段国伟
（邯郸市瑞杰水利水电工程有限公司河北邯郸056000）
【摘要】针对砖厂加水自动化程度低，原料含水率控制不精确的现状，加水过程大滞后，非线性等特点，利用现代测控技术，并引入专家系统PID控制算法，设计了一套全自动加水控制系统，取得良好的效果。
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关键词 PLC；专家控制；PID控制
PID control algorithm brick automatic pre-water system analysis
Duan Guo-wei
(Handan City Ruijie Water Resources and Hydropower Engineering Co., LtdHandanHebei056000)
【Abstract】For low water level of automation brick, raw material moisture control inaccurate status quo, adding water process large lag, nonlinear characteristics, the use of modern control technology, and the introduction of expert systems PID control algorithm, designed a set of automatic water control system, and achieved good results.
【Key words】Expert control;PLC PID control
1. 引言
（1）煤矸石烧结多孔、空心砖以煤矸石为原料，以其环保、节能、高强、隔热、隔声等多种优良性能，在墙材领域占据着非常重要的地位。在制砖工艺中，煤矸石粉末含水量的多少直接影响其可塑性，只有在适当的含水量范围，一般在10％-20％之间，煤矸石粉末的水分均化程度提高，颗粒变得容易疏解，从而可塑性增强，所以预加水量的多少将严重影响砖坯的成型进而影响成品砖的质量，也影响着砖窑的产量。
（2）由于没有很好的系统来完成原料的预加水工作，在生产过程都是依靠现场操作人员通过经验和眼睛观察手动调节阀门进行控制。这种调节方式使原料含水量变动较大，容易造成废坯率、设备的故障率提高，更为严重的是，长时间在极高粉尘的环境中工作严重影响了操作人员的身体健康。
（3）针对以上问题，本课题研制开发的全自动原料预加水控制系统实现了加水量跟踪来料量，最终提高了成品砖质量、产量；降低设备的故障率；并将工人从恶劣的工作环境中解放出来，取得了良好的效果。
2. 系统的组成及硬件结构
2.1本系统利用皮带秤检测来料量的多少，电磁流量计检测加水量的多少，通过RS485总线将这两者的数据传送给可编程控制器(PLC)，PLC利用专家PID控制器在线实时给出控制信号，控制电动蝶阀的开度，从而实现对原料含水率的精确控制。
2.2全自动预加水控制系统的结构图如图1所示。
图1全自动预加水控制系统结构图
2.3本系统主要包括测量装置、智能控制单元、操作平台以及执行机构四个部分，形成一个控制回路。
(1)测量装置。测量装置包括皮带秤、智能流量计。皮带秤实时获取原料的重量，流量计实时获取已加水量，两者都通过RS485总线传送到智能控制系统。
(2)操作平台。触摸屏作为上位机，主要完成人机交互工作，设定系统参数，完成过程控制的动画显示，并负责整个系统的启动和停止。
(3)智能控制单元。西门子S7-200可编程控制器(PLC)作为控制系统的核心，将采集到的的现场数据，通过内置的专家-PID控制算法进行运算，从而给出指令驱动执行机构完成阀门的开启动作。
(4)执行机构。执行机构主要包括电动蝶阀、管道、喷淋机构。电动蝶阀接收智能控制系统给出的指令，对阀门的开度进行控制，另外智能流量计也安装在本部分的管道上，实现对流量的测量从而组成闭环控制系统。
3. 系统功能及软件结构设计
3.1系统功能。 本系统提供半自动和自动两种运行方式。
（1）半自动方式下，用户通过触摸屏设定蝶阀的开度，远程控制蝶阀的开启。在这种方式下，用户可凭借经验操作本系统。这种方式适合系统调试运行或者在系统出现特殊情况下。
（2）自动运行方式，系统根据用户设定的原料加水前含水率，加水后含水率，然后根据原料的来料量自动计算出应加水量，并相应远程控制电动蝶阀的开度，智能流量计远程反馈已加水量，相应的系统对电动蝶阀的开度做出调整，实现对原料含水率的精确控制。
3.2系统的软件结构及控制算法设计。系统的软件部分包括对触摸屏操作界面的设计和PLC应用程序的设计。操作界面使用触摸屏的组态软件，主要有：
(1)预加水自动运行画面。设有用户输入设定含水率窗口，并显示瞬时来料量、瞬时加水量、应加水量、加水智能跟踪曲线。在此运行界面，用户仅需要输入原料加水前含水率和加水后含水率，按下启动按钮即可。系统的自动运行画面如图2所示。
(2)预加水半自动画面。设有用户输入蝶阀开度窗口，并显示来料的瞬时流速。在此运行界面，用户需要根据触摸屏显示的来料的瞬时流速，设定蝶阀的开度，并根据加水后的原料的含水率情况，适当的修正蝶阀的开度。在该界面下操作，要求用户应用丰富的经验。
(3)产量统计画面。该画面显示每Et产量、每月产量以及年产量。方便工厂进行产量统计和管理。
(4)异常报警。当加水主管道中的水量不足，导致加水跟踪不来料时发出报警信号，应及时检查加水管道阀门是否全开。
3.3控制算法的设计。 全自动加水过程是个典型的大滞后、非线性的系统，极难建立精确的数学模型，如果采用比例控制或者常规PID控制，因来料的不均匀很难实现精确控制原料含水率的目标。因此本系统采用了专家PID控制算法旧1。
图2预加水自动运行界面
3.3.1专家PID控制算法设计。 专家PID控制与标准PID控制结合，在常规PID的基础上，引入专家或者操作者的经验，根据被控对象的具体情况，利用专家经验来设计PID参数，从而实现对标准PID控制的改进。专家PID控制系统结构见图3。
图3专家PID控制系统结构示意图
3.3.1.1系统采用产生式规则来构建专家知识库，产生式规则结构简单，易于修改，适合PLC实现。专家知识库的事实知识选取en=SPn一PKn表示离散化的当前采样时刻偏差值； en=en-en-1为当前采样时刻偏差变化；umax为控制器输出的最大值；emin为最小允许偏差；emax为最大允许偏差。
3.3.1.2基于以上数据，构建相关知识库，知识的构成简单且无交集，因此任何一种情况都可以找到一种唯一的控制 规律进行控制。
3.3.1.3控制规则分析如下：
(1)当 ｜en ｜ ≥emax时，说明偏差较大，为加快系统的响应速度，取较大的Kp，以尽快减小偏差；为避免偏差e的瞬时变大而出现的微分过饱和，取较小的Kd；为防止系统响应出现较大的超调而积分饱和，取Ki=0，去掉积分作用。
(2)当emin< ｜en ｜ <emax，且en * △en >0时，说明偏差的绝对值在向增大的方向变化，控制量明显减小，应加入积分作用，取较小的Ki，并施加较大的比例作用。
(3)当emin< ｜en ｜ <emax，且en * △en=0时，说明偏差为某一常数，应增加较小的控制量，取较小的Kp、Ki、Kd值。
(4)当emin< ｜en ｜ <emax，且en * △en<0时，说明偏差的绝对值在向减小的方向变化，应适当减小控制量，需要取更小的Kp、Kd值，同时为了防止出现再次超调，应取Ki=0。
(5)当 ｜en ｜ ≤emin时，说明偏差已达到允许范围，考虑控制对象的大滞后特性，控制量保持不变，以防止超调和振荡的出现。
3.3.1.4系统依据以上控制规律，根据现场实际情况，每2 S改变一次应加水量，PLC对已加水量的采样间隔时间为50 ms，系统根据专家PID修正控制参数。系统控制原理图见图4。
图4系统控制原理图
3.3.2专家PID控制软件的实现。
（1）本系统的专家PID控制软件是基于S7-200 PLC内部标准PID设计的，应用其提供的0回路，并设定PID回路地址表的起始地址为VD400。则根据s7-200 PLC内部PID的参数约定，VD400存储当前进程变量，VD404存储设定值SPD，VIM08存储PID回路0的输出Mn，VD412存储比例系数Tt，VD416存储采样时间Ts，VD420存储积分时间Ti，VD424存储微分时间Td，VIM28存储上一次采样的积分项MX，VD432存储上一次进程变量PVn-1。
（2）系统每3秒根据这3秒内来料量和触摸屏上设定的加水前含水率和加水后含水率计算一次应加水量，并将应加水量赋值给VD404(SPn)，每50 ms将已加水量赋值给VD400(PVn)。VD500存储当前时刻偏差en，VD504存储上一时刻偏差en-1，VD508存储偏差变化 en，VD518存储en * en，VD522存储最大则允许偏差emax，VD526存储最小允许偏差emin，则en=SPn-PVn , en-1=SPn-PVn -1，
e =en-en-1=VD500-VD504。
这样针对en，△e在PLC中利用s7-200 PLC中的比较指令，调用依据专家知识库设定的子程序，实现在线PID参数的整定。
4. 结束语
本系统将专家控制与PLC相结合，利用PLC实现了专家PID控制，完成对原料含水率的精确控制。本文设计的全自动预加水系统在鲍店煤矿宏力新型建材厂得到了实际应用，从投入至今已正常运转半年多，实践证明该系统运行可靠，提高了产品质量，增加了企业的经济效益，具有显著的现实意义。
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参考文献
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［文章编号］1006-7619（2015）08-18-211