PLC設計的油田污水處理模糊控制系統(tǒng)
[導讀]PLC設計的油田污水處理模糊控制系統(tǒng)
1 引 言
在工業(yè)過程控制中，PID控制適合于可建立數(shù)學模型的確定性控制系統(tǒng)。但在實際的工業(yè)過程控制系統(tǒng)中存在很多非線性或時變不確定的系統(tǒng)，使PID控制器的參數(shù)整定煩瑣且控制效果也不理想。近年來，隨著智能控制技術的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新型的控制方法，模糊控制就是其中之一。模糊控制不需要掌握控制對象的精確數(shù)學模型，而是根據(jù)控制規(guī)則決定控制量的大小。這種控制方法對于存在滯后或隨機干擾的系統(tǒng)具有良好的控制效果。PLC具有很高的可靠性，抗干擾能力強，并可將模糊控制器方便地用軟件實現(xiàn)。因此，用PLC構成模糊控制器用于油田的污水處理是一種新的嘗試，不僅使控制系統(tǒng)更加可靠，而且取得了較好的控制效果。
2 污水處理工藝簡介
目前我國許多油田處于二次采油期，即注水開采期，所采的油中含有大量的污水。油田污水處理的目的是將處理后的水回注地層以補充、平衡地層壓力，防止注入水和返回水腐蝕注水管和油管，避免注入水使注水管、油管和地層結垢。其處理方法是使用A、B、C三種藥劑，其中A劑為pH值調整劑，B劑為沉降劑，C劑為阻垢劑。其工藝流程方案如圖2—1所示。根據(jù)工藝要求，關鍵是在混合罐中對污水添加A劑提高污水的pH值（即控制pH2）以減少腐蝕。添加B劑可加速污水中絮狀物的沉淀。添加C劑可減緩污水在注水管和油管中的結垢。該系統(tǒng)屬非線性、大滯后系統(tǒng)，其對象的精確數(shù)學模型難以獲得，采用PID反饋控制效果不是很理想，且采油聯(lián)合站都位于偏僻的地方，環(huán)境惡劣。因此，該污水處理系統(tǒng)采用了基于PLC的模糊控制來提高系統(tǒng)的控制精度和可靠性，從而滿足工藝要求。
3 模糊控制原理
控制系統(tǒng)采用“雙入單出”的模糊控制器[1]。輸入量為pH值給定值與測量值的偏差e以及偏差變化率ec，輸出量為向加藥泵供電的變頻器的輸入控制電壓u。圖3—1為模糊控制系統(tǒng)的方框圖［2］?？刂七^程為控制器定時采樣pH值和pH值變化率與給定值比較，得pH值偏差e以及偏差變化率ec，并以此作為PLC控制器的輸入變量，經(jīng)模糊控制器輸出控制變頻器輸出頻率n，從而改變加藥量使pH值保持穩(wěn)定。
模糊控制器包括輸入量模糊化、模糊推理和解模糊3個部分。E和Ec分別為e和ec模糊化后的模糊量，U為模糊控制量，u為U解模糊化后的精確量。
3．1 輸入模糊化
在模糊控制器設計中，設E的詞集為［NB，NM，NS，N0，P0，PS，PM，PB］［3］，論域為［－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，＋1，＋2，＋3，＋4，＋5，＋6］；Ec和U的詞集為［NB，NS，NM，0，PS，PM，PB］，論域為［－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，＋1，＋2，＋3，＋4，＋5，＋6］。令－1），pH0表示期望值。然后，將e、ec和u模糊化，根據(jù)pH值控制的經(jīng)驗可得出變量E、Ec和U的模糊化量化表。表3—1為變量E的賦值表。
3．2 模糊決策和模糊控制規(guī)則
總結污水處理過程中pH值的控制經(jīng)驗，得出控制規(guī)則，如表3—2所示。選取控制量變化的原則是：當誤差大或較大時，選擇控制量以消除誤差為主。而當誤差較小時，選擇控制量要注意防止超調，
以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主。例如，當pH值低很多，且pH值有進一步快速降低的趨勢時，應加大藥劑的投放量?？捎媚：Z句實現(xiàn)這條規(guī)則（IFE＝NB ANDEc＝NB THEN U＝PB）。當誤差為負大且誤差變化為正大或正中時，控制量不宜再增加，應取控制量的變化為0，以免出現(xiàn)超調。一共有56條規(guī)則。每條規(guī)則的關系Rk可表示為：
7）根據(jù)每條模糊語句決定的模糊關系Rk（k＝1，2，…，56），可得整個系統(tǒng)控制規(guī)則總的模糊關系R。
3．3 輸出反模糊化
根據(jù)模糊規(guī)則表取定的每一條模糊條件語句都計算出相應的模糊控制量U，由模糊推理合成規(guī)則，可得如下關系：
以此得出模糊控制量，如表3—3所示。然后依據(jù)最大隸屬度法，可得出實際控制量u。再經(jīng)D／A轉換為模擬電壓，去改變變頻器的輸出頻率n，通過 加藥泵控制加藥量調節(jié)pH值，從而完成控制任務。
4 模糊控制算法的PLC實現(xiàn)
在控制系統(tǒng)中選用了OMRON公司的CQM1型PLC。首先將模糊化過程的量化因子置入PLC的保持繼電器中，然后利用A／D模塊將輸入量采集到PLC的DM區(qū)，經(jīng)過限幅量化處理后，根據(jù)所對應的輸入模糊論域中的相應元素，查模糊控制量表求出模糊輸出量，再乘以輸出量化因子即可得實際輸出值，由D／A模塊輸出對pH值進行控制。[!--empirenews.page--]
4．1 模糊控制算法流程
（1）將輸入偏差量化因子Ke、偏差變化率量化因子Kec和輸出量化因子Ku置入HR10～HR12中。
（2）采樣計算e和ec，并置入DM0000和DM0001中。
（3）判斷e和ec是否越限，如越限令其為上限或下限值。否則將輸入量分別量化為輸入變量模糊論域中對應的元素E和Ec并置入DM0002和DM0003中。
（4）查模糊控制量表，求得U。
（5）將U乘以量化因子Ku，得實際控制量u。
（6）輸出控制量u。
（7）結束。
4．2 查表梯形圖程序設計
在模糊控制算法中，模糊控制量表的查詢是程序設計的關鍵。為了簡化程序設計，將輸入模糊論域的元素［－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，＋1，＋2，＋3，＋4，＋5，＋6］轉化為［0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12］，將模糊控制量表中U的控制結果按由上到下，由左到右的順序依次置入DM0100～DM0268中。控制量的基址為100，其偏移地址為Ec×13＋E，所以由E和Ec可得控制量的地址為100＋Ec×13＋E。梯形圖程序如圖4—1所示。其中DM0002和DM0003分別為E和Ec在模糊論域中所對應的元素，MOV＊DM0031DM1000是間接尋址指令。它將DM0031的內容（即控制量地址100＋Ec×13＋E）作為被傳遞單元的地址，將這個地址指定單元的內容（即控制量U），傳遞給中間單元DM1000再通過解模糊運算得u，然后由模擬輸出通道傳送給D／A轉換器。
5 結 論
將模糊控制與PLC相結合，利用PLC實現(xiàn)模糊控制，既保留了PLC控制系統(tǒng)可靠、靈活、適應能力強等特點，又提高了控制系統(tǒng)的智能化程度。結果表明，對于那些大滯后、非線性、數(shù)學模型難以建立且控制精度和快速性要求不很高的控制系統(tǒng)，基于PLC的模糊控制方法不失為一種較理想的方案。只要選擇適當?shù)牟蓸又芷诤土炕蜃?，可使系統(tǒng)獲得較好的性能指標，從而滿足控制性能要求。
在工業(yè)過程控制中，PID控制適合于可建立數(shù)學模型的確定性控制系統(tǒng)。但在實際的工業(yè)過程控制系統(tǒng)中存在很多非線性或時變不確定的系統(tǒng)，使PID控制器的參數(shù)整定煩瑣且控制效果也不理想。近年來，隨著智能控制技術的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新型的控制方法，模糊控制就是其中之一。模糊控制不需要掌握控制對象的精確數(shù)學模型，而是根據(jù)控制規(guī)則決定控制量的大小。這種控制方法對于存在滯后或隨機干擾的系統(tǒng)具有良好的控制效果。PLC具有很高的可靠性，抗干擾能力強，并可將模糊控制器方便地用軟件實現(xiàn)。因此，用PLC構成模糊控制器用于油田的污水處理是一種新的嘗試，不僅使控制系統(tǒng)更加可靠，而且取得了較好的控制效果。
2 污水處理工藝簡介
目前我國許多油田處于二次采油期，即注水開采期，所采的油中含有大量的污水。油田污水處理的目的是將處理后的水回注地層以補充、平衡地層壓力，防止注入水和返回水腐蝕注水管和油管，避免注入水使注水管、油管和地層結垢。其處理方法是使用A、B、C三種藥劑，其中A劑為pH值調整劑，B劑為沉降劑，C劑為阻垢劑。其工藝流程方案如圖2—1所示。根據(jù)工藝要求，關鍵是在混合罐中對污水添加A劑提高污水的pH值（即控制pH2）以減少腐蝕。添加B劑可加速污水中絮狀物的沉淀。添加C劑可減緩污水在注水管和油管中的結垢。該系統(tǒng)屬非線性、大滯后系統(tǒng)，其對象的精確數(shù)學模型難以獲得，采用PID反饋控制效果不是很理想，且采油聯(lián)合站都位于偏僻的地方，環(huán)境惡劣。因此，該污水處理系統(tǒng)采用了基于PLC的模糊控制來提高系統(tǒng)的控制精度和可靠性，從而滿足工藝要求。
3 模糊控制原理
控制系統(tǒng)采用“雙入單出”的模糊控制器[1]。輸入量為pH值給定值與測量值的偏差e以及偏差變化率ec，輸出量為向加藥泵供電的變頻器的輸入控制電壓u。圖3—1為模糊控制系統(tǒng)的方框圖［2］?？刂七^程為控制器定時采樣pH值和pH值變化率與給定值比較，得pH值偏差e以及偏差變化率ec，并以此作為PLC控制器的輸入變量，經(jīng)模糊控制器輸出控制變頻器輸出頻率n，從而改變加藥量使pH值保持穩(wěn)定。
模糊控制器包括輸入量模糊化、模糊推理和解模糊3個部分。E和Ec分別為e和ec模糊化后的模糊量，U為模糊控制量，u為U解模糊化后的精確量。
3．1 輸入模糊化
在模糊控制器設計中，設E的詞集為［NB，NM，NS，N0，P0，PS，PM，PB］［3］，論域為［－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，＋1，＋2，＋3，＋4，＋5，＋6］；Ec和U的詞集為［NB，NS，NM，0，PS，PM，PB］，論域為［－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，＋1，＋2，＋3，＋4，＋5，＋6］。令－1），pH0表示期望值。然后，將e、ec和u模糊化，根據(jù)pH值控制的經(jīng)驗可得出變量E、Ec和U的模糊化量化表。表3—1為變量E的賦值表。
3．2 模糊決策和模糊控制規(guī)則
總結污水處理過程中pH值的控制經(jīng)驗，得出控制規(guī)則，如表3—2所示。選取控制量變化的原則是：當誤差大或較大時，選擇控制量以消除誤差為主。而當誤差較小時，選擇控制量要注意防止超調，
以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主。例如，當pH值低很多，且pH值有進一步快速降低的趨勢時，應加大藥劑的投放量?？捎媚：Z句實現(xiàn)這條規(guī)則（IFE＝NB ANDEc＝NB THEN U＝PB）。當誤差為負大且誤差變化為正大或正中時，控制量不宜再增加，應取控制量的變化為0，以免出現(xiàn)超調。一共有56條規(guī)則。每條規(guī)則的關系Rk可表示為：
7）根據(jù)每條模糊語句決定的模糊關系Rk（k＝1，2，…，56），可得整個系統(tǒng)控制規(guī)則總的模糊關系R。
3．3 輸出反模糊化
根據(jù)模糊規(guī)則表取定的每一條模糊條件語句都計算出相應的模糊控制量U，由模糊推理合成規(guī)則，可得如下關系：
以此得出模糊控制量，如表3—3所示。然后依據(jù)最大隸屬度法，可得出實際控制量u。再經(jīng)D／A轉換為模擬電壓，去改變變頻器的輸出頻率n，通過 加藥泵控制加藥量調節(jié)pH值，從而完成控制任務。
4 模糊控制算法的PLC實現(xiàn)
在控制系統(tǒng)中選用了OMRON公司的CQM1型PLC。首先將模糊化過程的量化因子置入PLC的保持繼電器中，然后利用A／D模塊將輸入量采集到PLC的DM區(qū)，經(jīng)過限幅量化處理后，根據(jù)所對應的輸入模糊論域中的相應元素，查模糊控制量表求出模糊輸出量，再乘以輸出量化因子即可得實際輸出值，由D／A模塊輸出對pH值進行控制。[!--empirenews.page--]
4．1 模糊控制算法流程
（1）將輸入偏差量化因子Ke、偏差變化率量化因子Kec和輸出量化因子Ku置入HR10～HR12中。
（2）采樣計算e和ec，并置入DM0000和DM0001中。
（3）判斷e和ec是否越限，如越限令其為上限或下限值。否則將輸入量分別量化為輸入變量模糊論域中對應的元素E和Ec并置入DM0002和DM0003中。
（4）查模糊控制量表，求得U。
（5）將U乘以量化因子Ku，得實際控制量u。
（6）輸出控制量u。
（7）結束。
4．2 查表梯形圖程序設計
在模糊控制算法中，模糊控制量表的查詢是程序設計的關鍵。為了簡化程序設計，將輸入模糊論域的元素［－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，＋1，＋2，＋3，＋4，＋5，＋6］轉化為［0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12］，將模糊控制量表中U的控制結果按由上到下，由左到右的順序依次置入DM0100～DM0268中。控制量的基址為100，其偏移地址為Ec×13＋E，所以由E和Ec可得控制量的地址為100＋Ec×13＋E。梯形圖程序如圖4—1所示。其中DM0002和DM0003分別為E和Ec在模糊論域中所對應的元素，MOV＊DM0031DM1000是間接尋址指令。它將DM0031的內容（即控制量地址100＋Ec×13＋E）作為被傳遞單元的地址，將這個地址指定單元的內容（即控制量U），傳遞給中間單元DM1000再通過解模糊運算得u，然后由模擬輸出通道傳送給D／A轉換器。
5 結 論
將模糊控制與PLC相結合，利用PLC實現(xiàn)模糊控制，既保留了PLC控制系統(tǒng)可靠、靈活、適應能力強等特點，又提高了控制系統(tǒng)的智能化程度。結果表明，對于那些大滯后、非線性、數(shù)學模型難以建立且控制精度和快速性要求不很高的控制系統(tǒng)，基于PLC的模糊控制方法不失為一種較理想的方案。只要選擇適當?shù)牟蓸又芷诤土炕蜃?，可使系統(tǒng)獲得較好的性能指標，從而滿足控制性能要求。
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