电解铝阳极保温覆盖料震荡输送撒布机的电机控制系统研究

郭天圣 姜惠敏 柴兆森

(石河子大学机械电气工程学院,新疆 石河子 832000)

电解铝阳极保温覆盖料震荡输送撒布机的电机控制系统研究

郭天圣 姜惠敏 柴兆森

(石河子大学机械电气工程学院,新疆 石河子 832000)

本文说明了电解铝阳极保温覆盖料震荡输送撒布机的电机控制系统模糊控制算法,介绍了算法的设计思想、结构以及实现。实践结果表明,该系统能较好地解决人工进行电解铝阳极保温覆盖料过程的问题,提高了工作效率,改善了工作环境。

模糊控制;PLC;组态软件

目前国内企业电解铝覆盖料添加主要为人工作业,其过程一般为首先覆盖料用阳极托盘将阳极运至电解车间,然后翻斗车将覆盖料运至电解车间,倾倒于地面上,阳极上安置挡料边框,再由人工将覆盖料添加到阳极上部,完成阳极入槽前上部覆盖料保温作业。在这个过程中,作业效率低,工人劳动强度高,环境污染重,对工人健康危害很大。国内尚没有相关的机械化覆盖料添加装备。而国外的设备存在初期一次性投资大,且运行维护成本相对较高。

国内某企业设计机械化程度高的电解铝阳极覆盖料机械化添加装备。这套装置的主要部件有电解铝阳极覆盖料机械化添加料仓、料仓震荡给料器及覆盖料输送装置、料仓系统支撑装置与驱动装置的集成与匹配。本文介绍设备的电机控制系统。

设备需要进料驱动电机,震荡驱动电机和传送带驱动三组电机。三组电机之间的速度需要特定的组合,它们之间的关系很难建立精确的数学模型,实践中,根据生产过程的经验,总结出合理的控制规则,这些规则可以用模糊数学作为工具描述。

1 模糊控制系统

在传统的控制领域里,控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键,系统动态的信息越详细,则越能达到精确控制的目的。然而,对于复杂的系统,由于变量太多,往往难以正确地描述系统的动态,于是工程师便利用各种方法来简化系统动态,以达到控制的目的,但却不理想。换言之,传统的控制理论对于明确系统有强而有力的控制能力,但对于过于复杂或难以精确描述的系统,则显得无能为力了。因此便尝试着以模糊数学来处理这些控制问题。图1为一典型的“双入单出”模糊控制系统结构图［1］。

图1 模糊控制系统结构图

图中y0为给定值；y(t)为实测值；e为输入偏差；Δe为输入偏差变化率；Ke,KΔE分别为输入偏差和偏差变化率的量化因子,KU为输出量化因子；E,ΔE为量化后的输出值；U为模糊控制的输出量；u为实际输出量。

2 模糊控制规则

为叙述方便,我们设定将进料速度定义为M,进料速度的变化定义为MC,震荡频率定义为F,传送带速度定义为S［2］。输入M的论域量化为五挡{超低速,低速,中速,高速,超高速},输入变化MC论域量化五档{NB,NS,ZO, PS,PB},振荡频率F量化为五挡:{超低频,低频,中频,高频,超高频},传送带速度S论域量化为四挡:{低速,中速,高速,超高速}。根据系统人工运行的经验总结系统已经实现的经济性,各个变量的隶属函数定义如下图所示：

图2 进料速度M隶属函数

图3 进料速度的变化MC隶属函数

图4 振荡频率F隶属函数

图5 传动带速度S隶属函数

利用输入语言变量赋值表及模糊控制规则,通过曼达尼推理法［3］,根据实际的生产经验,总结得到模糊控制规则,如表1和表2所示：

表1 震荡器频率模糊规则表

表2 传送带速度模糊规则

模糊规则可以对应地输出平片观测窗,可以更加直观地显示规则,两个模糊规则的平面观察窗口如下图所示:

图6 震荡频率模糊规则平面观测窗

图7 传送带速度模糊规则平面观测窗

3 模糊控制的实现

控制系统由传感器、变送器、模数转换器、数模转换器、变频器以及上位机组成,结构如下图所示:

图8 系统硬件结构图

在设计中,采用三菱PLC和力控组态软件实现系统。PLC基本模块和AD扩展模块实现数据的采集和数据的存储,比例因子和量化因子的初始化,及一些逻辑判断,驱动输出等,这一部分是下位机组件。组态软件实现模糊算法,人机界面和历史数据的存储和记录,这一部分是上位机组件。在上位机实现模糊算法具有编程简单,修改方面,参数可以实时修改等一系列的优点。模糊算法实现的流程如下图所示。

图9 模糊控制流程图

根据系统的要求,选用了国产监控组态软件ForceControl 6.1sp3进行编程；数据库系统采用Acess数据库。该软件以图表形式提供系统内各检测点的电机参数,具有良好的人机界面；随机监视显示屏的显示内容以及变频器、电机等设备的工作状态；还具有设备控制参数修改、传感器参数整定、数据查询、图形显示等诸多智能化功能。

上位机监控软件功能模块图如下图所示。由于本系统采用网络结构,中央控制室监控计算机完成前端的人机交互和数据的输入和查询等处理,并把处理之后的各种数据图表通过网络传送到办公大楼管理计算机(服务器)中,进一步保证数据的完整性和安全性。因此,管理人员在控制室就可以全面掌握各设备工作情况,从而方便地控制系统内各个设备的运转,自动调节系统的动作,保证系统的运行安全。

图10 组态软件结构图

4 人工和自动化设备的比较

通过对比,自动设备在多个方面有明显优势:

4.1 节约成本。据估算,某1 400万t年生产能力的铝厂,每年可以少消耗5 196t标准煤,同时可以提高0.1%的生产能力。

4.2 降低劳动节度,提高电解铝生产过程中的机械化成本,持续改进生产工艺的技术进步,降低企业作业场所的生产性粉尘浓度,减少大气污染对工人健康的危害。

［1］李洪兴.变论域自适应模糊控制器［J］.中国科学(E辑),1999,29(1):32一42.

［2］姜东旭.火电厂锅炉主汽温智能PID控制研究［J］.中国电力教育,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,硕士,讲师,研究方向:电子技术的教学与研究。