基于S7-300型PLC的變頻自動(dòng)送鉆系統(tǒng)模糊控制

任宏彪,張大志,張勇軍

(北京科技大學(xué)高效軋制國家工程研究中心,北京100083)

基于S7-300型PLC的變頻自動(dòng)送鉆系統(tǒng)模糊控制

任宏彪,張大志,張勇軍

(北京科技大學(xué)高效軋制國家工程研究中心,北京100083)

鉆機(jī)自動(dòng)送鉆系統(tǒng)的控制對象存在大時(shí)滯、非線性和難以建立精確數(shù)學(xué)模型等問題。提出將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于自動(dòng)送鉆。概述了變頻自動(dòng)送鉆原理,完成了模糊控制器設(shè)計(jì)。根據(jù)PLC的特點(diǎn),給出了模糊控制在PLC上的實(shí)現(xiàn)方法和基于西門子S7-300 PLC的模糊控制器的設(shè)計(jì)方法。在鉆機(jī)上試驗(yàn)的結(jié)果表明,利用PLC實(shí)現(xiàn)模糊控制簡單可靠,控制效果良好,能夠滿足現(xiàn)場生產(chǎn)要求。

自動(dòng)送鉆;模糊控制;可編程邏輯控制器

自動(dòng)送鉆是指鉆機(jī)在正常鉆進(jìn)過程中不依靠司鉆調(diào)節(jié),而是按照鉆井工藝要求,通過控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)鉆壓和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速來送進(jìn)鉆具[1]。目前,國內(nèi)自動(dòng)送鉆的鉆壓控制大多采用PID控制,其控制算法在系統(tǒng)的控制效果、快速性、精確性和穩(wěn)定性方面都達(dá)不到鉆進(jìn)要求。傳統(tǒng)的控制方法是以數(shù)學(xué)公式描述控制過程,需要給出十分嚴(yán)密和明確的表達(dá)式,但是自動(dòng)送鉆系統(tǒng)是一個(gè)多變量、時(shí)變、時(shí)滯、非線性的系統(tǒng),很難用一個(gè)具體的表達(dá)式表示,而且由于在常規(guī)控制中參數(shù)是恒定的,因此對于有大擾動(dòng)的自動(dòng)送鉆系統(tǒng),控制效果不好。由于模糊控制理論是不需要建立精確模型的控制理論,因此模糊控制在自動(dòng)送鉆領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2]。

近年來,可編程控制器(PLC)已進(jìn)入了各個(gè)領(lǐng)域的控制系統(tǒng)[3],具有運(yùn)行可靠、操作簡易、開發(fā)靈活等特點(diǎn),倍受工控行業(yè)的青睞,通過軟件編程和擴(kuò)展相應(yīng)功能硬件,可以實(shí)現(xiàn)除傳統(tǒng)PID控制外的特殊控制策略。目前已有一些PLC生產(chǎn)廠商開發(fā)出模糊控制功能模塊供用戶選用,但其價(jià)格非常昂貴。本研究利用S7-300編程軟件,通過梯形圖編程語言實(shí)現(xiàn)對鉆壓的模糊控制。

1 變頻恒鉆壓自動(dòng)送鉆原理

變頻自動(dòng)送鉆原理如圖 1,主要由觸摸屏、PLC、變頻器、懸重傳感器、速度傳感器、送鉆電機(jī)及離合器、絞車等組成[5-6],絞車內(nèi)包含有傳感器及送鉆電機(jī)和離合器。司鉆可根據(jù)鉆井參數(shù)要求設(shè)定鉆壓,自動(dòng)送鉆系統(tǒng)依據(jù)實(shí)際鉆壓的變化來控制實(shí)際送鉆速度。當(dāng)實(shí)際鉆壓<設(shè)定鉆壓時(shí),鉆進(jìn)速度持續(xù)增加到設(shè)定鉆進(jìn)速度;當(dāng)實(shí)際鉆壓>設(shè)定鉆壓時(shí),鉆進(jìn)速度持續(xù)減小,直到實(shí)際鉆壓≤設(shè)定鉆壓;如果鉆進(jìn)速度減小到零時(shí),實(shí)際鉆壓還是大于設(shè)定鉆壓,自動(dòng)送鉆系統(tǒng)將反轉(zhuǎn)運(yùn)行,將鉆具提起一段后再執(zhí)行自動(dòng)送鉆。當(dāng)游車到下限時(shí),自動(dòng)送鉆系統(tǒng)將以零速送鉆。

圖1 變頻調(diào)速自動(dòng)送鉆系統(tǒng)原理

2 模糊控制基本原理及結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用“雙入單出”模糊控制器[3],被控變量是變頻器的速度輸出,即將反饋的鉆壓與給定鉆壓進(jìn)行比較,所得的偏差e及此偏差值的變化率ec作為模糊控制器的輸入信號,經(jīng)PLC模糊化、模糊決策、清晰化運(yùn)算后,輸出速度指令,通過Profibus-DP總線傳到變頻器[7],控制交流送鉆電機(jī)的轉(zhuǎn)速。自動(dòng)送鉆模糊控制原理如圖2。

圖2 自動(dòng)送鉆模糊控制原理

PLC實(shí)現(xiàn)模糊控制器功能,模糊控制器主要包括輸入量模糊化、模糊決策和模糊輸出量清晰化(解模糊)3個(gè)部分,如圖3,其中,E和 EC分別為e和ec模糊化后的模糊輸入;U為模糊輸出量;u為清晰化后的精確輸出量。

圖3 模糊控制器示意

根據(jù)專家的鉆井經(jīng)驗(yàn),采用隸屬函數(shù)的數(shù)值定義,可列寫其語言值隸屬函數(shù)表,偏差e的隸屬函數(shù)如表1,偏差變化率ec的隸屬函數(shù)如表2,輸出控制量的隸屬函數(shù)如表3。

表1 偏差e的隸屬函數(shù)

表2 偏差變化率ec的隸屬函數(shù)

表3 輸出控制量u的隸屬函數(shù)

模糊控制器的控制規(guī)則是基于手動(dòng)控制策略,而手動(dòng)控制策略又是人們經(jīng)過學(xué)習(xí)、試驗(yàn)以及長期的經(jīng)驗(yàn)積累逐漸形成且存儲在操作者頭腦中的一種技術(shù)知識的集合。采用如ifE=X andEC=Ythen U=Z的模糊條件語句組成的推理規(guī)則,這樣的語句共有25條,根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可將它們總結(jié)為模糊控制狀態(tài),如表4。

表4 模糊控制規(guī)則

通過模糊推理合成規(guī)則,計(jì)算出相應(yīng)的模糊控制輸出量,然后采用加權(quán)平均法得出模糊判決結(jié)果,最后得到模糊控制決策,如表5。

為實(shí)現(xiàn)基本模糊控制器的控制,通常的作法是將表5存放到可編程控制器中。在過程控制中,可編程控制器直接根據(jù)采樣和論域變換得來的以論域元素形式表現(xiàn)的偏差和偏差變化率,由查詢表5的第i行和第j列找到與誤差和誤差變化率對應(yīng)的、同樣以論域元素形式表現(xiàn)的控制量 u,u乘以比例因子,得到實(shí)際控制量作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu),即模糊控制策略通過離線計(jì)算和在線查詢實(shí)現(xiàn),可得到較好的控制品質(zhì)和良好的實(shí)時(shí)性。

表5 模糊控制決策

3 模糊控制算法的PLC實(shí)現(xiàn)

3.1 配置與程序設(shè)計(jì)流程

在自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)中,選用西門子公司S7-300型PLC,配置S7-315-2DP CPU和MMC64KB存儲器,擴(kuò)展模塊為DI32×DC24 V、DO32×DC24 V/015 A、AI8×12 Bit。自動(dòng)送鉆程序設(shè)計(jì)流程如圖4。

3.2 梯形圖程序設(shè)計(jì)

模糊控制在PLC上的主要工作是PLC梯形程序圖設(shè)計(jì)。在模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,采用S7-300型PLC,利A/D用轉(zhuǎn)換模塊將輸入量采集到PLC中,然后由系統(tǒng)總線輸出對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。首先將量化因子 Ke,Kec,Ku分別寫入PLC的數(shù)據(jù)寄存器S7-300中;然后采樣計(jì)算e和ec,置入DB1.DBD60和DB1.DBD64中,將模糊化后 E和EC分別置入DB1.DBD36和DB1.DBD48中;再將計(jì)算得出的模糊控制量U放入DB1.DBD68,解模糊得出的精確控制量u放入DB1.DBD76中。

圖4 自動(dòng)送鉆程序設(shè)計(jì)流程

在模糊控制算法中,模糊控制量表的查詢是程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。將模糊論域的元素{-6,-5,-4, -3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}轉(zhuǎn)換為{0,1,2,3,4, 5,6,7,8,9,10,11,12},采用基址+變址的尋址方式,將模糊控制量表中U的控制結(jié)果按由上到下、由左到右的順序依次填入PLC的數(shù)據(jù)寄存(保持)區(qū)DB2.DBD0～DB2.DBD672中。控制量的基址為0,其偏移地址為0+EC×5+E,地址找到后,即得到模糊控制量U,經(jīng)過解模糊運(yùn)算,可得到精確的控制量u。(限于篇幅,完整的PLC梯形圖程序在此不再詳述)

4 應(yīng)用

將實(shí)際控制程序?qū)懭朐谟肸J70/4500DB型鉆機(jī)主控制器S7-300控制器中,送鉆試驗(yàn)取得了良好效果,現(xiàn)場采集的鉆壓數(shù)據(jù)如圖5。當(dāng)鉆壓設(shè)定為70 kN時(shí),鉆壓波動(dòng)不超過±5 kN,符合鉆井工藝的要求。

5 結(jié)論

1) 模糊控制是解決大時(shí)滯、非線性、建模困難的工業(yè)對象控制的一種較為適用的方法。

2) 將PLC與模糊控制相結(jié)合,能較簡便地通過軟件實(shí)現(xiàn)模糊控制策略,既保留了PLC控制系統(tǒng)可靠、靈活、適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn),又在很大程度上提高了控制系統(tǒng)的智能化程度。

3) 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果證明,模糊控制能夠很好地應(yīng)用于自動(dòng)送鉆系統(tǒng)中。

圖5 采集的ZJ70/4500DB型鉆機(jī)鉆壓數(shù)據(jù)

[1] 張曉軍,王建才,戴克文,等.交流變頻電機(jī)自動(dòng)送鉆系統(tǒng)的原理和應(yīng)用[J].石油礦場機(jī)械,2007,36(11):60-64.

[2] 湯冰勇,路林吉,王文杰.模糊控制理論與應(yīng)用技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.

[3] 蘇昆哲.深入淺出西門子S7-300 PLC[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.

[4] 張國山,鄭明建.石油鉆機(jī)主電機(jī)自動(dòng)送鉆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案[J].石油機(jī)械,2003,31(5):14-17.

[5] 張 敬,樊巖松,戴克文,等.JC70DB型海洋絞車[J].石油礦場機(jī)械,2008,37(7):90-92.

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[7] 劉曙光.模糊控制技術(shù)[M].北京:中國紡織出版社, 2001.

Fuzzy Control of Auto-drilling with Variable Frequency Drive Using S7-300 PLC

REN Hong-biao,ZHANG Da-zhi,ZHAN G Yong-jun
(N ational Engineering Research Center f or A dvanced Rolling,US TB,Beijing100083,China)

The auto-drilling system of oil rigs has problem of the long time lag and nonlinearity and the precise mathematic model that is hard to build.To apply a fuzzy-control method on autodrilling is proposed.The principles of auto-drilling with variable frequency drive and complete the design of fuzzy-controller was explained.According to the principles of fuzzy control and the features of PLC,a method of realizing fuzzy control based on the PLC is proposed,and suggests a design of the fuzzy controller based on Siemens S7-300 PLC.The effective control for auto-drilling has been realized on the experimental installation.The experiment results indicate that the fuzzy control system is reliable and efficient in operating and thus better than the traditional PID control in performance.

auto-drilling;fuzzy control;PLC

1001-3482(2010)04-0024-04

TE928

A

2009-10-30

任宏彪(1973-),男,吉林松原人,高級工程師,在職碩士研究生,從事石油鉆井設(shè)備研究與管理工作,E-mail:yizuan2000@163.com。