電解鋁陽極保溫覆蓋料震蕩輸送撒布機的電機控制系統(tǒng)研究

郭天圣 姜惠敏 柴兆森

(石河子大學機械電氣工程學院,新疆 石河子 832000)

電解鋁陽極保溫覆蓋料震蕩輸送撒布機的電機控制系統(tǒng)研究

郭天圣 姜惠敏 柴兆森

(石河子大學機械電氣工程學院,新疆 石河子 832000)

本文說明了電解鋁陽極保溫覆蓋料震蕩輸送撒布機的電機控制系統(tǒng)模糊控制算法,介紹了算法的設計思想、結構以及實現(xiàn)。實踐結果表明,該系統(tǒng)能較好地解決人工進行電解鋁陽極保溫覆蓋料過程的問題,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

目前國內企業(yè)電解鋁覆蓋料添加主要為人工作業(yè),其過程一般為首先覆蓋料用陽極托盤將陽極運至電解車間,然后翻斗車將覆蓋料運至電解車間,傾倒于地面上,陽極上安置擋料邊框,再由人工將覆蓋料添加到陽極上部,完成陽極入槽前上部覆蓋料保溫作業(yè)。在這個過程中,作業(yè)效率低,工人勞動強度高,環(huán)境污染重,對工人健康危害很大。國內尚沒有相關的機械化覆蓋料添加裝備。而國外的設備存在初期一次性投資大,且運行維護成本相對較高。

國內某企業(yè)設計機械化程度高的電解鋁陽極覆蓋料機械化添加裝備。這套裝置的主要部件有電解鋁陽極覆蓋料機械化添加料倉、料倉震蕩給料器及覆蓋料輸送裝置、料倉系統(tǒng)支撐裝置與驅動裝置的集成與匹配。本文介紹設備的電機控制系統(tǒng)。

設備需要進料驅動電機,震蕩驅動電機和傳送帶驅動三組電機。三組電機之間的速度需要特定的組合,它們之間的關系很難建立精確的數(shù)學模型,實踐中,根據(jù)生產過程的經驗,總結出合理的控制規(guī)則,這些規(guī)則可以用模糊數(shù)學作為工具描述。

1 模糊控制系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的控制領域里,控制系統(tǒng)動態(tài)模式的精確與否是影響控制優(yōu)劣的最主要關鍵,系統(tǒng)動態(tài)的信息越詳細,則越能達到精確控制的目的。然而,對于復雜的系統(tǒng),由于變量太多,往往難以正確地描述系統(tǒng)的動態(tài),于是工程師便利用各種方法來簡化系統(tǒng)動態(tài),以達到控制的目的,但卻不理想。換言之,傳統(tǒng)的控制理論對于明確系統(tǒng)有強而有力的控制能力,但對于過于復雜或難以精確描述的系統(tǒng),則顯得無能為力了。因此便嘗試著以模糊數(shù)學來處理這些控制問題。圖1為一典型的“雙入單出”模糊控制系統(tǒng)結構圖［1］。

圖1 模糊控制系統(tǒng)結構圖

圖中y0為給定值；y(t)為實測值；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為實際輸出量。

2 模糊控制規(guī)則

為敘述方便,我們設定將進料速度定義為M,進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)人工運行的經驗總結系統(tǒng)已經實現(xiàn)的經濟性,各個變量的隸屬函數(shù)定義如下圖所示：

圖2 進料速度M隸屬函數(shù)

圖3 進料速度的變化MC隸屬函數(shù)

圖4 振蕩頻率F隸屬函數(shù)

圖5 傳動帶速度S隸屬函數(shù)

利用輸入語言變量賦值表及模糊控制規(guī)則,通過曼達尼推理法［3］,根據(jù)實際的生產經驗,總結得到模糊控制規(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)則可以對應地輸出平片觀測窗,可以更加直觀地顯示規(guī)則,兩個模糊規(guī)則的平面觀察窗口如下圖所示:

圖6 震蕩頻率模糊規(guī)則平面觀測窗

圖7 傳送帶速度模糊規(guī)則平面觀測窗

3 模糊控制的實現(xiàn)

控制系統(tǒng)由傳感器、變送器、模數(shù)轉換器、數(shù)模轉換器、變頻器以及上位機組成,結構如下圖所示:

圖8 系統(tǒng)硬件結構圖

在設計中,采用三菱PLC和力控組態(tài)軟件實現(xiàn)系統(tǒng)。PLC基本模塊和AD擴展模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的存儲,比例因子和量化因子的初始化,及一些邏輯判斷,驅動輸出等,這一部分是下位機組件。組態(tài)軟件實現(xiàn)模糊算法,人機界面和歷史數(shù)據(jù)的存儲和記錄,這一部分是上位機組件。在上位機實現(xiàn)模糊算法具有編程簡單,修改方面,參數(shù)可以實時修改等一系列的優(yōu)點。模糊算法實現(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,選用了國產監(jiān)控組態(tài)軟件ForceControl 6.1sp3進行編程；數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用Acess數(shù)據(jù)庫。該軟件以圖表形式提供系統(tǒng)內各檢測點的電機參數(shù),具有良好的人機界面；隨機監(jiān)視顯示屏的顯示內容以及變頻器、電機等設備的工作狀態(tài)；還具有設備控制參數(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。

上位機監(jiān)控軟件功能模塊圖如下圖所示。由于本系統(tǒng)采用網絡結構,中央控制室監(jiān)控計算機完成前端的人機交互和數(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)圖表通過網絡傳送到辦公大樓管理計算機(服務器)中,進一步保證數(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備工作情況,從而方便地控制系統(tǒng)內各個設備的運轉,自動調節(jié)系統(tǒng)的動作,保證系統(tǒng)的運行安全。

圖10 組態(tài)軟件結構圖

4 人工和自動化設備的比較

通過對比,自動設備在多個方面有明顯優(yōu)勢:

4.1 節(jié)約成本。據(jù)估算,某1 400萬t年生產能力的鋁廠,每年可以少消耗5 196t標準煤,同時可以提高0.1%的生產能力。

4.2 降低勞動節(jié)度,提高電解鋁生產過程中的機械化成本,持續(xù)改進生產工藝的技術進步,降低企業(yè)作業(yè)場所的生產性粉塵濃度,減少大氣污染對工人健康的危害。

［1］李洪興.變論域自適應模糊控制器［J］.中國科學(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:電子技術的教學與研究。