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模煳控制在DMF生产中的应PLC系统中的实现

计算机集散控制系统DCS从广义上讲,有仪 表型、PLC型和PC型3种类型。其中PLC由于具 有非常高的工业可靠性而被广泛应用,特别是90年 代以来,许多知名厂商的PLC增加了模拟量处理及PID控制功能,因而使其更具有竞争力。

针对工业合成革生产DMF回收过程,设计开发 了基于PLC-IPC结构的计算机集散式控制系统,并 在实际应用中取得了良好的效果。然而,由于DMF回收工艺的特殊性,使得某些关键的工艺参数基于PID控制算法的控制效果并不理想。

模煳控制在PLC上的实现方式基本分两种 一 是通过专用的硬件实现,但其价格昂贵,并且需要 使用专用编程设备,另一种实际采用较多的是通过软件实现,把模煳控制程序作为整个PLC控制程序 的一个子程序,包括数据的读取、模煳推理和控制 信号输出,通过中断调用子程序完成模煳控制。

本文针对DMF回收过程中蒸发罐液位控制不稳 定的现象,采用模煳控制方桉,设计了一种通用的 模煳控制器,利用STEP7软件,采用模块化编程方 法,使用梯形图及语句表编制程序实现模煳控制算 法,使模煳控制策略在S7-300PLC上得以较好地实现。

1. DMF回收工业过程

DMF回收过程属于典型的化工精馏过程,一般 采用双塔精馏,包括脱水塔、蒸发罐和精馏塔等主 要设备。采用原料预热、常压脱水、一段浓缩、汽相进料、真空精馏的工艺过程。

从工艺流程来看,蒸发罐处于两个塔之间,其 内部状态受两塔影响较大。其特点是工艺参数关联 程度大,非线性程度高。对于蒸发罐的液位控制,从 目前的情况来看,常规 控制难于做到实时有效 的监控,经常会出现控制不稳定、成份超标的情况。 针对这种情况,设计了模煳控制方桉,以此来提高 控制效果。

2.PLC-IPC控制系统

DMF回收过程计算机控制系统以SIEMENSS7-300作为控制站,实现工艺过程参数的数据 采集和控制算法的实施,采用PLC工业控制计算 机 作为上位机,在工业组态系统环境下实现对控 制系统的监控操作。系统组成分为4部分: 中央处 理单元CPU、信号SM 、通讯处理器CP 、 功能模块FM 。系统结构如图1所示。

图1回收过程计算机控制系统结构

SM334为模拟量输人/输出模块,实现模拟参数 的数据采集和输出:SM321为数字输人模块,采集 现场开关参数数据: FM335C为智能控制模块,实现 参数的PID控制。

3.模煳控制器的设计

DMF回收过程蒸发罐液位的模煳控制器主要由 模煳化接口、知识库、模煳推理、清晰化接口4部 分组成。

蒸发罐液位模煳控制器以液位偏差E和偏差变 化率EC作为输人变量,它们能够比较严格地反映受 控过程中输人变量的动态特性,同时控制器设计简单,规则容易理解。输出控制量为U(阀门开度) ,采用增量式算法。

模煳化接口通过尺度变换,将输人参数变换到 各自的论域范围,再对其进行模煳化处理。基于对 现场数据的分析以及液位的控制经验,E、EC的论 域设计为【-6,-5,……,+5,+6],U的论域为[-7,……,+7] ,均分为7个档级[NB,NM,NS,0 ,PS,PM,PB]。采用叁角形函数作为隶属函数确定模煳语 言变量的隶属度,可分别得到模煳变量E、EC和 U的隶属度赋值表。

清晰化接口把模煳量转为执行机构可执行的精 确量,采用最大隶属度法,即u(u*)≥u(u),u属于u是u的隶属度函数,u*是与最大隶属度对应的 模煳控制量的值。

知识库由数据库和规则库组成。控制规则采用 基于IF-THEN(条件一结果) 的产生式规则,其结 构简单,易于修改和掌握,比较适合PLC编程。如 if E=NB and EC=NB then =PB 表示为 R1=NBEXNBECXPB 、 , 。

总结液位控制经验,得出:7X7=49条控制规则。

总的模煳关系为R=R1UR2U...UR49,R是模 煳关系矩阵,“U”表示取大。采用合成推理法 U=(EXEC) oR ,“X”表示求值积,“o ”是合成运算符, 这里采用最大一最小合成法。整个模煳推理过程计算 量大,比较烦琐,借助计算机完成,最后获得模煳 控制量查询表,如表1 所示。

4.实现的模煳控制算法

SIEMENS S7-300PL的编程系统STEP7提供了 丰富的功能模块,为模煳控制算法的实现提供了方 便。为了简化程序编写量,提高程序的通用性并且方 便调试,PLC程序设计采用了模块化编程方法。编程 语言采用梯形图(LAD)和语句表(STL)结合的形 式。主OB1实现对子程序块的调用和数据的传 递,OB35为中断服务程序模块。FBI模块为模煳控 制器,完成整个模煳控制功能。它由FC1~FC4 4个 子程序块组成。其中FC1完成e (液位偏差) 和ec(偏差变化率)的计算, FC2进行模煳化处理,即完

表1模煳控制量查询表

成精确量e , ec到模煳量E,EC的转换,FC3完成控 制量表的查询功能, FC4完成模煳控制量U到精确 量 u的转化,并输出u0 。FB1依次调用4个子模块完 成模煳控制各部分的功能,并实现他们之间的数据 传递。FB1模煳控制器编制完成后,保存在 STEP7 标准库中,其具有很强的灵活性和通用性,如同STEP7中PID控制器(FB4)一样,方便调用。针 对不同的被控变量,只要对FB1输人输出端进行正 确的组态即可对变量进行模煳控制。数据块DB2作 为 FB1的背景数据块,存储量化因子Ke、Kec、Ku及其他参数。

整个程序设计的关键是模煳控制量表的查询部 分,即 FC3子程序块。在编程之前,将模煳控制量 表中 U的值按由上到下,由左到右的顺序依次置人 数据块DB1中。数据类型为WORD型。首地址为DBW0,依次为DBW2、DBW4、......DBW336(U的个数是13X13),采用指针寻址的查表方法。为了 简化设计,将输人模煳论域的元素【-6 ,……,+6】 转化为【0 ,……,12】。控制量的基址为0,偏移地 址为2x(13xECxE) ,由 EC和E可以确定控制量的 绝对地址为 0+2x(13xECxE)。通过指针变量获得地 址中存储的U 的模煳值。

以下给出主要程序部分示例:

DB1主循环程序 :

L PIW256 //从SM334读人液位数据,外设地址为PIW256//

T MD0 //将采集的液位数据存人M存储区//

L DB2. DBD14 // 把DB2中量化因子Ke 存入M存储区//

T MD8

L DB2. DBD18 // 把DB2中量化因子Kec存入M存储区//

T MD12

L DB2. DBD22 // 把DB2中量化因子Ku存人M存储区//

T MD16

......

DB35 中断子程序:调用FB1实现模煳控制

CALL FB1, DB2 // 调用FB1//

Fuzzy_On: =1

DB_No: =DB1

N: =6

PV: =MD0

SP: =MD4

Ke: =MD8

Kec: =MD12

Ku: =MD16

HLM_e: 1.000000e+001 // 误差上限值//

LLM_e: 1.000000e+001 // 误差下限值//

......

e:=MD20 //液位误差值存入M存储区//

ec:=MD24 //液位误差变化率值存入M存储区//

u:=PQW258 //把控制量的值输出到SM334,地址为PQU258//

......

FC3子程序:实现模煳控制量表查询功能

L P#0.0 //利用指针寻址//

L #q4 //q4中存放控制量的绝对地址//

SLD 3

+D

T #P1

L DBW 【#P1】

T MW 10 //将控制量U 的值存入MW10//

最后由FC4功能块实现控制量U从模煳量到精 确量的转换,即U乘以量化因子Ku再经过限幅,将 最终计算结果送到模拟量输出模块实现控制作用。

应用了基于PLC的模煳控制器,蒸发罐液位控 制效果较以前有很大改善,整定时间缩短,超调量 缩小,控制稳定。比较结果如图2,图3 所示。

图2PID控制效果

注P=1.64 ; I=22.72S;D=5.97S: 给定值 =50%

图3 模煳控制效果

注 Ke=0.6; Kec=600; Ku=7; 给定值=50%

5. 结论

基于PLC实现模煳控制算法,既保留 了PLC控制的可靠、灵活等特点,又提高了控制系 统的智能化程度。采用离线计算在线查询的方法将 复杂的模煳控制计算融进查询表中,在实际控制中 节省计算时间,使得控制算法简单明了。对于那些 非线性、大滞后、数学模型难以建立的控制系统,基 于PLC的模煳控制不失为一种较理想的可选方桉。