基于PLC的蒸汽養(yǎng)護(hù)模糊控制器

王兵， 丁娜， 周建華

(湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412000)

基于PLC的蒸汽養(yǎng)護(hù)模糊控制器

王兵， 丁娜， 周建華

(湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412000)

根據(jù)混凝土電桿蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝的要求，采用模糊自整定PID的控制方案，并基于S7-200PLC實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了提高產(chǎn)品品質(zhì)，降低蒸汽消耗的目的，控制方案可靠性高、魯棒性強(qiáng)并具有較好移植性。

蒸汽養(yǎng)護(hù)；混凝土電桿；模糊控制；恒溫；可編程邏輯控制器

0 引 言

蒸汽養(yǎng)護(hù)具有顯著提高混凝土的初期(脫模)與早期強(qiáng)度，加快模具周轉(zhuǎn)、縮短生產(chǎn)周期、提高生產(chǎn)效率的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)，是混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)的關(guān)鍵工序[1-2]?；炷岭姉U的蒸汽養(yǎng)護(hù)控制具有遲滯性、大慣性、非線性的特點(diǎn)，控制模型不易建立，采用傳統(tǒng)的控制方法來調(diào)節(jié)蒸養(yǎng)溫度很難滿足蒸汽養(yǎng)護(hù)制度的需要，控制效率低下、產(chǎn)品質(zhì)量難以得到很好的保障，同時能源浪費(fèi)較大。

本文設(shè)計(jì)了一種新的蒸汽養(yǎng)護(hù)制度，采用模糊自整定PID的控制方式，并基于小型PLC實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了良好升溫、恒溫和降溫控制目的。

1 蒸汽養(yǎng)護(hù)控制系統(tǒng)原理

1.1 蒸汽養(yǎng)護(hù)制度

蒸汽養(yǎng)護(hù)過程包括預(yù)養(yǎng)、升溫、恒溫和降溫四個階段，蒸汽養(yǎng)護(hù)制度工藝參數(shù)包括靜養(yǎng)時間、升溫速度、恒溫時間、恒溫溫度和降溫速度；升溫速度、恒溫溫度對蒸汽養(yǎng)護(hù)高強(qiáng)混凝土耐久性影響顯著，靜養(yǎng)時間和恒溫時間次之，帶模養(yǎng)護(hù)的混凝土預(yù)制構(gòu)件預(yù)養(yǎng)期可縮短或取消[3]。因此，蒸汽養(yǎng)護(hù)參數(shù)的變化直接影響混凝土中水泥與各成分的水化及其水化產(chǎn)物特征，蒸汽養(yǎng)護(hù)參數(shù)的設(shè)定將對混凝土預(yù)制構(gòu)件成型質(zhì)量與后期性能有很重要影響。

依據(jù)文獻(xiàn)[3]研究成果并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，設(shè)計(jì)混凝土電桿蒸汽養(yǎng)護(hù)溫控升溫速度15 ℃/h，恒溫溫度60 ℃，恒溫時間3 h，降溫速度25 ℃/h，當(dāng)降溫到30 ℃或降溫到常溫并養(yǎng)護(hù)時間到表明養(yǎng)護(hù)過程結(jié)束，控溫精度±1 ℃?？販仄髟O(shè)自動和手動兩種模式，手動模式可選擇10 ℃、20 ℃、30 ℃三種起始升溫溫度(分別對應(yīng)冬季、春秋季、夏季)，蒸汽養(yǎng)護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示；自動模式下根據(jù)人機(jī)界面輸入的初始溫度，控制器按固定升溫速度自動調(diào)整升溫時間，控制養(yǎng)護(hù)周期。

表1 手動模式蒸汽養(yǎng)護(hù)參數(shù)

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

可編程邏輯控制器(PLC)適用于惡劣工作環(huán)境，其抗干擾能力、可靠性遠(yuǎn)高于其他自動控制方式，小型PLC亦擁有多條連續(xù)過程PID控制回路，用于混凝土電桿蒸汽養(yǎng)護(hù)控制具有極高的性價(jià)比。組態(tài)軟件起源于分布式控制系統(tǒng)(DCS)，發(fā)展于PLC，是專為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的軟件，通過和現(xiàn)場的對接在計(jì)算機(jī)上監(jiān)控蒸汽養(yǎng)護(hù)全過程并對蒸汽養(yǎng)護(hù)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理[4]。

圖1 蒸汽養(yǎng)護(hù)控制系統(tǒng)組成

設(shè)計(jì)的混凝土電桿蒸汽養(yǎng)護(hù)控制系統(tǒng)由S7-200 PLC作主控制器，由裝有組態(tài)王軟件的工控機(jī)作上位機(jī)，控制電動調(diào)節(jié)閥、排水泵、軸流風(fēng)機(jī)，由溫度變送器采集蒸汽養(yǎng)護(hù)池溫度信號送入PLC構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)組成如圖1所示，蒸汽養(yǎng)護(hù)組態(tài)控制系統(tǒng)界面如圖2所示。

圖2 蒸汽養(yǎng)護(hù)組態(tài)控制系統(tǒng)界面

1.3 系統(tǒng)控制原理

在工控機(jī)人機(jī)界面上選定好蒸汽養(yǎng)護(hù)的初始溫度，當(dāng)輸入的蒸汽溫度、壓力達(dá)到要求后，啟動系統(tǒng)；PLC將采樣時刻設(shè)定的溫度參數(shù)與溫度變送器反饋信號進(jìn)行比較和運(yùn)算，得到溫度偏差e(n)和溫度偏差變化率ec(n)，經(jīng)過模糊自整定程序運(yùn)算處理后，PLC通過模擬量的輸出控制方式實(shí)時調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥的開度，實(shí)現(xiàn)蒸汽養(yǎng)護(hù)升溫和恒溫的溫度控制；恒溫時間到，關(guān)閉電動調(diào)節(jié)閥，根據(jù)溫度的偏差e(n)間歇啟動軸流風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)降溫控制；養(yǎng)護(hù)池冷凝水量由液位傳感器采集至PLC，PLC自動控制水泵排除積水。經(jīng)PLC控制器A/D轉(zhuǎn)換和運(yùn)算后的數(shù)據(jù)，上傳到工控機(jī)上生成“溫度-時間”響應(yīng)歷史趨勢曲線，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控。

蒸汽養(yǎng)護(hù)過程使用100 ℃高壓蒸汽，為確保蒸養(yǎng)池內(nèi)溫度基本均衡，消除池內(nèi)溫度梯度，在養(yǎng)護(hù)池的長度方向設(shè)置兩路蒸汽管道，每路蒸汽管道上分布4個氣流旋轉(zhuǎn)式噴嘴，使蒸汽在養(yǎng)護(hù)池中環(huán)形流動[5]。兩只溫度變送器分別設(shè)置在養(yǎng)護(hù)池內(nèi)寬度中間區(qū)域，置放留有高度差，并規(guī)避蒸汽氣流的直射，以兩路溫度檢測信號的平均值作為池內(nèi)檢測溫度。為避免養(yǎng)護(hù)過程中出現(xiàn)一只變送器損壞，控制程序模塊中加入容錯控制程序，只要還有一只變送器完好，自動調(diào)整到以一只溫度變送器的檢測數(shù)據(jù)作為池內(nèi)溫度信號，完成本次養(yǎng)護(hù)工作，并發(fā)出提示警示信息；由于蒸汽擴(kuò)散對溫度變送器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)仍存在滯后影響，養(yǎng)護(hù)池內(nèi)溫度短時間內(nèi)變化不顯著，溫度采集周期定為1 min，定時時間到，以100 ms時間間隔連續(xù)采集4次溫度值再求平均，作為一路溫度檢測信號。

2 模糊自整定PID控制器設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)字式PID控制器

S7-200 PLC中帶有PID控制器，PID控制器結(jié)構(gòu)簡單，魯棒性好。但是PID參數(shù)是根據(jù)過程參數(shù)整定的，在蒸汽養(yǎng)護(hù)升溫和恒溫過程中的參數(shù)變化較大，控制模型不易建立，用一組PID參數(shù)實(shí)施全程控制不能收到良好效果，影響蒸汽養(yǎng)護(hù)的質(zhì)量。因此，有必要在蒸汽養(yǎng)護(hù)過程中對PID控制器參數(shù)KP、TI、TD進(jìn)行在線自整定，以滿足不同的溫度偏差e(n)和溫度偏差的變化率ec(n)下對PID自整定參數(shù)的要求，使系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動態(tài)性能[6]。

2.2 參數(shù)自整定模糊PID控制器

模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，適用于數(shù)學(xué)模型難以獲取、動態(tài)特性變化的對象。但模糊控制規(guī)則一旦確定，便不能調(diào)整，且不具有積分環(huán)節(jié)，直接用于蒸汽養(yǎng)護(hù)控溫精度不高，且存在控溫死區(qū)?；谄胀：刂破鞯娜秉c(diǎn)和PID控制器的不足，將模糊控制與PID控制結(jié)合起來，構(gòu)成參數(shù)自整定模糊PID控制器，控制系統(tǒng)如圖3所示[7]。

圖3 模糊自整定PID控制系統(tǒng)

養(yǎng)護(hù)池在自然升溫和降溫狀況下溫度變化不會超過2℃/min，取e(n)、ec(n)的基本論域?yàn)閇-2,2]，e(n)和ec(n)乘以量化因子并模糊化得E和EC，E和EC作為模糊控制器的二維輸入信號，其模糊子集為{NB, NM, NS, Z, PS, PM, PB}，E和EC模糊論域離散區(qū)間為[-3,3]。量化因子Ke、Kec均取1.5，隸屬函數(shù)采用三角函數(shù)形式。

為簡化控制裝置，在升溫和恒溫階段不采用冷卻降溫措施，同時為了避免溫度超調(diào)，依據(jù)蒸汽養(yǎng)護(hù)的實(shí)際工作情況與操作經(jīng)驗(yàn)，選取KP、TI、TD的基本論域?yàn)閇0,10]、[0,30]、[0,20]，模糊子集均取為{ZE, PS, PM, PB}，模糊論域離散區(qū)間均取為[0, 6] ，比例因子Kup=1.7、Kui=5.0、Kud=3.3，隸屬函數(shù)采用三角函數(shù)形式。模糊推理后的輸出量乘以比例因子即為參數(shù)可調(diào)整PID控制器的實(shí)時參數(shù)信號KP、TI、TD。

2.3 模糊控制規(guī)則

由PID控制器的原理可知，KP影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度，KP大，可以加快調(diào)節(jié)時間，但過大會使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定；TI影響系統(tǒng)的穩(wěn)定精度，消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，TI越大積分作用越強(qiáng)，系統(tǒng)靜態(tài)誤差消除越快，但TI過小會引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)；TD影響系統(tǒng)的動態(tài)特性，能產(chǎn)生超前的控制作用，TD合適可以減少超調(diào)和調(diào)節(jié)時間，但過大會延長系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間，同時對系統(tǒng)的抗干擾不利[8]。

在蒸汽養(yǎng)護(hù)過程中，對于不同的E和EC，PID控制器的KP、TI、TD有不同的要求，參數(shù)自整定規(guī)則如下：

(1)E較大時，為加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時避免超調(diào)，應(yīng)取較大的KP和TI，取較小的TD。

(2)E中等大時，為保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時控制超調(diào)，KP和TI應(yīng)減小，取中等的TD。

(3)E較小時，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能，取較小的KP，TI減小。

(4)為避免振蕩，考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，當(dāng)EC較大時，取較小的TD；當(dāng)EC較小時，取中等的TD。

由以上規(guī)則并結(jié)合控制經(jīng)驗(yàn)得出KP、TI、TD的模糊控制規(guī)則如表2所示。

表2 KP、TI、TD的模糊控制規(guī)則表

2.4 PLC模糊控制關(guān)鍵程序

利用MATLAB的模糊推理系統(tǒng)(FIS)，按照表2控制規(guī)則離線求出模糊控制查詢表，并將表中的數(shù)據(jù)依次輸入到PLC變量存儲器中。PLC依據(jù)當(dāng)前模糊化后的E和EC值查詢存入的模糊控制表，取出輸出量，將輸出量乘以比例因子作為PID回路指令中的運(yùn)算參數(shù)KP、TI、TD，經(jīng)PLC中 PID指令運(yùn)算，輸出控制量u(n)，經(jīng)EM235模塊輸出調(diào)節(jié)蒸汽閥開度的控制信號，實(shí)現(xiàn)蒸汽養(yǎng)護(hù)自整定PID控制。PLC的模糊自整定控制的關(guān)鍵程序轉(zhuǎn)為模糊控制表的查詢。

以輸出量KP模糊控制表查找為例，設(shè)已將離線計(jì)算出的輸出量KP的值存儲在VD100～VD292中，根據(jù)模糊化后的E/EC不同取值，KP模糊表查詢程序如下：

LD SM0.0

MOVD VD10, VD20 //輸入模糊化的EC值

-D -3, VD20

MOVD VD20, VD24

*D +28, VD24 //求出行偏移量

MOVD VD14, VD28 //輸入模糊化的E值

-D -3, VD28

*D +4, VD32 //求出列偏移量

MOVD VD24, VD36

+D VD32, VD36 //求出偏移量

MOVD VD28, VD32

LD I0.0

EU

MOVD &VB100, VD40 //在VD40建立指針

+D VD36, VD40

MOVD *VD40, VD44 //查詢求出輸出量

3 蒸養(yǎng)曲線分析

在初始溫度20 ℃升溫模式下，采集的一次蒸汽養(yǎng)護(hù)控溫曲線如圖4所示。從圖中可見，蒸汽養(yǎng)護(hù)曲線在升溫段、恒溫段與蒸汽養(yǎng)護(hù)制度給定曲線貼合，超調(diào)小，降溫速度小于25 ℃/h，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖4 蒸養(yǎng)控溫曲線

4 結(jié)束語

將模糊自整定PID控制策略嵌入小型PLC中，應(yīng)用在混凝土電桿蒸汽養(yǎng)護(hù)控制系統(tǒng)中，較好實(shí)現(xiàn)了文獻(xiàn)[3]的蒸養(yǎng)制度。通過嚴(yán)格控制蒸養(yǎng)過程中的升溫速度、恒溫溫度、恒溫時間、降溫速度，避免了以往蒸汽養(yǎng)護(hù)過程中升溫速度過快、高溫蒸養(yǎng)、恒溫溫度波動較大致使混凝土電桿力學(xué)性能變差、耐久強(qiáng)度下降、產(chǎn)生裂縫、使用壽命變短等不利現(xiàn)象；通過低速升溫、降低恒溫溫度、控制養(yǎng)護(hù)周期，降低了單產(chǎn)蒸汽消耗量。

根據(jù)現(xiàn)場溫度設(shè)計(jì)三種固態(tài)升溫模式以及手動輸入現(xiàn)場溫度的自動升溫模式，使控制器具有較強(qiáng)的靈活性，適應(yīng)不同氣候?qū)φ麴B(yǎng)制度的需求，控制方案對不同混凝土制品的蒸汽養(yǎng)護(hù)具有較好地移植性、擴(kuò)展性。

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PLC-based Fuzzy Controller for Steam Curing

WANG Bing, DING Na , ZHOU Jian-hua

(College of Electrical and Information Engineering of Hunan University of Technology,Zhuzhou Hunan 412000, China)

According to the technological requirements of steam curing of concrete poles, a fuzzy self-tuning PID control scheme operated by S7-200PLC is presented in this paper to attain the purpose of improving the product quality and reducing steam consumption. The control scheme is featured by high reliability, strong robustness and good portability.

steam curing;concrete pole;fuzzy control;constant temperature; programmable logic controller

湖南工業(yè)大學(xué)項(xiàng)目(2013A12)；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(13JJ9016)

10.3969/j·issn.1000-3886.2015.02.039

TP273

A

1000-3886(2015)02-0115-03

王兵(1965-)，男，湖南常德人，副教授，碩士，研究方向?yàn)殡姎庾詣涌刂啤?/p>

定稿日期: 2014-07-10