基于PLC的聚氨酯樹(shù)脂成熟狀態(tài)模糊判別方法

易慧娟 張曉江 朱建秋 易茂進(jìn)

(1.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,合肥 230009；2.湖南華菱鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司,湖南 衡陽(yáng) 421000)

聚氨酯樹(shù)脂(PU)是制造合成革的主要原料，而PU合成所需的物料有20多種，它們按照一定的配比添加到反應(yīng)釜內(nèi)，通過(guò)攪拌合成[1,2]。目前，大多數(shù)企業(yè)在PU生產(chǎn)過(guò)程中，主要憑借工人的經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷反應(yīng)的成熟狀態(tài)，存在人為主觀因素干擾，無(wú)法精確把握出料時(shí)機(jī)，導(dǎo)致PU反應(yīng)不完全，影響PU質(zhì)量。因此，在PU化學(xué)生產(chǎn)工藝中，必須準(zhǔn)確把握出料時(shí)機(jī)，才能獲得滿(mǎn)足質(zhì)量要求的合格產(chǎn)品，避免給企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失。

針對(duì)某合成革廠的PU配料實(shí)際控制系統(tǒng)(采用STEP7-300作為控制器[3]，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和功能執(zhí)行，用組態(tài)軟件WinCC進(jìn)行人機(jī)界面組態(tài))，筆者采用一種基于模糊推理判別的算法，根據(jù)檢測(cè)到的PU反應(yīng)釜攪拌電機(jī)電流的變化，反映釜內(nèi)PU粘稠度的情況，然后計(jì)算PU反應(yīng)釜內(nèi)物料的反應(yīng)狀態(tài)，并在上位機(jī)上顯示，保證PU反應(yīng)釜的準(zhǔn)時(shí)出料，從而提高PU的質(zhì)量[4～8]。

PU化學(xué)生產(chǎn)工藝中，投料開(kāi)始時(shí)攪拌電機(jī)(三相異步電動(dòng)機(jī))啟動(dòng)，最初反應(yīng)釜內(nèi)的物料處于未成熟狀態(tài)，物料的粘稠度較低，攪拌電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩低，電機(jī)的定子工作電流有效值低。隨著釜內(nèi)的攪拌葉片不斷地?cái)嚢枋刮锪现g充分混合并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，釜內(nèi)物料的粘稠度逐漸升高。物料粘稠度上升使攪拌葉片轉(zhuǎn)動(dòng)所受的阻力矩增大，攪拌電機(jī)定子電流也隨之增大[9]。在充分?jǐn)嚢韬?，反?yīng)釜內(nèi)物料趨于成熟，釜內(nèi)物料的粘稠度將達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，攪拌葉片所受的阻力矩將基本保持不變，同時(shí)攪拌電流也逐漸趨于平穩(wěn)。因此，通過(guò)觀察攪拌電機(jī)定子電流是否達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，即可得到PU反應(yīng)成熟度。該系統(tǒng)攪拌電機(jī)參數(shù)為75kW、380V、50Hz，通過(guò)軟啟動(dòng)器啟動(dòng)，采用交流電流互感器測(cè)量定子電流有效值。設(shè)電流互感器的電流上限為300A，空載電流為60A。在溫度和液位一定的情況下攪拌電機(jī)定子電流與物料粘稠度的關(guān)系如圖1所示。

圖1 攪拌電機(jī)定子電流與物料粘稠度的關(guān)系

攪拌電機(jī)電流與反應(yīng)釜內(nèi)物料的總量也有直接關(guān)系，然而實(shí)際生產(chǎn)中每次需要生產(chǎn)的PU總量是不確定的，因此選擇攪拌電機(jī)電流斜率E和電流斜率變化率EC作為模糊判別控制器的輸入量，通過(guò)模糊判別規(guī)則，判別反應(yīng)釜內(nèi)物料的成熟狀態(tài)。

該系統(tǒng)中攪拌電機(jī)電流首先通過(guò)電流互感器得到跟電機(jī)電流實(shí)際有效值成正比的電流信號(hào)，然后該電流信號(hào)通過(guò)電流變送器轉(zhuǎn)換成4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)[10]，此時(shí)4～20mA表示攪拌電機(jī)電流有效值的0～100%，此模擬信號(hào)再輸送到PLC的模擬量輸入(AI)模塊，由PLC定標(biāo)功能模塊將其轉(zhuǎn)換成電流實(shí)際大小的浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)后，把該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在PLC的數(shù)據(jù)模塊(DB)中。PLC對(duì)電流數(shù)據(jù)進(jìn)行一階和二階差分計(jì)算，得出電流斜率E和電流斜率變化率EC。

2 PU反應(yīng)成熟狀態(tài)的模糊判別

將攪拌電機(jī)的電流斜率E和電流斜率變化率EC作為模糊判別環(huán)節(jié)的兩個(gè)輸入。根據(jù)原理設(shè)定的成熟狀態(tài)判別規(guī)則見(jiàn)表1。

表1 成熟狀態(tài)判別規(guī)則

2.1 輸入輸出量模糊化

模糊化主要是將輸入的精確量轉(zhuǎn)換為模糊量[11,12]。設(shè)輸出量U的模糊論域?yàn)閇1,2，3]，其中，1代表釜內(nèi)物料未成熟，模糊處理為S；2代表物料即將成熟，模糊處理為M；3代表物料已成熟，模糊處理為B。

由于攪拌電機(jī)電流隨物料粘稠度的增大而增大，所以E無(wú)負(fù)值。E的模糊論域{0,1,2,3,4,5,6}共7檔，對(duì)斜率較小的部分進(jìn)行非均勻量化，得到E的模糊論域與實(shí)際論域?qū)?yīng)關(guān)系見(jiàn)表2。這7檔模糊子集的模糊處理為：Z取0附近，SS取1附近，SB取2附近，MS取3附近，M取4附近，BS取5附近，B取6附近。

表2 E的模糊論域與實(shí)際論域的對(duì)應(yīng)關(guān)系

攪拌電機(jī)電流斜率變化率EC的模糊論域?yàn)閧-3,-2,-1,0,1,2,3}，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，得出模糊論域與實(shí)際論域的關(guān)系見(jiàn)表3。同樣模糊處理為：NB取-3附近，N取-2附近，NS取-1附近，Z取0附近，PS取1附近，P取2附近，PB取3附近。隸屬度函數(shù)采用三角形函數(shù)。由于系統(tǒng)采用1次/min的采樣方式，且攪拌電機(jī)電流的測(cè)量信號(hào)是4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，所以表3中的實(shí)際值都經(jīng)過(guò)比例系數(shù)處理。

表3 EC的模糊論域與實(shí)際論域的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2 模糊判別規(guī)則

模糊判別能否精確地反映釜內(nèi)物料的狀態(tài)，主要取決于模糊判別規(guī)則是否合適。模糊判別規(guī)則是根據(jù)控制對(duì)象特性，總結(jié)手動(dòng)操作經(jīng)驗(yàn)，而得出的一些邏輯推理規(guī)則，其基本形式表現(xiàn)為模糊條件語(yǔ)句[13～15]。根據(jù)推理規(guī)則，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)調(diào)整，得到模糊判別規(guī)則見(jiàn)表4。本系統(tǒng)采用“if A and B then C”模糊規(guī)則語(yǔ)句，如ifE=Z andEC=N thenU=B；ifE=SS andEC=N thenU=B；根據(jù)模糊規(guī)則表，本系統(tǒng)共有27條模糊條件語(yǔ)句。

表4 模糊判別規(guī)則

2.3 模糊判別的輸入輸出關(guān)系

采用Matlab模糊工具箱中的Centroid(面積重心法)將模糊量轉(zhuǎn)換為精確量[16]，根據(jù)表4中設(shè)定的模糊判別規(guī)則，推理可求得E、EC輸入時(shí)，輸出未成熟、即將成熟、已成熟的隸屬度，即輸入輸出關(guān)系(表5)。重疊的部分，取隸屬度較大者。輸出數(shù)據(jù)最終以數(shù)據(jù)塊的形式存入PLC工作存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)，以便PLC運(yùn)行時(shí)查詢(xún)。

表5 模糊判別輸入輸出關(guān)系

3 系統(tǒng)的硬件組態(tài)

PLC控制系統(tǒng)的硬件選擇主要考慮兩個(gè)方面：首先根據(jù)控制系統(tǒng)的需求和價(jià)格折衷考慮選擇CPU模塊，硬件配置的基本原則是在滿(mǎn)足要求的情況下，選擇性?xún)r(jià)比高的硬件模塊；根據(jù)系統(tǒng)需要選擇對(duì)應(yīng)點(diǎn)數(shù)的輸入輸出和通信模塊，輸入輸出模塊的點(diǎn)數(shù)應(yīng)比計(jì)算的多一些，以備后續(xù)擴(kuò)展使用。系統(tǒng)的PLC硬件組態(tài)如圖2所示。

圖2 PLC硬件組態(tài)

系統(tǒng)硬件配置：CPU模塊采用315系列CPU，該CPU對(duì)二進(jìn)制和浮點(diǎn)數(shù)具有較高的處理能力；4個(gè)307電源模塊(PS),一個(gè)10A的電源模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)主要部分的供電，其余3個(gè)5A電源作為I/O模塊的驅(qū)動(dòng)電源；通信處理模塊(CP)采用343-1；系統(tǒng)共需要22個(gè)DI模塊，其中21個(gè)是DI16xDC24V，一個(gè)是DI32xDC24V，10個(gè)DO模塊DO16xDC24V，5個(gè)AI模塊。

4 模糊判別算法的PLC實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)硬件采用STEP7-300 PLC，模糊算法的流程如圖3所示。

圖3 PLC模糊算法的流程

在程序設(shè)計(jì)中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)采用模糊控制查詢(xún)表的方法，對(duì)離線已經(jīng)設(shè)計(jì)好的控制表進(jìn)行查詢(xún)。然后根據(jù)圖3，將采集到的攪拌電機(jī)電流存放在DB1中，功能模塊FC41將采集到的電機(jī)電流信號(hào)進(jìn)行定標(biāo)處理，再進(jìn)行一階和二階差分計(jì)算，得到電流斜率E和斜率變化率EC，然后分別存放在數(shù)據(jù)模塊DB1中的不同地址中。將電流斜率E的模糊論域放在DB1.DBD30開(kāi)始的連續(xù)7個(gè)數(shù)據(jù)寄存器中，電流斜率變化率EC的模糊論域放在DB1.DBD40開(kāi)始的連續(xù)7個(gè)數(shù)據(jù)寄存器中。將DB1.DBD22中的數(shù)據(jù)和DB1.DBD30開(kāi)始的7個(gè)數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)相比較，同時(shí)將DB1.DBD23中的數(shù)據(jù)和DB1.DBD40開(kāi)始的7個(gè)數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)相比較，若與某個(gè)數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)相同，則所對(duì)應(yīng)的中間繼電器(如M20.0)置1。根據(jù)中間繼電器的狀態(tài)將查詢(xún)的輸出值送入數(shù)據(jù)寄存器DB1.DBD24中[16]。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者在為某合成革廠設(shè)計(jì)的PU配料控制系統(tǒng)中，運(yùn)用PLC實(shí)現(xiàn)模糊推理判別算法，改善了無(wú)法精確把握PU反應(yīng)完全成熟后的下料時(shí)刻問(wèn)題。STEP7-300作為系統(tǒng)的控制器使整個(gè)系統(tǒng)更適應(yīng)于比較復(fù)雜的工廠環(huán)境，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行以來(lái)，性能指標(biāo)完全滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，下料時(shí)刻精確，工藝流程緊湊，關(guān)鍵數(shù)據(jù)歸檔管理，系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)成本降低，PU生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量均有所提高。

[1] 姚亮.基于DCS的PU反應(yīng)釜監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2012.

[2] 朱成群.基于PLC和WinCC的聚氨酯樹(shù)脂反應(yīng)釜監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2012.

[3] 謝國(guó)強(qiáng),徐文尚,劉洪霞,等.基于S7-200 PLC的白炭黑反應(yīng)釜自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化,2010, 36(12):111～114.

[4] 蔡智斌.攪拌電流值在聚酯生產(chǎn)工藝控制中的應(yīng)用[J].聚酯工業(yè),1997,(3):50～53.

[5] 陳國(guó)康.聚酯生產(chǎn)工藝中攪拌電流值的應(yīng)用[J].廣東化纖,1999,(1):55～56.

[6] 楊斌,高凱,淡勇.PIV在化工攪拌釜內(nèi)流動(dòng)測(cè)量中的應(yīng)用[J].化工機(jī)械,2013,40(1):4～8.

[7] 劉克維,李少遠(yuǎn),鄭毅.基于模糊邏輯的微乳液攪拌釜溫度串級(jí)PID控制[J].化工自動(dòng)化及儀表,2010,37(3): 38～42.

[8] 劉慧玲,汪惠芬,劉婷婷.基于模糊PID復(fù)合控制的化工生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2011,38(7): 812～815.

[9] 趙明斌,王振忠.淺析聚酯熔體特性黏度與終縮聚釜攪拌電流的關(guān)系[J].聚酯工業(yè),2007,20(2):48～50.

[10] 童少為,施云貴.基于系列GE90-30 PLC實(shí)現(xiàn)的鍋爐汽包水位監(jiān)控系統(tǒng)[J].化工機(jī)械,2006,33(4):236～240.

[11] 張俊,李明.基于PLC的模糊控制器在定量包裝秤中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2014,36(5):110～112.

[12] 張雪平,王志斌.基于模糊控制的PLC在溫度控制中的應(yīng)用[J].電氣傳動(dòng),2005,35(8):54～55.

[13] 丁佳佳,陳鳴慰.基于模糊自適應(yīng)的計(jì)量秤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2010,37(9):72～74.

[14] 吳宏武,劉春燕,石璞.塑料擠出溫度模糊控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究[J].化工自動(dòng)化及儀表,2002,29(4):61～63.

[15] 唐兵,鐘云,郭明彥.模糊PID控制在抑塵劑溶液自動(dòng)配比系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].工礦自動(dòng)化,2012,38(5):65～68.

[16] 汪小澄,方強(qiáng).基于PLC的模糊控制研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2002,35(3):79～81.