基于PLC 技術的電廠空壓機機械化自動啟?？刂品椒?/h1>
2024-01-05 08:03:58于春輝
自動化與儀表 2023年12期
于春輝
（內蒙古大唐國際托克托發(fā)電有限責任公司，呼和浩特 010216）
現(xiàn)階段電廠空壓機的自動啟停控制存在控制效果不佳等問題，提出基于PLC 技術電廠空壓機機械化自動啟?？刂品椒ㄑ芯縖1-2]。
文獻[3]基于DCS 控制方法完成設備一鍵啟?？刂疲晃墨I[4]分析基于VCU 控制器完成設備的啟?？刂疲晃墨I[5]基于增量式PID 控制器完成設備啟?？刂?。
以上述研究為基礎，本文提出基于PLC 技術的電廠空壓機機械化自動啟停控制方法。通過本文方法的研究，可以提升電廠空壓機機械化自動啟?？刂菩Ч?/p>
1 電廠空壓機啟停規(guī)則設計
設計電廠空壓機運行的啟停規(guī)則。電廠空壓機聯(lián)控結構模型如圖1 所示。
圖1 電廠空壓機聯(lián)控結構模型Fig.1 Structural model of power plant air compressor joint control
以多臺聯(lián)控的電廠空壓機為例，完成電廠空壓機運行啟停設計如下：①啟動順序規(guī)則；②停電恢復啟動規(guī)則；③故障空壓機繞開規(guī)則；④加載、卸載規(guī)則；⑤停機規(guī)則；⑥輪換規(guī)則。
2 電廠空壓機機械化自動啟停控制設計
將空壓機運行臺數(shù)變化量和空壓機停止時長序列作為輸入變量，輸入至空壓機自動啟停模糊控制器中完成電廠空壓機的機械化自動啟停控制[6]。
2.1 啟停模糊控制器設計
2.1.1 啟停模糊控制器結構
基于PLC 技術電廠空壓機機械化啟停結構，如圖2 所示。
圖2 電廠空壓機自動啟?？刂平Y構圖Fig.2 Structure diagram of automatic start stop control for air compressors in power plants
在PLC 控制器使用模糊邏輯控制算法完成電廠空壓機自動啟?？刂疲：壿嬁刂破髁鞒倘鐖D3 所示。完成模糊控制器設計，控制原理如圖4 所示。
圖3 模糊邏輯控制器設計流程Fig.3 Flow chart of fuzzy logic controller design
圖4 模糊邏輯控制器控制原理圖Fig.4 Control principle of fuzzy logic controller
2.1.2 控制變量的選擇
模糊控制器尋優(yōu)啟動2 個輸入量為空壓機運行數(shù)量變化量c∈｛0，1，2，3，4，5｝和空壓機停止運行時長序列Y′∈｛1，2，3，4，5｝，尋優(yōu)啟動輸出量為待啟動空壓機編號QQ（n）∈｛1，2，3，4，5｝。
模糊控制器尋優(yōu)停止的2 個輸入量為空壓機運行數(shù)量變化量c1∈｛0，1，2，3，4，5｝和空壓機運行時長序列Y1′∈｛1，2，3，4，5｝，尋優(yōu)啟動的輸出量為待停止空壓機編號QT（n）∈｛1，2，3，4，5｝。
2.1.3 控制變量的模糊子集和隸屬度函數(shù)
控制變量難以用語言描述，通過大（N）、中（Q）、?。―）、正（A）、負（M）、零（O）描述控制變量。選用3個模糊子集（O）零、（AD）正小、（AN）正大為空壓機運行數(shù)量變化量，選4 個模糊子集（O）零、（PD）小、（PQ）中、（PN）大為空壓機停止運行時長序列，選5個模糊子集XP、GO、DR、YJ、GP 為待啟動空壓機編號，對應空壓機編號為1～5，表達如下：
式中：MQ（n）為待啟動空壓機模糊子集。
使用二維Mamdani 模糊控制器，設置尋優(yōu)停止和尋優(yōu)啟動的輸入輸出變量模糊子集和隸屬度函數(shù)。
2.2 變量模糊化處理
以尋優(yōu)啟動的空壓機運行數(shù)量輸入變量為例，其他輸入量同理。
用c 為多個分量輸入變量，ck為輸入變量c 的第k 個分量，取值范圍為cj∈［-c，c］，輸入變量第k個分量模糊域論可為mk，變化量c 的量化因子lk為變量c 到模糊論域變化為量化因子，公式如下：
設置某時刻空壓機運行數(shù)量輸入變量為c，映射到模糊論域，取值m，公式如下：
當設定實際取值小于尋優(yōu)啟動的空壓機運行數(shù)量輸入變量時，仍保證模糊化后的變量值屬于輸入控制變量分量，且m≤mk。
模糊論域取值m 為非整數(shù)和整數(shù)2 種，當模糊論域取值為非整數(shù)時，取值范圍m 公式如下：
式中：sgn 為正負號；int 為整數(shù)部分。
當模糊論域取值為整數(shù)時，取值范圍m 可表達為［-mk，mk］。
當尋優(yōu)啟動的空壓機運行數(shù)量第k 個輸入變量ck的取值范圍為非對稱性時，即ck=［s，n］，且s≠n，量化因子公式如下：
公式（5）算出變量模糊論域值為N3，取值范圍值為［-i，i］，計算尋優(yōu)啟動的空壓機運行數(shù)量輸入變量c 比例因子，轉變?yōu)閷嶋H值，獲取尋優(yōu)啟動的空壓機運行數(shù)量輸入變量c 比例因子公式如下：
2.3 啟停控制
根據(jù)模糊規(guī)則獲取每臺電廠空壓機對應模糊關系矩陣，公式如下：
機制建設滯后。近年來，在“落實三轉、聚焦主業(yè)”的大背景下，許多農(nóng)商行進一步強化了各級紀委的監(jiān)督職能，制度安排和流程配置越來越多，要求越來越高，責任越來越大。但在強調監(jiān)督的同時，配套的監(jiān)督機制或流程卻出現(xiàn)滯后，主要表現(xiàn)為以下幾點。
式中：TQ為尋優(yōu)啟動模糊關系矩陣；TT為尋優(yōu)停止模糊關系矩陣；Iok為模糊矩陣；c、Y′為模糊關系；c1、Y1′為模糊關系；QQ（n）、QT（n）為啟動和停止的輸出矩陣。
尋優(yōu)啟動空壓機模糊子集MQ（n）和尋優(yōu)停止空壓機模糊子集MT（n）公式如下：
式中：c（n）、c1（n）為激活n 條規(guī)則的停運空壓機數(shù)量和運行空壓機數(shù)量；Y′（n）、Y1′（n）為激活n 條規(guī)則矩陣輸入。
通過加權平均法獲取待啟動空壓機模糊子集中位數(shù)MQ（z）和待停止空壓機模糊子集中位數(shù)MT（z），公式如下：
式中：νQ（n）、νT（n）為第n 條規(guī)則在尋優(yōu)啟動和尋優(yōu)停止輸出結果占得權重；νQ（Y′）、νT（Y1′）為第n 條規(guī)則在空壓機停止運行時長序列和運行時長序列占得權重。
將待啟動空壓機模糊子集中位數(shù)MQ（z）和待停止的空壓機模糊子集中位數(shù)MT（z）乘于比例因子，獲取最終待啟動空壓機編號QQ（n）或停止的空壓機編號QT（n）公式如下：
式中：lQ、lT為根據(jù)公式（6）獲取空壓機尋優(yōu)啟動比例因子和尋優(yōu)停止比例因子。完成電廠空壓機機械化自動啟?？刂?。
3 實驗與分析
在Windows 7、Intel core i7-4210H、8 GB 操作系統(tǒng)，編程環(huán)境為python3.7 計算機使用MATLAB軟件，以某地電廠5 個空壓機為對象，型號為BLT-375A 永磁變頻空壓機，參數(shù)如表1 所示。
表1 永磁變頻空壓機參數(shù)Tab.1 Parameters of permanent magnet variable frequency air compressor
以此為基礎，采用基于PLC 技術的電廠空壓機機械化自動啟停控制開展實驗測試。
（2）能耗量驗證
采用所提方法對某地電廠空壓機實行自動啟?？刂?，記錄能耗情況如圖5 所示。
圖5 能耗量Fig.5 Energy consumption
由圖5 可知，所提方法的能耗量較低，表明該方法電廠空壓機自動啟?？刂菩Ч?，其主要是由于所提方法采用了基于PLC 技術的機械化自動啟?？刂品绞?。相比傳統(tǒng)的人工啟?？刂品椒?，這種自動化控制方式可以更精確地根據(jù)實際負荷需求進行控制，避免了空壓機運行過程中的能源浪費。
（3）啟?？刂?/p>
采用所提方法對某地電廠空壓機實行自動啟?？刂疲涗浰岱椒▎⑼？刂茰蚀_度如圖6 所示。
圖6 啟?？刂茰蚀_度Fig.6 Accuracy of start stop control
分析圖6 可知，應用所提方法的電廠空壓機啟?？刂茰蚀_度在80%～98%之間，表明所提方法的啟?？刂茰蚀_度更高、控制效果更好，其主要是由于所提方法根據(jù)電廠多臺空壓機聯(lián)控模型進行設計，能夠根據(jù)實際負荷需求和空壓機的運行狀態(tài)，自動調整啟停規(guī)則和模糊控制器的參數(shù)，以適應不同工況的要求，從而導致其啟停控制準確度得到提高。
（4）啟?？刂茣r間對比
采用所提方法對某地電廠空壓機實行自動啟停控制，記錄啟?？刂茣r間如表2 所示。
表2 啟停控制時間Tab.2 Start and stop control time
由表2 可知，所提方法對電廠空壓機的啟?？刂茣r間均小于125.8 s，空壓機啟?？刂茣r間更短，其主要是由于所提方法設計了合理的啟停規(guī)則和模糊控制器，能夠更精確地判斷空壓機的啟停時機，進一步縮短了啟?？刂茣r間。
4 結語
本文基于PLC 技術的電廠空壓機機械化自動啟?？刂品椒?，設計電廠空壓機啟停規(guī)則，建立電廠空壓機自動啟停控制器，模糊化處理輸入變量后，輸入變量，完成電廠空壓機啟停控制。該方法研究解決傳統(tǒng)方法存在的問題有重要意義。
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以上述研究為基礎，本文提出基于PLC 技術的電廠空壓機機械化自動啟停控制方法。通過本文方法的研究，可以提升電廠空壓機機械化自動啟?？刂菩Ч?/p>
1 電廠空壓機啟停規(guī)則設計
設計電廠空壓機運行的啟停規(guī)則。電廠空壓機聯(lián)控結構模型如圖1 所示。
圖1 電廠空壓機聯(lián)控結構模型Fig.1 Structural model of power plant air compressor joint control
以多臺聯(lián)控的電廠空壓機為例，完成電廠空壓機運行啟停設計如下：①啟動順序規(guī)則；②停電恢復啟動規(guī)則；③故障空壓機繞開規(guī)則；④加載、卸載規(guī)則；⑤停機規(guī)則；⑥輪換規(guī)則。
2 電廠空壓機機械化自動啟停控制設計
將空壓機運行臺數(shù)變化量和空壓機停止時長序列作為輸入變量，輸入至空壓機自動啟停模糊控制器中完成電廠空壓機的機械化自動啟停控制[6]。
2.1 啟停模糊控制器設計
2.1.1 啟停模糊控制器結構
基于PLC 技術電廠空壓機機械化啟停結構，如圖2 所示。
圖2 電廠空壓機自動啟?？刂平Y構圖Fig.2 Structure diagram of automatic start stop control for air compressors in power plants
在PLC 控制器使用模糊邏輯控制算法完成電廠空壓機自動啟?？刂疲：壿嬁刂破髁鞒倘鐖D3 所示。完成模糊控制器設計，控制原理如圖4 所示。
圖3 模糊邏輯控制器設計流程Fig.3 Flow chart of fuzzy logic controller design
圖4 模糊邏輯控制器控制原理圖Fig.4 Control principle of fuzzy logic controller
2.1.2 控制變量的選擇
模糊控制器尋優(yōu)啟動2 個輸入量為空壓機運行數(shù)量變化量c∈｛0，1，2，3，4，5｝和空壓機停止運行時長序列Y′∈｛1，2，3，4，5｝，尋優(yōu)啟動輸出量為待啟動空壓機編號QQ（n）∈｛1，2，3，4，5｝。
模糊控制器尋優(yōu)停止的2 個輸入量為空壓機運行數(shù)量變化量c1∈｛0，1，2，3，4，5｝和空壓機運行時長序列Y1′∈｛1，2，3，4，5｝，尋優(yōu)啟動的輸出量為待停止空壓機編號QT（n）∈｛1，2，3，4，5｝。
2.1.3 控制變量的模糊子集和隸屬度函數(shù)
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式中：MQ（n）為待啟動空壓機模糊子集。
使用二維Mamdani 模糊控制器，設置尋優(yōu)停止和尋優(yōu)啟動的輸入輸出變量模糊子集和隸屬度函數(shù)。
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用c 為多個分量輸入變量，ck為輸入變量c 的第k 個分量，取值范圍為cj∈［-c，c］，輸入變量第k個分量模糊域論可為mk，變化量c 的量化因子lk為變量c 到模糊論域變化為量化因子，公式如下：
設置某時刻空壓機運行數(shù)量輸入變量為c，映射到模糊論域，取值m，公式如下：
當設定實際取值小于尋優(yōu)啟動的空壓機運行數(shù)量輸入變量時，仍保證模糊化后的變量值屬于輸入控制變量分量，且m≤mk。
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式中：sgn 為正負號；int 為整數(shù)部分。
當模糊論域取值為整數(shù)時，取值范圍m 可表達為［-mk，mk］。
當尋優(yōu)啟動的空壓機運行數(shù)量第k 個輸入變量ck的取值范圍為非對稱性時，即ck=［s，n］，且s≠n，量化因子公式如下：
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2.3 啟停控制
根據(jù)模糊規(guī)則獲取每臺電廠空壓機對應模糊關系矩陣，公式如下：
機制建設滯后。近年來，在“落實三轉、聚焦主業(yè)”的大背景下，許多農(nóng)商行進一步強化了各級紀委的監(jiān)督職能，制度安排和流程配置越來越多，要求越來越高，責任越來越大。但在強調監(jiān)督的同時，配套的監(jiān)督機制或流程卻出現(xiàn)滯后，主要表現(xiàn)為以下幾點。
式中：TQ為尋優(yōu)啟動模糊關系矩陣；TT為尋優(yōu)停止模糊關系矩陣；Iok為模糊矩陣；c、Y′為模糊關系；c1、Y1′為模糊關系；QQ（n）、QT（n）為啟動和停止的輸出矩陣。
尋優(yōu)啟動空壓機模糊子集MQ（n）和尋優(yōu)停止空壓機模糊子集MT（n）公式如下：
式中：c（n）、c1（n）為激活n 條規(guī)則的停運空壓機數(shù)量和運行空壓機數(shù)量；Y′（n）、Y1′（n）為激活n 條規(guī)則矩陣輸入。
通過加權平均法獲取待啟動空壓機模糊子集中位數(shù)MQ（z）和待停止空壓機模糊子集中位數(shù)MT（z），公式如下：
式中：νQ（n）、νT（n）為第n 條規(guī)則在尋優(yōu)啟動和尋優(yōu)停止輸出結果占得權重；νQ（Y′）、νT（Y1′）為第n 條規(guī)則在空壓機停止運行時長序列和運行時長序列占得權重。
將待啟動空壓機模糊子集中位數(shù)MQ（z）和待停止的空壓機模糊子集中位數(shù)MT（z）乘于比例因子，獲取最終待啟動空壓機編號QQ（n）或停止的空壓機編號QT（n）公式如下：
式中：lQ、lT為根據(jù)公式（6）獲取空壓機尋優(yōu)啟動比例因子和尋優(yōu)停止比例因子。完成電廠空壓機機械化自動啟?？刂?。
3 實驗與分析
在Windows 7、Intel core i7-4210H、8 GB 操作系統(tǒng)，編程環(huán)境為python3.7 計算機使用MATLAB軟件，以某地電廠5 個空壓機為對象，型號為BLT-375A 永磁變頻空壓機，參數(shù)如表1 所示。
表1 永磁變頻空壓機參數(shù)Tab.1 Parameters of permanent magnet variable frequency air compressor
以此為基礎，采用基于PLC 技術的電廠空壓機機械化自動啟停控制開展實驗測試。
（2）能耗量驗證
采用所提方法對某地電廠空壓機實行自動啟?？刂?，記錄能耗情況如圖5 所示。
圖5 能耗量Fig.5 Energy consumption
由圖5 可知，所提方法的能耗量較低，表明該方法電廠空壓機自動啟?？刂菩Ч?，其主要是由于所提方法采用了基于PLC 技術的機械化自動啟?？刂品绞?。相比傳統(tǒng)的人工啟?？刂品椒?，這種自動化控制方式可以更精確地根據(jù)實際負荷需求進行控制，避免了空壓機運行過程中的能源浪費。
（3）啟?？刂?/p>
采用所提方法對某地電廠空壓機實行自動啟?？刂疲涗浰岱椒▎⑼？刂茰蚀_度如圖6 所示。
圖6 啟?？刂茰蚀_度Fig.6 Accuracy of start stop control
分析圖6 可知，應用所提方法的電廠空壓機啟?？刂茰蚀_度在80%～98%之間，表明所提方法的啟?？刂茰蚀_度更高、控制效果更好，其主要是由于所提方法根據(jù)電廠多臺空壓機聯(lián)控模型進行設計，能夠根據(jù)實際負荷需求和空壓機的運行狀態(tài)，自動調整啟停規(guī)則和模糊控制器的參數(shù)，以適應不同工況的要求，從而導致其啟停控制準確度得到提高。
（4）啟?？刂茣r間對比
采用所提方法對某地電廠空壓機實行自動啟停控制，記錄啟?？刂茣r間如表2 所示。
表2 啟停控制時間Tab.2 Start and stop control time
由表2 可知，所提方法對電廠空壓機的啟?？刂茣r間均小于125.8 s，空壓機啟?？刂茣r間更短，其主要是由于所提方法設計了合理的啟停規(guī)則和模糊控制器，能夠更精確地判斷空壓機的啟停時機，進一步縮短了啟?？刂茣r間。
4 結語
本文基于PLC 技術的電廠空壓機機械化自動啟?？刂品椒?，設計電廠空壓機啟停規(guī)則，建立電廠空壓機自動啟停控制器，模糊化處理輸入變量后，輸入變量，完成電廠空壓機啟停控制。該方法研究解決傳統(tǒng)方法存在的問題有重要意義。
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