基于PLC的砖厂全自动预加水控制系统的研制.pdf

电气自动化 2 0 1 3年第3 5 卷 第 1 期 自动控制系统与装置 A u t o ma t ic Co n t r o l S v s t e ms＆ E qu i p me n 基于 P L C的砖厂全 自动预加水控制系统的研制 李坤。 。程振 ， 郭金良 ，吕耀华 ，黄德强 1 ． 曲阜师范大学电气信息与自动化学院， 山东曲阜2 7 3 1 6 5 ； 2 ． 兖州煤业股份有限公司鲍店煤矿， 山东邹城2 7 3 5 0 0 摘要在烧结空心砖生产过程中， 煤矸石粉末含水率的多少直接影响其可塑性， 影响了产品质量。针对砖厂加水自动化程度低， 原料 含水率控制不精确的现状， 加水过程大滞后， 非线性等特点， 利用现代测控技术， 并引入专家系统 P I D控制算法， 设计了一套全 自动加水控制系统。实现了“ 料跟踪水， 水跟踪料” 的闭环控制， 使原料含水率得到精确控制， 取得 良好的效果。 关键词P L C； 专家控制； P I D控制 ． DO I I O 3 9 6 9 ／ j‘ i s s n 1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 3 0 1 0 2 7 [ 中图分类号]F P 2 7 2 ／ 2 7 8 [ 文献标志码]A[ 文章编号]1 0 0 03 8 8 6 2 0 1 3 0 1 0 0 7 4 0 2 De v e l o p me n t o f Br i c k F ie l d Au t o ma t ic Ad d i n g W a t e r Co n t r o I S y s t e m Ba s e d O n PL C ● _ L I Ku n ，CHE NG Z h e n ，GUO J i n ． 1 i a n g z ，L U Ya o h u a ，HUANG De q i a n g 1 ． C o l l e g e o f E l e c t r i c a l I n f o r ma t i o n a n d A u t o m a t i o n ， Q u F u N o r m a l U n i v e r s i t y ，Q u F u S h a n d o n g 2 7 3 1 6 5 ， C h i n a ； 2 ． Y a n z h o u C o a l Mi n i n g C o m p a n y L i m i t e d B a o d a n C o a l Mi n e ， Z o u c h e n g S h a n d o n g 2 7 3 5 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t I n t h e p r o c e s s o f s i n t e r i n g h o l l o w b ri c k p r o d u c t i o n，t h e mo i s t u r e c o n t e n t o f c o a l g a n g u e p o wd e r d i r e c t l y a f f e c t i t s p l a s t i c i t y a n d t h e q u a l i t y o f p r o d u c t s ．F o r t h e c u r r e n t s i t u a t i o n o f t h e l o w a u t o ma t i o n l e v e l t o a d d wa t e r o f b ri c k f a c t o r y，t h e i n a c c u r a t e c o n t r o l o f r a w ma t e ri al mo i s t u r e c o n t e n t ，l a r g e t i me d e l a y o f t h e p r o c e s s o f a d d i n g w a t e r a n d n o n l i n e a r ， we d e s i g n a n a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m t o a d d wa t e r ．T h e s y s t e m i s b a s e d o n t h e mo d e Y n c o n t r o l t e c h n o l o g y ， t h e e x p e s y s t e ms a n d P I D c o n t r o l a l g o ri t h m．I t i mp l e me n t s t h e c l o s e d l o o p c o n t r o l o f t h e“ ma t e r i a l t r a c k i n g wa t e r ，wa t e r t r a c k i n g ma t e ri a l ”，S O t h e mo i s t u r e c o n t e n t o f r a w ma t e ria l s i s p r e c i s e c o n t r o l e d a n d a c h i e v e s g o o d r e s u l t s ． Ke y wo r d s P L C；e x p e c o n t r o l ；P I D c o n t r o l 0 引 言 煤矸石烧结多孔、 空心砖以煤矸石为原料， 以其环保、 节能、 高强、 隔热、 隔声等多种优良性能， 在墙材领域占据着非常重要的 地位。在制砖工艺中， 煤矸石粉末含水量的多少直接影响其可塑 性， 只有在适当的含水量范围， 一般在 1 0 ％ ～2 0 ％之间⋯， 煤矸 石粉末的水分均化程度提高， 颗粒变得容易疏解， 从而可塑性增 强 ， 所以预加水量的多少将严重影响砖坯的成型进而影响成品 砖的质量， 也影响着砖窑的产量。 由于没有很好的系统来完成原料的预加水工作 ， 在生产过程 都是依靠现场操作人员通过经验和眼睛观察手动调节阀门进行 控制。这种调节方式使原料含水量变动较大， 容易造成废坯率、 设备的故障率提高 ， 更为严重的是， 长时间在极高粉尘的环境中 工作严重影响了操作人员的身体健康。 针对以上问题 ， 本课题研制开发的全自动原料预加水控制系 统实现了加水量跟踪来料量 ， 最终提高了成品砖质量、 产量； 降低 设备的故障率； 并将工人从恶劣的工作环境中解放出来， 取得了 良好的效果。 1 系统的组成及硬件结构 本系统利用皮带秤检测来料量的多少 ， 电磁流量计检测加水 量的多少， 通过 R S 4 8 5总线将这两者的数据传送给可编程控制器 收稿 日期 2 0 1 20 33 0 基金项目 兖州煤业股份有限公司鲍店煤矿科技专项资金 编号 矿2 0 1 1 第 1 1 74 Ele c I r ic al Au t oma t ion P L C ， P L C利用专家 P I D控制器在线实时给出控制信号， 控制 电动蝶阀的开度 ， 从而实现对原料含水率的精确控制。 全 自动预加水控制系统的结构图如图 1 所示。 搅拌 机 图 1 全 自动预加水控制系统结构 图 本系统主要包括测量装置、 智能控制单元 、 操作平台以及执 行机构四个部分 ， 形成一个控制回路。 1 测量装置。测量装置包括皮带秤、 智能流量计。皮带秤 实时获取原料的重量， 流量计实时获取 已加水量 ， 两者都通过 R S 4 8 5总线传送到智能控制系统。 2 操作平台。触摸屏作为上位机， 主要完成人机交互工 作 ， 设定系统参数， 完成过程控制的动画显示， 并负责整个系统的 启动和停止。 3 智能控制单元。西门子 s 7 2 0 0可编程控制器 P L C 作为控制系统的核心， 将采集到的的现场数据， 通过内置 的专家 一 P I D控制算法进行运算 ， 从而给出指令驱动执行机构完成阀门 的开启动作。 自动控制系统与装置 ． 皇 皇 兰竺 Au t o ma t ic Co n t r o I S y s te ms＆ E qu iD me n t s 4 执行机构。执行机构主要包括电动蝶阀、 管道、 喷淋机 构。电动蝶阀接收智能控制系统给出的指令 ， 对阀门的开度进行 控制， 另外智能流量计也安装在本部分的管道上， 实现对流量的 测量从而组成闭环控制系统。 2 系统功能及软件结构设计 2 ． 1 系统功能 本系统提供半 自动和 自动两种运行方式。① 半 自动方式 下， 用户通过触摸屏设定蝶阀的开度 ， 远程控制蝶阀的开启。在 这种方式下 ， 用户可凭借经验操作本系统。这种方式适合系统调 试运行或者在系统出现特殊情况下。②自 动运行方式， 系统根 据用户设定的原料加水前含水率 ， 加水后含水率， 然后根据原料 的来料量 自动计算 出应加水量， 并相应远程控制 电动蝶阀的开 度， 智能流量计远程反馈已加水量， 相应的系统对电动蝶 阀的开 度做出调整， 实现对原料含水率的精确控制。 2 ． 2 系统的软件结构及控制算法设计 系统的软件部分包括对触摸屏操作界面的设计和 P L C应用 程序的设计。操作界面使用触摸屏的组态软件， 主要有 1 预加水 自动运行画面。设有用户输入设定含水率窗 口， 并显示瞬时来料量、 瞬时加水量、 应加水量、 加水智能跟踪曲 线。在此运行界面， 用户仅需要输入原料加水前含水率和加水后 含水率 ， 按下启动按钮即可。系统的自动运行画面如图2所示。 2 预加水半 自动画面。设有用户输入蝶 阀开度窗口， 并 显示来料的瞬时流速。在此运行界面， 用户需要根据触摸屏显示 的来料的瞬时流速， 设定蝶阀的开度 ， 并根据加水后的原料的含 水率情况 ， 适当的修正蝶阀的开度。在该界面下操作， 要求用户 应用 丰富的经验。 3 产量统计画面。该画面显示每 日产量、 每月产量以及 年产量。方便工厂进行产量统计和管理。 4 异常报警。当加水主管道 中的水量不足， 导致加水跟 踪不来料时发出报警信号， 应及时检查加水管道阀门是否全开。 图 2 预加水 自动运行界面 2 ． 3 控制算法的设计 全 自动加水过程是个典型的大滞后、 非线性的系统 ， 极难建 立精确的数学模型， 如果采用 比例控制或者常规 P I D控制， 因来 料的不均匀很难实现精确控制原料含水率的目标。因此本系统 采用了专家 P I D控制算法 J 。 2 ． 3 ． 1 专家 P I D控制算法设计 专家 P I D控制与标准 P I D控制结合， 在常规 P I D的基础上， 引入专家或者操作者的经验， 根据被控对象的具体情况， 利用专 家经验来设计 P I D参数 ， 从而实现对标准 P I D控制的改进。专家 P I D控制系统结构见图3 。 图 3 专家 P I D控制系统 结构示意 图 系统采用产生式规则来构建专家知识库， 产生式规则结构简 单， 易于修改， 适合 P L C实现。专家知识库的事实知识选取 e S P 一 P 表示离散化的当前采样时刻偏差值； A e e 一e 为 当前采样时刻偏差变化； U m a x 为控制器输出的最大值 ； e m in 为最小 允许偏差； e 为最大允许偏差。 基于以上数据， 构建相关知识库， 知识的构成简单且无交集， 因此任何一种情况都可以找到一种唯一的控制规律进行控制。 控制规则分析如下 1 当 l e I ≥e 时， 说明偏差较大， 为加快系统的响应速 度 ， 取较大的 ， 以尽快减小偏差； 为避免偏差e的瞬时变大而出 现的微分过饱和， 取较小的 ； 为防止系统响应出现较大的超调 而积分饱和， 取 K x 0， 去掉积分作用。 2 当e m in I e I 0 时， 说明偏差的绝对 值在向增大的方向变化， 控制量明显减小 ， 应加入积分作用 ， 取较 小的K， ， 并施加较大的比例作用。 3 当e ～ l e l e ， 且 e A e 0时， 说明偏差为某一 常数 ， 应增加较小的控制量 ， 取较小的 、 、 值。 4 当 e I e I e ， 且 e A e 0时， 说明偏差的绝对 值在向减小的方向变化 ， 应适当减小控制量， 需要取更小的 、 值 ， 同时为了防止出现再次超调 ， 应取 0 。 5 当 l e l ≤ e ⋯时， 说明偏差已达到允许范围， 考虑控制对 象的大滞后特性， 控制量保持不变， 以防止超调和振荡的出现。 系统依据以上控制规律 ， 根据现场实际情况， 每 2 s改变一 次应加水量， P L C对已加水量的采样间隔时间为 5 0 ms ， 系统根据 专家 P I D修正控制参数。系统控制原理图见图4 。 图 4系统控制原理图 2 ． 3 ． 2专家 P I D 控制软件的实现 本系统的专家 P I D控制软件是基于 s 72 0 0 P L C内部标准 P I D设计的， 应用其提供的 0回路， 并设定 P I D回路地址表的起 始地址为 V I M0 0 。则根据 s 72 0 0 P L C内部 P I D的参数约定， V D 4 0 0存储当前进程变量， V I M0 4存储设定值 S P。 ， V D 4 0 8存储 P I D回路 0的输出 ， V D 4 1 2 存储比例系数 ， V I M1 6 存 储采样 下转第 1 0 9页 E le c t r ic a l A u t o ma t io n 7 5 实际的液位与设定液位差值超过5 c m时， 进行 P I D控制。 表 1 I ／ 0赋值 用实例 电 气自 动 化 2 0 1 3 年 第3 5 卷第1 期 图 3 压力监控梯形图 上接第 7 5页 时间 ， V D 4 2 0存储 积分时 间 ， V D 4 2 4存储微 分 时间 ， V D 4 2 8存储上一次采样的积分项 M X， V D 4 3 2存储上一次进程变 量 P 一 。 系统每 3秒根据这 3秒内来料量和触摸屏上设定的加水前 含水率和加水后含水率计算一次应加水量， 并将应加水量赋值给 v 0 4 o 4 S P ， 每5 0 m s 将已加水量赋值给 V D 4 0 0 P 。V D S 0 0 存储当前时刻偏差 e ， V D 5 0 4存储上一时刻偏差 一 ， V D 5 0 8存 储偏差变化 A e ， V D 5 1 8存储 e A e ， V D 5 2 2存储最大则允许偏 差 e ， V D 5 2 6存储最小允许偏差 e ， 则 e S P 一P L， e S P 一 P L l ， A e e 一 e 一 1 V D 5 0 0一V D 5 0 4 。 这样针对 e ， A e 在 P L C中利用 s 72 0 0 P L C中的比较指令， 调用依据专家知识库设定的子程序 ， 实现在线 P I D参数的整定。 上接第 9 7页 [ 6]赵怀林． 微机在数据采集和误差处理中的应用 [ J ] ． 电测与仪表， 1 9 9 5． 6 2 82 9 ． [7] A l i Ab u r ．B a d D a t a I d e n t i fi c a t i o n Wh e n Us in g A mp e r e Me a s u r e me n t s [ J ] ．I E E E T r a n s ， 1 9 9 7， 1 2 2 8 3 1 8 3 6 ． 1 8 I Al i Ab u r ．A Bad Da t a I d e n t i fi c a t i o n Me t h o d F o r Li n e a r P r o g r a mmi n g S t a t e E s t i m a t i o n [ J ] ．I E E E T r a n s ， 1 9 9 0 ， 5 3 8 9 49 9 0 ． [ 9]立人厚， 张平安． 精通 M A T L A B综合辅导与指南[ M] ． 西安 西安交 通大学出版社 ， 1 9 9 8 ． 3 结束语 1 通过对油田联合站游离水系统的现状进行了分析， 用 欧姆龙软件进行 P L C系统设计， 实现了对游离水脱 除器界面的 P I D调节 。 2 确定控制对象， 包括压力、 温度、 油水界面等， 并进行 I ／ O 赋值， 根据联合站系统工艺流程和欧姆龙编程软件编写出相 应的梯形图。 3 程序设计运行显示， 当压力值超过 3 M P a ， 温度超过 8 0 ％时， 给出报警信号； 当实际的液位与设定液位差值超过 5 c m 时 ， 进行 P I D控制， 实现了温度和压力的监视功能以及游离水的 液位的 P I D控制。 4 根据程序设计的步骤首先进行 I ／ O赋值 对所有的输入输出和中间各信号进行赋值和注释， 使编写出来的 程序一 目了然； 程序图对各指令进行具体说明， 表明了程序中所 用到数据的来源和得出方法。 参考文献 [ 1 ]刘合 ． 油 田联合站集 输 系统控制 技术 [ M] ． 北京 石 油工业 出版 社 ， 2 0 03 2 7 6 0． [ 2 ]弭洪涛， 毕国忠， 贾景贵． P L C 应用技术[ M] ． 北京 中国电力出版社， 2 0 0 4 3 7 8． [ 3 ]O M R O N公司． S Y S M A C C J M I 可编程控制器手册[ M] ． 1 9 9 7 1 1 0 ． [ 4 ]林小峰． 可编程控制器原理及应用 [ M] ． 北京 高等教育出版社， 1 9 93 11 0． 【 作者简介】沈德赢 1 9 8 5一 ， 黑龙江尚志市人， 毕业于大庆石油学院自 动化专业， 学士学位， 技术助理， 主要从事电气自 动化。 3 结束语 本系统将专家控制与 P L C相结合， 利用 P L C实现了专家 P I D 控制， 完成对原料含水率的精确控制。本文设计的全 自动预加水 系统在鲍店煤矿宏力新型建材厂得到了实际应用 ， 从投入至今已 正常运转半年多， 实践证明该系统运行可靠 ， 提高了产品质量， 增 加了企业的经济效益， 具有显著的现实意义。 参考文献 [ 1 ]刘家弟， 刘风春， 丁东业， 董风芝．影响煤矸石烧结砖生产工艺因素 的探讨[ J ] ． 矿产综合利用 ， 2 0 0 5 ， 2 6 1 2 3 ． [ 2 ]勒聪， 刘晓哲， 高宪庭．年产 8 0 0 0万块煤矸石烧结砖生产工艺研究 [ J ] ． 砖瓦世界， 2 0 1 1 ， 2 8 2 2 2 2 4 ． [ 3 ]王淑云， 闫少雄．基于专家 P I D的西门子 P L C控制器设计 [ D] ． 西 安 西安工业大学 ， 2 0 0 8 ． 【 作者简介】李坤 1 9 6 5 一 ， 男， 山东泗水县人， 高级工程师； 主要研究方 向 计算机控 制与智能控 制。 [ 1 0 ]雷慧博． 电量变送器及其检定装置 [ M] ． 北京 中国电力 出版 社 ． 1 9 9 9 ． 【 作者简介】黄勇 1 9 7 7一 ， 男， 四川广安人， 工程师， 从事电气控制工作。 王晓冬 1 9 7 0一 ， 女 ， 陕西咸阳人， 工程师， 从事电气控制工作。 陈小 卫 1 9 7 8 一 ， 女， 四川广安人， 助理工程师， 从事计算机网络工作。 杨勇 1 9 7 8 一 ， 男， 四川广安人 ， 从事计算机技术工作。 E le c t r ic a I A u t o ma t io n 1 0 9