1、一种选煤厂自动配煤系统的设计The Design of A Automatic Coal -Mixing System in the Coal-Selecting Plant摘要：本文介绍了一种基于 PROFIBUS 工业现场总线的分布式计算机控制系统，采用基于遗传算法的模糊智能控制技术，用以实现选煤厂自动配煤。关键词： 现场总线 组态软件 模糊控制 遗传算法 变频器 Abstract: The Paper introduces a distributed computer control system based on PROFIBUS industrial field bus. Fuzzy
2、 intelligent control technology based on Genetic Algorithm has been adopted, in order to realize automatic mixing coal in the coal-selecting plant.Keyword: Field Bus; Configuration Software; Fuzzy Control; Genetic Algorithm; Frequency Changer(FC)1 引言选煤厂根据用户对煤质的要求调节各煤种的煤量，用户考核煤质的标准是平均灰分或平均发热量，而各煤种的灰分
3、或发热量是经常变化的，又因煤流在皮带上传输须要一定的时间，仅靠人工控制给煤机的开停及闸板的开度是很难保证配煤的质量的。以装车产品煤的当前灰分或发热量作为反馈量，通过控制各品种煤的给煤量，从而实现产品煤的目标灰分或发热量。这是一种自动配煤的可行方案。2 系统概述系统结构示意图如图 1 所示。 PROFIBUS-DP图 1 配煤系统示意图配煤上位机配置现场总线接口卡 CP5611,通过 PROFIBUS 现场总线与下位机西门子 PLC 通讯。灰分仪探测器安装于装车皮带机头附近，检测装车煤的灰分与发热量，输出 4-20mA 标准信号到 PLC 模拟量输入模快。核子秤安装于各品种煤及装车产品煤传输皮带
4、机头，检测煤流量，输出 4-20mA 标准信号到 PLC 模拟量输入模快。PLC 通过模拟量输出模块输出 4-20mA配煤上位机PLC变频器 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给煤机 给煤机PLC PLC变频器 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给
5、 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 变频器 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给煤机灰分仪 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 核子秤 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤
6、机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 灰分仪 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 核子秤 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 灰分仪 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤
7、机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 核子秤 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 给 煤 机 标准信号调节变频器变频，实现振动给煤电动机调速，从而实现给煤量的调节。3 系统功能及实现配煤上位机配置 FIX 工控组态软件,实现以下主要功能：监测和显示各设备运行状态；监测和显示灰分仪的瞬时和累计灰分和发热量；监测和显示核子秤的瞬时称重和累计称重；实时显示变频器工作频率；按生产工艺流程实现各设备起停车（手动或自动） ；设
8、定变频器频率；配煤控制方式选择（手动或自动） ；给定配煤煤种；设定配煤产品目标灰分；及时显示设备故障并给出声光报警信号，同时通过下位机 PLC 闭锁流程中有关设备；各项配煤参数的历史纪录。工控组态软件配置 MPI 驱动程序，用以实现与下位机的数据交换。用 Draw 程序创建系统监控画面，通过 Database Builder 创建过程数据块，根据作业流程及系统功能建立设备图形与过程数据库之间的动态连接，同时使用 VBA 脚本语言创建程序段实现各种控制任务及报警、动态显示等功能。配煤策略的实现是本系统的关键，由于配煤系统虽然其控制任务比较单一，即要求产品煤的平均灰分或发热量达到定值，而各煤种的灰
9、分或发热量及煤流量却存在着严重的不确定性，也即没有确定的控制模型。另外，通过变频器变频控制电振给煤机给煤量实际上具有很高的非线性。因此，采用模糊控制这一智能控制形式是实现自动配煤的一种可行方式。控制结构图如图 2 所示。q1 q2er u ye图 2 模糊控制结构图根据用户对配煤的要求，可有两品种煤配煤，亦可有三品种煤配煤的情况。就两品种煤配煤而言，设计模糊控制器有四个输入量：产品煤当前灰分值（即累计值）与设定值偏差 e、灰分偏差值随时间的变化率e（可由其瞬时值计算求得） 、两品种煤当前流量q1、q2（即核子秤瞬时称重值） 。将输入量模糊化，每个输入变量用三个模糊集合来表示，则最大可能的模糊规
10、则数为 333381。模糊集合的隶属度函数均采用对称分布的三角形，如图 3 所示。模糊控制器有两个输出量：控制两品种煤电振给煤机转速的变频器频率，这两个控制图 3 输入量的隶属度函数 比较处理模 糊控制器 变频器变量总共用 7 个模糊集合来表示。控制规则的前件即控制器输入变量的所有可能的组合，但规则后件的确定比较困难。当然对于某些极限情况很容易确定，如若当前灰分值与目标灰分质相比很低且低灰分品种煤流量达到最大而高灰分品种煤流量为零，则应停止低灰分品种煤给煤并上调控制高灰分品种煤给煤机变频器频率使高品种煤给煤量达到最大。确定规则的后件实际上是一个寻优的过程，因此可应用遗传算法来帮助确定。由于模糊
11、规则的后件共有 7种可能的选择，因此可用一个 3 位二进制串来表示。81 条规则的后件可用一个 813243位长的字串来表示。另外，还得应用遗传算法调整隶属度函数。从图 3 可以看出，两端的隶属度函数均为直角三角形，每个隶属度函数只有一个参数即斜边与横轴的交点需要调整。中间的隶属度函数为等要三角形，有两个参数即与横轴的两个交点需要调整，又因其对 轴的对称性，实际上只要调整一个交点即可。因此每个输入变量的隶属度函数只需 2 个参数来表示，四个变量共需 8 个参数。每个参数用一个 6 位二进制位串来编码，则可用8648 位的字串来完整地描述隶属度参数。根据控制目标即使产品煤灰分达到给定值，可取目标
12、函数为:2 50J (X-ij)i=1 j=0其中X为设定目标灰分值，ij表示对于第i次情况下第jT时刻的实际灰分值，采样周期T取为1秒。优化的目标是使得J最小。本系统配煤策略程序用VC+编写,通过DDE（动态数据交换）与FIX工控组态软件实现实时动态数据交换。FIX软件支持Microsoft的DDE。4 结束语本系统设计采用先进的现场总线控制系统，于配煤上位机上配置以太网网卡后可接入全厂管理网络进而组成CIMS系统。现场总线虽然是基于PROFIBUS工业现场总线的，但也可使用其它的现场总线，PLC亦可使用其它产品。该系统采用了模糊控制这一智能控制技术，很好地解决了配煤过程的不确定性，而遗传算法的引入更是极大地改善了模糊控制器的性能。该系统已成功地应用于几大煤矿，改变了以往人工操作经常造成的配煤产品质量高于或低于要求指标的状况，大大提高了产品的质量，赢得了更多的客户，为实现煤矿自动化做出了很大贡献。参考文献1李友善 李军，模糊控制理论及其在过程控制中的应用，国防工业出版社，19932孙增圻 张再兴 邓志东，智能控制理论与技术，清华大学出版社，1997
