基于PLC的筒倉安全預警系統的算法設計

王俊吉

摘 要：筒倉的智能安全運行是煤炭、電力、鋼鐵行業正常工作的基礎，對筒倉內溫度、料位、可燃氣體濃度以及煙霧濃度的實時監測和預警是筒倉安全運行的保障。筒倉安全預警系統設計的主要目的是提高故障預警的實時性，提高預警系統的抗干擾能力，防止誤報警。該文在數值比較法和曲線比較法的基礎上提出了新的故障預測算法，該算法具有更能適合筒倉安全預警實時性的特征。為了提高預警系統的抗干擾能力，該文分別提出了開關量輸入信號濾波程序設計的算法和模擬量輸入信號濾波程序設計的算法。

關鍵詞：筒倉 PLC 預警 濾波

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）12（a）-0115-04

Abstract：Silo intelligent safety running is the basis of the normal work of the coal， electric power， iron and steel industry， the temperature inside the silo， material level， the concentration of combustible gas and smoke concentration of real-time monitoring and early warning is the guarantee of the safe operation of the silos. The main purpose of the silo security early warning system design to improve real-time fault early warning， to improve the anti-interference ability of early warning system， prevent false alarm.In this paper， on the basis of the numerical comparison method and curve comparison method puts forward a new fault prediction algorithm， is more appropriate to silo security early warning and real-time characteristics. In order to improve the anti-interference ability of early warning system， this paper puts forward the switch input signal filtering algorithm and program design and program design of the analog input signal filtering algorithm.

Key Words：Silo； PLC； Early warning； Filter

1 筒倉安全預警的必要性

筒倉作為存儲煤炭的設施，其主要優點是結構簡單、使用便捷、減少占地面和環保等。在我國，儲煤筒倉主要應用于電力、鋼鐵和煤炭行業。自20世紀70年代以來，我國的筒倉開始朝大型化、超大型化方向發展。

然而，儲煤筒倉不僅具有儲存煤炭的功能，還需要具備智能安全監控的功能。由于受到生產和供應環節的影響，煤炭需要長時間儲存于筒倉中，存儲過程中有大量的危險因素威脅筒倉的安全。煤炭在從煤礦中被開采時以及在之后的轉運、儲存的過程中，大量瓦斯氣體被煤炭吸附，在煤體結構的破壞、溫度升高以及外界壓力減小等諸多因素的影響下，煤炭中已存儲的瓦斯氣體會被逐步從中釋放出來，隨著儲存煤炭時間的增加，筒倉中將會出現瓦斯氣體聚集的現象，當瓦斯氣體的濃度超過爆炸臨界點時，筒倉內部極易引發瓦斯爆炸事故。與此同時，煤炭也會出現氧化放熱現象，封閉的筒倉散熱過程緩慢，因此局部熱量可能會不斷地累積，使倉內溫度不斷上升，如果不能及時地監測到筒倉內溫度的升高，可能發生煤炭自燃甚至爆炸。煤炭運輸入、出筒倉會揚起大量煤粉，煤粉具有極高的可燃危險性及爆炸危險性，這是由于煤粉十分細，相對表面積很大，能吸附大量空氣，時時刻刻進行氧化反應。緩慢的氧化放熱使煤粉溫度升高。如果散熱條件不良，煤粉溫度升高到一定程度后，極可能自燃爆炸。故煤粉也是筒倉危險因素之一。對于以儲煤為主的筒倉來說，一旦發生事故，就有可能威脅到整個工廠的運行和安全。因此，建立基于控制器的筒倉智能安全預警系統十分有必要。

基于控制器的筒倉安全預警系統的主要任務是保證筒倉的安全穩定運行。可編程邏輯控制器，簡稱為PLC（Programmable Logic Controller），是專門為在工業環境下控制的由數字運算控制而設計的電子系統[1]。可編程控制器具有非常多的優點，其主要的優點是可靠性高、通用性強，功能較為完善且易學易用，抗干擾能力強、配套硬件較為齊全，易改造、重量輕，能耗低[2]。

筒倉安全預警系統是要對筒倉內部的溫度、煙霧、可燃性氣體（CO、O2、CH4等氣體）的濃度、煤炭的料位高度等相關參數進行數據檢測，并將檢測到的數據傳送給控制器PLC，PLC再將得到的數據進行運算，并可以通過觸摸屏進行顯示，還可以將得到的數據通過以太網傳送給上位機，利用上位機界面組態軟件設計實時畫面、實時監控數據等模塊。當筒倉內部的實際溫度上升過快時，或筒倉內的可燃性氣體（CO、O2、CH4等氣體）濃度上升超過預設值時，系統將報警。

2 故障預警算法設計

故障預警是對已采集到的數據內容進行分析與處理，據此預測未來可能會發生的故障，此過程需采集PLC收集到足夠多的數據為支撐。

為了能夠準確地預測筒倉安全預警系統中將要發生的故障，首先應當采集系統正常工作時各類參數作為參考值。具體采集數據方法是，當系統運行趨于穩定后，通過控制器重復采集整個監測系統采集到的數據，再將其平均值或者一周期內的平均值制作成曲線圖或者圖表，以此作為之后故障預警的參考基準值，或者繪制基準曲線。數據采集的周期可根據具體的情況確定。

數值比較方法就是將運行過程中采集到的數據與PLC 內對應的參考數據進行比較，若得出的偏差值超出一定范圍或偏差按某個方向逐漸增大，則可以預測未來某環節將會出現故障的幾率較大[3]。

曲線比較方法就是將運行過程中采集到的數據與PLC 內對應的參考基準曲線進行比較，如果偏差超過一定范圍或偏差按某個方向逐漸增大，則可以預測未來某環節出現故障的幾率較大[4]。

上述數據比較法和曲線比較法是基于連續重復生產過程所使用的故障預警方法，而筒倉安全預警系統是一個實時監測系統，無法建立參考曲線。因而筒倉安全預警系統所采用的預測方法需要在上述故障預測方法的基礎上進行相應的改進。具體方法如下。

假設溫度采集模塊所采集到的數據為X1、X2、X3、…Xi，則：

Y1=（X2-X1）/Δt

Y2=（X3-X2）/Δt

…

Yi-1=（Xi-Xi-1）/Δt

得到的Y1～Yi即是隨時間而變化的溫度的變化率。此時我們可以設定一個最大溫度變化率Ymax，該參數為正常運行狀態下最大的溫度變化率，一旦Yi>Ymax，則說明煤倉內正在發生非正常變化，未來發生原煤自燃、爆炸等事故的可能性較大，應及時對儲存的原煤進行檢查，或采取應急措施，故障預警算法流程圖如圖1所示。

3 輸入信號濾波

筒倉安全預警系統所采用的故障預測算法是以瞬時的歷史數據作為瞬時參考值，以此來滿足系統實時監測的要求[5]。因此，瞬時產生的干擾信號會對事故預測系統產生嚴重的影響，甚至會使警報裝置誤動作，影響正常的生產生活。

在存煤筒倉特殊的生產環境中，PLC被強電設備和弱電設備包圍，這導致了PLC采集到的數據波動、失真。同時，由于干擾信號具有隨機性和復雜性的特性，對控制系統產生負面影響很大。如果從硬件角度入手，則會增加成本，該文從軟件角度入手，采用編程的方法實現濾波。

基本的濾波控制只是把幾個采樣值進行簡單的取平均處理，但是有時造成不必要的偏差，而且不方便調試。傳統的濾波方法有算術平均濾波法、中值濾波法、遞推平均濾波法，該文采取的濾波方法是對各種濾波方法的綜合應用，對于隨時可能發生的階躍干擾信號起到了很好的濾波效果。

3.1 開關量輸入信號濾波

存儲煤炭的筒倉內部是高粉塵、高溫度的環境，所以采集數據的環境十分惡劣，為了減少環境因素對采樣數據的干擾，需要消除或削弱一些非周期的隨機信號，消除方法是采取數字濾波，通過輸入繼電器（I）來完成開關量信號的采樣，然而輸入繼電器本身沒有濾波的功能，但可以通過編寫相應的程序，將相應干擾信號在程序中加以處理，以獲得準確、真實的信號[6]。

實質上，開關量輸入信號濾波的過程是對輸入信號再次確認的過程，若采樣的開關量數據再次確認為1，則控制系統中就將采用，否則就將該數據遺棄。開關量濾波表如表1 所示。

正常運行狀態，I0.0為0，可知此時M1.0不動作，由于M1.0不動作，則Q0.0輸出0，即濾波結果為0。若I0.0為1，M1.0為1；下一周期，若I0.0信號為1，則Q0.0被置位為1，若I0.0為0，則盡管M1.0為1，Q0.0頁不會置位。這樣就對開關量信號I0.0的階躍干擾起到濾波作用。正常運行狀態時，I0.0為1，則M1.0為1，即Q0.0為1，若某一周期內I0.0的輸入變為0，執行循環第一步，I0.0為0，M1.0置1，濾波結果Q0.0為1，第二步，M1.0置1斷開不執行復位，第三步I0.0為0，故M1.0置0；下個周期，如果I0.0仍然為0，則Q0.0則會在第二步中復位，若I0.0變為1，則Q0.0將繼續保持1的狀態，這樣，系統將對濾波的負向信號起到濾波的作用。

3.2 模擬量信號濾波程序

由于存煤筒倉工作環境惡劣，因此，在模擬量信號的采集過程中，溫度、壓力等電流值信號常會因為瞬時脈沖干擾而產生較大的波動。再加上筒倉安全預警系統采用了故障預測算法，瞬時干擾信號將對筒倉安全預警系統產生較大影響，影響到整個系統的運行安全，甚至引起警報裝置誤動作。

目前，較為成熟的模擬量濾波方法有中位值濾波法、算術平均濾波法、遞推平均濾波法。

中位值濾波法的基本方法是：設一組數，X1，X2，…，Xn，把這n個數按值的大小排列；Xi1

，

這種濾波方法能夠有效地克服因偶然因素引起的干擾，對溫度等變化緩慢的被測量參數有非常好的濾波效果，但不適用于變化速度較快的被測量。

算術平均濾波法，是連續取n個采樣值進行算術平均運算，設一組數G1，G2，…，Gn，那么經過平均濾波處理的采樣輸出為：

算術平均濾波法適用于具有隨時干擾信號的濾波，這種信號的特點是信號在給定的一個平均值上下波動，但缺點是不適用于測量數據變化速度較慢或者是要求數據計算的速度較快的實時監控系統[7]。

遞推平均濾波法，把連續n個采樣數據作為一個隊列，每次采樣到新的數據后就把這個數據放入隊尾，并且扔掉原來隊首的一次數據，把n個數據進行平均運算，即可以得到濾波后的數據。

這種濾波方法對于周期性的干擾有很好的抑制作用，該方法適用于高頻振蕩系統。但是其缺點是系統的靈敏度較低，不能很好地抑制偶然出現的脈沖干擾信號。

在結合筒倉安全預警系統實時性要求高、偶然性強的特點后，綜合了以上幾種濾波方法的特點，得到了一種適合筒倉安全預警系統的新的濾波方法。即每次采到一個新數據后，會將其放到數據隊列的尾部，并扔掉隊首的數據，然后判斷一個最大值和一個最小值并剔除，最后計算n-2個數據的平均值，結合現場情況，我們將n的取值選為5，具體算法如下：

其中Yn為第n次濾波輸出；Xn-i為沒有進行濾波的n-i 次的采樣值：Xmax為數據隊列中的最大值；Xmin為數據隊列中的最小值。這種濾波方法不僅結合了算術平均值濾波算法、中位值濾波算法，還有遞推平均值濾波算法，這種濾波方法能夠克服偶然因素引起的波動干擾，對周期性干擾也有較好的抑制作用，非常適合筒倉安全預警系統。

4 結語

為了適應筒倉安全預警系統的實時性，該文在數據比較法和曲線比較法的基礎上提出了新的故障預測算法，即隨時間計算待測物理量的變化率Yi，并設定一個最大變化率 Ymax，一旦Yi>Ymax，則需要報警。為了提高預警系統的抗干擾能力，該文提出了對輸入信號再次確認的算法對開關量輸入信號進行濾波，同時綜合應用傳統濾波法，提出了新的算法對模擬量輸入信號進行濾波，即每次采到一個新數據后，會將其放到數據隊列的尾部，并扔掉隊首的數據，然后判斷一個最大值和一個最小值并剔除，最后計算n-2個數據的平均值，這種算法對于隨時可能發生的階躍干擾信號起到了很好的濾波效果。

參考文獻

[1] M Uzam.PLC with PTCI6F648A Microcontroller[J].Electronics World，2010（1891）：40.

[2] 楊劍鋒，蘆國君.充分利用PLC功能濾波溫度數值跳變[J].民營科技，2013（6）：68.

[3] 朱延釗.PLC輸入信號的濾波方法[J].信息化研究，2006（10）：79-80.

[4] 陸吉斌.通用中位值平均濾波法PLC程序的設計與實現[J].計算機光盤軟件與應用，2012（5）：63-64.

[5] 張永艷.PLC輸入信號軟件濾波的探討與應用[J].包鋼科技，2012（11）：201-202.

[6] 陳偉.數字濾波技術在PLC中的應用[J].成組技術與生產現代化，2009（4）：52-55.

[7] 于濤.信號濾波在PLC控制系統的應用[J].微計算機信息，2010（25）：96-97.