基于PLC的筒倉(cāng)安全預(yù)警系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)

王俊吉

摘 要：筒倉(cāng)的智能安全運(yùn)行是煤炭、電力、鋼鐵行業(yè)正常工作的基礎(chǔ)，對(duì)筒倉(cāng)內(nèi)溫度、料位、可燃?xì)怏w濃度以及煙霧濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警是筒倉(cāng)安全運(yùn)行的保障。筒倉(cāng)安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目的是提高故障預(yù)警的實(shí)時(shí)性，提高預(yù)警系統(tǒng)的抗干擾能力，防止誤報(bào)警。該文在數(shù)值比較法和曲線比較法的基礎(chǔ)上提出了新的故障預(yù)測(cè)算法，該算法具有更能適合筒倉(cāng)安全預(yù)警實(shí)時(shí)性的特征。為了提高預(yù)警系統(tǒng)的抗干擾能力，該文分別提出了開關(guān)量輸入信號(hào)濾波程序設(shè)計(jì)的算法和模擬量輸入信號(hào)濾波程序設(shè)計(jì)的算法。

關(guān)鍵詞：筒倉(cāng) PLC 預(yù)警 濾波

中圖分類號(hào)：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）12（a）-0115-04

Abstract：Silo intelligent safety running is the basis of the normal work of the coal， electric power， iron and steel industry， the temperature inside the silo， material level， the concentration of combustible gas and smoke concentration of real-time monitoring and early warning is the guarantee of the safe operation of the silos. The main purpose of the silo security early warning system design to improve real-time fault early warning， to improve the anti-interference ability of early warning system， prevent false alarm.In this paper， on the basis of the numerical comparison method and curve comparison method puts forward a new fault prediction algorithm， is more appropriate to silo security early warning and real-time characteristics. In order to improve the anti-interference ability of early warning system， this paper puts forward the switch input signal filtering algorithm and program design and program design of the analog input signal filtering algorithm.

Key Words：Silo； PLC； Early warning； Filter

1 筒倉(cāng)安全預(yù)警的必要性

筒倉(cāng)作為存儲(chǔ)煤炭的設(shè)施，其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用便捷、減少占地面和環(huán)保等。在我國(guó)，儲(chǔ)煤筒倉(cāng)主要應(yīng)用于電力、鋼鐵和煤炭行業(yè)。自20世紀(jì)70年代以來，我國(guó)的筒倉(cāng)開始朝大型化、超大型化方向發(fā)展。

然而，儲(chǔ)煤筒倉(cāng)不僅具有儲(chǔ)存煤炭的功能，還需要具備智能安全監(jiān)控的功能。由于受到生產(chǎn)和供應(yīng)環(huán)節(jié)的影響，煤炭需要長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存于筒倉(cāng)中，存儲(chǔ)過程中有大量的危險(xiǎn)因素威脅筒倉(cāng)的安全。煤炭在從煤礦中被開采時(shí)以及在之后的轉(zhuǎn)運(yùn)、儲(chǔ)存的過程中，大量瓦斯氣體被煤炭吸附，在煤體結(jié)構(gòu)的破壞、溫度升高以及外界壓力減小等諸多因素的影響下，煤炭中已存儲(chǔ)的瓦斯氣體會(huì)被逐步從中釋放出來，隨著儲(chǔ)存煤炭時(shí)間的增加，筒倉(cāng)中將會(huì)出現(xiàn)瓦斯氣體聚集的現(xiàn)象，當(dāng)瓦斯氣體的濃度超過爆炸臨界點(diǎn)時(shí)，筒倉(cāng)內(nèi)部極易引發(fā)瓦斯爆炸事故。與此同時(shí)，煤炭也會(huì)出現(xiàn)氧化放熱現(xiàn)象，封閉的筒倉(cāng)散熱過程緩慢，因此局部熱量可能會(huì)不斷地累積，使倉(cāng)內(nèi)溫度不斷上升，如果不能及時(shí)地監(jiān)測(cè)到筒倉(cāng)內(nèi)溫度的升高，可能發(fā)生煤炭自燃甚至爆炸。煤炭運(yùn)輸入、出筒倉(cāng)會(huì)揚(yáng)起大量煤粉，煤粉具有極高的可燃危險(xiǎn)性及爆炸危險(xiǎn)性，這是由于煤粉十分細(xì)，相對(duì)表面積很大，能吸附大量空氣，時(shí)時(shí)刻刻進(jìn)行氧化反應(yīng)。緩慢的氧化放熱使煤粉溫度升高。如果散熱條件不良，煤粉溫度升高到一定程度后，極可能自燃爆炸。故煤粉也是筒倉(cāng)危險(xiǎn)因素之一。對(duì)于以儲(chǔ)煤為主的筒倉(cāng)來說，一旦發(fā)生事故，就有可能威脅到整個(gè)工廠的運(yùn)行和安全。因此，建立基于控制器的筒倉(cāng)智能安全預(yù)警系統(tǒng)十分有必要。

基于控制器的筒倉(cāng)安全預(yù)警系統(tǒng)的主要任務(wù)是保證筒倉(cāng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。可編程邏輯控制器，簡(jiǎn)稱為PLC（Programmable Logic Controller），是專門為在工業(yè)環(huán)境下控制的由數(shù)字運(yùn)算控制而設(shè)計(jì)的電子系統(tǒng)[1]?？删幊炭刂破骶哂蟹浅６嗟膬?yōu)點(diǎn)，其主要的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高、通用性強(qiáng)，功能較為完善且易學(xué)易用，抗干擾能力強(qiáng)、配套硬件較為齊全，易改造、重量輕，能耗低[2]。

筒倉(cāng)安全預(yù)警系統(tǒng)是要對(duì)筒倉(cāng)內(nèi)部的溫度、煙霧、可燃性氣體（CO、O2、CH4等氣體）的濃度、煤炭的料位高度等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)，并將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送給控制器PLC，PLC再將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，并可以通過觸摸屏進(jìn)行顯示，還可以將得到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送給上位機(jī)，利用上位機(jī)界面組態(tài)軟件設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)畫面、實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等模塊。當(dāng)筒倉(cāng)內(nèi)部的實(shí)際溫度上升過快時(shí)，或筒倉(cāng)內(nèi)的可燃性氣體（CO、O2、CH4等氣體）濃度上升超過預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)將報(bào)警。

2 故障預(yù)警算法設(shè)計(jì)

故障預(yù)警是對(duì)已采集到的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行分析與處理，據(jù)此預(yù)測(cè)未來可能會(huì)發(fā)生的故障，此過程需采集PLC收集到足夠多的數(shù)據(jù)為支撐。

為了能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)筒倉(cāng)安全預(yù)警系統(tǒng)中將要發(fā)生的故障，首先應(yīng)當(dāng)采集系統(tǒng)正常工作時(shí)各類參數(shù)作為參考值。具體采集數(shù)據(jù)方法是，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行趨于穩(wěn)定后，通過控制器重復(fù)采集整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，再將其平均值或者一周期內(nèi)的平均值制作成曲線圖或者圖表，以此作為之后故障預(yù)警的參考基準(zhǔn)值，或者繪制基準(zhǔn)曲線。數(shù)據(jù)采集的周期可根據(jù)具體的情況確定。

數(shù)值比較方法就是將運(yùn)行過程中采集到的數(shù)據(jù)與PLC 內(nèi)對(duì)應(yīng)的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若得出的偏差值超出一定范圍或偏差按某個(gè)方向逐漸增大，則可以預(yù)測(cè)未來某環(huán)節(jié)將會(huì)出現(xiàn)故障的幾率較大[3]。

曲線比較方法就是將運(yùn)行過程中采集到的數(shù)據(jù)與PLC 內(nèi)對(duì)應(yīng)的參考基準(zhǔn)曲線進(jìn)行比較，如果偏差超過一定范圍或偏差按某個(gè)方向逐漸增大，則可以預(yù)測(cè)未來某環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障的幾率較大[4]。

上述數(shù)據(jù)比較法和曲線比較法是基于連續(xù)重復(fù)生產(chǎn)過程所使用的故障預(yù)警方法，而筒倉(cāng)安全預(yù)警系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，無法建立參考曲線。因而筒倉(cāng)安全預(yù)警系統(tǒng)所采用的預(yù)測(cè)方法需要在上述故障預(yù)測(cè)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。具體方法如下。

假設(shè)溫度采集模塊所采集到的數(shù)據(jù)為X1、X2、X3、…Xi，則：

Y1=（X2-X1）/Δt

Y2=（X3-X2）/Δt

…

Yi-1=（Xi-Xi-1）/Δt

得到的Y1～Yi即是隨時(shí)間而變化的溫度的變化率。此時(shí)我們可以設(shè)定一個(gè)最大溫度變化率Ymax，該參數(shù)為正常運(yùn)行狀態(tài)下最大的溫度變化率，一旦Yi>Ymax，則說明煤倉(cāng)內(nèi)正在發(fā)生非正常變化，未來發(fā)生原煤自燃、爆炸等事故的可能性較大，應(yīng)及時(shí)對(duì)儲(chǔ)存的原煤進(jìn)行檢查，或采取應(yīng)急措施，故障預(yù)警算法流程圖如圖1所示。

3 輸入信號(hào)濾波

筒倉(cāng)安全預(yù)警系統(tǒng)所采用的故障預(yù)測(cè)算法是以瞬時(shí)的歷史數(shù)據(jù)作為瞬時(shí)參考值，以此來滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求[5]。因此，瞬時(shí)產(chǎn)生的干擾信號(hào)會(huì)對(duì)事故預(yù)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，甚至?xí)咕瘓?bào)裝置誤動(dòng)作，影響正常的生產(chǎn)生活。

在存煤筒倉(cāng)特殊的生產(chǎn)環(huán)境中，PLC被強(qiáng)電設(shè)備和弱電設(shè)備包圍，這導(dǎo)致了PLC采集到的數(shù)據(jù)波動(dòng)、失真。同時(shí)，由于干擾信號(hào)具有隨機(jī)性和復(fù)雜性的特性，對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響很大。如果從硬件角度入手，則會(huì)增加成本，該文從軟件角度入手，采用編程的方法實(shí)現(xiàn)濾波。

基本的濾波控制只是把幾個(gè)采樣值進(jìn)行簡(jiǎn)單的取平均處理，但是有時(shí)造成不必要的偏差，而且不方便調(diào)試。傳統(tǒng)的濾波方法有算術(shù)平均濾波法、中值濾波法、遞推平均濾波法，該文采取的濾波方法是對(duì)各種濾波方法的綜合應(yīng)用，對(duì)于隨時(shí)可能發(fā)生的階躍干擾信號(hào)起到了很好的濾波效果。

3.1 開關(guān)量輸入信號(hào)濾波

存儲(chǔ)煤炭的筒倉(cāng)內(nèi)部是高粉塵、高溫度的環(huán)境，所以采集數(shù)據(jù)的環(huán)境十分惡劣，為了減少環(huán)境因素對(duì)采樣數(shù)據(jù)的干擾，需要消除或削弱一些非周期的隨機(jī)信號(hào)，消除方法是采取數(shù)字濾波，通過輸入繼電器（I）來完成開關(guān)量信號(hào)的采樣，然而輸入繼電器本身沒有濾波的功能，但可以通過編寫相應(yīng)的程序，將相應(yīng)干擾信號(hào)在程序中加以處理，以獲得準(zhǔn)確、真實(shí)的信號(hào)[6]。

實(shí)質(zhì)上，開關(guān)量輸入信號(hào)濾波的過程是對(duì)輸入信號(hào)再次確認(rèn)的過程，若采樣的開關(guān)量數(shù)據(jù)再次確認(rèn)為1，則控制系統(tǒng)中就將采用，否則就將該數(shù)據(jù)遺棄。開關(guān)量濾波表如表1 所示。

正常運(yùn)行狀態(tài)，I0.0為0，可知此時(shí)M1.0不動(dòng)作，由于M1.0不動(dòng)作，則Q0.0輸出0，即濾波結(jié)果為0。若I0.0為1，M1.0為1；下一周期，若I0.0信號(hào)為1，則Q0.0被置位為1，若I0.0為0，則盡管M1.0為1，Q0.0頁不會(huì)置位。這樣就對(duì)開關(guān)量信號(hào)I0.0的階躍干擾起到濾波作用。正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，I0.0為1，則M1.0為1，即Q0.0為1，若某一周期內(nèi)I0.0的輸入變?yōu)?，執(zhí)行循環(huán)第一步，I0.0為0，M1.0置1，濾波結(jié)果Q0.0為1，第二步，M1.0置1斷開不執(zhí)行復(fù)位，第三步I0.0為0，故M1.0置0；下個(gè)周期，如果I0.0仍然為0，則Q0.0則會(huì)在第二步中復(fù)位，若I0.0變?yōu)?，則Q0.0將繼續(xù)保持1的狀態(tài)，這樣，系統(tǒng)將對(duì)濾波的負(fù)向信號(hào)起到濾波的作用。

3.2 模擬量信號(hào)濾波程序

由于存煤筒倉(cāng)工作環(huán)境惡劣，因此，在模擬量信號(hào)的采集過程中，溫度、壓力等電流值信號(hào)常會(huì)因?yàn)樗矔r(shí)脈沖干擾而產(chǎn)生較大的波動(dòng)。再加上筒倉(cāng)安全預(yù)警系統(tǒng)采用了故障預(yù)測(cè)算法，瞬時(shí)干擾信號(hào)將對(duì)筒倉(cāng)安全預(yù)警系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響，影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行安全，甚至引起警報(bào)裝置誤動(dòng)作。

目前，較為成熟的模擬量濾波方法有中位值濾波法、算術(shù)平均濾波法、遞推平均濾波法。

中位值濾波法的基本方法是：設(shè)一組數(shù)，X1，X2，…，Xn，把這n個(gè)數(shù)按值的大小排列；Xi1

，

這種濾波方法能夠有效地克服因偶然因素引起的干擾，對(duì)溫度等變化緩慢的被測(cè)量參數(shù)有非常好的濾波效果，但不適用于變化速度較快的被測(cè)量。

算術(shù)平均濾波法，是連續(xù)取n個(gè)采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，設(shè)一組數(shù)G1，G2，…，Gn，那么經(jīng)過平均濾波處理的采樣輸出為：

算術(shù)平均濾波法適用于具有隨時(shí)干擾信號(hào)的濾波，這種信號(hào)的特點(diǎn)是信號(hào)在給定的一個(gè)平均值上下波動(dòng)，但缺點(diǎn)是不適用于測(cè)量數(shù)據(jù)變化速度較慢或者是要求數(shù)據(jù)計(jì)算的速度較快的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)[7]。

遞推平均濾波法，把連續(xù)n個(gè)采樣數(shù)據(jù)作為一個(gè)隊(duì)列，每次采樣到新的數(shù)據(jù)后就把這個(gè)數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并且扔掉原來隊(duì)首的一次數(shù)據(jù)，把n個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均運(yùn)算，即可以得到濾波后的數(shù)據(jù)。

這種濾波方法對(duì)于周期性的干擾有很好的抑制作用，該方法適用于高頻振蕩系統(tǒng)。但是其缺點(diǎn)是系統(tǒng)的靈敏度較低，不能很好地抑制偶然出現(xiàn)的脈沖干擾信號(hào)。

在結(jié)合筒倉(cāng)安全預(yù)警系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求高、偶然性強(qiáng)的特點(diǎn)后，綜合了以上幾種濾波方法的特點(diǎn)，得到了一種適合筒倉(cāng)安全預(yù)警系統(tǒng)的新的濾波方法。即每次采到一個(gè)新數(shù)據(jù)后，會(huì)將其放到數(shù)據(jù)隊(duì)列的尾部，并扔掉隊(duì)首的數(shù)據(jù)，然后判斷一個(gè)最大值和一個(gè)最小值并剔除，最后計(jì)算n-2個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，我們將n的取值選為5，具體算法如下：

其中Yn為第n次濾波輸出；Xn-i為沒有進(jìn)行濾波的n-i 次的采樣值：Xmax為數(shù)據(jù)隊(duì)列中的最大值；Xmin為數(shù)據(jù)隊(duì)列中的最小值。這種濾波方法不僅結(jié)合了算術(shù)平均值濾波算法、中位值濾波算法，還有遞推平均值濾波算法，這種濾波方法能夠克服偶然因素引起的波動(dòng)干擾，對(duì)周期性干擾也有較好的抑制作用，非常適合筒倉(cāng)安全預(yù)警系統(tǒng)。

4 結(jié)語

為了適應(yīng)筒倉(cāng)安全預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，該文在數(shù)據(jù)比較法和曲線比較法的基礎(chǔ)上提出了新的故障預(yù)測(cè)算法，即隨時(shí)間計(jì)算待測(cè)物理量的變化率Yi，并設(shè)定一個(gè)最大變化率 Ymax，一旦Yi>Ymax，則需要報(bào)警。為了提高預(yù)警系統(tǒng)的抗干擾能力，該文提出了對(duì)輸入信號(hào)再次確認(rèn)的算法對(duì)開關(guān)量輸入信號(hào)進(jìn)行濾波，同時(shí)綜合應(yīng)用傳統(tǒng)濾波法，提出了新的算法對(duì)模擬量輸入信號(hào)進(jìn)行濾波，即每次采到一個(gè)新數(shù)據(jù)后，會(huì)將其放到數(shù)據(jù)隊(duì)列的尾部，并扔掉隊(duì)首的數(shù)據(jù)，然后判斷一個(gè)最大值和一個(gè)最小值并剔除，最后計(jì)算n-2個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，這種算法對(duì)于隨時(shí)可能發(fā)生的階躍干擾信號(hào)起到了很好的濾波效果。

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