摘 要:介紹一種基于LabVIEW與力控" title="力控">力控組態(tài)軟件" title="組態(tài)軟件">組態(tài)軟件設計開發(fā)的由計算機控制的模糊變頻自動加藥監(jiān)控系統(tǒng)。具體介紹了系統(tǒng)的硬件結構、控制算法及LabVIEW與力控組態(tài)軟件的通信方式。該系統(tǒng)已在電廠中成功使用,從而完善了火電廠水汽在線監(jiān)控系統(tǒng)。
關鍵詞:加藥系統(tǒng) 模糊控制 LabVIEW 組態(tài)軟件
長期以來電廠一直采用人工分析汽水品質,并通過人工調節(jié)加藥量來進行水質的調節(jié)。人工操作由于操作有間隔,難以實現(xiàn)連續(xù)控制,而且人工操作方式又與化學分析人員的熟練程度、化驗技術和經(jīng)驗息息相關。隨著高參數(shù)、大容量機組的迅速發(fā)展及電廠管理水平的不斷提高,人們對發(fā)電機組汽水指標的分析及加藥系統(tǒng)的自動控制提出了更高的要求。如要將參數(shù)送入全廠DCS網(wǎng)絡或MIS管理系統(tǒng),實現(xiàn)無人值守,傳統(tǒng)火電廠的化學監(jiān)督管理方法己經(jīng)遠遠不能滿足高運行質量的要求。再加上各個電廠對于人員編制進行限制,因而提高電廠化學車間自動化水平已成為一個迫切的要求。為改變這一現(xiàn)狀,人們進行了很多嘗試并取得了一定的效果。但由于被控對象的延遲時間長,干擾因素多,很容易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定,進而使得控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)的設計變得很困難。針對這種情況,研究開發(fā)了模糊變頻自動加藥監(jiān)控系統(tǒng),經(jīng)現(xiàn)場應用,控制效果良好。
1 控制系統(tǒng)的組成
1.1硬件組成
考慮到可靠性、運行速度和操作方便性等因素,選用PⅢ1G的工控機IPC作為系統(tǒng)主機。同時為方便管理人員的操作,采用了觸摸式屏幕設計,同時采用RS485轉換器進行數(shù)據(jù)通信。根據(jù)現(xiàn)場情況選用了iG5系列變頻器、PC7486數(shù)據(jù)采集卡,并配以計量泵、化學測量儀表等,從而組成了完整的控制系統(tǒng)。模糊變頻加藥系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。
1.2 系統(tǒng)軟件
系統(tǒng)軟件平臺采用Windows2000,選用力控組態(tài)軟件Forcecontrol 2.6WWW版開發(fā)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集軟件(SCADA)、圖形界面(GUI)以及建立分布式實時數(shù)據(jù)庫(DB),并通過Web發(fā)布數(shù)據(jù)。在控制算法上,采用美國NI公司推出的圖形化編程軟件LabVIEW提供的模糊邏輯工具箱構建模糊控制器" title="模糊控制器">模糊控制器,并通過與組態(tài)軟件進行數(shù)據(jù)共享實現(xiàn)實時協(xié)調控制。
2 模糊控制算法的實現(xiàn)
一般情況下,人們用一階慣性環(huán)節(jié)加純延遲來表示電廠給水加藥過程。但由于系統(tǒng)存在較大的時滯性,且干擾因素多,常規(guī)的PID算法不易得到理想的控制效果。為此提出了將模糊控制應用于變頻加藥控制系統(tǒng)的設計方案。
2.1 LabVIEW模糊邏輯工具箱簡介
美國NI公司推出的LabVIEW語言是一個開放的開發(fā)環(huán)境,使用圖標代替文本代碼創(chuàng)建應用程序。它擁有大量的與其它應用程序進行通信的VI庫,通過ActiveX、DDE和SQL連接其它Windows應用程序,從而集成為用戶的應用程序。LabVIEW提供的模糊邏輯工具箱主要用于在工業(yè)過程控制及專家系統(tǒng)中設計基于規(guī)則的模糊控制器。它由以下四個子控制器VI組成:(1)模糊邏輯控制器VI。它提供友好的人機交互界面,由模糊隸屬函數(shù)編輯器" title="編輯器">編輯器、模糊規(guī)則庫編輯器和輸入輸出性能測試三部分組成。隸屬函數(shù)編輯器提供了一個友好的人機交互環(huán)境,用來設計和修改模糊推理系統(tǒng)中各語言變量對應的隸屬函數(shù)的相關參數(shù),如隸屬函數(shù)形狀、范圍、論域大小等。規(guī)則庫編輯器將輸入的各語言變量自動匹配,設計時只需選擇相應的輸出語言變量和權值,就可建立基于“IF…THEN…”格式的規(guī)則庫。設計者可以進行輸入輸出性能測試,觀察指定輸入條件下所用的規(guī)則和最終的輸出結果。(2)加載模糊控制器VI。通過該控制器將存于擴展名為.fc的文件中的所有模糊控制器參數(shù)加載到模糊控制器VI中。(3)模糊控制器VI。它可以將設計好的模糊控制器作為一個功能模塊添加到LabVIEW框圖程序中。每個控制器的輸入量最多為四個,輸出量為一個。(4)測試模糊控制器VI。它用于測試模糊控制器的基本性能。
2.2 模糊控制器的設計
下面以給水加氨為例說明模糊控制器的設計及實現(xiàn)?,F(xiàn)場控制系統(tǒng)通過在線儀表采集給水的pH值,經(jīng)過處理后得到模糊控制器的輸入語言偏差E和偏差變化率 △E。偏差E=PV-SP,偏差變化率△E=(En-En-1)/T,其中SP為設定值,PV為過程測量值,T為采樣周期。國家標準中規(guī)定電廠給水的水質要求為:在無銅系統(tǒng)中,給水PH值控制指標一般為8.8~9.5;在有銅系統(tǒng)中,給水PH值控制指標一般為8.8~9.2。因此控制系統(tǒng)的設計應遵循這一規(guī)定,也就是當pH值在這個范圍內變化時,模糊控制器不輸出信號到變頻器,加藥泵按原工作狀態(tài)運行。例如,根據(jù)現(xiàn)場情況本系統(tǒng)選用前一標準,設計中取pH的設定值SP為9.15。這樣,當偏差變化率 △E=0、偏差E在區(qū)間[-0.3,0.3]內變化時,模糊控制器的輸出為0,不用調節(jié)加藥泵。這樣可以減小模糊控制器輸出穩(wěn)態(tài)誤差的影響。
經(jīng)過對被控對象特性的分析及征求專家和操作人員的意見后,運行模糊邏輯控制器VI,設置輸入、輸出變量的語言值和相應的隸屬函數(shù)類型。在模糊規(guī)則編輯器中確定以“IF…THEN…”形式表示的模糊控制規(guī)則,并給每條規(guī)則設置合適的權值??刂埔?guī)則如表1所示。根據(jù)加藥控制系統(tǒng)的特點,在此選取重心法作為反模糊化方法。而后在性能分析器中驗證控制規(guī)則是否完備、是否有規(guī)則沖突,以便對控制器的結構進行必要的修改和完善。根據(jù)控制系統(tǒng)的性能要求,對整個模糊控制器的輸出特性進行測試。當測試完畢后,將設計好的模糊控制器保存于數(shù)據(jù)文件pH.fc中。模糊控制器經(jīng)過測試滿足控制要求后,打開模糊控制器VI,將所有的數(shù)據(jù)(也就是pH.fc中保存的數(shù)據(jù))設定為默認值,于是模糊控制器VI就可作為一個編譯好的自動加藥模糊控制模塊投入使用了。
3 LabVIEW與組態(tài)軟件的通信
力控組態(tài)軟件Forcecontrol 2.6WWW版具有獨立的實時數(shù)據(jù)庫,能夠提高系統(tǒng)的實時性,增強數(shù)據(jù)的處理能力,非常適合本系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理量大的要求。如何實現(xiàn)LabVIEW與力控組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)庫間的數(shù)據(jù)傳輸,進而實現(xiàn)實時控制,成為評判本控制系統(tǒng)設計好壞的關鍵。
3.1 DDE通信簡介
DDE是動態(tài)數(shù)據(jù)交換的簡稱,指兩個同時運行的程序之間通過 DDE 方式交換數(shù)據(jù),彼此建立一種 Client/Server 關系。一旦Client和Server 建立起了連接關系,則當Server 中的數(shù)據(jù)發(fā)生變化時就會立刻通知Client。Windows 操作系統(tǒng)中有一個專門協(xié)調 DDE 通信的DDEML程序(DDE 管理庫)。實際上 Client 和 Server 之間的多數(shù)會話并不是直達對方的,而是經(jīng)由 DDEML 中轉。
3.2 LabVIEW與組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)交換
力控組態(tài)軟件支持雙向DDE標準通信方式,可以將數(shù)據(jù)轉到關系數(shù)據(jù)庫(如Excel)內供第三方軟件直接訪問,也可從關系數(shù)據(jù)庫訪問數(shù)據(jù)。由于LabVIEW也支持DDE標準的雙向通信,因此兩者可以方便地建立起DDE通信。在數(shù)據(jù)交換過程中,一方面可以將數(shù)據(jù)庫作為DDE服務器,另一方面Excel也可以從數(shù)據(jù)庫中訪問數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳給LabVIEW控制程序,經(jīng)程序驗證數(shù)據(jù)的有效性后,馬上調用LabVIEW程序處理數(shù)據(jù)得出輸出值,然后再將輸出值傳給Excel。此時實時數(shù)據(jù)庫作為DDE客戶程序,從Excel中訪問數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)再傳給變頻器以控制加藥泵的輸出,從而實現(xiàn)實時動態(tài)控制。這樣組態(tài)軟件與LabVIEW就共同組成了一個應用程序,構成了一個實時的模糊變頻自動加藥控制系統(tǒng)。LabVIEW作為客戶與Excel之間通信的框圖如圖2所示。經(jīng)過實際應用表明,在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)的火電廠模糊變頻自動加藥控制系統(tǒng)能夠使水質長時間在規(guī)定范圍內保持穩(wěn)定。
模糊變頻自動加藥控制系統(tǒng)采用組態(tài)軟件與LabVIEW協(xié)同工作的方法,大大提高了軟件的開發(fā)及工作效率。其中,組態(tài)軟件作為系統(tǒng)主控完成圖形動態(tài)界面、報表報警的生成和歷史趨勢、實時趨勢顯示等工作。而LabVIEW完成控制算法的計算,它們通過DDE協(xié)議連接起來進行數(shù)據(jù)共享。這種結構使得控制算法與控制系統(tǒng)軟件的開發(fā)得以分開進行,同時控制算法與控制系統(tǒng)軟件又能有機地結合。
參考文獻
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