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1、基于S7一200PLc的跳汰机智能控制系统研究摘要跳汰选煤是目前应用广泛的一种选煤方法。我国目前入洗原煤中60%左右是跳汰洗选。在跳汰选煤过程中,影响跳汰分选效果的因素有多种,如:入料原煤特性、跳汰机风阀周期特性(跳汰频率及进、排气时间)、研石段、中煤段排料情况、各室顶水情况、风压、水压等,井且诸因素之间相互制约。再加上跳汰司机的人为因素,使得想要达到既兼顾精煤质量又提高分选效率非常困难,实际中往往是:以牺牲精煤回收率为代价来换取精煤的质量。目前,跳汰机的自动控制基本停留在逻辑控制或常规PID控制上,甚至有些机型还保持很原始的手工操作方式。鉴于跳汰过程的复杂性,跳汰机的自动控制面临着巨大挑战。
2、本文以邢台东庞煤矿洗煤厂307#跳汰机为研究对象,研究了排料系统控制的模糊控制的特点及方法,对原先的逻辑控制系统进行了改造,实现了基于s7一200PLC的跳汰机模糊排料控制系统;研究了改善风阀控制精度的方法,优化了风阀控制算法,并在现场中得以实现与应用。现场使用证明,改进的风阀控制系统,工作可靠,床层分层效果明显,采用的模糊排料控制方法非常成功,在稳定床层的同时,保证了精煤灰分这一生产指标,给洗煤厂带来明显的经济效益。关键词:跳汰机,自动排料系统,模糊控制,智能控制系统目录第一章跳汰选矿介绍及课题的提出11.1研究目标和研究内容1第二章跳汰选煤机理22.1跳汰机的分类及结构22.2跳汰机的工作
3、过程32.3电磁风阀42.4跳汰机操作工艺因素5第三章模糊控制理论73.1模糊控制方案的提出73.2模糊控制理论83.3模糊控制器工作原理93.31模糊控制过程93.3.2精确输入量的模糊化9第四章基于S7-200PLC的跳汰机控制系统的设计104.1风阀控制系统10第五章跳汰机控制系统的实现205.1风阀控制系统的实验室测试205.2模糊控制器的实验室仿真235.3模糊排料控制系统现场调试23结论26致 谢27参考文献28第一章跳汰选矿介绍及课题的提出对于跳汰分层的状态和松散度没有理想的测量手段,其原因是床层松散现象的实质比较复杂以及传感器检测信号的采集与分离困难。因此,风阀控制只能采用开环
4、控制系统。现场工人只能通过探杆人为感知床层分层状况,手动调节给风量的大小。这种操作缺乏严密的科学性,即使是有经验的司机取得一定经验,也不便于总结和传授,更不能作为自动控制的依据。1.1研究目标和研究内容1.研究目标基于对东庞矿现场实际运行状况的分析与国内外研究的状况的了解,我们确定了本课题主要研究目标与内容:跳汰机风阀的控制的优化与模糊排料控制系统的工业实现。应用这种方法,通过实验室实验和工业现场调试,达到对跳汰机排料系统的自动控制,从而为实现跳汰机单机自动化奠定基础。.2.研究内容A)跳汰机实际床层分层状况的采样及数据分析、处理;B)风阀自动控制系统硬件、软件的开发、研究与实验;C)跳汰机模
5、糊排料控制系统的研究;D)跳汰机模糊排料控制系统软、硬件的实现;第二章跳汰选煤机理2.1跳汰机的分类及结构随着选矿技术的发展,跳汰选矿机械逐渐得到改进和完善,并日趋大型化。跳汰机型号繁多,从床层脉动方法来区分,有机械脉动和空气脉动两种。在选煤厂中机械脉动跳汰机用得很少,广泛使用的是空气脉动跳汰机。空气脉动跳汰机按其空气室位置不同,又可分为筛侧、筛下空气室跳汰机两种。一、筛下空气室跳汰机筛下空气室跳汰机的空气室安设在跳汰机体内的下方。筛下空气室跳汰机的工作过程是将压缩空气经风阀控制,交替地压入和排出空气室,从而使跳汰机中的水位上升和下降,形成脉动水流。筛下空气室跳汰机由研石段与中煤段组成,在研石
6、段有两个跳态室,中煤段有三个跳汰室。每个跳汰室有三个空气室,每段空气室间距相等。在每个跳汰室装设两个电磁风阀,一个风阀为进气阀,另一个为排气阀。压缩空气由空气室的一端给入,在跳汰室顶部有上下两个孔,上面的孔与风阀的进气口相连,压入压缩空气,下面设有五个风水管,分别与空气室的进水孔相通。在每个风水管上装有风阀,用来调节各室的补充水量。我们进行改造的就是这种筛下空气室跳汰机。筛下空气室跳汰机基本结构见图2一1空气室是密闭的,上部设有一个特制的风阀,它可交替地把压缩空气给入空气室,同时把室内的压缩空气排出。给入压缩空气时,跳汰机中的水位被强制上升;当室内的压缩空气排出时,水则自动地下降,所以推动水面
7、上下运动形成脉动水流。改变给入的压缩空气量可以调整跳汰机中水流的冲程;改变风阀的运动速度可以调整水流脉动的频率。顶水从空气室下部的筛下补充水使物料在跳汰室中进行松散、分层。跳汰机另一部分用水从机头与物料一起加入。经过分层以后,第一段和第二段的重产物分别经过各段末端的排料闸门排到机体下部并与透过筛面的小颗粒重产物相会合,一并用斗式提升机排出,轻产物自溢流口排至机外。图2一1筛下空气室跳汰机基本结构1一下机体;2一上机体;3一风水包;4一风阀;5一风阀传动装置;6一筛板;7一水位灯光指示器;8一空气室;9一排料装置;10一中煤段护板;n溢流堰盖板;12一水管;13一水位接点;14一排料装置电动机;
8、15一检查孔二、筛侧空气室跳汰机筛侧空气室跳汰机的空气室位于跳汰机筛板侧面,工作原理大致相同,这里就不加赘述了。2.2跳汰机的工作过程跳汰机在工作过程中,被选物料原煤在给入跳汰机后落到筛板上,形成一个密集的物料层,这个物料层,称为床层。在给料的同时,风阀周期地开启和关闭。当进气风阀开启时,压力风经入风口进入跳汰室,使水具有一定的压力,压迫水流上升,床层被冲起,呈现松散及悬浮状态。此时,床层中的矿粒,按其自身的特性(密度、粒度和形状),彼此作相对运动,开始进行分层。当进气风阀关闭时,水流己停止上升,但还没有转为下降水流,此时,由于惯性的作用,矿粒仍在运动,床层继续松散、分层。当排气风阀打开时,水
9、流转为下降,床层逐渐紧密,但分层仍在继续。当全部矿粒落回筛面,它们彼此之间己经丧失相对运动的可能,则分层作用基本停止。此时,只有那些密度较高、粒度较细的矿粒,穿过床层中大块物料的间隙,仍在向下运动,这种行为被看成是分层现象的继续。下降水流结束,床层完全紧密,分层便暂告结束。水流完成一次周期性变化所用的时间称为跳汰周期。在一个周期内,床层经历了从紧密到松散分层再到紧密的过程,颗粒受到了分选作用。只有经历多个跳汰周期之后,分层才逐渐完善,最后,高密度矿粒集中在床层下部,低密度矿粒则集中在床层上层。高密度的研石从研石排出道排出,中煤从中煤排出道排出,低密度的精煤则从上端的精煤溢流口排出,从而得到跳汰
10、洗选的三种产物。图2一2是跳汰机分层示意图,虚线分割部分表示跳汰机内不同密度物料层的扇形分布。物料在跳汰过程中之所以能分层,起主要作用的内因是矿粒自身的性质,但能让分层得以实现的客观条件,则是垂直升降的交变水流。由于它的存在,原本密集的床层获得松散,同时在已获得松散的床层中,密度、粒度、形状各不相同的颗粒,表现出不同的运动状态,最终得到研石、中煤和精煤三种产物。图2一2跳汰机的分层示意简图I一原煤;H一精煤;工H一精煤和中煤的混合物;IV一中煤;v一中煤和研石的混合物;VI一歼石2.3电磁风阀跳汰机的主要部件包括:机体、筛板、风阀、溢流堰、排料装置、检测控制装置等,其中,风阀是重要的可控、常用
11、的操作对象,是跳汰周期的产生源。风阀周期性地使空气室与风包或与大气相连或隔绝,从而在跳汰室形成脉动水流。风阀结构及其工作制度,在很大程度上影响着水流在跳汰机中的脉动特性,因此,风阀是跳汰机最关键的部件。风阀结构的不同,将带来不同的工作方式、工作特性,随之也带来精煤回收率和经济效益巨大差别。在国内外,为了自动控制跳汰周期,出现了广泛采用电磁风阀的趋势。电磁风阀是七十年代设计的一种新型风阀结构。这种风阀调整灵活,可以任意调整跳汰周期,进气、排气的变换速度极快。因此,可以精确地控制脉动周期和吸嚷过程时间,获得良好的床层松散度和精度较高的分选效果,为跳汰机大型化和跳汰制度自动化创造了方便的条件。2.4
12、跳汰机操作工艺因素跳汰机的工作指标在很大程度上决定于跳汰机的操作工艺。最适宜的操作制度与原料的性质(粒度及密度组成)及对产品的要求有关,而且各参数之间又是相互关联的。因此,在选择合适的操作制度时,必须根据不同的情况作具体的分析。跳汰机操作工艺制度各因素介绍如下:1)给料控制跳汰机入料性质的波动及给煤量的变化对跳汰机的工作效果都有直接的影响。所谓的控制给料,是指入料性质的波动应尽量小,即给入跳汰机的原煤应均质化;再有,给煤速度也应均匀,不可忽多忽少。对于选煤厂,它可能分选几个矿井的原煤,或者分选性质相差较大的几个煤层的原煤,应采取措施实现原煤的均质化,即配煤入洗。对于跳汰机,控制好入料的质量、数
13、量,可以保证分选过程的稳定性,减少设备过载或负荷不足的现象,提高分选效率,降低煤在研石中的损失。除了选前使入料性质均质化和给料速度均匀外,应注意伴随物料给入的冲水,一定要使原煤预先湿润,否则容易出现结团现象。2)重产物的排放当床层按密度分层结束时,应及时、连续而合理地将高密度物和低密度物排出机外。重产物的排放是操作中的一个重要环节,一定要使重产物的排放速度与床层分层速度及歼石(或中煤)层的水平移动速度相适应,若重产物排放过慢则出现堆积,不但影响整个床层松散状况,使得正常分层难以进行,而且污染精煤,影响精煤质量;如重产物排放过快,又导致研石层(或中煤层)过薄,甚至出现排空的情况,整个床层便处于过
14、度松散的不稳定状态,使得原已分选好的床层遭到破坏,使重产物中精煤损失加大。3)跳汰频率和跳汰振幅跳汰频率和跳汰振幅是跳汰过程的重要因素。跳汰脉动水流的振幅决定了床层在上冲期间扬起的高度和跳汰床层的松散条件。床层必须扬起的高度主要与给料的粒度和床层的厚度有关。粒度大、床层厚,就要求床层扬起的高度大,所以要求有较大的水流振幅。振幅与频率必须配合得当。用低频(35、40次/min)大振幅跳汰,床层松散度较大,分层较快,故跳汰机的处理量增加。但此时的速度因素、矿粒的粒度和形状因素对分选效果影响较大,而且因频率低,操作时的风水制度和给料等的变化相当敏感,故操作较困难。所以低频,大振幅跳汰只适用于分级块煤
15、分选或易选煤分选。相反,高频率跳汰时(50、60次/min)工作稳定,加速度影响因素大,粒度和形状因素影响减弱,细粒透筛能力较强,故产品的质量好而稳定。但因松散度减小,分层速度减慢,跳汰机处理能力降低。故适用于末煤和较难洗煤分选。频率和振幅的合理配合,根据具体情况由试验确定。频率只能通过改变风阀的转数来调整。振幅主要通过改变风压、风量(调节风门)、风阀的进、排气孔面积及频率加以控制。4)风量和水量应根据所要求的床层松散度调节风量。第一段的风量要比第二段大一些。各段各分室的风量由入料到排料依次减少,有时为了加强第二段中间风室的吸嚷作用,加强细研石透筛,用风量可适当加大一些。通常筛侧式跳汰机用的风
16、压为0.018、0.O25Mpa;筛下式跳汰机用的风压为0.025一0.o35Mpa。跳汰机用水量包括筛下顶水和冲水。冲水的用量一般以给料口的原料能完全湿润为准。冲水的用量约为总水量的20、30%。筛下顶水占总水量的70、80%以上。前段的筛下水将成为后段的运输水。筛下顶水的作用是补充筛下水量的短缺,减少跳汰室和空气室之间在工作时的液位差,其目的是增加空气室内压缩空气的有效压力。风量和水量的正确配合使用,对分选过程极为重要。虽然在一定范围内增加风量或增加筛下补充水都能提高床层松散度,但加风能提高下降期的吸嚷作用,而加水却是减弱它的作用。在实际操作中应根据具体情况和工作经验灵活应用。5)风阀周期
17、特性脉动水流特性主要决定于风阀周期特性。应根据分选物料的性质(粒度和密度组成)和风阀的特点选择风阀周期。电磁风阀调整灵活,可根据工作需要迅速调整风阀周期特性。随着物料的变化,创造良好的床层松散、分层条件。以获得较好的分选效果。6)床层状态床层的运动状态决定着矿粒按密度分层的效果,所以操作的主要目的,是为了使床层处于有利于分选的工作状态,并使之保持稳定。床层愈厚,床层所需的时间愈长,分层的时间也愈长。若床层太厚,在风压或风量不足的情况下,不容易达到要求的松散度。床层减薄能增强吸嚷作用,有利于细粒级的分选并得到比较纯净的精煤。如果床层太薄,吸嚷作用太强,精煤透筛损失将增加,床层不稳定,操作困难。曾
18、对床层厚度与分选效果的影响进行研究,结果表明,随着床层厚度的增加,松散度逐渐降低。床层厚度适中时,分选精度最高。通过调整筛板倾角和风水量可以控制床层水平移动速度,使它与床层按密度分选的速度相适应,使物料到达排料图2一3电磁风阀工作系统示意图1一油雾器2一调压阀3一滤气器整个电磁风阀的工作系统由三部分组成:1、气路系统。包括高压风管至气缸的气动管路;2、数控装置。通过控制电磁风阀的通、断电时间,实现大范围内无级调节频率和跳汰周期特性;3、进、排气阀由气缸和阀盖组成。图2一3为电磁风阀进气时的情况,即进气阀打开,排气阀关闭。这时,两个电磁风阀的动作过程是:进气电磁风阀的电磁线圈断电,铁芯被弹簧推下
19、,关闭上部进气道,同时打开上部的排气道,放出阀体上部的气体,而下部则给入高压空气于进气阀(如图中箭头方向所示),推动进气阀的活塞向上运动,打开进气阀使分配箱内的低压空气经进气管进入空气室。这时,排气电磁阀的动作与进气电磁阀的动作相反,即电磁线圈通电吸上铁芯,关闭上部排气道,打开上部进气道,高压空气进入排气阀内,推动活塞向下运动,关闭排气管。空气室的排气过程与上述过程相反,排出的气体经消音排气包排出厂外。电磁风阀的缺点:需另配一套高压供风系统,气缸加工精度要求较高,维修工作量较大。闸门时应按密度分好层次;并使研石床层和中煤床层的水平移动速度与原煤中研石和中煤的含量相适应,以保持适当的重产物床层厚
20、度,创造一定的分选条件;同时沿宽度和长度各点上的水平移动速度也应基本一致,否则会造成床层局部薄厚与松散不均匀,以致于破坏按密度分层。第三章模糊控制理论.3.1模糊控制方案的提出目前,在跳汰选煤过程中,对跳汰机的控制方法总体上说有普通逻辑控制和常规PID控制,甚至对于某些老的机型来说还存在用手工操作方式进行分选。普通逻辑控制基本上是根据床层的厚度,来判断闸板的开度,限定床层厚度在某一范围,若高于上限值则开大闸板,直至床层厚度落回该范围内;若低于下限值则关闭闸板,直至床层厚度回升至该范围内。这种控制由于闸板动作的滞后性,容易出现大的过冲,床层波动范围远大于设定的范围。而常规PID控制方式,由于其参
21、数的选择及调整不便以及其固有的缺点,用在跳汰机的排料控制上又在床层稳定效果上不理想,避免不了“大排大放”,跑煤等现象。因为PID控制更适用于那些线性的,容易建立起精确数学模型控制系统,但对于跳汰机控制系统来说,所受影响因素众多,如原煤特性、给料速度、水压、水量、风压、排料系统等因素影响。这些因素之间又相互制约,而且其中的一些参数又难于实时测量和控制。在这种情况下,采用传统的控制方法,包括基于现代控制理论的控制方法,往往不如一个有实践经验的操作人员所进行的手动控制效果好。因为人脑的重要特点之一就是有能力对模糊事物进行识别与判决,看起来似乎不确切的模糊手段常常可以达到精确的目的。操作人员是通过不断
22、学习、积累操作经验来实现对被控对象进行控制的,这些经验包括对被控对象特征的了解、在各种情况下相应的控制策略以及性能指标判据。这些信息通常是以自然语言的形式表达的,其特点是定性的描述,即模糊性。模糊控制是一种基于规则的智能控制方式,它不依赖于被控系统的精确数学模型,而是建立在人工经验基础上的。对于一个熟练的操作人员来讲,并非需要了解被控对象的精确的数学模型,而是凭借其丰富的实践经验,采取适当的对策来巧妙的控制一个复杂系统。若能把这些熟练操作员的实践经验加以总结和描述,并用语言表达出来,那么这就是一种定性的、不精确的控制规则。如果用模糊数学将其定量化就转化为了模糊控制算法,从而形成了模糊控制理论。
23、3.2模糊控制理论1964年,美国控制论学者L.A.Zadeh教授发表开创性文章,首次提出一种完全不同于传统数学与控制论的模糊集合理论,核心是对复杂的系统或过程建立一种语言分析的数学模式,使自然语言能直接转化为计算机能接受的算法语言。同时,也适应了自适应科学发展的迫切需要。1974年,英国的E.H.Mamdani研制出了世界上第一个模糊控制器,开创了模糊控制在工程领域应用的先河。模糊控制是一种基于规则的智能控制方式,它不依赖于被控系统的精确数学模型,特别适应于有多输入、多输出的强藕合性、参数的时变性、严重的非线性与系统模型不确定性的复杂系统。所谓系统指的是两个以上彼此联系又相互作用的的对象所组
24、成的具有某种功能的集体,而模糊控制系统是由那些模糊现象引起的不确定性系统。也就是说一个模糊系统,它的状态或输入、输出具有模糊性。模糊控制或模糊自动控制系统是以模糊数学、模糊集合论、模糊语言知识表示、模糊逻辑推理等为理论基础;以计算机作为物质基础;以计算机控制理论、自动控制理论作为技术基础的自动控制系统。模糊控制系统是一个集合体,通常它由被控对象、测量装置、控制器和执行机构等部件组成。这种系统在完成预定的任务时,可以不需要人的直接参与,由测量装置代替人的感知机能来动态的观测被控制量,从而对给定量与被测量进行比较、综合和信息的处理,并由此给出控制量。在人工操作过程中,这都是通过操作员的感官拾取观测
25、信息,形成感性认知,然后通过人脑的思维判断,最后进行手动调整改善系统性能。模糊控制系统的组成具有传统计算机控制系统的结构形式,如下图所示。它主要由模糊控制器、输入输出接口、执行机构、被控对象和测量装置组成。数字控制系统或混合控制系统一样,必须具有模数(A/D)、数模(D/A)转换单元,还包括模糊逻辑处理的“模糊化”和“去模糊化”环节。测量装置:测量装置主要是把被控对象的各种非电量,如流量、温度、压力、速度、浓度等转化为电信号。这部分主要有各类数字的或模拟的测量仪器、检测元件、传感器等组成。它们的精度直接影响系统的性能指标,因此要求它们具有较高的精度、可靠性高稳定性好。为了提高控制精度,应及时观
26、测被控制量的变化特性及其与期望值的偏差,以便及时调整控制规则和控制量输出值。基于此,把用测量装置得到的值反馈到控制系统的输入端与给定控制量比较,构成具有反馈环节的闭环控制传统。模糊理论具有许多优点:l)使用语言方法,可不需要掌握过程的精确数学模型。因为对复杂的生产过程很难获取过程的精确数学模型,而语言方法确是一种很方便的近似。2)对于具有一定操作经验、而非控制专业的工作者,模糊控制方法易于掌握。3)操作人员易于通过人的自然语言进行人机界面联系,模糊条件语句很容易加入到过程的控制环节上。4)模糊控制过程的动态响应品质优于常规PID控制,并对过程参数的变化具有较强的适应性总之,模糊控制是一种更加拟
27、人化的方法,用模糊逻辑处理和分析现实世界问题,可以更符合人的要求和愿望。近代的模糊控制技术随着大规模集成电路技术、计算机技术、工艺技术的发展而不断成熟起来。尽管目前模糊控制理论还与许多鱼待解决的问题:知识和经验的表示、知识推理的法则、知识的获取和总结、模糊控制系统的稳定性判据、模糊控制系统的学习、模糊控制系图3一1模糊控制系统框图被控对象:被控对象可以是一种设备或是设备组成的集合体,也可以是一个生产过程,包括自然的、生物的、化学的、或是物理的等各种状态转移过程。这控制对象可能是确定的机构,也可以是模糊的、单变量的或是多变量的、有滞后性的或是无滞后性的、非线性的或是线性的、定常的或是时变的系统以
28、及具有强祸合或是强干扰性的等等多种情况。对于不好建立数学模型的复杂系统,用模糊控制效果更好。执行机构:执行机构主要是各种交直流电动机,伺服电动机,步进电动机等,还有各种气压的和液压的装置,如各种气动的调节阀、液压马达、各种液压阀等。控制器:它是控制系统的核心部分。在模糊控制理论中,采用基于模糊控制知识表示和规则推理的语言型模糊控制器。输入输出接口(I/O):实际系统中由于多数被控对象的控制量及其可观测状态量是模拟量。因此,模糊控制系统与通常的全太原理工大学硕士学位论文统的分析、模糊控制系统的设计方法等,但模糊控制更能适应噪声干扰和元器件的变化,使系统适应性更好;其应用领域更加广泛,应用前景更加
29、开阔。鉴于此,在邢台东庞煤矿洗煤车间,我们采用模糊排料控制系统取代了原先普通逻辑控制系统,并在现场得以应用。3.3模糊控制器工作原理3.31模糊控制过程所谓模糊控制,既不是指被控对象是模糊的,也不是指控制器是不确定的,它是指在表示知识、概念上的模糊性。虽然模糊控制算法是通过模糊语言描述的,但它所完成的却是一项完全确定的工作。要实现语言控制的模糊逻辑控制器,就必须解决三个问题。第一是先通过传感器把要检测的物理量变成电信号,再通过模数转换器把它转换成精确的数字量。精确输入量输入模糊逻辑控制器后,先被转换成模糊集合的隶属度函数,这一步就称为精确量的模糊化;其目的是把传感器的输入转换成知识库可以理解和
30、操作的变量格式。第二是根据有经验的操作者或者专家的经验制定出模糊控制规则,并进行模糊逻辑推理,以得到一个模糊输出集合即一个新的模糊隶属函数,这一步称为模糊控制规则形成和推理;其目的是用模糊输入值去适配控制规则,为每个控制规则确定其适配的的程度,并且通过加权计算合并那些规则的输出。第三是根据模糊逻辑推理得到的输出模糊隶属函数,用不同的方法找一个具有代表性的精确值作为控制量,这一步称为模糊输出量的解模糊判决,目的是把分布范围概括合并成单点输出量,加到执行器上实现控制。图3一2典型模糊控制器系统基本框图3.3.2精确输入量的模糊化通常控制总是用系统的实际输出值与设定的期望值相比较,得到一个偏差值E,
31、控制器根据这个偏差值来决定如何对系统加以调整控制。很多情况下还需要根据偏差的变化率C来进行综合判断。无论是偏差还是偏差的变化率,都是精确的输入量。要采用模糊控制技术就必须首先把它们转换成模糊隶属函数。每一个输入值都可以对应一个模糊集合,某一范围连续变化的值就可有无限多个模糊集合。这在工程实践中是无意义的。为了便于工程实现,通常把输入变量范围人为的定义成离散的若干级中(本文取13级)。定义输入量的隶属函数可采用吊钟形、梯形和三角形,理论上说吊钟形最为理想,但是计算复杂;实践证明,用三角形和梯形函数其性能并没有十分明显的差别。所以为了简化计算,采用最常用的三角形。为了实现模糊控制器的标准化设计,把
32、偏差E、偏差变化率第四章基于S7-200PLC的跳汰机控制系统的设计我们开发的基于S7一200PLC的跳汰机控制系统,包括风阀控制系统和模糊排料控制系统。风阀系统是跳汰周期的产生源。风阀控制系统功能就是按照跳汰司机设定参数产生相应的跳汰频率,同时风阀进行有规律的进、排气动作,底板规律地振动,从而使得上面的物料进行合理地分层。在此基础上模糊排料系统投入工作,根据现场要求进行实际控制。图4一1基于S7一200PLC的跳汰机控制系统示意图本软件控制系统采用模块化编程结构,PLC作为最底层的控制器可以单独完成对系统的控制任务。同时,PLC与上位机通过PC一PP工电缆进行通讯,上传底层各种参数。上位机中
33、留有接口,当接收到从PLC上传的数据以后,可以根据需要对数据进行相应的分析与处理。同时,上位机还可以将产生的控制数据或其它参数下传至PLC,由PLC执行控制任务。4.1风阀控制系统电磁风阀装置是跳汰机的主令控制装置,其运行状况与选煤厂的正常运行和生产效益的好坏休戚相关。在本系统中跳汰机有五个跳汰室,每个室有1个进气阀,1个排气阀。电磁风阀的动作周期称为跳汰周期。在每个跳汰周期中分为进气期、膨胀期、排气期和压缩期。可编程控制器根据设定的进气期、膨胀期、排气期和压缩期参数来控制五个进气阀和五个排气阀的动作。在生产现场,选煤厂煤尘多、湿度大、强弱电干扰强、振动噪声大等恶劣的工作环境,要求控制装置具有
34、高的可靠性。我们选择西门子S7一200226XM可编程序控制器来实现电磁风阀的控制。下面分别针对系统的硬件及软件设计进行介绍。1风阀控制系统硬件设计图4一2风阀控制系统硬件原理图风阀控制系统的硬件系统包括:可编程序控制器、上位工控机、TD20。显示装置、输出电路板等。1、可编程序控制器(PLC)可编程序控制器采用S7200CPU226XM。它的输入点为24点、输出点为16点。程序空间为8K字。考虑到风阀动作的频繁性,PLC采用晶体管输出型以保证长的使用寿命。PLC通过PC一PPI电缆与上位机通讯,实现风阀控制参数的传送,便于上位机实时监视跳汰机的运行情况,或PLC及时响应上位机对参数作出的调整
35、。PLC的输出通过固态继电器驱动电磁阀动作。2、上位机上位机采用研华IPC610,对工业现场的恶劣环境有较好的适应能力。它是PLC的编程器,可在线、离线编制系统的应用程序或在线修改PLC程序相关参数;上位机还可实现对生产过程的实时监控,完成对主要数据进行统计、分析、处理、储存等操作。3、TD20O显示设备TDZOO文本显示器通过特殊的通讯电缆与PLC连接。它具有文本信息显示、过程参数显示和修改、设定实时时钟、选择通讯速率等功能。它的可编程功能键可以代替普通的按钮。4、其它装置输出电路板由固态继电器、熔断器和保护回路等组成。图4一3PLc固态继电器输出电路原理1一压敏电阻,2一熔断器控制柜上采用
36、红、绿发光二极管动态显示电磁风阀的通断情况。2风阀控制系统软件设计风阀控制系统的软件包括PLC风阀控制程序和通讯程序两部分。风阀控制程序主要完成风阀控制的算法与输出控制;通讯程序主要完成PLC与工控机风阀数据的交换等。一、风阀控制程序:PLC程序由初始化程序段、手动操作程序段、中断程序组成。其主程序流程图如下图: 由于每个空气室的跳汰周期相同,可将一个周期映射为100等分,根据设定的频率自动计算出每一跳汰周期所需的时间。气室参数分配原则是指按每个空气室在一个跳汰周期内各阶段所占百分比分配,即进气期十膨胀期+排气期+压缩期=一个跳汰周期(100)(见图4一5)。在各气室进、排气时间内由PLC控制
37、对应的电磁阀,从而在各室产生相应的进、排气动作,实现相应的跳汰特性。通过TD20O,可以对各气室的进气起始时刻、膨胀期、排气期分别设置,而各气室压缩期参数则根据气室参数分配原则随其他参数的变化自动调整。电磁风阀的动作随跳汰参数的修改而改变。软件用定时中断来实现对十个电磁风阀的控制。在计算出跳汰周期后,将用户给定的参数与之相乘,直接计算出各风阀开、闭的时间参数,然后将这些参数从小到大排序,依次把相邻的两个数的差值作为定时中断的时间间隔,最小的那个数就作为第一个定时中断间隔值,同时在中断程序中统计中断次数。程序执行完一个差值,给出相应的输出,而后执行下个送入中断的差值,依次类推,直到整个周期完成,
38、然后再启动下一周期。为进一步减小误差,输出采用立即置(S工)、复(Rl)位指令。因为立即置(SI)、复(RI)位不受扫描周期的影响,程序执行到该点,直接对物理输出口进行操作。在程序设计过程中,我们充分考虑了现场的工作情况,采取了以下一些措施:a.为了防止跳汰风量的不足,程序可实现I段(包括工、11跳汰室)、11段(包括111、IV、V跳汰室)的跳汰反相,即I段进气时,H段排气;I段排气时,H段进气,保证了跳汰机在风量不足情况下的不间断工作;b.对所有风阀参数设有掉电保护措施。当重新上电时,自动恢复掉电前所设置的参数,方便了现场操作。下面为风阀控制中断部分的流程图:.2模糊排料控制系统根据对控制
39、对象跳汰机的介绍,我们可以看出,被控对象存在非线性、随机干扰、多参数强烈祸合等因素,原煤入料性质、跳汰分选效果以及司机的操作方式都会对排料系统有影响,难以建立排料系统的数学模型。模糊控制不需要建模的优越性恰好为跳汰机自动排料提供了一条有效的途径。我们设计的模糊排料自动控制系统,目标是稳定床层,就是要及时连续均匀地排出重产物,保持稳定而合适的床层厚度,是定值过程调节。. 本控制系统主要由测量环节、数据处理及控制器环节、输出驱动环节及显示环节等组成。下面分别介绍各环节的功能。一、测量环节测量环节主要由床层厚度测量和闸板开度测量两部分组成。它们在排料系统中的位置参看图4一10。对于排料的自动控制系统
40、来说,重产物厚度检测是最关键的一环。排料自动控制系统对床层厚度测量装置有很高的要求:.浮标浮标是利用耐磨、耐腐蚀材料做成的具有特定形状、特定密度的密封中空容器,作为一次传感元件使用。浮标的形状较多。它的端面为流线型。一般在跳汰机一段多采用高度较大,底面较小的浮标。对跳汰机负荷和用水量都不太敏感,受机械力作用大,精度稍差,如圆桶形浮标。在跳汰机二段,可采用高度较小,底面积较大的浮标。它对跳汰机的负荷较为敏感,如椭圆形、纺锤形浮标。浮标置于排料口左上的位置,距离溢流堰较近,使得重产物床层(研石层、中煤层)不会因堆积太厚而流到下一个分选阶段,同时也不会因排料过多而使床层过薄而不稳定。浮标传感器检测原
41、理浮标传感器量程为0一200mm。作为一次差动变压器式传感元件,浮标在使用时被安置在跳汰室内与其密度相同的床层之中,可以认为它是床层中一个较大的矿块。浮标对跳汰水流特性有一定的影响,而脉动水流特性在一般情况下是不变的,所以浮标位置的变化也就基本上反映了重物层床层厚度的变化。如果我们按“静止期节拍跟踪测量”原理,在静止期测出浮标的位置信号,也就获得了特定密度床3.浮标法的优缺点分析浮标所反映的传感信号是真实而准确的重物层厚度信号。作为一次传感器,目前在原理与实践中均公认为浮标可以较准确地反映重物层的厚度。这也就是浮标法最主要的优点,也是其一直沿用至今的原因。但使用浮标装置有严格的要求:a.浮标高
42、度不应过大。浮标的高度越大,它所跨占的密度层越大,密度差也越大,一旦物料密度的组成发生变化,将影响浮标所处的位置,这就造成测量的误差;b浮标的形状对床层的阻力要小。这个阻力越大,将影响浮标上下运动的自由度,造成浮标不能及时传送出自身1.测量的准确性。它应该测出床层总厚度中各重产物层的准确位置。目前世界上主要的选煤国家都用各种模拟实验方法来证明,只有在床层由松散过程转为静止于筛板上的时刻(即跳汰周期的密实期)测出的轻重产物的分界处才代表重产物的厚度。本跳汰机系统采用数控电磁风阀,在压缩期,由PLC的A/D模块进行重物层厚度信号采集。2.良好的跟随性。当重物层厚度变化时,检测仪表应当紧紧跟随过程的
43、变化,不应有较长的滞后。当重物层变厚时,如不能及时排料,会造成对轻产品的污染,影响产品质量;同样,当重物层变薄时,如不能及时抑制排料,则导致重产物排放过多,增加损失,降低回收率。3.良好的对应性。跳汰及重物层传感器的输出信号与重物层厚度要有良好的对应关系。下面着重介绍重产物检测系统一浮标传感器检测系统及检测原理。11闸板开度测量闸板开度测量的主要元件是闸板位移传感器,它是一次差动变压器式位移传感器。其量程为0一ZOOmm。二、数据处理及控制器为适应现场控制的需求,PLC扩展了模拟模块EM235、EM231和数字模块EM222。EM235与EM231具有12位分辨率、4点模拟输入,分别用于对床层
44、信号与闸板信号进行采集。不同的是EM235还有一个模拟输出点。在本系统中,EM231与EM235都为单极性输入,量程都取0到SV,相对应的分辨率均为1.25mV(这些都通过模块上的DIP开关来设置)。扩展数字量模块EM222具有8点数字输出,用于控制四路闸板的动作。作为控制器,PLC根据床层给定值与现场采集的实际床层值进行模糊控制算法,并通过继电器输出控制,驱动液压执行机构带动排料闸板动作。三、输出电路及驱动装置继电器电路输出原理图见图4一11。动力源为液压泵站。执行机构为液压缸。系统通过液压缸带动闸板动作。四、显示装置显示装置有TD200与智能显示仪表。TDZOO主要用于在线实时修改风阀参数
45、,同时可以显示与程序相关的文本信息或过程参数等。智能显示仪表为双光柱、数字显示仪表,可以同时以光柱和数码形式显示两路信号。在本系统中,一路用于显示床层厚度,另一路则显示相应闸板开度。4.3排料模糊控制器的设计跳汰机模糊控制系统包括研石排料控制器和中煤排料控制器,分别用于研石排料与中煤排料。模糊控制器根据重产物床层厚度给定值(即期望床层厚度)与重产物床层厚度实际值的差值与该差值的变化率,来进行调节,使重产物床层厚度稳定在期望值附近。重产物的排放好坏对产品质量有重要作用,排放不当不但会造成产品污染,还会造成床层紊乱。床层太厚,物料跳不起来,不能分层,有时还由于研石量过大,使提升机发生事故;床层太薄
46、,过于松散,透筛损失增加。因此要求模糊控制器不仅要精度高,而且稳定性好,达到勤排少放、稳定床层的目的。1输入量的模糊化模糊控制器的两个输入,偏差与偏差变化率都是精确的输入值,要用模糊控制技术,就必须首先把它们用模糊集合的隶属函数模糊化,即精确量的模糊化。偏差和偏差变化率都各自有各自相应的模糊集合,根据设计模糊控制器的经验和现场实验,将它们都取为9级,即pV(正很大)、pB(正大)、pM(正中)、Ps(正小)、Z(零)、NS(负小)、NM(负中)、NB(负大)、Nv(负很大),隶属函数都取为三角形。如图所示:液压系统驱动的,液压系统动作是有滞后的。如果闸板处于低位,排料口开度大,而闸板提升速度有
47、限,此时就会造成大排大放,出现床层排空,研石带煤或中煤带精煤的现象,而且也会影响跳汰分层效果,最终影响分选效率和产品质量。考虑到这一点,模糊控制器就要对负的床层厚度偏差(床层比给定值薄),和负的偏差变化率(床层还在继续变薄)特别敏感,及早识别出床层变化趋势,避免大排大放。2模糊规则的制定如果没有自动排料系统,跳汰司机在手动操作排料系统时,要观察浮标指示棒指示的重产物床层厚度变化和显示仪表上显示的重产物床层厚度,凭经验与观察感知现在的床层变化趋势,并进行相应操作使得排掉重产物并维持床层的稳定。司机完全凭经验来操作,这些经验用自然语言来描述就是:“床层厚,且增长猛,则开大闸板,增加排料”;“床层薄,且还在继续变薄,则关小闸板,降低排料速度”;司机就是根据床层的厚度和厚度的变化率,来调节闸板的开度的。我们构想的模糊控制器,就是把这些跳汰司机的经验归纳总结形成模糊规则,并对它们进行形式化数学处理,成为模糊控制器。该模糊控制器是一个两输入单输出的模糊控制器,输入量是床层厚度偏差Ei(即重产物床层厚度与期望值的差值)及偏差变化率Ec(当前时刻的偏差与上一时刻的偏差的差),输出量是闸板开度的变化。采用闸板排料有一定的特殊性,整个闸板执行机构是采用我们采用的是“如果A且B
