摘要 在焦?fàn)t燃煤過(guò)程中，由于煤層高低不平，分配不均等問(wèn)題導(dǎo)致燃 煤燃燒不充分，極大的影響了燃燒效率，也增加了能源的損耗。由此， 均勻、高效、先進(jìn)的布料設(shè)備和布料方式在焦?fàn)t燃煤過(guò)程中起到了越 來(lái)越重要的作用。 本文針對(duì)馬鞍山鋼鐵股份有限公司新區(qū)一號(hào)焦?fàn)t布料設(shè)備以繼 電器為核心的自動(dòng)控制系統(tǒng)存在故障率高、操作程序復(fù)雜、界面人性 化不足和輔助管理能力不強(qiáng)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了以p l c 、觸摸屏等技術(shù)為 核心的自動(dòng)回轉(zhuǎn)布料機(jī)控制系統(tǒng)。 通過(guò)對(duì)布料系統(tǒng)的檢測(cè)環(huán)節(jié)、控制模式和控制策略進(jìn)行分析，針 對(duì)布料過(guò)程具有大時(shí)滯、非線性、難以建立精確數(shù)學(xué)模型等特點(diǎn)，提 出了一種基于p l c 的模糊邏輯控制實(shí)現(xiàn)方法，論述了模糊控制器的 原理和結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)兩輸入單輸出的模糊控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制 中加料速度參數(shù)的實(shí)時(shí)控制，用p l c 編程通過(guò)查詢表的方式實(shí)現(xiàn)了 模糊控制器的設(shè)計(jì)，用m a t l a b 實(shí)現(xiàn)了模糊控制查詢表的離線生成。 本文的控制方案在馬鞍山鋼鐵股份有限公司煤塔布料系統(tǒng)中應(yīng) 用以來(lái)，系統(tǒng)運(yùn)行良好，本文所設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)布料機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)具有 穩(wěn)定、高效的特點(diǎn)，并通過(guò)模糊控制算法提高了布料的均勻度。從而 為布料系統(tǒng)的研究和應(yīng)用提供了新的控制思維和控制策略，具有一定 的理論和實(shí)踐意義。 關(guān)鍵詞：回轉(zhuǎn)布料機(jī)，模糊控制，p l c ，觸摸屏 a bs t r a c t i nt h ep r o c e s so fc o k e f i r e d ，b e c a u s eo ft h er u g g e dc o a ll a y e r , u n e v e nd i s t r i b u t i o n ，l e a dt h ec o a lb u r n i n gi n s u f f i c i e n c y , i n f l u e n c et h e b u m i n ge f f i c i e n c ya n da ni n c r e a s eo fe n e r g yl o s s t h u s ，ae v e n ，h i g h e f f i c i e n c y , a d v a n c e dc o a ld i s t r i b u t i o ne q u i p m e n ta n ds y s t e mi nt h ec o k e c o a lp l a ya ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l e i nt e r m so ft h eb a s e do nr e l a yc o n t r o ls y s t e mo fn o 1c o k ee v e nc o a l d i s t r i b u t i o ne q u i p m e n to fm a a n s h a ni r o n & s t e e lc o ，l t d ，f a c e dw i t h m a n yp r o b l e m s ，s u c ha sh i g hf a u l tr a t e ，l o wa c c u r a c y , o p e r a t ec o m p l e x ， l o wc a p a c i t yo fm a n a g e m e n ta n ds oo n t h i sp a p e rd e s i g n sar o t a t ec o a l d i s t r i b u t i o na u t o c o n t r o ls y s t e mb a s e do np l ca n dt o u c hs c r e e n b ya n a l y z i n ga n ds t u d y i n gt h ec h e c k i n gl i n k ，t h ec o n t r o l l i n gm o d e a n dc o n t r o ls t r a t e g yo nc o a ld i s t r i b u t i o ns y s t e m ，i nc o n n e c t i o nw i t hs o m e f e a t u r e ss u c ha sl o n gt i m el a g ，n o n l i n e a r i t ya n dm o d e l i n gd i f f i c u l t i e s ，i t p u t s t o w a r da f u z z yc o n t r o l m e t h o db a s e d0 1 1p l ca n dd i s c o u r s e d p r i n c i p l ea n ds t r u c t u r e o ft h ef u z z yc o n t r o l l e r ，a n dd e s i g n saf u z z y c o n t r o l l e ro ft w oi n p u t sa n do n eo u t p u tt oc o n t r o lt h ep a r a m e t e r so fs p e e d o nl i n e ，t h ed e s i g no ff u z z yc o n t r o l l e ri sr e a l i z e db yp l c ，t h eo f f - l i n e c a l c u l a t i o no ff u z z y c o n t r o lt a b l ei sr e a l i z e db ym a t l a b t h i sc o n t r o ls c h e m eh a sb e e na p p l i e di nt h ec o k ee v e nc o a l d i s t r i b u t i o ns y s t e mo fm a a n s h a ni r o n & s t e e lc o l t d ，a n dt h es y s t e m o p e r a t e sw e l l t h ec o n t r o ls y s t e mb yt h i sp a p e ri ss t a b i l i z ea n dh i g h e f f i c i e n c y , a n di m p r o v e dt h ee v e n n e s sd e g r e eb yf u z z yc o n t r o la l g o r i t h m t h u s ，i tp r o v i d e san e wc o n t r o lm e n t a l i t ya n dn e wc o n t r o ls t r a t e g yf o r r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fc o a ld i s t r i b u t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：r o t a t ec o a ld i s t r i b u t i o nm a c h i n e ，f u z z yc o n t r o l ，p l c ， t o u c hs c r e e n i i 原創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究 工作及取得的研究成果。盡我所知，除了論文中特別加以標(biāo)注和致謝 的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不 包含為獲得中南大學(xué)或其他單位的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我 共同工作的同志對(duì)本研究所作的貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明。 作者簽名： 嗍畢年月互日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本入了解中南大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校 有權(quán)保留學(xué)位論文并根據(jù)國(guó)家或湖南省有關(guān)部門(mén)規(guī)定送交學(xué)位論文， 允許學(xué)位論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi) 容，可以采用復(fù)印、縮印或其它手段保存學(xué)位論文。同時(shí)授權(quán)中國(guó)科 學(xué)技術(shù)信息研究所將本學(xué)位論文收錄到中國(guó)學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)， 并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向社會(huì)公眾提供信息服務(wù)。 名襁雌雄吼弓年月蘭日 中南大學(xué)碩上學(xué)位論文第一章緒論 1 1 選題背景 第一章緒論 鋼鐵行業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要地位的基礎(chǔ)性行業(yè)，鋼鐵生產(chǎn)與國(guó)民經(jīng) 濟(jì)的整體發(fā)展密切相關(guān)。目前，鋼鐵產(chǎn)品數(shù)量已經(jīng)不是發(fā)展中的主要矛盾，而加 速結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)變?cè)鲩L(zhǎng)方式、提高綜合競(jìng)爭(zhēng)力則成為鋼鐵行業(yè)面臨的緊迫任務(wù)。 在2 0 0 8 年底開(kāi)始的世界金融危機(jī)影響下，鋼鐵行業(yè)的發(fā)展受到了很大的影響。 行業(yè)內(nèi)的設(shè)備技術(shù)更新已經(jīng)成為制約鋼鐵廠發(fā)展的瓶頸。 在鋼鐵冶煉過(guò)程中，焦炭是不可或缺的原料之一。焦炭質(zhì)量的高低直接影響 冶煉的效率。而在焦?fàn)t燃煤燃燒生成焦炭的過(guò)程中，由于煤層高低不平，分配不 均等問(wèn)題導(dǎo)致燃煤燃燒不充分，極大的影響了燃燒效率，也增加了能源的損耗。 在焦化配料過(guò)程中，配煤倉(cāng)出現(xiàn)混煤對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量也有著直接的影響。由此，均勻、 高效、先進(jìn)的布料設(shè)備和布料方式在焦?fàn)t燃煤的燃燒過(guò)程中起到了越來(lái)越重要的 作用【l 】1 2 】f 3 】。 馬鞍山鋼鐵股份有限公司( 以下簡(jiǎn)稱馬鋼) 是我國(guó)特大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)之一， 經(jīng)過(guò)五十多年的艱苦創(chuàng)業(yè)、滾動(dòng)發(fā)展，從當(dāng)年的一個(gè)小鐵廠發(fā)展成為粗鋼產(chǎn)能具 備1 2 0 0 萬(wàn)噸規(guī)模的大型企業(yè)集團(tuán)。馬鋼新區(qū)一號(hào)焦?fàn)t年產(chǎn)1 1 0 萬(wàn)噸，為7 0 孔碳 化室，高7 6 3 米，是我國(guó)目前焦?fàn)t容量最大之一。在新區(qū)一號(hào)焦?fàn)t中選用了長(zhǎng) 沙通發(fā)高薪科技有限公司生產(chǎn)的自動(dòng)回轉(zhuǎn)布料機(jī)，目前布料楓使用穩(wěn)定，布料均 勻，故障率低，自動(dòng)化程度高，極大的提高了燃煤燃燒效率。我有幸參與了設(shè)備 的整個(gè)安裝調(diào)試過(guò)程。 1 2 研究的目的和意義 我在設(shè)備的安裝調(diào)試過(guò)程中，有機(jī)會(huì)見(jiàn)到過(guò)其他廠家生產(chǎn)的布料機(jī)設(shè)備，綜 合搜索到的資料經(jīng)觀察和工程實(shí)踐中了解到，這些布料設(shè)備存在著以下的嚴(yán)重缺 陷f l l l f l 2 1 ： l 、故障率較高，主要原因是布料機(jī)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境極度惡劣，煤塵飛揚(yáng)，對(duì)設(shè)備 的工作環(huán)境要求較高；再者使用大功率電氣電網(wǎng)的干擾，空間電磁波的干擾和觸 點(diǎn)及電機(jī)電刷產(chǎn)生的火花對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性構(gòu)成了很大威脅； 2 、操作界面和程序復(fù)雜，人性化不足； l 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 3 、現(xiàn)場(chǎng)需人值守操作，自動(dòng)化程度不高，也增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度； 4 、維修不方便。 在焦?fàn)t生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)備出現(xiàn)故障導(dǎo)致的生產(chǎn)停產(chǎn)會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。 因此，急需一套操作維修方便、布料高效均勻、自動(dòng)化程度高、性能穩(wěn)定、故障 率低的布料控制系統(tǒng)。 因?yàn)榛A(chǔ)建設(shè)的拉動(dòng)，國(guó)家刺激內(nèi)需，對(duì)鋼鐵的市場(chǎng)需求也在增多，而現(xiàn)在 鋼鐵行業(yè)的發(fā)展已經(jīng)不再只單單對(duì)數(shù)量有要求，為建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)，加強(qiáng)對(duì) 資源的有效利用和對(duì)環(huán)境的保護(hù)，就對(duì)焦?fàn)t的燃燒效率提出了更高的要求，從而 布料機(jī)的市場(chǎng)潛力更大。 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的不斷發(fā)展，順應(yīng)時(shí)代潮流出現(xiàn)了現(xiàn) 場(chǎng)總線控制系統(tǒng)( f c s ) ，它是一種開(kāi)放的、可互操作性的、徹底分散的、低成本 的分布式控制系統(tǒng)，由分散控制發(fā)展到現(xiàn)場(chǎng)總線控制，數(shù)據(jù)傳輸采用總線方式即 現(xiàn)場(chǎng)總線；p l c 控制技術(shù)己經(jīng)成熟，故障率低，相對(duì)于目前占據(jù)市場(chǎng)的單片機(jī)控 制系統(tǒng)性能更優(yōu)，便于在施工現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)使用；現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)和p l c 技術(shù)二 者相互滲透，互為補(bǔ)充，能構(gòu)成復(fù)雜的分級(jí)控制；從趨勢(shì)來(lái)看，二者的歸宿和統(tǒng) 一將是全分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；而它們的快速發(fā)展必定會(huì)使布料機(jī)自動(dòng)控制系 統(tǒng)的成為高效、穩(wěn)定、安全的控制系統(tǒng)。 本課題以回轉(zhuǎn)布料機(jī)及其裝料、布料等輔助系統(tǒng)構(gòu)成的回轉(zhuǎn)布料機(jī)全系統(tǒng)為 主要研究對(duì)象，采用西門(mén)子p l c 為核心處理器，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、模糊控制 技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)，將現(xiàn)場(chǎng)所有控制設(shè)備構(gòu)建為分布式系統(tǒng)，通過(guò)軟件編程和 軟硬件組態(tài)技術(shù)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)布料機(jī)的現(xiàn)代化監(jiān)控與管理。開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)良的、適用 于各型焦?fàn)t的上位機(jī)和p l c 二級(jí)控制系統(tǒng)：操作員在上位機(jī)上操作，現(xiàn)場(chǎng)裝有 工業(yè)攝像頭，操作員可就地或遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)布料機(jī)設(shè)備，避免了現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境對(duì) 工人的身體傷害；上位機(jī)具有各種報(bào)表功能，方便統(tǒng)計(jì)、查詢和打印交接班記錄 薄，煤塔的上料時(shí)間、上料量( 料位的高度變化) 和生產(chǎn)運(yùn)行情況等工作數(shù)據(jù)資料， 并給出了產(chǎn)生相應(yīng)故障的可能原因，便于操作員及時(shí)排除故障，保障生產(chǎn)。 本課題的研究，是過(guò)程控制與現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，使得現(xiàn)代新技 術(shù)在傳統(tǒng)的布料機(jī)控制系統(tǒng)中得到推廣和應(yīng)用。極大地提高了布料機(jī)的生產(chǎn)自動(dòng) 化程度和可靠性，是布料機(jī)控制系統(tǒng)革命性的進(jìn)步，在計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展、網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)快速普及、自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)越來(lái)越引起人們的高度重視的今天是十分必要 的。 此系統(tǒng)還可用于混凝土布剃b 】，石灰窯布料等場(chǎng)合，具有很大的實(shí)用價(jià)值和 推廣意義。 2 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 1 3 布料機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及存在問(wèn)題 在焦?fàn)t的生產(chǎn)過(guò)程中，為保證整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和連續(xù)性，提高生產(chǎn)效 率，一旦由于設(shè)備故障造成的生產(chǎn)停產(chǎn)將會(huì)對(duì)整個(gè)企業(yè)造成巨大的損失。所以布 料機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要f 4 】【5 1 。隨著集成電路芯片的更新和計(jì)算機(jī)控制技 術(shù)的發(fā)展，布料機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)歷了從繼電器邏輯控制方式、單片機(jī)控制方式、可 編程序控制器( p l c ) 控制方式、工控機(jī)集中控制方式，發(fā)展到現(xiàn)在正在完善的基 于現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)具有的自動(dòng)化程度高、運(yùn)行速度 快、運(yùn)行穩(wěn)定可靠以及具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理功能等特點(diǎn)得到充分顯示，己成為當(dāng) 今布料機(jī)的主要控制模式。 目前我國(guó)布料機(jī)生產(chǎn)企業(yè)眾多，產(chǎn)品已形成系列化，但技術(shù)水平參差不齊， 只有少量產(chǎn)品接近國(guó)際先進(jìn)水平，其中部分產(chǎn)品自動(dòng)化程度較高、穩(wěn)定性較好、 故障率較低、價(jià)格適中，主機(jī)和主要元器件基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，但我國(guó)的布料機(jī)【6 1 【7 l 還存在著整體技術(shù)含量較少、普及率偏低、地區(qū)差異較大、智能化程度不高和環(huán) 保性能較差等缺點(diǎn)。 目前，國(guó)內(nèi)冶金焦化行業(yè)煉焦煤塔布料普遍采用的是梭式( 直線) 布料機(jī)和 轉(zhuǎn)動(dòng)擋板布料i 引。 l 、梭式布料機(jī)：在煤塔上直線行走，只能在規(guī)定的直線范圍內(nèi)布料，煤塔 內(nèi)的燃料不能實(shí)現(xiàn)均勻分布，且煤塔角落不能布料。 2 、轉(zhuǎn)動(dòng)擋板布料機(jī)：其特征是在下方的落煤筒上設(shè)有兩片呈上下設(shè)置的十 字交叉轉(zhuǎn)動(dòng)擋板，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)擋板的傾斜方向和角度，實(shí)現(xiàn)偏置加煤，從而有效保 證整個(gè)燃煤層的均勻加煤；在十字轉(zhuǎn)動(dòng)擋板上方設(shè)置定量均勻落煤裝置，可以基 本保證煤氣發(fā)生爐燃煤層的均勻，充分發(fā)揮最佳產(chǎn)氣功能。其不足之處是性能不 夠穩(wěn)定，設(shè)備容易損壞，自動(dòng)化程度不夠高，操作不夠方便。 以上兩種布料機(jī)在應(yīng)用過(guò)程中存在的不足，影響到設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提高了 能源的消耗。 發(fā)達(dá)國(guó)家在布料方式_ j e f 9 j 1o 】有日本的格篩式溜槽布料機(jī)，曲線型反射板布料 機(jī)，俄羅斯的旋轉(zhuǎn)漏斗布料機(jī)和水平擺動(dòng)反射板布料機(jī)等?？刂凭群妥詣?dòng)化程 度較高。目前我國(guó)的布料設(shè)備和發(fā)達(dá)國(guó)家的還有一定的水平差距，需待進(jìn)一步提 高。 1 4 主要內(nèi)容及安排 論文以現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和p l c 控制理論為基礎(chǔ)，采用功能強(qiáng)、速度快、擴(kuò)展 靈活、模塊化的s 7 2 0 0p l c 作為下位機(jī)，利用觸摸屏和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為上 3 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 位機(jī)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)p l c 、觸摸屏、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及其他元件間的連 接、通信和組態(tài)，研制了回轉(zhuǎn)布料機(jī)自動(dòng)控制系糾。整個(gè)項(xiàng)目需要完成的工作 內(nèi)容有：控制系統(tǒng)方案制定、電器原理圖設(shè)計(jì)、低壓屯器選型、電氣控制柜安裝 與布線、上下位機(jī)程序編制、系統(tǒng)調(diào)試、項(xiàng)目資料整理等。主要內(nèi)容及安排如下： 1 、主要內(nèi)容。 ( 1 ) 對(duì)布料機(jī)現(xiàn)有的自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行深入的調(diào)研，分析現(xiàn)有控制系統(tǒng)不 足，并對(duì)新的布料機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)地設(shè)計(jì)，提出新的自動(dòng)化控制系統(tǒng)模 型； ( 2 ) 根據(jù)新的布料機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)際情況，進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)； ( 3 ) 根據(jù)需求選擇p l c 類(lèi)型，并在s t e p 7m i c r o - w m4 0 編程環(huán)境下完成p l c 軟件編程； ( 4 ) 根據(jù)上層監(jiān)控系統(tǒng)的需求，在p r o t o o l 軟件的設(shè)計(jì)環(huán)境中完成對(duì)布料機(jī) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)，在v b 6 0 中完成對(duì)遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)； ( 5 ) 針對(duì)布料機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的布料不夠均勻的情況，基于模糊控制技術(shù)對(duì) 其布料控制算法進(jìn)行了研究。 2 、全文安排。 第一章回轉(zhuǎn)布料機(jī)控制系統(tǒng)研制的背景、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀與水平，論文的目的 和意義進(jìn)行概述，提出本文研究和設(shè)計(jì)的重點(diǎn)及方向。 第二章回轉(zhuǎn)布料機(jī)的工作原理以及系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及控制功能做分析。從系 統(tǒng)總體控制需求、系統(tǒng)方案選型等幾個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行一個(gè)總體的分析，從而得出 p l c + 現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏+ 遠(yuǎn)程上位機(jī)的控制模式。 第三章對(duì)回轉(zhuǎn)布料機(jī)自動(dòng)控制的布料模糊控制算法進(jìn)行了分析和模糊控制 器的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。 第四章對(duì)系統(tǒng)底層的軟硬件作了詳細(xì)地分析和設(shè)計(jì)，對(duì)p l c 程序設(shè)計(jì)進(jìn)行 了介紹，對(duì)p l c 實(shí)現(xiàn)模糊控制表查詢作了闡述，并對(duì)算法實(shí)現(xiàn)效果做了簡(jiǎn)要分 析。 第五章對(duì)回轉(zhuǎn)布料機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的上層監(jiān)控系統(tǒng)的作了詳細(xì)地組態(tài)研究 和界面設(shè)計(jì)。 第六章對(duì)本論文開(kāi)展的工作及成果作了一個(gè)總結(jié)，并指明有待繼續(xù)的工作。 4 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章回轉(zhuǎn)布料機(jī)系統(tǒng)分析 第二章回轉(zhuǎn)布料機(jī)系統(tǒng)分析 2 1 回轉(zhuǎn)布料機(jī)系統(tǒng)概述 自動(dòng)回轉(zhuǎn)布料機(jī)一般安裝在煤塔的頂部，根據(jù)焦?fàn)t生產(chǎn)工藝要求將配煤車(chē)間 制備合格的裝爐煤均勻的布入煤塔，以滿足焦?fàn)t的生產(chǎn)需要。它具有工作環(huán)境惡 劣、連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)、負(fù)荷重等特點(diǎn)，適用于各大中型鋼廠，焦化廠的煉焦?fàn)t。 自動(dòng)布料機(jī)采用電氣程序控制，按需求具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作方式，操作地點(diǎn) 也有現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程兩種方案選擇，靈活型比較高，綜合管理能力較強(qiáng)。 本章先對(duì)回轉(zhuǎn)布料機(jī)的基本工作原理及構(gòu)成做一簡(jiǎn)要介紹，然后從回轉(zhuǎn)布料 機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)研制的目的和意義、系統(tǒng)的總體分析、系統(tǒng)方案的選型、系統(tǒng)的 需求分析以及系統(tǒng)的組成等幾個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行一個(gè)總體的分析，研制出新的基于 p l c + 觸摸屏+ 遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的自動(dòng)回轉(zhuǎn)布料機(jī)控制系統(tǒng)，以達(dá)到使用方便、提高生 產(chǎn)、穩(wěn)定生產(chǎn)、安全生產(chǎn)的目的，使其更加接近世界先進(jìn)布料機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的 水平。 2 2 回轉(zhuǎn)布料機(jī)工作原理及構(gòu)成 2 2 1 基本結(jié)構(gòu) 自動(dòng)回轉(zhuǎn)布料機(jī)主要由接料系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、布料系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等構(gòu)成。 l 、接料系統(tǒng)：主要由可安裝在大車(chē)上的可逆行走的小車(chē)組成。小車(chē)由接料 斗、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和用于在軌道上的行走機(jī)構(gòu)構(gòu)成。接料斗為高2 米、寬3 5 米的方 形容器，可一次性裝載2 t 由備煤車(chē)間送過(guò)來(lái)的優(yōu)質(zhì)煤。接料斗下端留有出口， 出口打開(kāi)后接料斗中的煤料可直接落到輸送皮帶上，繼續(xù)下一流程。小車(chē)由兩臺(tái) 1 5 k w 的交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)； 2 、行走系統(tǒng)：主要由安裝在煤塔頂端環(huán)形軌道上的布料大車(chē)組成。大車(chē)由 支撐機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成。大車(chē)尺寸由現(xiàn)場(chǎng)煤塔頂部截藏的尺寸確定，本項(xiàng)目中 大車(chē)長(zhǎng)7 5 米，寬4 米。大車(chē)上安裝有軌道，便于布料小車(chē)行走。大車(chē)安裝在環(huán) 形軌道上，可順逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)行走，行走范圍為一1 7 0 。+ 1 7 0 。，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)煤塔 范圍內(nèi)的布料。大車(chē)由兩臺(tái)1 5 k w 的交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。行走電機(jī)、制動(dòng)器、減速 機(jī)為三合一形式，減速機(jī)輸出軸直接驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪軸，具有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)緊湊、路線簡(jiǎn) 中南大學(xué)預(yù)十 證論文 第一章聞轉(zhuǎn)布科機(jī)系統(tǒng)分析 潔，可靠性高的特點(diǎn)；在大車(chē)的兩端裝有接近開(kāi)關(guān)用作對(duì)小車(chē)行走的極限保護(hù)： 為對(duì)設(shè)備行走位置進(jìn)行判斷，建立平面二維坐標(biāo)系，在主傳動(dòng)軸上安裝了光電編 碼器，編碼器信號(hào)接入p l c 的高速計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。編碼器采用光洋的r t j l 0 0 0 可加減計(jì)數(shù)，光電編碼器每轉(zhuǎn)一周，行走距離為4 0 c m ，理論精度可達(dá)到4 m m ， 完全能滿足設(shè)備控制要求： 3 、布料系統(tǒng)：布料系統(tǒng)主要由皮帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、輸送皮帶、落料溜槽，刮料 電機(jī)、雷達(dá)料位計(jì)和滾筒、托輥等附屬設(shè)備構(gòu)成。其中帶式輸送機(jī)滾筒、拖輥等 采用d t i i 型，通用性強(qiáng)，維護(hù)方便；皮帶電機(jī)由一臺(tái)1 5 k w 的交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)； 刮料電機(jī)由一臺(tái)o7 5 k w 的交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)：在設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中，由于皮帶 老化等原因，可能會(huì)出現(xiàn)輸送皮帶跑偏的情況，會(huì)嚴(yán)重影響布料精度，因此，在 輸送皮帶兩側(cè)也安裝有接近開(kāi)關(guān)，可檢測(cè)皮帶是否跑偏。在布料溜槽落料點(diǎn)安裝 了雷達(dá)料位計(jì)，實(shí)時(shí)檢測(cè)料面高度，并將信號(hào)反饋繪p l c 。 4 、控制系統(tǒng)：本項(xiàng)目巾采用p l c + 觸摸屏+ 遠(yuǎn)程上位機(jī)的集成控制方式。根 據(jù)生產(chǎn)流程的時(shí)序要求，對(duì)回轉(zhuǎn)柿料機(jī)從接料一行走一配料的生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 控制，并具有一定的管理功能。在設(shè)備生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)可由觸摸屏來(lái)設(shè)定相關(guān)參數(shù)、控 制設(shè)備運(yùn)行，操作簡(jiǎn)單方便。并具有常見(jiàn)故障檢測(cè)和報(bào)警功能，并給出可能的報(bào) 警原因分析：遠(yuǎn)程上位機(jī)通過(guò)廠內(nèi)局域網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)攝像頭等附屑設(shè)備可實(shí)時(shí)觀看當(dāng) 前運(yùn)行狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)人值守。數(shù)據(jù)庫(kù)中保存有各報(bào)警信息記錄和工 作信息等，可方便查詢、打印。 大車(chē)、小車(chē)和刮料電機(jī)均采用變頻器進(jìn)行控制。具有調(diào)速方便，控制效果優(yōu) 良，行走啟停平穩(wěn)，不啃軌等優(yōu)點(diǎn)。刮料電機(jī)變頻器由下文介紹到的模糊控制算 法控制。 其現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖2 1 所示。 王?；?困2 - 1 日轉(zhuǎn)布料機(jī)觀場(chǎng)困 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章回轉(zhuǎn)布料機(jī)系統(tǒng)分析 2 2 2 回轉(zhuǎn)布料機(jī)基本控制原理 本文中的回轉(zhuǎn)布料機(jī)控制系統(tǒng)，采用上位機(jī)和下位機(jī)的控制模式，即控制器 做下位機(jī)，在現(xiàn)場(chǎng)用觸摸屏做上位機(jī)，為便于遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)集中管理，在遠(yuǎn)程 控制室用計(jì)算機(jī)做上位機(jī)。計(jì)算機(jī)和觸摸屏控制數(shù)據(jù)和命令的輸入、運(yùn)行數(shù)據(jù)和 狀態(tài)輸出等，控制器則采集數(shù)據(jù)，判斷工作狀態(tài)和執(zhí)行命令，基本原理框圖如圖 2 2 所示。 圖2 - 2 回轉(zhuǎn)布料機(jī)基本控制原理示意圖 2 2 3 回轉(zhuǎn)布料機(jī)基本工作流程 p 7 1 越。蘭三竺j 程序分手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作方式，手動(dòng)方式用于系統(tǒng)調(diào)試或緊急情況下，正 常運(yùn)行時(shí)采用自動(dòng)方式。自動(dòng)方式下，操作員在上位機(jī)上設(shè)定好指定料位高度等 信息后，啟動(dòng)回轉(zhuǎn)布料機(jī)。布料機(jī)小車(chē)從頂部裝載由備煤車(chē)間送過(guò)來(lái)的制備好的 煤粉，裝載完后大小車(chē)先歸原位，準(zhǔn)備按環(huán)形軌跡開(kāi)始布料，雷達(dá)料位計(jì)先檢測(cè) 起始時(shí)落料點(diǎn)料位，然后設(shè)定好料位參考值，小車(chē)打開(kāi)落煤倉(cāng)，將煤粉落到輸送 皮帶上，輸送皮帶將煤粉送至落料溜槽中，大小車(chē)開(kāi)始按程序環(huán)形旋轉(zhuǎn)行走，再 按照本課題中的模糊控制算法通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前位置料位高度與設(shè)定的料位參 考值之間的偏差大小來(lái)控制落料溜槽中的刮料電機(jī)刮料速度，進(jìn)行均勻布料。工 作流程圖如圖2 3 所示。 7 禺 中南大學(xué)碩e 學(xué)位論文 第二章回轉(zhuǎn)布料機(jī)系統(tǒng)分析 士 ，； 大小車(chē)歸原位 0 l設(shè)定料位參考值 夠 ( 同 瓣，疆硼 大小車(chē)開(kāi)始環(huán)形行走，刮料 電機(jī)啟動(dòng)卜 | f 檢測(cè)料位高度偏差i 匕1 當(dāng) 模糊控制算法控制刮| 料速度 ，j n 丫 廠靠 2 3 系統(tǒng)的總體分析 圖2 - 3 回轉(zhuǎn)布料機(jī)基本工作流程圖 馬鋼l 拌焦?fàn)t年產(chǎn)1 1 0 萬(wàn)噸，爐高7 6 3 米，由于鋼廠的特殊性質(zhì)，焦?fàn)t要求 全天2 4 小時(shí)生產(chǎn)，對(duì)布料機(jī)的系統(tǒng)穩(wěn)定性要求非常高。為徹底改善目前狀況， 項(xiàng)目按照高穩(wěn)定性、低成本、安全可靠的原則，應(yīng)用先進(jìn)控制方法，研制出新的 回轉(zhuǎn)布料機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，使其更加接近該行業(yè)世界先進(jìn)水平。 3 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章回轉(zhuǎn)布料機(jī)系統(tǒng)分析 2 3 1 系統(tǒng)控制要求 回轉(zhuǎn)布料機(jī)安裝在焦?fàn)t煤塔的頂部，采用上位機(jī)+ p l c 的二級(jí)控制方案。由 p l c 控制大車(chē)、小車(chē)、輸送皮帶電機(jī)和刮料電機(jī)運(yùn)行，為定位精確、啟停平穩(wěn)， 電機(jī)均采用變頻器控制。具體控制要求如下： l 、系統(tǒng)具有手動(dòng)自動(dòng)兩種操作方式。手動(dòng)主要用于系統(tǒng)設(shè)備調(diào)試過(guò)程及特殊 情況下，操作工可手動(dòng)控制大、小車(chē)移動(dòng)到指定位置，控制輸送帶的正反轉(zhuǎn)及刮 料電機(jī)運(yùn)行對(duì)指定位置進(jìn)行布料；正常運(yùn)行時(shí)采用自動(dòng)方式，回轉(zhuǎn)布料機(jī)自動(dòng)根 據(jù)系統(tǒng)控制要求運(yùn)行到指定位置旋轉(zhuǎn)按給定速度布料，達(dá)到均勻布料的效果； 2 、系統(tǒng)具有現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程兩種操作地點(diǎn)選擇。由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境十分惡劣，煤塵飛揚(yáng)， 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的操作工的身體健康具有比較大的影響，系統(tǒng)要求除了能在現(xiàn)場(chǎng)操作外， 還能在遠(yuǎn)程對(duì)布料機(jī)進(jìn)行控制，并通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)攝像頭實(shí)時(shí)觀看現(xiàn)場(chǎng)狀況； 3 、工控機(jī)+ p l c 控制，管理自動(dòng)化程度高，一般不需要人工干預(yù)，必要時(shí)也可 方便的進(jìn)行人工干預(yù)。運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)任何緊急情況，可隨時(shí)按“停止鍵，停 止自動(dòng)進(jìn)程，進(jìn)行人工干預(yù)。 4 、觸摸屏l l5 j 和遠(yuǎn)程的工業(yè)計(jì)算機(jī)均能方便的對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改和設(shè)定，監(jiān)控系 統(tǒng)上要實(shí)時(shí)顯示布料機(jī)當(dāng)前工位及當(dāng)前煤塔料位； 5 、系統(tǒng)有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理功能和打印功能，能儲(chǔ)存、統(tǒng)計(jì)各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)，自 動(dòng)記錄設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)歷史資料情況，并形成交接班記錄薄，具體記錄煤塔的上料時(shí)間、 上料量( 料位的高度變化) 和生產(chǎn)運(yùn)行情況。 6 、有完善的報(bào)警功能，開(kāi)機(jī)前對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行自檢，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，自動(dòng)報(bào)警。 在執(zhí)行過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，系統(tǒng)也會(huì)報(bào)警提示，技術(shù)員可根據(jù)報(bào)警提示，發(fā) 現(xiàn)問(wèn)題，系統(tǒng)將報(bào)警情況紀(jì)錄于數(shù)據(jù)庫(kù)中，供用戶隨時(shí)查詢。 7 、完善的賬號(hào)管理體系，對(duì)于操作者、維修者、管理員等劃分登陸權(quán)限和登 陸級(jí)別，不同級(jí)別有不同的權(quán)限，有不同的安全級(jí)別，保護(hù)系統(tǒng)的安全性。并且 登陸情況紀(jì)錄于數(shù)據(jù)庫(kù)中，以供查詢。 2 3 2 系統(tǒng)控制方案 可編程控制器技術(shù)f 1 6 1 1 1 7 1 因?yàn)榫哂酗@著的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，近些年來(lái)也發(fā)展很快， 應(yīng)用越來(lái)越廣泛。觸摸屏也因?yàn)槭褂梅奖恪⒔Y(jié)構(gòu)小巧、便于維護(hù)等特點(diǎn)深受工業(yè) 控制場(chǎng)合的喜愛(ài)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求，結(jié)合現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，本文中的回轉(zhuǎn)布料機(jī) 控制系統(tǒng)采用p l c + 現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏+ 遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的控制方案，其中p l c 控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè) 備的運(yùn)行、接受現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的各種信號(hào)，并同時(shí)可與現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通信； 現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏便于在現(xiàn)場(chǎng)的維護(hù)和操作，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)可通過(guò)廠內(nèi)局域網(wǎng)在廠級(jí)總控 9 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章同轉(zhuǎn)布料機(jī)系統(tǒng)分析 制室對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，不僅可以很好地完成布料機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的各種控制 功能，而且系統(tǒng)的維護(hù)、擴(kuò)展也很簡(jiǎn)單方便。 l 、基本控制策略 控制系統(tǒng)基本控制需求是：控制器作為下位機(jī)，采集原始的信息( 模擬量通 過(guò)雷達(dá)料位計(jì)采集) ，經(jīng)過(guò)處理把信息傳遞到上位機(jī)( 觸摸屏工控機(jī)) ，上位機(jī)根 據(jù)相關(guān)信息，集中管理，發(fā)出控制命令，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控作用，其控制系 統(tǒng)基本原理圖見(jiàn)圖2 - 4 。 廣 。工業(yè)計(jì)算機(jī) t c w i p 岔 弋夕 勇 蓖 p 。 ， 工 p l c 業(yè) 變頻器 接近開(kāi)關(guān) 攝 雷達(dá)料位記 像 交流電機(jī) 頭 操作開(kāi)關(guān) 十 觸摸屏 圖2 4 系統(tǒng)控制原理框圖 2 、網(wǎng)絡(luò)通信方面 ， 在之前的設(shè)備中，上位機(jī)( 工控機(jī)) 與總控室之間并沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)，沒(méi)有數(shù)據(jù)交換。 不能從工程總控室監(jiān)管現(xiàn)場(chǎng)布料機(jī)，查看現(xiàn)場(chǎng)工作狀況。按照控制要求，從工廠 自動(dòng)化的角度出發(fā)，對(duì)整個(gè)布料機(jī)系統(tǒng)全部重新配以網(wǎng)絡(luò)，便于數(shù)據(jù)的流通，將 現(xiàn)有布料機(jī)下位機(jī)、上位機(jī)( 工控機(jī)) 、總控室等網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一全部改造，做到有效控 制、及時(shí)監(jiān)管、有效調(diào)配。 3 、系統(tǒng)監(jiān)控和管理軟件方面 系統(tǒng)軟件應(yīng)該具備以下這些功能： ( 1 ) 控制和操作功能：通過(guò)p c 機(jī)或觸摸屏能對(duì)布料機(jī)設(shè)備進(jìn)行控制和人工干 預(yù)，能對(duì)布料機(jī)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和修改。 ( 2 ) 顯示功能：能形象、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)顯示回轉(zhuǎn)布料機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和主要技術(shù)參 數(shù)，能用趨勢(shì)圖顯示某些參數(shù)的變化情況，能用動(dòng)畫(huà)顯示現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)工況模擬圖。 ( 3 ) 報(bào)警功能：?jiǎn)?dòng)運(yùn)行后，能自動(dòng)對(duì)生產(chǎn)流程中的故障進(jìn)行診斷、報(bào)警等， 當(dāng)布料機(jī)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，能給出聲光報(bào)警，顯示相應(yīng)的提示信息和界面，判斷 1 0 中南大學(xué)碩上學(xué)位論文第二章回轉(zhuǎn)布科機(jī)系統(tǒng)分析 可能導(dǎo)致的故障原因，并記錄在報(bào)警數(shù)據(jù)庫(kù)中，以供及時(shí)查看和打印。 ( 4 ) 數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能：建立生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)生產(chǎn)原始數(shù)據(jù)，供統(tǒng)計(jì)分析用： 建立事故數(shù)據(jù)庫(kù)，記錄各類(lèi)錯(cuò)誤、事故等。 ( 5 ) 數(shù)據(jù)處理功能：利用在線數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)完成相關(guān)的參數(shù)計(jì)算。 ( 6 ) 報(bào)表輸出打印功能：打印布料機(jī)所需要的各類(lèi)報(bào)表。 ( 7 ) 通訊功能：總控制臺(tái)獲取的所有信息均可通過(guò)局域網(wǎng)送入工程總調(diào)度室 或上級(jí)管理部門(mén)，供有關(guān)部門(mén)管理調(diào)度用，有利于公司管理部門(mén)及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)工 作情況。 2 3 3 遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)p l c 通信的設(shè)置 遠(yuǎn)程控制室與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的距離大約為2 6 公里，采用r s 2 3 2 和r s 4 8 5 通信 都是不太現(xiàn)實(shí)的。本文采用以太網(wǎng)通過(guò)o p c 方式建立遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)p l c 之 間的通信，很好的解決了通信的難點(diǎn)問(wèn)題。 o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 是基于微軟c o m 技術(shù)的，c o m 對(duì)象可以在 網(wǎng)絡(luò)上透明的分布，所以o p cc l i e n t 可以通過(guò)d c o m 的方式訪問(wèn)o p c 服務(wù)器。 當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)生變化或系統(tǒng)中加入新設(shè)備時(shí)，由于服務(wù)器所提供的接口的一致 性，工控軟件不作更改即可繼續(xù)使用，只是某些情況下可能需要重新組態(tài)，但是 大大減小了軟件維護(hù)的工作量。 s i m e n ss 7 2 0 0p l c 系列提供了專門(mén)的通信驅(qū)動(dòng)程序用于與計(jì)算機(jī)之間的 通信，本系統(tǒng)用s i m e n s 公司提供的通訊軟件p ca c c e s s 用做0 p c 服務(wù)器，在p c a c c e s s 端配置好服務(wù)器參數(shù)，建立好變量標(biāo)簽后，通過(guò)訪問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)p l c 的i p 地址 即可建立遠(yuǎn)程控制室與現(xiàn)場(chǎng)p l c 的連接，用v i s u a lb a s i c6 0 編寫(xiě)o p cc l i e n t 訪問(wèn) 代碼即可訪問(wèn)o p c 服務(wù)器中的數(shù)據(jù)。使用v i s u a lb a s i c6 0 開(kāi)發(fā)的客戶端訪問(wèn)服務(wù) 器的過(guò)程如圖2 5 所示： 創(chuàng)建o p c 服 務(wù)器對(duì)象 連接o p c 服 務(wù)器對(duì)象 添加o p c 組 集合和組對(duì)象 服磊囊峪服務(wù)器連接| 則： 瓦= m a x , , u ( 式3 - 7 ) 在此處k ，= 1 2 6 = 2 比例因子只起比例作用，這和量化因子疋，e 的量化效果不同。若己知某 采樣時(shí)刻模糊判決的清晰量c ( 七) 對(duì)應(yīng)著論域甜的一個(gè)等級(jí)數(shù)控制量的變化材為 球= c ( 七) e ( 式3 8 ) 故k 采樣時(shí)刻模糊控制器輸出變化量的精確值為”( 七) 。 比例因子的選擇和量化因子一樣對(duì)模糊控制器的動(dòng)態(tài)特性有很大的影響l 圳。 若k ( u ) 取的過(guò)大，則會(huì)造成被控過(guò)程阻尼特性下降，導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩；反之，若 k ( “) 取得過(guò)小，會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程變長(zhǎng)，穩(wěn)態(tài)精度變差。輸出比例因子x ( 甜) 作為模糊控制器的總的增益，它的大小影響著控制器的輸出，通過(guò)調(diào)整k ( u ) 可 以改變對(duì)被控對(duì)象( 過(guò)程) 輸入的大小。 3 6 隸屬函數(shù)的確定及模糊變量表的建立 3 6 1 隸屬函數(shù)的確定 模糊語(yǔ)言變量的每一個(gè)語(yǔ)言值實(shí)際上是一個(gè)在模糊論域上的模糊子集。由模 糊集合的定義可知，模糊子集最終總是通過(guò)隸屬函數(shù)來(lái)描述的。語(yǔ)言值隸屬函數(shù) 又稱為語(yǔ)言值的語(yǔ)義規(guī)則，它有時(shí)以連續(xù)函數(shù)的形式出現(xiàn)，也可以以離散的量化 等級(jí)的形式表達(dá)，它們各有自己的特色。連續(xù)的隸屬函數(shù)描述比較準(zhǔn)確，而離散 化的量化等級(jí)簡(jiǎn)潔直觀。模糊論域上的一個(gè)連續(xù)或離散的隸屬函數(shù)就代表著一個(gè) 模糊語(yǔ)言變量的一個(gè)語(yǔ)言值。隸屬函數(shù)可以通過(guò)總結(jié)操作者的控制經(jīng)驗(yàn)采用多種 方法來(lái)確定。 隸屬函數(shù)的形狀在達(dá)到控制要求方面并無(wú)大的差別，倒是隸屬函數(shù)的幅寬大 小對(duì)性能影響較大。所以一般選用三角形、梯形隸屬函數(shù)作為模糊子集的隸屬函 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章布料系統(tǒng)模糊控制器 數(shù)1 3 5 】，這是因?yàn)樗鼈兊臄?shù)學(xué)表達(dá)和運(yùn)算較簡(jiǎn)單，所占內(nèi)存空間小，在輸入值變化 時(shí)，比正態(tài)分布或鐘形分布隸屬函數(shù)具有更大的靈活性，當(dāng)存在一個(gè)偏差時(shí)，就 能很快反應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的調(diào)整量輸出。 在本課題中選用三角形隸屬度函數(shù)作為模糊子集的隸屬函數(shù)。 3 6 2 模糊變量表的建立 根據(jù)各變量論域的選擇及隸屬函數(shù)的選取，e 、丘、己廠的隸屬函數(shù)曲線如 圖3 3 所示： 圖3 - 3 e 、巨、u 隸屬度函數(shù)曲線 把各語(yǔ)言變量的模糊論域中的元素和其語(yǔ)言值分別作為行和列，則可以得到 語(yǔ)言變量值隸屬函數(shù)的表格表示，即建立模糊變量表。e 、疋、i j 的模糊變量 表見(jiàn)表3 1 所示： 表3 1e 、巨、u 模糊變量表 2 l 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章布科系統(tǒng)模糊控制器 3 7 模糊控制規(guī)則 模糊控制f 3 7 1 是建立在一系列模糊控制規(guī)則的基礎(chǔ)之上的，這些控制規(guī)則是一 些邏輯推理法則，其表現(xiàn)形式為若干個(gè)模糊條件語(yǔ)句的集合。模糊控制規(guī)則是操 作者實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)控制策略的總結(jié)。因此模糊控制規(guī)則，即控制策略的選擇是非 常關(guān)鍵的一步。只有選擇恰當(dāng)?shù)目刂埔?guī)則，才能很好的體現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)的操作者的控 制策略，以獲得較好的控制效果，既能保證響應(yīng)的快速性，又能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定 性。 在回轉(zhuǎn)布料機(jī)控制系統(tǒng)中，控制條件語(yǔ)句為： i fe = n s a n d 疋= n b ，t h e n u = p m ； i fe = n s a n d 露= n m ，t h e nu = p m ； i fe = p b a n d 臣= n b ，t h e n u = z e ； i fe = z ea n d e = z e ，t h e nu = z e ； 寫(xiě)成模糊控制狀態(tài)表如表3 2 所示： 表3 ，2 模糊規(guī)則控制表 占 n bn mn szp sp mp b & n b pmp mp sz ez e n mp bp bp mp mp sz ez e n sp bp bp mp sz en mn m zp bp bp m z en mn bn b p sp mp mz en sn mn bn b p mz ez en sn mn mn bn b p bz ez e n sn mn m 表中“幸 代表控制過(guò)程中不可能出現(xiàn)此類(lèi)情況，稱之為“死區(qū)”。根據(jù)表中 4 5 的各條規(guī)則，運(yùn)用模糊推理，先求出每條模糊規(guī)則的尾，最后求得u r 。 在求模糊關(guān)系矩陣r 時(shí)，本文采用基于若a 且b 則c 型的m a m i i a n i 直接推 理合成法計(jì)算【3 s 】。 設(shè)a ，b ，c 分別是論域u ，v ，w 上的集合。這是一個(gè)雙輸入單輸出的模 2 2 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章布料系統(tǒng)模糊控制器 糊系統(tǒng)，在這種條件下，模糊條件語(yǔ)句“若a 且b 則c 一決定- 個(gè)三元模糊關(guān)系， r = ( 彳n 口) 哼c ，根據(jù)m a m d a n i 直接推理法則有： r = ( a x 功7 ix c( 式3 - 9 ) 式中，( a x b ) 五為模糊關(guān)系矩陣( 彳召) 懈。構(gòu)成的搬攆列向量，互為列向量轉(zhuǎn) 換，療和搠分別為彳和b 論域元素的個(gè)數(shù)。 基于模糊推理規(guī)則，根據(jù)模糊關(guān)系r ，可求得給定輸入4 和盡對(duì)應(yīng)的輸出 c l ，即 c l = ( 4 蜀) 五r ( 式3 1 0 ) 式中，( 4 ，罵) 五為模糊關(guān)系矩陣( 彳口) 。構(gòu)成的小刀行向量，乏為行向量 轉(zhuǎn)換。 3 8 模糊決策及判決 模糊決策的作用就是從己知的連續(xù)輸入精確量中，通過(guò)各種不同的模糊推理 算法過(guò)程，從而求出模糊控制器相應(yīng)的輸出量，這個(gè)輸出量是一個(gè)模糊集合。有 了模糊關(guān)系ij 冠，就可以根據(jù)每個(gè)采樣時(shí)刻計(jì)算出的偏差模糊量e ( 七) 和偏差的 變化的模糊量e ( 七) ，利用推理合成運(yùn)算進(jìn)行模糊決策，以確定對(duì)應(yīng)時(shí)刻的輸出 1 3 9 1 o 而由于模糊決策的輸出量是一個(gè)模糊集合。通常被控對(duì)象只能接受一個(gè)精確 的控制量，因此必須從決策值模糊集中判決出一個(gè)確切的清晰量，這就需要通過(guò) 模糊判決來(lái)實(shí)現(xiàn)，模糊判決也叫做反模糊化。判決即是從模糊集合到普通集合的 一個(gè)映射，是從一個(gè)模糊量變成清晰量的過(guò)程，判決的結(jié)果是輸出模糊論域中的 一個(gè)元素，即等級(jí)數(shù)，這是一個(gè)清晰值。模糊判決是在模糊決策之后進(jìn)行的。 本文采用的是最大隸屬度法的判決方法。選取推理結(jié)果的模糊集合中隸屬度 最大的元素作為輸出值，即c o = m a x “，( c ，) ，如果在輸出論域中，其最大隸屬度 對(duì)應(yīng)的輸出值多于一個(gè)，則取所有具有最大隸屬度輸出的平均值，即 巳= 專車(chē)= m a x ( 縱刪 ( 式3 - 1 1 ) 最大隸屬度法不考慮輸出隸屬函數(shù)的形狀，只考慮最大隸屬度處的輸出值。 因此，難免會(huì)丟失許多信息。其突出優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單，適合一些控制要求不是特 別高的場(chǎng)合。 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章布料系統(tǒng)模糊控制器 3 9 模糊控制查詢表的離線生成 模糊控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于模糊控制表的離線生成。由于控制規(guī)則數(shù)量多， 需要進(jìn)行的模糊運(yùn)算復(fù)雜，單純依靠人工的筆算工作量將是巨大的。所以要依專 門(mén)的計(jì)算機(jī)工具來(lái)完成運(yùn)算任務(wù)。目前，m a t l a b 己成為國(guó)際上最流行的科學(xué) 與工程計(jì)算的軟件工具之一，其中，m a t l a b 的m 函數(shù)為模糊控制表的運(yùn)算生 成提供了強(qiáng)有力的工具。本系統(tǒng)的所有運(yùn)算過(guò)程均由m a t l a b 的m 函數(shù)來(lái)完成。 整個(gè)模糊控制表的獲得是依照以下幾個(gè)步驟得到的： ( 1 ) 根據(jù)每條規(guī)則可算出冠： r = 巨e ( 式3 一1 2 ) ( 2 ) 計(jì)算出模糊推理關(guān)系矩陣r ： 4 5 r = u r ( 3 ) 進(jìn)行模糊推理合成運(yùn)算： 1 u = ( e x 互) o r 模糊運(yùn)算程序流程圖如圖3 4 所示。 ，黼， 一，王 ， 上丫 5 求和r - - u r , l j 求u 一0 得控制表 圖3 - 4 模糊運(yùn)算程序流程圖 2 4 ( 式3 t 4 ) 中南大學(xué)碩上學(xué)位論文 第三章布料系統(tǒng)模糊控制器 在進(jìn)行運(yùn)算之前，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化。把輸入量e 和e 的賦值表作為原 始數(shù)據(jù)輸入并儲(chǔ)存。因輸入量e 和丘各為7 x 1 3 和7 1 3 的表格，所以，把e 和疋 當(dāng)作兩個(gè)二維數(shù)組儲(chǔ)存在文件e d a t a m 中，供數(shù)據(jù)運(yùn)算中調(diào)用。 調(diào)用函數(shù)進(jìn)行上述運(yùn)算后得到u ，所得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)組s 中，計(jì)算后得到的 模糊控制查詢表如表3 3 所示： 表3 3 模糊控制查詢表 e c 6543210+ i+ 2+ 3+ 4七5七6 f 石666543332looo 5665553332 l o 0o _ 46655433210oo0 365554322loo00 25444322l001 - 1- l - 1 44 3 32ll011222 033221lo- l- l2233 + l32 l1 l o112二33- 34 + 2221l012- 2333- 44 + 31lo01- 2233 _ 4- 4- 5- 5 + 41001233455566 + 50001- 2- 44- 4_ 4566- 6 + 60oo24- 4_ 45石666- 6 在本系統(tǒng)中，整個(gè)計(jì)算過(guò)程可在計(jì)算機(jī)離線狀態(tài)下進(jìn)行。這是一個(gè)龐大矩陣， 將給計(jì)算機(jī)的存貯和實(shí)時(shí)決策推理運(yùn)算帶來(lái)極大的困難所以在使用推理決策時(shí)， 一般是將這種算法結(jié)構(gòu)制成查詢表。把此表存儲(chǔ)于系統(tǒng)的p l c 內(nèi)存中，運(yùn)行時(shí) 只需按輸入信號(hào)查表，因而極大地提高了系統(tǒng)的執(zhí)行速度1 4 0 l 。 3 1 0 本章小結(jié) 本章介紹了模糊控制算法的基本結(jié)構(gòu)及特性，并針對(duì)回轉(zhuǎn)布料機(jī)控制系統(tǒng)建 模困難、大時(shí)滯等特點(diǎn)，通過(guò)分析布料過(guò)程中的二個(gè)變量：料位高度偏差e 和料 位高度的偏差變化率p c ，選定了二維的模糊控制器結(jié)構(gòu)，給出了控制規(guī)則，選 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章布料系統(tǒng)模糊控制器 用三角隸屬函數(shù)給出了模糊變量表，根據(jù)模糊算法得出了系統(tǒng)的控制查詢表。系 統(tǒng)通過(guò)控制變頻器改變電機(jī)的工作頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，從而實(shí)現(xiàn)布料過(guò)程的模糊控 制。 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第四章布料模糊控制算法的p l c 實(shí)現(xiàn) 第四章布料模糊控制算法的p l c 實(shí)現(xiàn) 回轉(zhuǎn)布料機(jī)是比較大型的機(jī)械設(shè)備，不能經(jīng)常停機(jī)維修，其自動(dòng)控制系統(tǒng)以 及相關(guān)設(shè)備在工作中應(yīng)盡量安全、穩(wěn)定、可靠。本文利用先進(jìn)的p l c 技術(shù)設(shè)計(jì) 的回轉(zhuǎn)布料機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定、操作方便，控制精確。 在回轉(zhuǎn)布料機(jī)布料過(guò)程中，模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)是由p l c 來(lái)完成的，即p l c 作為模糊控制器，先將離線計(jì)算好的模糊控制查詢表存入p l c 存儲(chǔ)區(qū)，獲取現(xiàn) 場(chǎng)雷達(dá)料位計(jì)的料位高度信號(hào)后，通過(guò)查詢模糊控制查詢表來(lái)控制刮料電機(jī)的變 頻器頻率，從而控制刮料電機(jī)的刮料速度。 4 1p l c 的功能及特點(diǎn) 可編程序控制器( p l c ，p r o g r a m m i n gl o g i cc o n t r o l l e r ) 是一種專為在工業(yè)環(huán) 境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算電子系統(tǒng)，它是以微處理機(jī)為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、 自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)等現(xiàn)代科技而發(fā)展起來(lái)的一種新型工業(yè)自動(dòng)控制裝置， 它采用一種可編程序的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定位、 計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來(lái)控制各種大中 型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。是當(dāng)今工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家自動(dòng)控制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備之一】。 p l c 作為一種工業(yè)控制裝置，其組成主要由中央處理單元c p u 、存儲(chǔ)器、 輸入輸出( i o ) 單元、電源、外部接口和各種功能模塊組成。典型的p l c 結(jié)構(gòu)如 圖4 1 所示i 鉈】。 圖4 - 1 典型的p l c 結(jié)構(gòu) 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第四章布料模糊控制算法的p l c 實(shí)現(xiàn) 由于p l c 采用了“三機(jī)一體化”的綜合技術(shù)( 即集計(jì)算機(jī)、儀器儀表、電控 制于一身) ，它體積小、速度快、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、成低， 還具有較大的靈活性和可擴(kuò)展性等諸多特點(diǎn)，因而，與其它控制器相比它更適合 工業(yè)控制環(huán)境和市場(chǎng)的要求：再加上p l c 發(fā)展過(guò)程中產(chǎn)品的系列化、產(chǎn)化和標(biāo)準(zhǔn) 化，使之從早期的邏輯控制、順序控制迅速擴(kuò)展到了連續(xù)控制，開(kāi)始進(jìn)入批量控 制和過(guò)程控制領(lǐng)域，并迅速成為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的支柱。 目前世界上生產(chǎn)p l c 的重點(diǎn)廠家已有6 0 多家，如德國(guó)西門(mén)子公司、美國(guó) a b 公司、日本三菱電機(jī)公司、歐姆龍公司等，而且各廠家的產(chǎn)品自成系列，但 主要功能特點(diǎn)可簡(jiǎn)單概括如下：