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P L C模糊控制系统在双盘冷却器风机上的应用 App l i c a t i o n o f PLC Fu z z y Co n t r o l Sy s t e m o n t he Bl o we r o f Duo Di s k Co o l e r 周立波 无锡一汽铸造有限公 司， 江苏无锡市 2 1 4 0 2 6 摘要 研究冷却风量与旧砂温度和湿度关系的模糊控制算法， 及其在 P L C中实现的方法； 通过变频器调 节双盘冷却器鼓风机 的转速， 以实现节能的目的， 提高企业的经济效益。 关键词 双盘冷却器， 模糊控制， P L C 中图分类号 T G2 3 1 ． 5 文献标识码 A； 文章编号 1 0 0 6 9 6 5 8 2 0 0 9 0 5 4 1 前 言 双盘冷却器通过短时间 内在刮板的强 烈搅拌下 ，在热砂从进 口向出口转移过程 中， 通过加水 、 鼓风 、 抽风 ， 促使水分蒸发以 达到降温的目的， 同时对回用砂有一定的再 生 、 预混作用 ， 使其成为对粘土砂系统回用 砂进行冷却的最佳装置之一。 图 1为双盘冷却器控制系统结构示意 图， 主控系统采用 了西门子 S 7 3 0 0 P L C 。 模 拟采集 系统主要包括温度和湿度测量传感 器 ，执行机构主要包括加水电动调节水阀、 鼓风机和抽风机变频器 ， 这三大部分构成了 冷却控制系统的主要硬件。 喷水装置设有稳 压水箱 、 恒压水泵 、 电动调节水 阀及加水喷 头。 冷却风量 由冷却室入 口处的鼓风机和顶 部的抽风机进行调节控制。 检测到砂层达到 一 定的厚度时 ，才对热砂进行喷水冷却处 理。 根据转子驱动功率来调节卸砂门的开 口 大小， 始终维持冷却室内砂层的厚度， 使砂层冷却的 时间得到充分保证 ， 温度得以降低 ， 水分得 以调节。 风机的控制采用模糊控制来替代传统 的控制方 法 ， 它在处理包含次要从属控制量的过程控制 、 非线 性和多变量控制系统 、操纵量时变控制参数分配和 纠正等情况时比传统方法更具优越性。 在实际工程项 目中，许多系统和过程的控制都 十分复杂 ，很难建立准确的数学模型或者设计出通 常意义下的控制程序 ，往往是根据长期积累的经验 来人工控制 。模糊控制算法正是基于设备操作者和 收稿 日期 2 0 0 9 0 7 0 2 文章编号 2 0 0 9 0 8 7 作者简介 周立波 1 9 7 4 一 ， 男 ， 工程师 ， 主要从事铸 造设备的机 电设 计和维护工作 图 1 冷却控制系统结构示意图 工艺人员在实际工程中的经验总结出来的一系列语 言型规则， 并运用这些规则归纳出来的一种算法f l1。 2 冷却风量与旧砂温度湿度关系的模糊控制算法 2 ． 1 模糊控制原理 、 P L C模糊控制 的核心是利用模糊集合理论 ， 把 人的控制策略的自然语 言通过建立数据库的方式转 化为 P L C的知识库 ，经过 P L C相应 的程序处理 ， 模 拟人的思维方式 ，对一些无法构造精确数学模型的 系统的控制对象进行有效的控制网 。 图 2所示为模糊控制的基本原理图。从 图中看 出， 模糊控制也是闭环控制 ， 它也要不停地检测控制 对象的输出 调节量 。但它要把输入这个精确量转 换为模糊量 称作模糊化 ， 进而利用输入输 出问的 模糊关系进行模糊推理。 模糊关系就是基于人们 特 C FM T 中国铸造装备与技术 5 ／ 2 0 0 9 图 2 模糊控制原理 图 别是专家的经验 所形成的一系列规则 大前提 。 模 糊推理把检测到的模糊输入 小前提 与模糊关系结 合进行判断 ， 得出一个结论给控制对象。 但是模糊推 理得 出的结论也是模糊的，要把这个结论用作控制 量 ， 还需要把它转换为精确量 称作解模糊 ， 以给出 控制对象应得 到的精确控制值 。 2 ． 2 模糊控制算法 冷却风量与旧砂温度和湿度 的模糊控制算法分 三步 首先是分别模糊化温度和湿度为相应模 糊子 集的隶属度 ；其次是建立冷却风量与温度湿度关 系 的控制规则进行模糊推理 ；最后解模糊把模糊输 出 量转换为精确 的冷却风量输出。 2 ． 2 ． 1 输入量模糊化算法 F u z z i fi c a t i o n 输入量模糊化的任务是把检测到的被控制量值 转化为相应模糊子集的隶属度 。 首先要分别为温度和湿度这两个输入量 被控 量 划分模糊集 。按 照旧砂温度来划分 ， 分为“ 冷 ” 、 “ 温” 、 “ 热” 3个模糊子集 ； 按照旧砂 的湿度来划分 ， 分 为“ 干” 、 “ 中” 、 “ 湿” 3个模糊子集。 模糊输 出量按照冷 却风量来划分 ， 分为“ 小 ” 、 “ 中” 、 “ 大” 、 “ 超” 4个输 出 模糊子集 。 其次 ， 分完子集后 ， 还要依据经验 ， 确定 各个模 糊子集的隶属 函数 。 然后通过设计 P L C程序 ， 把检测 到的被控量的值转换为相应模糊子集的隶属度。 图 3 反应温度和湿度的各模糊子集及其隶属 函数。 2 ． 2 ． 2 模糊推理算法 I n f e r e n c e 模糊推理 的任务是根据 当前 旧砂温度湿度 的不 同隶属度的模糊子集 ，遵照预先设置 的规则 i f ⋯ t h a n ， 推断出相应的冷却风量模糊控制输出。 表 1 是 在 f u z z y c o n t r o l 软件 中设置 的冷却 风量 与旧砂温 度湿度关系的规则表。 在上表中所列的不是简单的“ I F A T H E N B ” 规 则 ， 而是 “ I F A AN D B T H E N C ” 规则 ， 这 里 的 A、 表 1 冷却风量与旧砂 温度 湿度关 系的规 则表 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Te mp e r a t u r e c o l d c o l d c o l d Wa r n 1 h o t h o t h o t Mo i s t u r e d r y fit we t d r y fit we t d r y fi t we t Vo l u me s ma l l s ma l l mi d mi d mi d l a r g e l a r g e h u g e h u g e o F M T中国铸造装备与技术 5 ／ 2 0 0 9 B、 C都是模糊量的集合。由表 i可以知道 ， 大前提即 为冷却风量与旧砂温度湿度之间的关 系 A nB c， 小前提即为温度与湿度的组合状 态 A nB 。 ， 则冷却 风量可推理为 C l I ／ B r ／ C 。其 中关系可 以用以下 9行 4列矩阵表示 其中“ 0 ” 、 “ 1 ” 代表的是 关系隶属度 c o l dndr y c o l dnf i t c o l d nwe t wa r m n d ry A nB } C wa r mnfi t wa r m n we t h o t n d ry h o t nfit h o t nwe t 在图 3中，假设某时刻冷却室 内检测到的旧砂 温度为 5 2 ℃， 湿度为 1 ． 7 5 ％， 则对于温度变量来说 ， 各模糊子集对应的隶属度为 d O， 一 0． 8， 7 0． 2 而对于湿度这个变量来说 ，各模糊子集对应的 隶属度为 眠 O ． 2 5 ， 0 ． 7 5， 0 根据 以上模糊 子集相对应 的隶属度和规则表 ， 可以看出此时有 4条规则起到作用。模糊逻辑“ 或” 的隶属度为 A、 B的较大者 ，即按最大原则确定其隶 1 ．0 0．8 0 ． 5 O ． 2 1 ． 0 O ． 7 5 0 ． 5 O ． 2 5 0 2 O 3 0 4 0 5 O 6 0 8 O T e mp e r a t u r e ／ ℃ a 温度 的各模糊子集及其模糊 函数 Tr u t h v a l H e 1 ． 4 1 ． 6 1 ． 8 2 ．0 2 ． 2 2．4 Mo i s t u r e ％ b 湿度 的各模糊子集及其模糊函数 图 3 温度和湿度的各模糊子集及其模糊函数 49 e 0 O 0 O O 0 O 0 O e O 0 0 0 0 O 0 0 O ． m O 0 1 1 1 O O 0 O a 属度 ； 而模糊逻辑 “ 与” 的隶属度为 A、 B的较小者 ， 即按最小原则确定其隶属度 。因此， 规 则 4中 ， 0 ． 8 a n d 0 ． 2 5 l i n k e d b y AND O ． 2 5 规 则 5中 ， 0 ． 8 a n d 眠 0 ． 7 5 l i n k e d b y AND O． 7 5 规 则 7 中 ， z 0 ． 2 a n d 如 0 ． 2 l i n k e d b y AND O． 2 规 则 8中 ， 0 ． 2 a n d 0 ． 7 5 l i n k e d b y ANDO． 2 所 以小前提 A nB ， f 0 0 0 0 ． 2 5 0 ． 7 5 0 0 ． 2 0 ． 2 0 1 ， 则 C。 A nB nB C [ 0 0 0 0 ． 2 5 0 ． 7 5 0 0 ． 2 0 ． 2 0] 此时输出 C 『 0 1 0 ． 2 0 ． 2 o 即冷却风量的各模 糊子集中， “ 小”的隶属度为 0 ， “ 中”的隶属度为 1 ， “ 大” 的隶属度为 0 ． 2 ， “ 超” 的隶属度为 0 ． 2 。 2 ． 2 ． 3 解模糊算法 D e f u z z i fi c a t i o n 模糊推理得到的冷却风量输出仍然是一个模糊 量 ， 是输出模糊子集 。 解模糊的任务就是根据冷却风 量 4个输出模糊子集 的隶属度 ，确定最终的冷却风 量控制输出。 输 出模糊子集 函数为区域函数 ，可 以采用重心 法的解模糊方法。 根据图 4 a 所示 ， 其重心的 轴坐 标 即为解模糊输 出的确定值 。 f f I 0 X ／z e J xf x ． ． ‘ X s l_ 。 。 一 I f l Ao x ／ z 8 J ⋯ 在实际应用中，输 出模糊子集函数常采用单一 函数。 对用户来说 ， 定义单一函数作为输出比定义区 域函数要简单得多 ， 而且 P L C程序设计简单 ， 计算快 速， 只需要 占用很少内存。这样 ， 功能块执行周期的 减短， 无疑加快了系统响应速度。 如图 4 b 所示 ， 对单一函数采用重心法， 其计算 公式和加权平均法是一致的。当冷却风量模糊输 出 C f 0 1 0 ． 2 0 ． 2】 时 ， 5 0 1 ．0 P,B 一 0 Xs 1 3 X Vo l u me ％ a 区域 函数重心法解模糊 t r u t h v a l v e s ma l l mi d d l e l a r g e h u g e I ／ A o x j ／ ／ ， l ， l I J l ‘ 。 | { x f { 1 0 2 5 5 0 7 5 1 0 0 V o l u me ％ b 单一函数重心法解模糊 图4 区域函数和单一函数重心法解模糊 s 6 0 ． 7 U U “ 旷卜⋯ l． ． 此时 ， 冷却风量应控制为风机满流量的 6 0 ． 7 ％。 通过三维视 图 5可很直观地看出模糊控制输出 冷却风量 V o l u me 和模糊输入 温度 T e m p e r a t u r e 、 湿度 Mo i s t u r e 在表 1 规则下的对应关系。 图 5 3 D图形表示模 糊输入输 出关系 3 模糊算法在 P LC中的实现 软件 “ F u z z y C o n t r o l ” 能够在安装有 S T E P 7编程 软件的所有 S I MA T I C S 7编程设备上使用。 利用编程 设备创建和启用模糊应用程序后 ，通过点对点连接 MP I 或通过 L A N总线和通讯模块 C P 连接到可编 程控制器的 C P U 。 定义输入输出模糊子集 、 阐明简洁的规则 、 确定 在系统程序里合适 的时间调用模糊应用 ，这三项任 C FM T 中国铸造装备与技术 5 ／ 2 0 0 9 0 0 0 0 0 0 0 l 1 0 0 0 O 0 1 l 0 0 0 0 1 1 l O 0 0 0 l l 0 0 O O 0 0 0 务是创建一个模糊控制系统必不可少的一 一 部分。 3 ． 1 模糊控制功能块 的调用 模糊控制功能块带有一个背景数据块 ，它实际 上也是模糊控制功能块 和用 户之间的一个接 口， 用 户必须在模糊控制功能块被调用之前输入背景数据 块 的各输入地址 ，通过 F u z z y C o n t r o l 软件 的配置 工具 ， 输入模糊子集和规则到背景数据块 中。 在循环或 中断程序中绝对调用冷却风量 的模糊 控制功能块 ， 同时标明相应的背景数据块 。当模糊控 制功能块被执行时 ，即可以读出存储在背景数据块 中的冷却风量输出值 。图 6所示即为冷却风量模糊 控制功能块 F B 3 0被调用的结构示意图。 { 两档 。 I a m 图 6 模糊控制块 F B 3 0及背景数据块 D B 3 0的调用结构 3 ． 2 模糊应用的状态和相应对策 模糊控制功能块借助变量参数“ I NF O” 来反映模 糊应用的状态，如果有错误出现或者警示占据的时 候 ， 模糊控制功能块将突然停止 ， 模糊输出将不能 由 模糊控制功能块确定， 此时需要对输 出值进行特别处 理。对输出模糊子集的输出行为进行规范时有两种 选择 ， 保持上次输 出值或设置一个 固定值作为输出。 当鼓风机的风压不 足时 ，双盘 内风 口可能会因 为砂层偏厚而出现堵塞现象 ，因此需要对鼓风机有 一 个最小风压的保证 ， 有两种方法可以进行该处理 1 在模糊控制功能块 出现警示或错误信息时 ， 使输出为一个固定值 ，此时相应的 P L C模拟输出电 流值为 4 ～ 2 0 m A之间的一个固定值 ，从而使变频器 模拟信号输入端的电流为一个同定值 ，保证 了此 时 变频器有一定的工作频率 。 2 在模糊控制功能块 出现警示或错误信息时 ， 使输 出为 0 ，此 时相应 的 P L C模拟输 出电流值 为 4 mA， 但只要设置变频 器的最小输 出频率 ， 同样 可以 保证最小风压的实现 。 4 冷却风量调节与控 制 图 7是鼓风机闭环控制系统的原理图。P L C模 拟输入模块采集 了现场 的温度和湿度值后 ，通过模 糊控制程序的处理 ， 输出一个 4 - 2 0 m A的电流信号， 作为变频器的模拟输入信号 ，从而调节变频器的频 C FM T 中国铸造装备与技术 5 ／ 2 0 0 9 图 7 鼓 ．阪 【 机闭环控制 系统原理 图 率 ， 达到改变风机转速的 目的。 由于当鼓风机 的风压不足或双盘 内砂层过厚 ， 双盘 内风 口会 出现堵塞现象 ，尤其是砂子水分过高 这种堵塞除非人工清理 ， 其系统本身是无法恢复的 ， 因为湿的砂子堵塞进风 口干后会非常坚硬【3 _ 。当双盘 内风 口堵塞后 ， 鼓风机电流将降低到空载电流值 ， 故 检测鼓风机电流会及时发现这种堵塞现象 ，系统会 根据预设的程序进行两方面处理 1 在 P L C模糊控制的模拟输出电流处 于最小 的 4 m A时， 相对应的变频器的最小输 出频率设置为 2 0 H z ，保证鼓风机变频器最小频率不低于某一设定 值 ， 从而保证风机 的最低转速 ， 以足够保证 内风 口不 被堵塞 ； 2 把电机电流通过电流传感器接入 P L C模拟 输入模块 ，从而可以监控风机 电流是否降低到空载 电流值 。 鼓风机送人冷却室的空气受热膨胀 ，并且又产 生 了大量水蒸气 ， 为了能全部被迅速及时地排走 ， 尽 可能地带走更多的热量 ，必须保证抽风机变频器的 模拟控制电流始终 比鼓风机变频器的大一些。在模 糊控制程序处理后获得的鼓风机变频器模拟控制电 流对应的模拟量数值上加一个正偏差 ，作为抽风机 变频器模拟控制电流对应的模拟量数值 。 5结语 通过研究冷却风量与旧砂温度和湿度关 系的模 糊控制算法 ， 以及其在 s 7 3 0 0 P L C中实现的方法 ， 对 冷却风量进行模糊控制后 ，不仅节电率可达 3 5 ％以 上 ，而且使冷却器入 口处不同温度和湿度的回用砂 在冷却后性能趋向均一。 参考文献 ⋯宋伯生． P L C编程理论 、 算法及技巧．北 京 机械工业 出版 社 ， 2 0 0 5 ． [ 2 1 S I E ME NS ．S I MA T I C S 7 F u z z y C o n t r o l U s e r Ma n u a l ， G e r ma n y ， S i e me n s I n c ． ， 2 0 02 ． [ 3 】 S I MP S O N． MC - 1 5 0 Mu l t i c o o l e r U s e r Ma n u a l ， U ． S ． ， S I MP S O N I n c ． ， 1 9 9 8 51