建立 量化关 系 通 常情 况下 , 风包压 力 的变化 范围 为 『 0 . 5 5 M P a . 0 . 7 5 MP a ] , 取 0 . 6 5 MP a为 设 定 值 , 则 压 力 偏 差 的 范 围为 [ 一 0 . 1 MP a , 0 . 1 MP a ] , 利用 公 式 1 把 [ 一 0 . 1 MP a , 0 . 1 MP a ] 之 间的精确 量转 化为 『 一 5 , 5 ] 间的模糊 量 。 囫 1 运0 .8 g 0 . 6 吕 O .4 o .2 。 O 5 - 4 - 3 2 1 0 1 2 3 4 5 压 力 偏 差 图 4 压 力 偏差 E 的隶 属 度 函数 曲线 F i g . 4 Me mb e r s h i p d e g r e e f u n c t i o n c u r v e o f p r e s s u r e e r r o r E 压力变化率/ E C 图 5压 力变 化 率 EC 的 隶属 度 函数 曲线 F ig.5 Me mb e r s h i p d e g r e e f u n c t i o n c u rve o f p r e s s u r e e r r o r v a r ia t i o n Ec 图 6压 风 机 运行 台数 £ , J 的 隶 属 度 函数 曲线 F i g . 6 Me mb e r s h i p d e g r e e f u n c t i o n c u r v e o f nu mb e r o f wo r k i n g a i r c o mp r e s s o r U 一 l O .一[ x - a b 丝] y 一 式 中 [ 0 , b ] 分 别为压 力偏 差 e的最小 值 和最大值 ; 为实 际压力值 ; y为量 化级数 。 通过 长期 的观 察和 统计 . 风包 压力 的变 化 率为 [ 一 0 . O 0 2 M P a / m i n , 0 . O 0 2 MP a / mi n ] 之 间 , 同样 , 利 用 式 2 可 以将其转化为[ 一 3 , 3 ] 的模糊量 。 田 2 式中[ 口 , b ] 分别为压力偏差变化率 c的最小值和最 大值 ; 为实 际变化率 ; y为量 化级数 。 同时 , 通过 计 算可 以得 到 量化 因 子 K 及 K 和 比例因子 K⋯ 4 确定模 糊控 制规则 根据现 场操 作师傅 的经 验和要 求 .得 出如表 1 的模糊 控制规 则 表 1模糊 控 制 规 则 表 Ta b . 1 F u z z y c o n t r o l r u l e s t a b l e 由表 l可 以得 出 4 2条模 糊 控 制规 则 .并输 入 Ma t l a b的 F I S编辑 器 中 .利用 加权 平均法 进行模 糊 判决 , 得到 最终 的模 糊控制 查询表 , 如表 2所示 。 表 2模糊控制查询表 T a b . 2 F u z z y c o n t r o l q u e q t ab l e 模 糊控 制查 询 表是 该模 糊 控制 算 法 的结果 . 把 这个 表放 到 P L C的数据 存储 区 . 并 且 编辑 一个 查询 该表 的子 程序 块 。控制 系统 工作 时 , 在 每个 控 制周 期 . P L C采样得 到 压力 偏差 e和变 化 率 e c .经 过量 化后查询表 2 , 可立 即得到输出需要的控制量 “ . 送 d ll f 墨 c l星 g 。 【譬 。 盆 2 2 l 1 l 1 I l O O O 2 2 2 2 1 1 l l l O 0 3 2 2 2 2 2 l 1 l 1 O 3 3 3 3 2 2 2 2 l 1 0 4 3 3 3 3 3 2 2 2 1 1 4 4 4 3 3 3 3 2 2 2 l 4 4 4 4 4 3 3 3 3 2 2 4 O 2 3 4 5 给控 制对 象达 到控制 的 目的 。 4 结 语 本设 计采 用 P L C作 为控 制 系统 的核 心 . 结 合模 糊 控制 算 法 和现场 操 作员 长 期操 作 的经 验 , 建 立 了 基 于压 力 控制 的模 糊 控制 器 . 可 以艰据 外 部 用气 量 决 定启 动 压风 机 的 台数 . 并优 先 启 功运 行 时间 较短 的压 风 机 . 实 现 了压 风 机 高 效 、 均 匀磨 损 的 自动 控 制 该 系统 通过 Ma t l a b / S i m u l i n k仿 真 后 可 以看 到 , 系统很 快进入 了稳 态 . 且 无震 荡 , 无 超调 。 目前该 系 统 已经 在 平 煤 集 团 和 山 东 柴里 煤 矿 多个 压 风 机 房 投 入运 行 . 实 践证 明 , 该 系统 运 行平 稳 , 现 场 评 价 良 ” ” n n 十一 一 “ 一 ” - ” ” - J 一 - - 一 - 一 一 好 . 有 较好 的鲁 棒性 , 完全 达到 了设计要 求 。 参 考 文 献 『 1 ]仝维仁 , 张晓光 . 蒋恒深 , 等. 基于 A的压风机群组监控及诊断 系统设计 [ J ] . 矿山机械 , 2 0 1 0 , 3 8 1 1 2 9 3 3 . 『 21胡 学 林 . 可 编 程 控 制 器 教 程 提 高 篇 [ M] . 北 京 电子 T业 出 版 社 , 2 0 0 5 . [ 3]石辛民 , 郝整清. 模糊控制及 其 Ma t l a b仿 真[ M] . 北京 清华大学 出版 社 . 2 0 0 8 . [ 4]M N U d d i n , T S R a d w a n , M A R a h m a n . P e rf o r ma n c e s o f f u z z y - l o g i c b a s e d i n d i r e c t v e c t o r c o n t r o l f o r i n d u c t i o n m o t o r d ri v e [ J ] . I EEE Tr a n s o n I n d u s t r y Ap p l ic a t i o n s .2 0 0 2, 3 8 5 1 21 91 2 2 5 . [ 5 ]张浩 , 李振璧 , 姜媛媛. 基 于 P L C的瓦斯 移动抽排模糊控制系统 [ J ] . 工矿 自动化 , 2 0 0 7, 1 0 5 4 3 4 5 . ■ 一 一一 一一-- 卜 - ---一 一一 -一- - 卜 一 _一 卜 一卜 第二十二届 多国仪器仪表展览会展商动态 2 0 1 1年 8月 3 0 9月 2日 中国国 际展 览 中心 老馆 北 京普 析通 用仪 器有 限责 任公 司 P F 6原子荧光光度计P F 6多道全 自动原子荧光光度计能轻松实现 A s 、 S e 、 P } 】 、 B i 、 T e 、 S n 、 S b 、 H g 、 C d 、 Z n 、 G e等十 一种元 素 的痕量 分析 , 广泛 应用 于食 品卫 生 、 海 洋环 境 、 水 产 品检测 、 环境 检测 、 教育 及科 研 、 农 业 及 产 品检测 、 地质 冶金 、 卫生 防疫 、 化妆 品检 测等 领域 。 多晶 X射 线衍 射 仪 北 京 普 析通 用仪 器 有 限责 任公 司作 为分 析仪 器 的专 业 制造 厂 商 . X D系 列 自动 X 射线粉末衍射仪 , 其性能优 良, 质量可靠 , 是分析人员的好帮手。 台湾 升 畅 创 立 于 1 9 8 0年 , 致 力 于工业仪 器的销售 和技 术支 援服 务 。公 司产 品包 括压 力 、 温 度 、 流量 、 液 位 、 开关 和 一 般 管配 件 。代 理 产 品有德 国 A r r r a t r u e n b a u , S c h B e i d e r ; 日本 Hy o d a , O V A L ; 美 国 D w v e r ; 两班 牙 T e c fl u i d I n s t r u m e n t s 印度 0 r i o n等 必郝 特 上海 泵 阀有 限公 司 简 称 P I A P I C U T I N D E S T R I E S A I S A , 是 P I C U T I N D E S T R I E S集 团 在 亚 洲 的 分 公 司 。 P I C U T I N D E S T R I E S 旗 下 全 资 拥 有、 A T S O N MC D A N I E L . L I Q U I F L O. A C C U R A T E B U S H I N G C O M P A N Y. T R E R I C E, A ME R I C A N P R O D U C T S C O MP AN Y. P I C U T MAN U F A C T U R U N G. P I A七 家公 司 其 中 WA T S O N MC D A N I E L 华 申 马 克丹 尼 作 为知 名产 品早 于 1 9 9 7年 就 已经 进入 中 国市场 美 国 WA T S O N MC D A N I E L工 厂 成 立 于 1 8 7 8年 .距 今 已近 有 1 3 0多 年 的 悠 久 历 史 .并早 在 1 9 9 5年 就 已通 过 I S O 9 0 0 1标准 。 自 1 8 7 8年 以来 , 美 国 WA T S O N MC D AN I E L公 司一直致 力 于为各 工业 领域 , 提供 范 围广 泛的 产 品以及优 质服 务 。帮助广 大客 户提 高蒸 汽 系统 , 压 缩空 气系 统 , 热传 输 和流体 系统 的运 行效率 德 国飞 托克 有 限责任公 司 F I T O K G m b H 阀门管 件专 家一一 F I T 0 K致 力于 研发 、 制 造最好 的流体 系 统产 品和 提供最 佳 的流 体系 统 解决方案 , 现已成长为全球最重要的高质量仪表管阀件开发商和制造商之一 自 动 化 与 仪 表2 o l t D 四