基于PLC 的制磚機(jī)進(jìn)料溫濕度控制系統(tǒng)研究

林旭明

（福建泉工股份有限公司，福建 泉州 362123）

磚是公路、橋梁、住房建筑以及水利工程等中必不可少的一種施工材料，由于制磚機(jī)具有制磚效率高、成本低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)得到批量化生產(chǎn)，并且廣泛應(yīng)用到水泥磚生產(chǎn)制造領(lǐng)域中。制磚機(jī)在生產(chǎn)運(yùn)行過程中對(duì)溫度和濕度的精度要求比較高，這2 個(gè)參數(shù)直接影響制磚質(zhì)量，因此，目前國內(nèi)制磚廠已經(jīng)采用控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)料溫濕度進(jìn)行控制，確保制磚過程中進(jìn)料溫度與濕度在有效范圍內(nèi)，以此保證生產(chǎn)質(zhì)量。但是，國內(nèi)關(guān)于制磚機(jī)進(jìn)料溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究起步比較晚，當(dāng)前系統(tǒng)研發(fā)理論與技術(shù)還不夠成熟，現(xiàn)行的系統(tǒng)還存在一定的缺陷和不足，在實(shí)際應(yīng)用中存在較大的控制誤差，無法達(dá)到預(yù)期的控制效果，亟需對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新，研發(fā)出新的控制系統(tǒng)。PLC 作為一種新型控制器，其體積小、價(jià)格低，具有較高的可靠性與穩(wěn)定性，并且控制精度高，程序流程簡(jiǎn)單，在制磚機(jī)進(jìn)料溫濕度控制方面具有良好的應(yīng)用前景，為此提出基于PLC 的制磚機(jī)進(jìn)料溫濕度控制系統(tǒng)。

1 制磚機(jī)進(jìn)料溫濕度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

結(jié)合制磚機(jī)進(jìn)料溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)硬件主要包括可編程邏輯控制器（PLC）、溫度傳感器與濕度傳感器，具體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 制磚機(jī)進(jìn)料溫濕度控制系統(tǒng)硬件拓?fù)鋱D

如圖1 所示，溫度傳感器與濕度傳感器作為系統(tǒng)進(jìn)料溫濕度數(shù)據(jù)采集裝置，通過無線網(wǎng)絡(luò)將控制變量傳輸?shù)娇删幊踢壿嬁刂破魃希刂破鲗?duì)數(shù)據(jù)處理、分析，生成控制量，通過脈沖控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)料溫濕度兩個(gè)參數(shù)控制，以下將對(duì)該三個(gè)硬件設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)說明。

1.1 可編程邏輯控制器（PLC）選型與設(shè)計(jì)

可編程邏輯控制器是系統(tǒng)的核心硬件設(shè)備，主要作用是執(zhí)行溫濕度控制程序，根據(jù)系統(tǒng)功能需求，此次選擇型號(hào)為6ES7 215-1AG40-0XB0，對(duì)控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 PLC 結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2 所示，采用串并聯(lián)方式將可編程邏輯控制器電源接到系統(tǒng)總線上，可編程邏輯控制器輸入接口采用RS-232，輸出接口采用RS-422，控制信號(hào)從RS-232 接口輸入，發(fā)送到可編程邏輯控制器CPU 中，為了提高可編程邏輯控制器數(shù)據(jù)掃描速度，為CPU 配備了一臺(tái)存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)進(jìn)料溫濕度數(shù)據(jù)信息。由CPU 對(duì)進(jìn)料溫度和濕度信號(hào)轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并對(duì)數(shù)據(jù)信息分析，確定制磚機(jī)溫濕度參數(shù)誤差。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，生成相應(yīng)的控制指令，通過RS-422 接口輸出。借助PROFINET 對(duì)可編程邏輯控制器聯(lián)網(wǎng)，將控制指令發(fā)送到制磚機(jī)溫濕度調(diào)節(jié)器上，對(duì)兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

1.2 溫濕度傳感器選型與設(shè)計(jì)

可編程邏輯控制器控制程序執(zhí)行是以溫濕度數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際需求，選擇山東映山紅智能技術(shù)有限公司AITM1000S-CTAITM1100S-B 型號(hào)電子式溫度無線傳感器作為進(jìn)料溫度信號(hào)采集裝置，選擇威海精訊暢通電子科技有限公司RS485 型號(hào)電子式濕度無線傳感器作為進(jìn)料濕度采集裝置。將溫濕度傳感器安裝在制磚機(jī)進(jìn)料口處，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)無線傳感器技術(shù)參數(shù)設(shè)定，包括無線脈沖信號(hào)發(fā)射頻率、測(cè)量范圍、測(cè)量周期等，利用工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET 連接兩種傳感器與可編程邏輯控制器連接，對(duì)采集的溫濕度數(shù)據(jù)通過模擬量塊A 轉(zhuǎn)換后傳遞給可編程邏輯控制器。

2 制磚機(jī)進(jìn)料溫濕度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 進(jìn)料溫濕度數(shù)據(jù)融合

原始信號(hào)由噪聲信號(hào)與有效信號(hào)組成，存在一定的誤差，假設(shè)溫濕度傳感器采集的原始信號(hào)為s，其用公式表示為：

式中，h 表示有效信號(hào)；k 表示噪聲信號(hào)。噪聲的存在會(huì)影響系統(tǒng)控制精度，在不考慮無線傳感器測(cè)量誤差的前提下，采用自適應(yīng)加權(quán)融合算法對(duì)進(jìn)料溫濕度數(shù)據(jù)預(yù)處理，去除原始數(shù)據(jù)中的噪聲。假設(shè)無線傳感器測(cè)量溫度變量和濕度變量的實(shí)際數(shù)值為ε，由于溫度無線傳感器與濕度無線傳感器之間的加權(quán)因子不同，可以得到以下公式：

式中，j表示無線傳感器數(shù)量；j?表示第j個(gè)無線傳感器加權(quán)因子。因噪聲干擾產(chǎn)生的方差為σ，則采集到的無線信號(hào)均方差為：

式中，δ表示進(jìn)料溫濕度信號(hào)均方差；E表示采樣次數(shù)。根據(jù)多元函數(shù)極值定理可知公式（3）求解存在最小值，假設(shè)進(jìn)料溫濕度信號(hào)總均方差最小，最小值為T，利用多元函數(shù)極值定理求出進(jìn)料溫濕度信號(hào)總均方差最小值，再將其代入公式（2）與公式（3）中，求出理想狀態(tài)下無線傳感器測(cè)量值ε，根據(jù)該數(shù)值對(duì)采集到的溫濕度信號(hào)進(jìn)行修正，消除因噪聲干擾產(chǎn)生的測(cè)量誤差，為后續(xù)制磚機(jī)進(jìn)料溫濕度狀態(tài)評(píng)估以及控制提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

2.2 進(jìn)料溫濕度狀態(tài)評(píng)估及控制

對(duì)于制磚機(jī)進(jìn)料溫濕度控制，是以進(jìn)料溫濕度狀態(tài)為依據(jù)，根據(jù)制磚機(jī)實(shí)際情況在控制程序中設(shè)定溫度上限、溫度下限、濕度上限以及濕度下限，確定當(dāng)前進(jìn)料溫濕度是否處于正常狀態(tài)。

式中，rand表示制磚機(jī)進(jìn)料溫濕度狀態(tài)評(píng)估結(jié)果；0、1 分別表示溫濕度狀態(tài)正常、溫濕度狀態(tài)異常；xmin、ymin分別表示制磚機(jī)進(jìn)料溫度下限值與濕度下限值；x、y分別表示當(dāng)前制磚機(jī)進(jìn)料溫度與濕度；xmax、ymax分別表示制磚機(jī)進(jìn)料溫度上限值與濕度上限值。將處理后的進(jìn)料溫度與濕度代入上述公式中，確定制磚機(jī)進(jìn)料溫濕度狀態(tài)，如果超出限值，則表示當(dāng)前制磚機(jī)進(jìn)料溫濕度參數(shù)異常，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，并計(jì)算出制磚機(jī)溫濕度控制量，其計(jì)算公式為：

式中，v表示制磚機(jī)進(jìn)料溫濕度控制量；i表示控制變量數(shù)量。將計(jì)算得到的控制量發(fā)送給制磚機(jī)系統(tǒng)上，對(duì)進(jìn)料溫濕度參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，并立即調(diào)用控制指令啟動(dòng)加熱裝置、制冷裝置、烘干裝置以及除濕裝置，對(duì)制磚機(jī)進(jìn)料環(huán)境進(jìn)行加熱、制冷、烘干以及除濕，將制磚機(jī)進(jìn)料溫濕度控制在限值范圍內(nèi)，以此完成基于PLC 的制磚機(jī)進(jìn)料溫濕度控制，進(jìn)而完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)論證

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證本次設(shè)計(jì)的PLC 的制磚機(jī)進(jìn)料溫濕度控制系統(tǒng)的適用性與可靠性，以某制磚機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該制磚機(jī)型號(hào)為ZN1500，利用此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)該制磚機(jī)進(jìn)料溫濕度進(jìn)行控制，為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一定的說明性，選擇兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)作為對(duì)比，兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)分別為模糊控制理論和人工智能，以下用傳統(tǒng)系統(tǒng)A 與傳統(tǒng)系統(tǒng)B 表示。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備了一臺(tái)可編程邏輯控制器，一臺(tái)溫度傳感器與一臺(tái)濕度傳感器，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)兩個(gè)傳感器安裝，并將傳感器測(cè)量范圍分別設(shè)定為0 ～150℃、0 ～100%，無線脈沖信號(hào)發(fā)射頻率設(shè)定為1.25Hz，實(shí)驗(yàn)共到溫濕度數(shù)據(jù)樣本700 份，按照上述流程對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理，評(píng)估進(jìn)料溫濕度狀態(tài)，對(duì)進(jìn)料溫濕度調(diào)控，在控制期間內(nèi)制磚機(jī)進(jìn)料溫濕度狀態(tài)正常，設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以完成制磚機(jī)進(jìn)料溫濕度控制任務(wù)，以下對(duì)具體控制效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)以控制誤差作為三種系統(tǒng)精度評(píng)價(jià)指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)每次控制系統(tǒng)溫度控制誤差與濕度控制誤差，對(duì)兩個(gè)誤差值進(jìn)行歸一化，得到系統(tǒng)控制誤差，其計(jì)算公式為：

式中，u表示制磚機(jī)進(jìn)料溫濕度控制誤差；g表示歸一化系數(shù)；d表示溫度控制誤差；b表示濕度控制誤差。實(shí)驗(yàn)以控制樣本數(shù)量為變量，將統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)代入上述公式中，使用電子表格對(duì)三種系統(tǒng)控制誤差記錄，具體數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 三種系統(tǒng)溫濕度控制誤差對(duì)比

從表1 中數(shù)據(jù)可以看出，在本次實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制誤差相對(duì)比較小，當(dāng)控制樣本數(shù)據(jù)達(dá)到700 份時(shí)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制誤差僅為0.6%，比傳統(tǒng)系統(tǒng)A 小5.9%，比傳統(tǒng)系統(tǒng)B 小5.3%。因此本次實(shí)驗(yàn)證明了，在精度方面設(shè)計(jì)方法表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，相比較兩種傳統(tǒng)方法更適應(yīng)于制磚機(jī)進(jìn)料溫濕度控制。

4 結(jié)語

此次結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料，針對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的不足和缺陷，將PLC 技術(shù)應(yīng)用到制磚機(jī)進(jìn)料溫濕度控制中，提出了一套新的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并通過實(shí)驗(yàn)論證了該方案的可行性，有效地提高了制磚機(jī)進(jìn)料溫濕度控制精度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)的優(yōu)化與創(chuàng)新。本次研究不僅提高了制磚機(jī)進(jìn)料溫濕度控制工作自動(dòng)化水平，還為溫濕度控制提供了有力的技術(shù)支撐。