一种基于模糊自适应的卧螺离心机双闭环运行控制系统

技术领域

本发明涉及卧螺离心机控制技术领域，具体来说，涉及一种基于模糊自适应的卧螺离心机双闭环运行控制系统。

背景技术

随着互联网、大数据、物联网等技术的飞跃发展，智能化以及智能产品、智能制造已经广泛的应用于各行各业。其中基于物联网技术的远程智能控制系统为不仅改变了传统的设备管理模式，同时进一步提高了设备的智能化水平，是目前各行业大型设备发展的重要方向。

目前市场上离心机就是利用离心力，分离液体与固体颗粒或液体与液体的混合物中各组分的机械设备。工业用离心机按结构和分离要求，可分为过滤离心机、沉降离心机和分离机三类。卧螺离心机是一种卧式螺旋卸料、连续操作的高效离心分离设备，在环境保护领域得到了广泛的使用和推广。目前，部分卧螺离心机控制器仍采用传统的电气接线控制电路来实现，采用控制台控制；即通过PLC控制系统来实现设备运行的自动连续控制功能，此方法硬件成本较低，但接线较复杂，难以实现离心机的复杂控制，自动化程度低，在智能化控制的市场背景下，该产品仍存在较大的提升空间。

CN209055843U公开了一种用于卧螺离心机组的DCS/PLC控制切换系统，提供了用于卧螺离心机组的DCS/PLC的控制切换系统，分别对DCS和PLC编写符合工艺要求的组态程序实现相同的控制功能，经由DCS/PLC切换开关选择输出信号的来源，从而控制卧螺离心机组各生产部件的运行，可以使得双系统下，成套机组输出均保持反馈值。

CN200965629Y公开了一种基于离心机电机电流的闭环控制系统。通过实时采集离心机电机工作电流作为控制信号，通过显示控制器与设定值相比较，根据主电机电流值变化和比较的结果直接控制供浆泵控制器，直接改变供浆泵电机的转速，从而改变供浆泵的供液量，控制离心机的负载使之形成一个闭式循环，达到控制离心机的处理量的目的。使得在供液量和钻井液性能参数发生变化时，确保离心机始终处于最佳工作状态，从而实现恒排渣的功能。

为顺应市场需求，还需要在现有卧螺离心机基础上进行智能控制系统的研发设计，对污泥环和差转速环实现双闭环控制，从而实现智能调节、远程监控、工况显示、故障诊断等功能，全面提升卧螺离心机的分离效果、运行稳定性及智能化水平，简化操作步骤，降低运行及维护成本。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种基于模糊自适应的卧螺离心机双闭环运行控制系统，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

为此，本发明采用的具体技术方案如下：

一种基于模糊自适应的卧螺离心机双闭环运行控制系统，该系统包括：卧螺离心机本体、双闭环控制单元、机体参数采集单元、污泥数据检测单元、故障诊断分析单元、自清洗及修复单元及可视化操作交互单元；

卧螺离心机单元，用于提供卧螺离心机对污泥进行固液相分离；

双闭环控制单元，用于对卧螺离心机进行实时控制与调节；

机体参数采集单元，用于采集卧螺离心机运行过程中机体参数；

污泥数据检测单元，用于检测污泥进料与出料过程中数据信息；

故障诊断分析单元，用于对机体参数进行分析实现故障诊断；

自清洗及修复单元，用于提供卧螺离心机的自动化清洗修复；

可视化操作交互单元，用于提供人机交互界面及输入控制逻辑。

进一步的，双闭环控制单元包括污泥环模块、差转速环模块及PLC核心控制模块；

其中，污泥环模块作为外环采用模糊自适应PID控制算法；

差转速环模块作为内环采用积分分离PID控制算法；

PLC核心控制模块作为控制器对卧螺离心机进行电控制；

污泥环模块的控制输出作为差转速模块的给定输入。

进一步的，模糊自适应PID控制算法包括以下步骤：

检测污泥进料时浓度误差及浓度误差变化率，作为模糊自适应PID控制算法的输入；

根据浓度误差及浓度误差变化率之间的模糊关系，确定模糊PID控制规则；

根据模糊PID控制规则确定比例、积分和微分三个参数与浓度误差、浓度误差变化率的对应关系，确定模糊自适应PID控制算法；

模糊自适应PID控制算法对三个参数的变化量进行寻优，输出最佳的PID参数作为控制输出。

进一步的，模糊自适应PID控制算法对三个参数的变化量进行寻优，输出最佳的PID参数作为控制输出，包括以下步骤：

利用模糊自适应PID控制算法对三个参数变化量进行寻优，如下式：

K

K

K

式中，K

K

K

K

ΔK

K

n表示寻优的次数；

利用重心法对输出修订值进行逆模糊化处理，确定最佳的PID参数作为控制输出的输出量，如下式：

式中，u(k)表示第k个采样周期内模糊自适应PID控制算法的输出量；

e(k)表示第k个采样周期时的偏差；

e(j)表示第j个采样周期时的偏差；

T表示采样周期。

进一步的，模糊自适应输出变量ΔK

进一步的，积分分离PID控制算法包括以下步骤：

根据卧螺离心机的实际使用参数预先设定阈值ε；

当u(k)＜ε时采用PD控制对卧螺离心机进行控制；

当u(k)≥ε时采用PID控制对卧螺离心机进行控制；

利用下述公式计算输出量：

式中，v(k)表示第k个采样周期内积分分离PID控制算法的输出量；

T表示采样周期；

K

K

K

e(k)表示第k个采样周期时的偏差；

e(j)表示第j个采样周期时的偏差；

u(k)表示第k个采样周期内模糊自适应PID控制算法的输出量。

进一步的，PLC核心控制模块作为控制器对卧螺离心机进行电控制，包括以下步骤：

获取机体参数采集单元与污泥数据检测单元采集与检测得到的数据信息；

调用污泥环模块及差转速环模块进行模糊化处理，并对输出值进行调整得到控制输出量；

将控制输出量转化为模拟量，并进行放大、移相处理，输出触发脉冲控制卧螺离心机的电机转速。

进一步的，机体参数采集单元包括多个传感器用于实时监测获取卧螺离心机单元运行过程中的机体参数；

机体参数包括电机扭矩、差转速、温度、氮气流量及震动量。

进一步的，污泥数据检测单元包括污泥进料检测模块、污泥出料检测模块及差转速推荐模块；

其中，污泥进料检测模块用于实时获取进料过程中污泥的浓度数据；

污泥出料检测模块用于检测污泥固相排渣的含水率与液相废液的浓度数据；

差转速推荐模块用于根据初始污泥进料浓度输出卧螺离心机适配的差转速。

进一步的，根据初始污泥进料浓度输出卧螺离心机适配的差转速，包括以下步骤：

获取污泥进料管的浓度数据；

基于大数据平台及历史专家数据库获取该浓度数据适配的卧螺离心机差转速；

将该差转速数据作为初始控制输入驱动卧螺离心机运行。

本发明的有益效果为：

1、通过卧螺离心机对污泥分离的特性、分离物理性质等非线性变化，构建基于模糊自适应控制模型双闭环控制系统，实时调节卧螺离心机电机转速，进而改变差转速，以达到最佳的分离效果；即通过以PLC控制器为核心，实时采集电机扭矩、转速、温度、氮气流量及震动等信号，采用双闭环PID控制算法，通过变频器在线调整主副电机的转速、扭矩及进料速度，实现了在不同污泥浓度条件下离心机的恒差速恒扭矩控制，有效改善了离心机的分离效率及稳定性。

2、通过构建污泥环+差转速环的双闭环控制系统，作为控制外环的污泥环采用模糊自适应PID控制算法在满足机体的控制精度、响应速度要求的同时，又能保证灵活性与较强的自适应性；而作为控制内环的差转速环采用积分分离PID控制算法，能够根据实际情况设定阈值来确定是否参与自适应控制，能够在避免超调过大的同时，使系统有较快的响应，且在切换为PID控制时又具备高控制精度的优点，因此更满足卧螺离心机高速控制、灵活配置的功能特性，使其更加智能化，保证污泥的分离效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的一种基于模糊自适应的卧螺离心机双闭环运行控制系统的系统框图。

图中：

1、卧螺离心机单元；2、双闭环控制单元；201、污泥环模块；202、差转速环模块；203、PLC核心控制模块；3、机体参数采集单元；4、污泥数据检测单元；401、污泥数据检测单元；402、污泥出料检测模块；403、差转速推荐模块；5、故障诊断分析单元；6、自清洗及修复单元；7、可视化操作交互单元。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

根据本发明的实施例，提供了一种基于模糊自适应的卧螺离心机双闭环运行控制系统。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1所示，根据本发明实施例的基于模糊自适应的卧螺离心机双闭环运行控制系统，该系统包括：卧螺离心机本体1，双闭环控制单元2，机体参数采集单元3，污泥数据检测单元4，故障诊断分析单元5，自清洗及修复单元6及可视化操作交互单元7；

所述卧螺离心机单元1，用于提供卧螺离心机对污泥进行固液相分离；

卧螺离心机的主要构件有转鼓、螺旋输送器、差速器、过载保护装置和泄渣装置等。转鼓和螺旋输送器由两个同心轴承相连接，转鼓通过左轴承处的空心轴与差速器的外壳相连接，差速器的输出轴带动螺旋输送器与转鼓作同向转动，但转速不同。悬浮液从右端的中心进料管连续送人机内，经过螺旋输送器内筒加料隔仓的进料孔进到转鼓内。在离心力的作用下转鼓内形成环形液池，重相固体粒子离心沉降到转鼓内表面而形成沉渣，沉渣被螺旋叶片推送到转鼓的小端，送出液面并从排渣孔甩出。在转鼓的大端盖上开设有若干溢流孔，澄清液便从此处流出，经机壳的排液室排出。

得益于卧螺离心机的高效离心功能，广泛运用在环保领域，本发明利用卧螺离心机对污泥进行分离离心，实现固液相分离，其原理包括：当污泥进入离心机转鼓腔后，高速旋转的转鼓产生强大的离心力，污泥颗粒由于密度大，离心力也大，因此污泥被甩贴在转鼓内壁上，形成固环层；而水的密度较小，离心力也小，只能在固环层内侧形成液环层。由于螺旋和转鼓的转速不同，二者存在相对运动(即差转速)，把沉积在转鼓内壁的污泥推向转鼓小端出口处排出，分离出的水从转鼓的另一端排出。差速器的作用是使转鼓和螺旋之间形成一定的转速差；并且污泥中投加絮凝剂，以产生絮凝作用，使分散的污泥颗粒聚集产生较大的絮凝体，加速泥水分离。

而影响卧螺离心机固液分离效果的因素主要有：分离因素、长/径比(即转豉总长度与内直径之比)、差转速、处理量、转鼓转速、转鼓半锥角、螺旋叶片的螺旋升角和导程等。而现有技术中对差转速进行的调节多凭借人工经验，缺乏科学理论依据与智能控制算法，因此本发明选用差转速的智能控制来改变与实现污泥分离的效果。

所述双闭环控制单元2，用于对卧螺离心机进行实时控制与调节；

其中，双闭环控制单元2包括污泥环模块201、差转速环模块202及PLC核心控制模块203；

所述污泥环模块201作为外环采用模糊自适应PID控制算法；

所述模糊自适应PID控制算法包括以下步骤：

S2011、检测污泥进料时浓度误差及浓度误差变化率，作为模糊自适应PID控制算法的输入；

S2012、根据所述浓度误差及浓度误差变化率之间的模糊关系，确定模糊PID控制规则，如表1、2、3所示；

表1：ΔK

表2：ΔK

表3：ΔK

表中，各组合分别表示{负大NB，负中NM，负小NS，零Z0，正小PS，正中PM，正大PB}。

S2013、根据所述模糊PID控制规则确定比例、积分和微分三个参数与浓度误差、浓度误差变化率的对应关系，确定模糊自适应PID控制算法；

S2014、所述模糊自适应PID控制算法对三个参数的变化量进行寻优，输出最佳的PID参数作为控制输出，包括以下步骤：

S20141、利用模糊自适应PID控制算法对三个参数变化量进行寻优，如下式：

K

K

K

式中，K

K

K

K

ΔK

K

n表示寻优的次数；

S20142、利用重心法对输出修订值进行逆模糊化处理，确定最佳的PID参数作为控制输出的输出量，如下式：

式中，u(k)表示第k个采样周期内模糊自适应PID控制算法的输出量；

e(k)表示第k个采样周期时的偏差；

e(j)表示第j个采样周期时的偏差；

T表示采样周期。

此外，所述模糊自适应输出变量ΔK

传统的模糊自适应输出变量的模糊子集取7个语言变量值组成，包括{负大NB，负中NM，负小NS，零Z0，正小PS，正中PM，正大PB}，论域为{-3，3}；而由于PID控制器参数是正的，而模糊控制器输出的微分参数变量ΔK

因此本发明将输出变量ΔK

所述差转速环模块202作为内环采用积分分离PID控制算法；

所述积分分离PID控制算法包括以下步骤：

S2021、根据卧螺离心机的实际使用参数预先设定阈值ε；

S2022、当u(k)＜ε时采用PD控制对卧螺离心机进行控制；

S2023、当u(k)≥ε时采用PID控制对卧螺离心机进行控制；

S2024、利用下述公式计算输出量：

式中，v(k)表示第k个采样周期内积分分离PID控制算法的输出量；

T表示采样周期；

K

K

K

e(k)表示第k个采样周期时的偏差；

e(j)表示第j个采样周期时的偏差；

u(k)表示第k个采样周期内模糊自适应PID控制算法的输出量。

所述PLC核心控制模块203作为控制器对卧螺离心机进行电控制，包括以下步骤：

S2031、获取所述机体参数采集单元3与污泥数据检测单元4采集与检测得到的数据信息；

S2032、调用所述污泥环模块201及差转速环模块202进行模糊化处理，并对输出值进行调整得到控制输出量；

S2033、将所述控制输出量转化为模拟量，并进行放大、移相处理，输出触发脉冲控制卧螺离心机的电机转速。

所述污泥环模块201的控制输出作为所述差转速模块202的给定输入。

所述机体参数采集单元3，用于采集卧螺离心机运行过程中机体参数；

其中，机体参数采集单元3包括多个传感器用于实时监测获取所述卧螺离心机单元1运行过程中的机体参数；

所述机体参数包括电机扭矩、差转速、温度、氮气流量及震动量。

所述污泥数据检测单元4，用于检测污泥进料与出料过程中数据信息；

其中，污泥数据检测单元4包括污泥进料检测模块401、污泥出料检测模块402及差转速推荐模块403；

所述污泥进料检测模块401用于实时获取进料过程中污泥的浓度数据；

所述污泥出料检测模块402用于检测污泥固相排渣的含水率与液相废液的浓度数据；

所述差转速推荐模块403用于根据初始污泥进料浓度输出卧螺离心机适配的差转速，包括以下步骤：

S4031、获取污泥进料管的浓度数据；

S4032、基于大数据平台及历史专家数据库获取该浓度数据适配的卧螺离心机差转速；

S4033、将该差转速数据作为初始控制输入驱动卧螺离心机运行。

所述故障诊断分析单元5，用于对机体参数进行分析实现故障诊断；

卧螺离心机设备运行中要格外注意离心机运行声响的变化和振动情况，发现异常，及时检查处理。因此，故障诊断分析单元5通过获取机体参数采集单元3监测得到电机扭矩、差转速、温度、氮气流量及震动量信号，对机体进行全面监控与安全诊断，当出现某一信号数值大于安全阈值后，发出预警信号至可视化操作交互单元7进行及时反馈，保证故障的及时检验。并且定期检查紧固件，由于需对离心机定期停车清理大盖内积料和加注润滑脂，因此在每次停车时都检查相应零部件(包括刮刀、挡板、溢流堰板等)。

所述自清洗及修复单元6，用于提供卧螺离心机的自动化清洗修复；

所述可视化操作交互单元7，用于提供人机交互界面及输入控制逻辑。

用户可通过该单元进行设备状态及污泥污泥离心的实时观测，查看设备是否处于正常运行状态，且可进行参数的调试与操作。当出现故障诊断与预警时，用户可以在报警画面查看故障报警原因，并进行相应报警处理。

实际运行时，设备开机前先由工程师根据现场实际情况需要设置好相关运行参数及上下限报警限值，此数据会被保存为开机默认值；由于离心机停机时间较长，需要停机时直接选择一键停机，操作人员不用在旁等待完全停机，系统会自动运行停机流程；一键清洗，操作人员只要事先按照污泥的情况，设置好清洗次数，选择一键清洗按钮启动一键清洗功能，清洗完成后会系统自动开启停机程序；启动离心机时，应确保盖上离心机顶盖后，方可慢慢启动；需要打开离心机盖时，一定确保先停止离心机，在离心机完全停止转动后，方可打开离心机盖，不可用外力强制其停止运动。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过卧螺离心机对污泥分离的特性、分离物理性质等非线性变化，构建基于模糊自适应控制模型双闭环控制系统，实时调节卧螺离心机电机转速，进而改变差转速，以达到最佳的分离效果；即通过以PLC控制器为核心，实时采集电机扭矩、转速、温度、氮气流量及震动等信号，采用双闭环PID控制算法，通过变频器在线调整主副电机的转速、扭矩及进料速度，实现了在不同污泥浓度条件下离心机的恒差速恒扭矩控制，有效改善了离心机的分离效率及稳定性。

通过构建污泥环+差转速环的双闭环控制系统，作为控制外环的污泥环采用模糊自适应PID控制算法在满足机体的控制精度、响应速度要求的同时，又能保证灵活性与较强的自适应性；而作为控制内环的差转速环采用积分分离PID控制算法，能够根据实际情况设定阈值来确定是否参与自适应控制，能够在避免超调过大的同时，使系统有较快的响应，且在切换为PID控制时又具备高控制精度的优点，因此更满足卧螺离心机高速控制、灵活配置的功能特性，使其更加智能化，保证污泥的分离效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。