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基于PLC的矿浆槽温度模糊控制系统设计研究
2014-05-12
基于PLC的矿浆槽温度模糊控制系统采用某冶金矿山充气式浮选扫选机矿浆槽(为圆柱型垂直筒体)作为被控对象。
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基于plc的矿浆槽温度模糊控制系统采用某冶金矿山充气式浮选扫选机矿浆槽(为圆柱型垂直筒体)作为被控对象,通过控制流经环绕矿浆槽内壁的蒸汽管道内的蒸汽量的多少达到控制矿浆槽内矿浆温度的目的。对温度进行控制的方法很多,其中利用plc可编程控制器进行控制占有很大的比例。在plc控制中,可以分为以pid算法进行精确控制的pid控制,以及以经典模糊算法进行控制的模糊控制。也有将pid控制与模糊控制结合的pid自适应模糊控制。在本系统中采用经典模糊算法中的经验模糊算法作为系统的控制规则。

1矿浆槽温度控制系统介绍

为了保证充气式浮选扫选机矿浆槽(为圆柱型垂直筒体)内的矿浆不因温度过低或过高而影响浮选扫选机的选别效果,需要设计一套温度控制系统,对浮选扫选机矿浆槽内的矿浆进行恒温控制,以保证矿浆槽温度控制在30℃左右的最佳温度范围。结合锅炉蒸汽和蒸汽阀门的开通情况,该系统通过安装于矿浆槽内的温度传感器检测被控对象温度,再通过plc控制器根据所检测的数据发出指令,控制进气管道气动闸阀上的控制元件电磁阀的开阖度,最终控制由锅炉提供的蒸汽的输入量以改变矿浆槽的温度。

2矿浆槽温度控制系统组成

    矿浆槽温度控制系统由厂内锅炉房提供蒸汽,通过输气管道传输到被控矿浆槽槽壁,于内壁环绕。矿浆槽为室内大型矿浆槽,容量为160m3。通过热传递将蒸汽温度传送到槽内储存的矿浆中,使其温度保持在30℃左右。在矿浆槽下方安装有一个蒸汽进气阀门,用plc可编程控制器控制蒸汽进气量。在槽壁上安装一个温度传感器,使其温度探头置于槽内矿浆中以检测槽内实际温度,使其尾部接线端置于槽外,通过外部连线与plc可编程控制器模拟量输入模块连接以读取所测数据。矿浆槽温度控制系统结构见图1。

矿浆槽温度控制系统结构

图1矿浆槽温度控制系统结构

由图1可见,矿浆槽温度控制系统控制2个矿浆槽,每个矿浆槽有1个测温输入点(模拟量输入),1个进气电磁阀控制输入蒸汽(开关量),1个送风电机(开关量),共2个开关量输出。1个启动按钮,1个停止按钮,1个急停按钮。1个矿浆槽需要3个开关量输入,2个开关量输出和1个模拟量输入。整个系统还需要设置1个总启动开关,1个总停止开关(共2个开关量输入点),1个总进气电磁阀(共1个开关量输出点)。合计整个控制系统需要开关量输入8点,开关量输出5点,模拟量输入2点。

矿浆槽温度控制系统中所用控制器为西门子s7-200系列plc可编程控制器及其辅助模块,通过模拟量输入模块将输入的模拟量转换为数字量传送到cpu模块进行处理,再通过cpu模块的开关量输出端子将控制指令传送到气动闸阀上的控制元件电磁阀及送风电机等执行机构以进行温度控制。

矿浆槽温度控制系统中由于总计有开关量输入信号8个,开关量输出信号5个,因此可选用cpu222、cpu224或cpu226。由于是在实际生产线上运用,但由于另外还有两路模拟量信号输入,且在生产实际中需要考虑到系统的维修、改善及升级等需求,可预留一些i/o端子以备使用,因此可排除cpu222。另外从成本考虑,cpu224完全能满足系统的各项指标,而使用cpu226则降低了使用率,导致多数端子处于闲置状态,因此为节约成本,选用cpu224为最佳选择。系统中由于连接热电阻与模拟量模块输入端的导向距离较长,因此排除两线制接线方式,而由于所测量温度对应的电阻值不是很小,因此不必采用成本较高的4线制接线方式,最终经过综合考虑采用三线制接线方式。

3系统模糊控制算法

系统的核心部分为模糊控制器,模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现,实现模糊控制算法的过程是经中断采样获取被控制量的精确值,然后将此量与给定值比较得到误差信号。一般选误差信号作为模糊控制器的一个输入量,把误差信号的精确量进行模糊量化变成模糊量,误差e的模糊量可用相应的模糊语言表示。至此得到了误差e的模糊语言集合的一个子集e,再有e和模糊控制规则r(模糊关系)根据推理的合成规则进行模糊决策,得到模糊控制量u。模糊控制原理见图2。

                         模糊控制原理

图2  模糊控制原理

从广义上讲,模糊控制是基于模糊推理,模仿人的思维方式,对难以建立精确数学模型的对实施的一种控制策略。它是模糊数学同控制理论相结合的产物,同时也是智能控制的重要组成部分。模糊控制的突出特点在于:①控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型,值需要提供现场操作人员的经验知识及操作数据;②控制系统的鲁棒性强,适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变及大纯滞后等问题;③以语言变量代替常规的数学变量,易于形成专家的“知识”;④控制理论采用不精确推理。推理过程模仿人的思维过程。由于介入了人类的经验,因而能够处理复杂甚至病态系统。经典的模糊控制器利用模糊集合理论将专家知识或操作人员经验形成的语言规则直接转化为自动控制策略,其设计不依靠对象精确数学模型,而是利用其语言知识模型进行设计和修正控制算法。

综合控制系统的成本以及在生产过程中被控对象对系统控制精度的要求,矿浆槽温度控制系统采用plc模糊控制中的经典模糊算法来实施控制。其中略去温度变化率的因素,即仅考虑实际温度值与设定温度值的比值关系来确定控制规则。可归纳为一维的模糊控制规则:if......then......。具体控制规则由现场经验确定如下:

如果检测温度低于设定值的50%,则进气阀门打开的占空比为l00%。

如果检测温度高于设定值的50%且低于设定值的80%,则进气阀门打开的占空比为70%。

如果检测温度高于设定值的80%且低于设定值的90%,则进气阀门打开的占空比为50%。

如果检测温度高于设定值的90%且低于设定值的100%,则进气阀门打开的占空比为30%。

如果检测温度高于设定值的100%且低于设定值的102%,则进气阀门打开的占空比为10%。

如果检测温度高于设定值的102%,则进气阀门打开的占空比为0%。

4 系统设计

    矿浆槽温度控制系统中由于只采用了子程序调用而没有采用中断,因此结构比较简单。在系统总启动之后,主程序只要不断查询各个子程序的启动条件并根据启动条件去决定是否调用温控程序即可,其系统流程见图3。

系统流程

图3  系统流程

    矿浆槽温度控制系统首先运行plc控制器,cpu模块开始对主程序进行周期性扫描,当总启动按钮按下后总进气阀打开,系统开始检测1号和2号矿浆槽的启动情况,若1号启动按钮和2号启动按钮都按下后,系统开始按控制规则分别对其进行温度控制,当指令发出后系统开始检测总停止情况,若总停止按钮为按下,则系统开始进行下一轮扫描,下一轮控制,依次进行,直到总停止按钮按下,系统结束运行。

当需要运行系统时,应先开启1号、2号风机,启动电机供风循环热气流,与此同时开启总进气阀,根据事先设置好的程序对1号、2号矿浆槽进行温度控制,也可任意开启其中一个矿浆槽。当系统结束运行时,关闭总进气阀,按下停止按钮关闭风机。

连锁要求为只有总进气阀打开,才能启动各矿浆槽进气阀。

系统控制过程应该满足如下要求,总启动按钮按下以后整个系统允许运行,按下总停止按钮整个系统停止运行,每个矿浆槽都可以自行控制,按下各矿浆槽的启动按钮后各矿浆槽开始运行,按下其停止按钮各矿浆槽停止运行,按下急停按钮禁止各矿浆槽的输出控制。

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