基于PLC的压风机模糊自动控制系统设计(1).pdf

s ne j v u F e n 量 坌 堑 篓 基于 P L C的压风机模糊 自动控制系统设计 符秀青 山西省同煤集团煤峪 口矿机电科 ， 山西 大同 0 3 7 0 4 1 摘要 综采设备 中的压风机传统上都是 由人进行操作的 ， 但该方式在现代高度信息化的社会环境下显得有点落后 了， 因此有必要开 发出能够 自动控制压风机的系统。现介绍了在 P L C平台下压风机模糊 自动控制系统 的设计方案。 关键词 P I ￡； 压风机 ； 模糊控制 0引言 压 风机 在煤 炭开采中属于重要 的综采设 备 ， 其 工作原 理是 将 电能转 换为空气压 力能 ， 从 而压缩 空气并 输送 到矿井 中去 ， 这样就能保证矿井中具有足够的新鲜空气。传统的压风机都 是通过人工进行控制的， 对压缩的时间控制很难达到理想标 准 ， 而且空气质量会受压风机压缩时间的影响， 一旦空气质量 出现了问题 ， 后面的系列综采活动也会随之受到影响。为了对 压风机的压缩时间进行严格控制 ， 电脑 自控 系统应运而生 。 P L C是一种运用数字运算操作的 电子装 置 ， 是专 门为工业 环境 应用而设计 的 。基于 P L C设 计 的压风机 自动控制 系统 比 传统压风机的操控方式更加高效便捷。 1 系统整体结构 1 ． 1 系统设计需求 我们所设计的压风机 自动控制系统要能在极其恶劣的环 境中正常使用， 系统的稳定性必须要有保证。但凡稳定性高的 机械设备， 它的自检系统都是非常灵敏精确的， 设备中应设有 自检报警系统， 当工作过程中出现异常状况， 自检系统能够 自 动检测出故障并警报提示。 1 _2 P L C控制柜 P I c系统选用西 门子 S 7 2 0 0作 为控 制核 心。该控制 系统 的好处就在于它有很多功能可供选择。只要技术人员操作熟 练 ， 对控制系统了如指掌， 那么在现场这套系统就完全能够胜 任 它的工作 。 P L C控制柜中安装了许多模块， 比如通信扩展模块、 模拟 量扩展模块 、 继电器、 触屏等， 这是为了高效精确地对机械设备 进行控制。为了更加方便地观察实时数据以及设备运行情况 ， 需要在 P L C控制柜 中安装触 屏显示器 。触屏显示 器在操作 时 比传统显示器更加简单快捷 。P L C控制柜中还安装了各种传 感器 ， 从 而实 现对压风机 的完美 控制和保 护。压 风机在 运转 中 不可避免地会出现发热现象 ， 在 P L C控制柜中安装温度传感 器， 对工作场地的温度进行监控， 然后换算得到的数据并与风 机的工作条件进行对 比， 即可判断其是否工作在正常范围之 内。一旦超出， 就发出警报 ， 并自动启动散热系统， 这样能够很 好地保护压风机， 使其使用寿命延长。另外 ， 还根据其他条件 设计安装了各种各样的传感器， 对电流、 电压等进行监控。 1 ． 3 上 位机 软件设计 上位机软件的设计是在西门子的WI NC C V6 ． 0 S P 3 AS I A 平 台上进行 的。这个软件 系统操作 起来更得心 应手 ， 而且对工 作过程中的数据具有较强的处理能力， 能使复杂的工作程序简 洁方便化。 上位机系统设置多个监控面板， 包含了压风机参数、 压风 机效能、 报警、 远程等多个功能界面， 方便操作。而且该系统能 够设置操作权限 和密码 ， 如果技 术人 员需要进行 远程 控制 ， 就 要输入用户名和密码登录 ， 以有效避免 非专业人员对压 风机控 制系统的错误操 作 。 2 模糊控 制算 法 2 ． 1 系统的模 糊控 制策略 我们很难精确地计算出压风机控制系统的数字模型， 因 此， 我们所设计的控制系统就得采用模糊控制策略。这个模糊 系统中的数据及控制策略都是通过查阅大量的文献资料 以及 总结一些长期进行一线操作的技术人员 的经验得 出的， 然后 通 过不断试验得出最佳的数字模型。现场进行操作的过程中如 果能够有老技术员从旁指导的话， 工作效率还会大大提高。 压 风机都会 和一个 风包相连 接 。风包 的作 用就是 将压 风 机所压缩 的风都 存放 其 中。压风 机房里 面 的每 一 台压 风机 都 配备了这样的风包。一般情况下有 4个风包 ， 每个风包都将供 气阀门打开并与主排气管相连接， 这样一来 内外风压相等， 就 形成了一个等压系统。计算机能够通过排气管中的超声波流 量计和风包中的压力传感器进行数据分析， 并且很快计算出压 力值和压力变化率。得到了这些数据， 系统就会 自动通过模糊 算法计算出需要启用 多少 台压 风机 ， 然后 自动开启或关 闭压风 机 。这个系统能够高效利用压 风机 ， 从而节约能源。 2 _ 2 模糊控制方法的实现 模 糊控制算法中需要 的数据 非 常多 ， 计算起 来非 常复杂 ， 在设计过程中需要借用 Ma t l a b进行数据分析处理。 2 ． 2 ． 1 量化 因子 在模糊控制系统 中， 首先要 确定 量化 因子 的变化 范 围， 这 个变化范围就是输入量的基本论域， 用[ 一 优] 表示， 控制量 偏差基本论域 e 一 [ 一 e ～ l ， l e I ]， 对 应的模 糊论域 E { j } 一 { 一n ， ， 一 ， 1 ， ⋯， n j 一1 ， n i } ， 偏 差变化率 基本论 域是 一 [ 一 I △ ～ I ， 1 △ e ～ 门 ， 相对于模糊论域 E f 一{ i 一{ 一 ， 一 1 ， ⋯m 一1 ， 。偏差 和偏差变化率 的量化因子分别是 有 z 一 由 2 ． 2 ． 2 输入量、 输 出量论域 模糊论域表示为[ 一n ， 一 1 ， ⋯， 0 ， ⋯， ～1 ， ] ， 基本论 域中的偏差 是能够通 过量化 因子转 换到模 糊论域 上 的。在 模 糊控制系统中有很多的语言值分档， 规则规定得越细化 ， 控制 效果就越好， 但工作量就会增加很多， 存储空间也会 占用更多。 语 言分档少 的话 就会显 得 比较粗糙 。折 中来设计 就选 择分 档 值为 4 ， k的值设为 2 ， 得到的模糊论域元素 下转第 1 4 8页 机 电信息2 0 1 4 年第 1 5期总第 4 0 5 期1 4 5 从散热器基板背面最高结温与风速关 系曲线 图 图 7 中可 以看出， 随着流经散热器肋片表面风速的提高， 散热器基板背 面的最高结温降低 。但是 当风速加大 到一 定程度后 ， 对结温 的 影 响程度反而不 明显。这是因 为当流经散 热器肋 板表 面 的风 速过快时， 散热器肋板表面还未与空气发生充分 的对流热交 换， 空气就已经流走， 并不能起到很好的散热效果。同时， 流经 散热器肋板表面的风速过大会增加设备的制造和运行成本， 产 生振动和噪音等问题。因此， 在进行功率模块散热系统设计 时， 应该选择合适的冷却风速， 既保证模块安全可靠工作， 又考 虑到经济性 。仿真结果表 明， S VG一 6 0 0 功率模块合理的冷却风 速在 5 ～6 m／ s 之间 。 沉经散热器肋 片表 面平均风速／ m／ s 图 7 散热器基板背面最 高结温 与风速关 系曲线图 4结语 本文对 I GB T功率模块的散热系统进行了分析和研究， 考 虑 电压 、 电流及结温对 I G B T和续流二极管损耗 的影响 ， 推 导出 I GB T功率模块的热损耗计算方法； 采用热阻等效电路法分析 了散热器及功率器件热传导过程、 热阻的确定方法以及各点温 度计算方法； 最后利用有限元分析软件 I C E P AK对功率模块的 散热过程进行仿真 ， 得到不同冷却风速条件下的温度分布情 况， 分析了不同风速对冷却效果的影响程度以及保证模块可靠 工作 的最低风速。 [ 参考文献] [ 1 ]张健 ， 吕长志． 基于 A N S Y S的 I GB T热模拟与分析[ J ] ． 微电子 学 ， 2 0 J 1 ， 4 1 1 1 3 9 1 4 2 [ 2 ]张忠海． 电子设备 中高功率器件的强迫风冷散热设计__ J ] ． 电子 机械工程， 2 0 0 5 ， 2 1 3 1 8 2 1 [ 3 ]陈国强， 朱敏波， 齐颖． 电子设备强迫风冷散热特性测试与数 值仿真E J ] ． 计算机辅助工程 ， 2 0 0 8 ， 1 7 2 2 4 2 6 [ 4 ]陈洁茹 ， 朱敏波． I c e p a k在电子设备热设计中的应用[ J ] ． 电子 机械工程， 2 0 0 5 ， 2 1 1 1 4 ～1 6 E 5 ]荣智林 ， 吴舒辞． I C E P A K在三相 P WM 变流器模块 散热分析 中的应用E J ] ． 机电产品开发与创新， 2 0 0 7 ， 2 0 6 6 1 6 2 E 6 ]杜毅 ， 廖美英． 逆变器 中 I G B T模块的损耗计算及其散热系统 设计E J ] ． 电气传动自动化 ， 2 0 1 1 ， 3 3 1 4 2 4 6 E 7 ]丁杰， 李江红， 陈燕平 ， 等． 流动状态与热 源简化方式对 I G B T 水冷板仿真结果的影, J E J 3 ． 机车电传动， 2 0 1 1 5 2 1 2 5 E 8 3王经． 热传学与流体力学基础E M] ． 上海 上海交通大学 出版 社 ， 2 0 0 7 [ 9 ]续 明进 ， 张皓， 董武． 高压变频器散热与通风的设计[ J ] ． 变频器 世 界 ， 2 0 0 6 ， 9 5 6 8 7 1 收稿 日期 2 0 1 4 0 4 2 2 作者 简 介 殷 炯 1 9 7 8 一 ， 男 ， 湖 南 株 洲人 ， 硕 士研 究 生 ， 工 程 师， 从事变流产品的结构和热仿真研究工作 。 上接第 1 4 5页 有 9 个 。压力偏差 的论域定义 为 { ～4 ， 一3 ， 一2 ， 一 1 ， 0 ， 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 模糊子集就对应为 NB 负大 ， N S 负小 ， P S 正小 ， P B 正大 。压力 变化率论域定 义为 { 一4 ， 一3 ， 一2 ， 一1 ， 0 ， 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 模 糊子 集就 对应 为 N B 关 闭 ， NS 短 时 ， Z E 中等 时 长 ， P S 长时 ， P B 超长时 。 2 ． 2 ． 3 隶属度函数 模糊集和论域都确定后就要对变量进行赋值， 这就需要通 过选用三角形隶属函数来确定模糊论域对模糊变量的隶属度 j 二 n ≤ 6 J ， 、 ，、 f D 口 zJ 6 ≤ -z c l D c 【 0 z∈[ n ， f ] 2 ． 2 ． 4 模糊控制规则及推理 模糊控制规则就是把试验和 工作 中的经验进行 归纳 ， 再 用 模糊控制语言编写出来， 通过计算机进行运算操作。 规则建立好后就要进行模糊推理 ， 本次设计 中采用的是双 输入单输出模糊控制器和 Ma md a n i 模糊推理法。可以得到 R一 AB C 式中 ， 丁 I 为列向量转换 。 输入 A 和 B 得到输 出 G l Cl 一 A1 B1 tR 式中 ， 为行向量转换 。 1 4 8 3结语 实现机械化、 信息化 是工业 发展 的必然 之路 ， 所 以为压 风 机设计一个模糊 自动控制 系统能推 动采煤事 业 的发展 。压 风 机采用模糊 自动控制系统后 ， 不再需要耗费大量 的人力 和财力 去对设备进行监控， 一切都由该系统来完成 ， 这不仅提高了丁 作效率， 还节省了成本开支。 [ 参考文献] E 1 3毕伟， 任国华， 姚连杰． 基于 P L C的压风机模糊控制系统设计 E J J ． 自动化与仪表 ， 2 0 1 1 7 E 2 3胡学林． 可编程控制器教程 提高篇[ M] ． 北京 电子工业出版 社 ， 2 0 0 5 E 3 ]仝维仁 ， 张晓光 ， 蒋恒深 ， 等． 基于 F T A的压风机群组监控及 诊断系统设计E J ] ． 矿山机械 ， 2 0 1 0 1 1 E 4 3汪芬 ， 陈永生 ， 张寿明． 基于 P L C和组态王的煤矿压风机监控 系统E J 3 ． 矿山机械 ， 2 0 0 8 1 1 收 稿 日期 2 0 1 4 0 4 1 8 作者简介 符秀青 1 9 7 8 一 ， 女， 山西 大同人 ， 工程师， 主要从 事矿山机电、 电气类工作。