模糊控制在窑温控制系统中的应用--控制网



模糊控制在窑温控制系统中的应用
企业：控制网 日期：2005-07-28
领域：PLC&PAC 点击数：1379


1、引言

    随着社会经济的飞速发展，人们的生活水平的提高，各种住宅小区、商用建筑、写字楼像雨后春笋般拔地而起。建筑业的繁荣昌盛，带动了砌块生产业的飞速发展与技术革新。传统的砌块上在全自然的环境中生产出来的，加工周期长，成功率不高。现在各个建材生产厂商专门研制出了一种砌块养护窑，用来加快砌块的出厂周期，以便提高生产效率与经济效益。对GJ型系列养护窑，整个控制系统是由新式窑体结构、热工供调系统、工业计算机控制系统组成的成套技术工艺设备，一般的其控制核心为单片机，这类控制系统虽然具有成本低、体积小、程序简短等优点，但只适合小型控制系统，对于较大型控制系统，不但成本大大增加，而且可靠性较差，对要求较高的系统难以实现。PLC具有功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于编程及适应工业环境的优点，是一种通用的自动控制装置，结合当今发展较快、应用越来越广的模糊控制技术，可实现较大型控制系统，且功能完善，效果好。下面介绍一种以PLC为控制核心、以模糊控制理论为依据，炉窑温度控制系统。

2、炉窑温度控制要求

    砌块在生产过程中最后一道工序是养护。目前养护的方法有两种。一种是传统的自然养护；自然养护只需要一个可供养护的露天场地，靠阳光加温。这种养护方法 投资少，养护成本低。缺点是养护周期太长，受环境温度影响大，对产品质量要求较高时，无法保证高质量与短生产周期。尤其在我国北方地区的冬季，温度低，阳光少，风沙大，天气条件恶劣，不适用这种养护方法。但是在一些规模较小的砌块加工场所还经常用到这种养护方法。另一种养护方法就是在养护窑中进行养护。用户可以根据砌块的工艺要求指定养护规则，由手动或自动方法控制养护程序的进行。养护窑养护过程是严格按照砌块的工艺要求实施控制的。它能保证产品质量，保证生产进度，不受天气影响。
    控制过程应该满足如下要求：总起动按钮按下以后，整个系统允许运行。按下总停止按钮，整个系统停止运行。每个窑都可以自行控制。按下各窑的起动按钮后，各窑开始运行，按下其停止按钮，各窑停止运行，按下急停按钮，禁止各窑的输出控制。
    每个窑的具体流程控制要求：启动电动机，供风循环热气流；开启进气阀门，供热气控温；经过一定时间（设恒温10h），关闭进气阀门；打开排气阀门，排气；按下停止按钮，关风机，关排气阀，准备砌块出窑。连锁要求只要有一个窑排气，总排气阀要打开，只有总进气阀打开，才能起动各窑进气阀。窑温控制示意图如图1所示


3、输入输出量的分析及硬件的选择

    系统控制两个养护窑。每个养护窑有1个测温输入点(模拟量输入)。1个进气电磁阀控制输入蒸汽(开关量)，1个排气电磁阀控制热气的排出(开关量)，一台送风电动机(开关量)，共3个开关量输出。1个起动按钮，1个停止按钮，1个急停按钮。一个养护窑需要3个开关量输入，3个开关量输出和1个模拟量输入。整个系统还需要设置1个总起动按钮，1个总停按钮(共2个开关量输入点)。1个总进气电磁阀，1个总排风电磁阀(共2个开关量输出点)。合计整个控制系统需要开关量输入8点，开关量输出8点，模拟量输入2点。
    控制核心采用西门子PLC的CPU224，提供数字量输入点数14点，数字量输出点数10点(提供给扩展单元DC5V电流能力为660mA)，完全满足系统的数字量和开关量输入输出点数的要求。CPU224本身不具备模拟量输入和输出单元，本系统扩展一模拟量输入模块EM231，提供4路模拟量输入（消耗DC5V电流为10mA）。模拟量输入部分，由热敏电阻R1，R2（PT100）和恒温变送器（电流输入型）构成，组成硬件部分如图2。


4、输入输出地址和内存变量分配表

（1）输入输出点地址分配（见表1）。

表1输入输出地址分配



（2）内存变量分配表（见表2）

表2内存变量分配表



5、程序设计

（1）总体思路：
    因为本系统用来控制规模相同的2个养护窑，所以控制程序采用分块结构。其中子程序SBR0控制1号窑温，SRB2控制2号窑温。主程序0B1分别调用SBR0，SBR2子块程序，对2个养护窑分别控制。每个养护窑由一个热敏电阻检测窑内温度，由1个进气电磁阀周期闭合与断开来控制进气量，调节窑内温度。本例子中采用的控制算法，根据经验写成控制规则，成为简单的模糊控制。

（2）主程序中的具体流程控制：
    本例子中，由于只采用了子程序调用而没有采用中断，因此结构比较简单。在系统总起动之后，主程序只要不断查询各个子程序的起动条件，并根据启动条件去决定是否调用温控程序即可，如图3所示。



图3  窑温数字量输出控制程序流程图

（3）控制算法：
    系统的控制核心采用S7-200型PLC，外加输入输出模块构成自动控制系统，控制算法有多种。本例子所采用的控制算法是根据经验写成的控制规则，用模糊控制算法去控制的。其控制规则有：

    如果检测温度低于设定值的50%，则进气阀门打开的占空比为100%。
    如果检测温度高于设定值的50%，则低于设定值的80%，则进气阀门打开的占空比为70%。
    如果检测温度高于设定值的80%，且低于设定值的90%，则进气阀门打开的占空比为50%。
    如果检测温度高于设定值的90%，且低于设定值的100%，则进气阀门打开的占空比为30%。
    如果检测温度高于设定值的100%，且低于设定值的102%，则进气阀门打开的占空比为10%。
    如果检测温度高于设定值的102%，则进气阀门打开的占空比为0%。
    为了实现控制算法，在程序设计中，每个养护窑安排了8个延时断开定时器（TON），产生4种不同占空比的脉冲。再由这些脉冲去控制进气阀门的打开与关断。

（4）控制程序：
    主程序OB1和子程序SBR0、SBR2略。

6、结束语

    本文介绍了一种利用S7-200型PLC的模糊控制技术来实现砌块养护窑的自动控制系统，详细介绍了系统的硬件配置以及软件设计流程图，并介绍了编程中的关键问题。该控制系统提高了砌块的生产周期和质量，创新了"强制式热交换、声能、负压养护技术"，使窑内温度场、湿度场、压力场、速度场、声能场分布均匀，使水泥制品水化反应具备良好条件，提高水泥砌块等制品密实度和弹性模量，相应地提高了砌块的抗压强度、抗冻性能、抗渗透性能，减少相对含水率，有效地解决了砌块建筑存在的热、裂、渗等难题。
    该控制系统实用性强，可靠性高，以一台PLC控制2个养护窑为例，用户也可根据控制需要，对系统的I/O模块进行扩展，控制多个养护窑。所以，系统的可扩展性强。
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