電解鋁陽(yáng)極保溫覆蓋料震蕩輸送撒布機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)研究

郭天圣 姜惠敏 柴兆森

(石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院,新疆 石河子 832000)

電解鋁陽(yáng)極保溫覆蓋料震蕩輸送撒布機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)研究

郭天圣 姜惠敏 柴兆森

(石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院,新疆 石河子 832000)

本文說(shuō)明了電解鋁陽(yáng)極保溫覆蓋料震蕩輸送撒布機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)模糊控制算法,介紹了算法的設(shè)計(jì)思想、結(jié)構(gòu)以及實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐結(jié)果表明,該系統(tǒng)能較好地解決人工進(jìn)行電解鋁陽(yáng)極保溫覆蓋料過(guò)程的問(wèn)題,提高了工作效率,改善了工作環(huán)境。

模糊控制;PLC;組態(tài)軟件

目前國(guó)內(nèi)企業(yè)電解鋁覆蓋料添加主要為人工作業(yè),其過(guò)程一般為首先覆蓋料用陽(yáng)極托盤將陽(yáng)極運(yùn)至電解車間,然后翻斗車將覆蓋料運(yùn)至電解車間,傾倒于地面上,陽(yáng)極上安置擋料邊框,再由人工將覆蓋料添加到陽(yáng)極上部,完成陽(yáng)極入槽前上部覆蓋料保溫作業(yè)。在這個(gè)過(guò)程中,作業(yè)效率低,工人勞動(dòng)強(qiáng)度高,環(huán)境污染重,對(duì)工人健康危害很大。國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有相關(guān)的機(jī)械化覆蓋料添加裝備。而國(guó)外的設(shè)備存在初期一次性投資大,且運(yùn)行維護(hù)成本相對(duì)較高。

國(guó)內(nèi)某企業(yè)設(shè)計(jì)機(jī)械化程度高的電解鋁陽(yáng)極覆蓋料機(jī)械化添加裝備。這套裝置的主要部件有電解鋁陽(yáng)極覆蓋料機(jī)械化添加料倉(cāng)、料倉(cāng)震蕩給料器及覆蓋料輸送裝置、料倉(cāng)系統(tǒng)支撐裝置與驅(qū)動(dòng)裝置的集成與匹配。本文介紹設(shè)備的電機(jī)控制系統(tǒng)。

設(shè)備需要進(jìn)料驅(qū)動(dòng)電機(jī),震蕩驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳送帶驅(qū)動(dòng)三組電機(jī)。三組電機(jī)之間的速度需要特定的組合,它們之間的關(guān)系很難建立精確的數(shù)學(xué)模型,實(shí)踐中,根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的經(jīng)驗(yàn),總結(jié)出合理的控制規(guī)則,這些規(guī)則可以用模糊數(shù)學(xué)作為工具描述。

1 模糊控制系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域里,控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模式的精確與否是影響控制優(yōu)劣的最主要關(guān)鍵,系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的信息越詳細(xì),則越能達(dá)到精確控制的目的。然而,對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng),由于變量太多,往往難以正確地描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài),于是工程師便利用各種方法來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)動(dòng)態(tài),以達(dá)到控制的目的,但卻不理想。換言之,傳統(tǒng)的控制理論對(duì)于明確系統(tǒng)有強(qiáng)而有力的控制能力,但對(duì)于過(guò)于復(fù)雜或難以精確描述的系統(tǒng),則顯得無(wú)能為力了。因此便嘗試著以模糊數(shù)學(xué)來(lái)處理這些控制問(wèn)題。圖1為一典型的“雙入單出”模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖［1］。

圖1 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖中y0為給定值；y(t)為實(shí)測(cè)值；e為輸入偏差；Δe為輸入偏差變化率；Ke,KΔE分別為輸入偏差和偏差變化率的量化因子,KU為輸出量化因子；E,ΔE為量化后的輸出值；U為模糊控制的輸出量；u為實(shí)際輸出量。

2 模糊控制規(guī)則

為敘述方便,我們?cè)O(shè)定將進(jìn)料速度定義為M,進(jìn)料速度的變化定義為MC,震蕩頻率定義為F,傳送帶速度定義為S［2］。輸入M的論域量化為五擋{超低速,低速,中速,高速,超高速},輸入變化MC論域量化五檔{NB,NS,ZO, PS,PB},振蕩頻率F量化為五擋:{超低頻,低頻,中頻,高頻,超高頻},傳送帶速度S論域量化為四擋:{低速,中速,高速,超高速}。根據(jù)系統(tǒng)人工運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)性,各個(gè)變量的隸屬函數(shù)定義如下圖所示：

圖2 進(jìn)料速度M隸屬函數(shù)

圖3 進(jìn)料速度的變化MC隸屬函數(shù)

圖4 振蕩頻率F隸屬函數(shù)

圖5 傳動(dòng)帶速度S隸屬函數(shù)

利用輸入語(yǔ)言變量賦值表及模糊控制規(guī)則,通過(guò)曼達(dá)尼推理法［3］,根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),總結(jié)得到模糊控制規(guī)則,如表1和表2所示：

表1 震蕩器頻率模糊規(guī)則表

表2 傳送帶速度模糊規(guī)則

模糊規(guī)則可以對(duì)應(yīng)地輸出平片觀測(cè)窗,可以更加直觀地顯示規(guī)則,兩個(gè)模糊規(guī)則的平面觀察窗口如下圖所示:

圖6 震蕩頻率模糊規(guī)則平面觀測(cè)窗

圖7 傳送帶速度模糊規(guī)則平面觀測(cè)窗

3 模糊控制的實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)由傳感器、變送器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、變頻器以及上位機(jī)組成,結(jié)構(gòu)如下圖所示:

圖8 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

在設(shè)計(jì)中,采用三菱PLC和力控組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。PLC基本模塊和AD擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),比例因子和量化因子的初始化,及一些邏輯判斷,驅(qū)動(dòng)輸出等,這一部分是下位機(jī)組件。組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)模糊算法,人機(jī)界面和歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和記錄,這一部分是上位機(jī)組件。在上位機(jī)實(shí)現(xiàn)模糊算法具有編程簡(jiǎn)單,修改方面,參數(shù)可以實(shí)時(shí)修改等一系列的優(yōu)點(diǎn)。模糊算法實(shí)現(xiàn)的流程如下圖所示。

圖9 模糊控制流程圖

根據(jù)系統(tǒng)的要求,選用了國(guó)產(chǎn)監(jiān)控組態(tài)軟件ForceControl 6.1sp3進(jìn)行編程；數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)采用Acess數(shù)據(jù)庫(kù)。該軟件以圖表形式提供系統(tǒng)內(nèi)各檢測(cè)點(diǎn)的電機(jī)參數(shù),具有良好的人機(jī)界面；隨機(jī)監(jiān)視顯示屏的顯示內(nèi)容以及變頻器、電機(jī)等設(shè)備的工作狀態(tài)；還具有設(shè)備控制參數(shù)修改、傳感器參數(shù)整定、數(shù)據(jù)查詢、圖形顯示等諸多智能化功能。

上位機(jī)監(jiān)控軟件功能模塊圖如下圖所示。由于本系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),中央控制室監(jiān)控計(jì)算機(jī)完成前端的人機(jī)交互和數(shù)據(jù)的輸入和查詢等處理,并把處理之后的各種數(shù)據(jù)圖表通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到辦公大樓管理計(jì)算機(jī)(服務(wù)器)中,進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)的完整性和安全性。因此,管理人員在控制室就可以全面掌握各設(shè)備工作情況,從而方便地控制系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn),自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)作,保證系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

圖10 組態(tài)軟件結(jié)構(gòu)圖

4 人工和自動(dòng)化設(shè)備的比較

通過(guò)對(duì)比,自動(dòng)設(shè)備在多個(gè)方面有明顯優(yōu)勢(shì):

4.1 節(jié)約成本。據(jù)估算,某1 400萬(wàn)t年生產(chǎn)能力的鋁廠,每年可以少消耗5 196t標(biāo)準(zhǔn)煤,同時(shí)可以提高0.1%的生產(chǎn)能力。

4.2 降低勞動(dòng)節(jié)度,提高電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中的機(jī)械化成本,持續(xù)改進(jìn)生產(chǎn)工藝的技術(shù)進(jìn)步,降低企業(yè)作業(yè)場(chǎng)所的生產(chǎn)性粉塵濃度,減少大氣污染對(duì)工人健康的危害。

［1］李洪興.變論域自適應(yīng)模糊控制器［J］.中國(guó)科學(xué)(E輯),1999,29(1):32一42.

［2］姜東旭.火電廠鍋爐主汽溫智能PID控制研究［J］.中國(guó)電力教育,2013,(8):225一226.

［3］Jun Yoneyama.Nonlinear Control Design Based on Generalized Takagi一Sugeno Fuzzy Systems［J］.Journal of the Franklin Institute,2014,351:3524一3535.

Research on the Motor Control System of Vibration Conveying SPreader Covered with Insulation Material of Electrolytic Aluminium Anode

Guo Tiansheng Jiang Huimin Chai Zhaosen
(School of Mechanical and Electrical Engineering,Shihezi University,Shihezi Xinjiang 832000)

This paper shows the fuzzy control algorithm for motor control system of electrolytic aluminum anode insulation material covered vibration conveying spreader,and introduces the the design idea,structure and realization of the algorithm.The results show that the system can solve the problem in the process of the electrolytic aluminum anode heat insulation material covering well,improve the working efficiency,and improve the working environment.

fuzzy control;PLC;configuration software

TF821

A

1003一5168(2015)07一0050一3

2015一6一26

郭天圣(1977一),男,碩士,講師,研究方向:電子技術(shù)的教學(xué)與研究。