CN110096016A - 一种大型冷库fcs复杂控制系统及模糊控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型冷库FCS复杂控制系统及模糊控制方法，由上位显示模块、主站处理模块、分站处理模块、子站处理模块、压缩机控制模块、氨和二氧化碳检测系统、呼救报警系统以及配电变频模块组成。本发明由于采用了网络和现场总线，传感信号传输无转换误差，大量减少了布线，减少了故障率；并且所有信息数据均可在网内共享，每个控制器可单独完成特定的控制任务和算法，数据处理能力大大提高；可实现模糊控制等多种智能控制方法；相比较传统的DCS控制系统，大量减少了布线，增加了计算能力，能承载智能控制算法任务，实现了数据在全系统内的互相访问，没有传感信号转换误差，配合模糊控制方法提升大型冷库的自动化控制系统智能化水平。

Description

一种大型冷库FCS复杂控制系统及模糊控制方法

技术领域

本发明涉及自动控制领域，具体为一种大型冷库FCS复杂控制系统及模糊控制方法。

背景技术

随着冷链物流行业的迅速发展，冷库制冷系统自动化已成为当今冷库生产管理所应必备功能，以此带来系统运行的安全性、可靠性及节能性，并带来冷藏品质的保证，劳动条件的改善和生产效率的提高。冷库要求冷藏间，低温穿堂，冻结间、预冷间等不同房间的温度控制各有不同，各个单元即要独立运行调节控温又需协调联网及监控管理。

现有技术存在的问题是：传统大型冷库采用DCS控制系统，FCS控制是基于DCS发展而来，DCS通过I/O模块采集现场数据实现集散控制，由于网络技术的发展，DCS逐渐被FCS所代替，新的FCS控制系统是以网络和现场总线的方式进行信号传递，克服了DCS大量布线，故障率高,信息只能定点传送的缺点。并且在功能方面由于采用了网线和总线，信息在网内实现共享，每个站点可设置一台控制器，每个控制器可以承载不同的控制任务和计算任务，这对完成智能控制算法提供了基础，甚至云计算。目前对于大型冷库普遍采用集中式控制方式，所有信号都是采集现场的模拟量信号，每次的量程转换都会产生误差，而且信号距离受限，最主要的是大量布线后故障率高，维护困难，此外成堆的导线造成维护困难、布线复杂的问题。因此我们对此做出改进，提出一种大型冷库FCS复杂控制系统及模糊控制方法。

发明内容

为解决现有技术存在的缺陷，本发明提供一种大型冷库FCS复杂控制系统及模糊控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明一种大型冷库FCS复杂控制系统及模糊控制方法，由上位显示模块、主站处理模块、分站处理模块、子站处理模块、压缩机控制模块、氨和二氧化碳检测泄露事故应急消防联动系统、呼救报警系统以及配电变频模块组成；显示控制模块由工业控制计算机和触摸屏组成；

主站、分站和子站共三层网络组成；库内由子站控制，分站管理子站完成楼层控制或区域，主站管理分站完成全库楼内及制冷机组控制，泄露检测，呼救报警；

主站处理模块设置大型控制器；分站处理模块设置中型控制器；子站为ARM控制器；压缩机控制模块设置小型控制器；

子站处理模块的触摸屏、电磁阀、数字温度传感器、数字湿度传感器、冷风机组、加湿器、本地手动控制，库内应急呼叫和位置报警显示，进出库商品信息终端显示，均与ARM控制器连接，ARM通过OPC与进出库管理ODBC数据库相联，读取库内商品详情并显示在触摸屏上，ARM控制器通过网络标准数据接口OPC读取进销存ODBC数据库，并在触摸屏显示或被查询该库内商品库存，通过分站汇总后传至主站，主站可利用上位计算机或上传园区信息中心进行大数据据分析，结果可指导商户和园区生产调度。

分站模块管理多个子站模块，完成一个区域或一层库内制冷，通风，加湿，冲霜，温湿度检测；数据汇总，报警位置上传总控室。

制冷系统由螺杆压缩机、蒸发式冷凝器、虹吸罐、储液器、气液分离器、储液循环桶、贮氨器、循环泵和调节站组成。

呼救报警系统由库内应急按扭被按下后，启动库门口报警器，并通知控制中心报警，自动打开冷库门，稀释库内二氧化碳浓度，计算机和触摸屏显示报警位置。

二氧化碳、氨泄露检测报警由库内检测传感器将机房内二氧化碳，氨浓度信号实时送入主站控制器，当发生泄露或浓度超标时，主动打开应急风机并报警，并启动消防联动机制，机房门口设有强制开启风机装置和应急一键断电按钮。

配电变频模块由电源柜、变频柜和驱动柜组成。

作为本发明的一种优选技术方案，所述子站处理模块的触摸屏、电磁阀、数字温度传感器、数字湿度传感器、冷风机组、加湿器、本地手动应急呼叫以及报警显示均与子站ARM连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述制冷机组控制模块的工业计算机、触摸屏、变频驱动、接触器、温度采集器、循环泵均与小型控制器连接，小型控制器与主处理模块连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述制冷系统由高温螺杆压缩机、蒸发式冷凝器、虹吸罐、储液器、气液分离器、储液循环桶、贮氨器、循环泵和调节站组成。

一种大型冷库FCS复杂控制系统，其网络构成为：主控制器做为modbusTCP主站，与分站和子站控制器形成工业以太网modbusTCP系统，每个子站可完成对每个冷库房间内，通过modbusRTU总线读取温度湿度传感器数据、完成加湿器工作、冷风机的启停及门开关检测，并可在本地手动操作控制，这些信号都会通过网络总线与modbusTCP分站相联，一个分站管理一个区域或一层的房间，汇总后将信号实时传送给主控制器，主控制器会根据反馈的信号内容完成整个冷库的自动控制，而在布线方面，和传统的DCS相比，将具有I/O功能的控制器设置在现场，这样只需要布两条线，也就是电源线和通信信号线，这样将极大的简化了系统的繁杂度，以上便构成了现场总线控制系统，即FCS复杂控制系统；此外采用这种数字信号的形式，相较于模拟信号转换数字信号的方式，测量数据直接在传感器端被直接读取，不存在转换误差问题；还有一点，相对于现有的单任务的点对点模式，本控制系统在网内之间可以相互访问。

作为本发明的一种优选技术方案，模糊控制方法是将人的经验赋予计算机，即将人的主观模糊判断能力赋予计算机，使其具有更高的智能化水平，具体实现，就是将输入变量在基本论域的一个实际的值转化为语言变量值，经过由专家经验的制定的模糊推理规则后，通过隶属度函数反模糊化输出，这样就将专家的经验赋予了计算机，使其有了智能处理能力，冷库属于大滞后响应类，模糊控制方法提升了其智能化水平，即模糊控制方法可读取进销存数据，首先进行大数据分析，然后传递给控制中心，控制中心对产品进行预测，最后得出生产调度的依据；子站模块通过OPC读取进销存管理ODBC数据库后，将每个库存商品明细可在子站触摸屏显示或被查询，并通过分站汇总后传至主站，主站可利用上位计算机或上传园区信息中心进行大数据据分析，结果可指导商户和园区生产调度。

本发明的有益效果是：该种大型冷库FCS复杂控制系统及模糊控制方法大量减少了布线，传感信号传输无转换误差，并且所有信息数据均可在网内共享，减少了故障率，数据处理能力大大提高；每个控制器可单独完成特定的控制任务和算法，可实现模糊控制等多种智能控制算法；在该控制方法中，模糊控制将测量得到的精确量转化为模糊量，经过模糊推理和最大隶属度反模糊输出数据进行调节控制。实现了模糊控制方法在FCS系统中的应用，相比较传统的DCS控制系统，大量减少了布线，增加了计算能力，能承载智能控制算法任务，实现了数据在全系统内的互相访问，配合模糊控制方法提升大型冷库的自动化控制系统智能化水平。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的制冷工艺示意图；

图2是本发明一种大型冷库FCS复杂控制系统网络拓补图；

图3是本发明子站模块功能示意图；

图4是本发明模糊控制器；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明大致原理为：如图2所示，控制系统将每个库为一个子站，将一层做为一个分站，主站为一个，设置在控制室内。子站采用了ARM为控制器，温湿度采集采用modbus RTU总线，并设有触摸屏显示库内温湿度数据和库存商品明细，库内设备运行情况，可允许有权限的通过网络查看或启动全楼任何设备。并可与进出库管理数据库对接，显示库内商品详情，可汇总到企业信息中心与ERP对接，实现大数据分析，根据进出库数据对库内商品需求进行预测和需求量分析。每台分站管理一层所有库间设备及本楼公共设备运行。主站控制整个制冷车间内制冷设备动行，配合模糊控制算法，向全楼分站或子站直接下发运行命令。生产车间及管道氨和CO2泄露检测，库内应急呼救及事故应急处理等，具体实现过程参照以下实施例：

实施例：

本控制方法针对于大型高温冷库，大型高温冷库单体层数三层，每层16间冷藏室，合计共48个冷藏间；压缩机为三台，每台132KW；两台蒸发式冷凝器，氨虹吸罐及撬块(集成氨储液器，氨/CO2热交换及CO2储液器)及其它辅助设备。库内建筑面积10000平米。如图1所示，本发明一种大型冷库FCS复杂控制系统工艺流程；制冷系统由三台高温螺杆压缩机将低温低压的氨压缩成高温高压的氨，压力为2MPa，进入蒸发式冷凝器，在蒸发式冷凝器风扇和水的作用下变成低温高压后进入虹吸罐，冷凝下来多余的液体在虹吸罐中部引出进入储液器，从储液器进入气液分离器，起到防止液态制冷剂进入压缩机的作用，气液分离器可容纳液态的制冷剂，而只把气态的制冷剂送回高温螺杆压缩机，混合在制冷剂里的油在气液分离器的底部被分离出来，并同吸入的气体一起通过吸气管道内的一个小孔返回到高温螺杆压缩机内，分离后的液态制冷剂进入到低压储液循环桶，进入冷凝器与氨制冷剂进行热量交换后回到高温螺杆压缩机，得到冷量的氨制冷剂进入贮氨器，贮氨器与撬块相联与CO2换热后返回压缩机入口，CO2被存放在CO2储液器中，并根据系统的需要，由三台循环泵分别进入一层、二层和三层调节站循环，每个调节站分别调节16个冷藏库，由冷风机组实现冷库的温度调节，冷风机组循环回来的制冷剂通过调节站汇流后返回到撬块，如此往复循环，上述制冷系统组件均采用现有公开技术，唯一不同之处在于使用各组件的数量存在差异；

如图3所示，分站模块为ARM控制器、触摸屏、电磁阀、数字温度传感器、数字湿度传感器、冷风机组、加湿器、本地手动应急呼叫以及报警显示组成；子站与分站相连，每层为一个分层，管理16个冷藏间的ARM控制器，共48个子站模块；

每台压缩机由一台小型PLC控制，分别与主站相连，制冷机组由站模块控制，设有工业计算机、触摸屏、变频驱动压缩机、冲霜和热回收，CO2循环泵，变频驱动与制冷系统的高温螺杆压缩机连接，接压力液位采集器与制冷系统的贮液器连接，制冷系统的循环泵连接至三层大型高温冷库每层的调节站，冷风机组利用风机将冷气导至冷库内，达到库内降温的目的。

对于某一间冷库，温度的维持需要冷风机组的工作，每台冷风机有三个风机，根据设计要求，每个冷库门口需要温度和湿度显示，每个库内有一台加湿器，电磁阀和门开关，也就是说，每个库内有温度和湿度采集，三台风机控制，一个电磁阀和一台加湿器，转换为控制系统参数，也就是需要两个模拟量，五个开关量输出和一个开关量输入，每个冷库基本一致，如果采用集中控制，每个房间需要至少12根信号线，和三根动力电源线，并且强电和弱电信号混在一起，共计48个房间，差不多要720多根线需要从控制室接到每个房间，这将是一个庞大的布线，成本非常高，并且接点太多后，故障率会升高，维修极不方便，为此，设计了如图3所示的总线信号采集系统；

分站模块，分别与16个ARM控制器通过RJ45相连，形成的modbus子站构成总线系统，每个modbus子站可完成对每个冷库房间内，温度湿度的检测、加湿器的工作、冷风机的启停及门开关检测，本地手动操作控制按钮，这些信号都会通过总线与modbus主站相联，并将信号实时传送给主站模块，主PLC会根据反馈的信号内容完成整个冷库的自动控制，而在布线方面，和传统的DCS相比，将具有I/O功能的控制器设置在现场，这样只需要布两条线，也就是电源线和通信信号线，这样将极大的简化了系统的繁杂度，以上便构成了现场总线控制系统，即FCS集散控制系统；此外采用这种数字信号的形式，相较于模拟信号转换数字信号的方式，误差问题得到优化、并且能够直接读取数值，无损耗；还有一点，相对于现有的单任务的点对点模式，本控制系统在网内之间可以相互访问。

配电变频模块由电源柜、变频柜和驱动柜组成；

一种大型冷库FCS复杂控制系统的模糊控制方法，模糊控制方法是将人的经验赋予计算机，即将人的主观模糊判断能力赋予计算机，使其具有更高的智能化水平，具体实现，就是将输入变量在基本论域的一个实际的值转化为语言变量值，经过由专家经验的制定的模糊推理规则后，通过隶属度函数反模糊化输出，这样就将专家的经验赋予了计算机，使其有了智能处理能力，冷库属于大滞后响应类，模糊控制方法提升了其智能化水平，即模糊控制方法可读取进销存数据，首先进行大数据分析，然后传递给控制中心，控制中心对产品进行预测，最后得出生产调度的依据，模糊控制的原理可以参照图4所示的示意图。

具体实施，主站控制器SIEMENS S7-1500 PLC的编程系统博途提供了丰富的功能模块，模糊控制算法的实现提供了方便。主循环程序模块OB1实现对功能和功能块的调用以及信号和数据的传递。循环中断组织块选择时间间隔为1s的OB31。功能模块FB10完成整个模糊控制功能。与之相对应的背景数据块为DB10，主要存储量化因子及目标温度，测量温度等其他的参数。FB10由功能FC1、FC2、FC3、FC4这四个子程序组成。其中FC1完成E和EC的计算；FC2进行模糊化处理；FC3实现模糊控制表的查询功能；FC4完成反模糊处理。模糊控制程序设计流程见图4。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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。

Claims (8)

1.一种大型冷库FCS复杂控制系统，其特征在于，上位显示模块、主站处理模块、分站处理模块、子站处理模块、压缩机控制模块、氨和二氧化碳检测系统、呼救报警系统以及配电变频模块组成；

显示控制模块由工业控制计算机和触摸屏组成；

主站、分站和子站共三层网络组成；库内由子站控制，分站管理子站完成楼层控制或区域，主站管理分站完成全库楼内及制冷机组控制，泄露检测，呼救报警；

主站处理模块设置大型控制器；分站处理模块设置中型控制器；子站为ARM控制器；

压缩机控制模块设置小型控制器；

配电变频模块由电源柜、变频柜和驱动柜组成。

2.根据权利要求1所述的一种大型冷库FCS复杂控制系统，其特征在于，所述子站处理模块的触摸屏、电磁阀、数字温度传感器、数字湿度传感器、冷风机组、加湿器、本地手动控制，库内应急呼叫和位置报警显示，进出库商品信息终端显示，均与ARM控制器连接，ARM通过OPC与进出库管理ODBC数据库相联，读取库内商品详情并显示在触摸屏上。

3.根据权利要求2所述的一种大型冷库FCS复杂控制系统，其特征在于，所述分站模块管理多个子站模块，完成一个区域或一层库内制冷，通风，加湿，冲霜，温湿度检测；数据汇总，报警位置上传总控室。

4.根据权利要求3所述的一种大型冷库FCS复杂控制系统，其特征在于，所述制冷系统由高温螺杆压缩机、蒸发式冷凝器、虹吸罐、储液器、气液分离器、储液循环桶、贮氨器、循环泵和调节站组成。

5.根据权利要求4所述的一种大型冷库FCS复杂控制系统，其特征在于，所述呼救报警系统由库内应急按扭被按下后，启动库门口报警器，并通知控制中心报警，自动打开冷库门，稀释库内二氧化碳浓度，计算机和触摸屏显示报警位置。

6.根据权利要求5所述的一种大型冷库FCS复杂控制系统，其特征在于，所述二氧化碳，氨泄露检测报警由库内检测传感器将机房内二氧化碳，氨浓度信号实时送入主站控制器，当发生泄露或浓度超标时，主动打开应急风机并报警，并启动消防联动机制，机房门口设有强制开启风机装置和应急一键断电按钮。

7.根据权利要求1-6所述的一种大型冷库FCS复杂控制系统，其网络构成为：主控制器做为modbusTCP主站，与分站和子站控制器形成工业以太网modbusTCP系统，每个子站可完成对每个冷库房间内，通过modbusRTU总线读取温度湿度传感器数据、完成加湿器工作、冷风机的启停及门开关检测，并可在本地手动操作控制，这些信号都会通过网络总线与modbusTCP分站相联，一个分站管理一个区域或一层的房间，汇总后将信号实时传送给主PLC，主PLC会根据反馈的信号内容完成整个冷库的自动控制，而在布线方面，和传统的DCS相比，将具有I/O功能的控制器设置在现场，这样只需要布两条线，也就是电源线和通信信号线，这样将极大的简化了系统的繁杂度，以上便构成了现场总线控制系统，即FCS复杂控制系统；此外采用这种数字信号的形式，相较于模拟信号转换数字信号的方式，测量数据直接在传感器端被直接读取，不存在转换误差问题；还有一点，相对于现有的单任务的点对点模式，本控制系统在网内之间可以相互访问。

8.根据权利要求7所述的一种大型冷库FCS复杂控制系统的模糊控制方法，其特征在于，模糊控制方法是将人的经验赋予计算机，即将人的主观模糊判断能力赋予计算机，使其具有更高的智能化水平，具体实现，就是将输入变量在基本论域的一个实际的值转化为语言变量值，经过由专家经验的制定的模糊推理规则后，通过隶属度函数反模糊化输出，这样就将专家的经验赋予了计算机，使其有了智能处理能力，冷库属于大滞后响应类，模糊控制方法提升了其智能化水平，子站模块通过OPC读取进销存管理ODBC数据库后，将每个库存商品明细可在子站触摸屏显示或被查询，并通过分站汇总后传至主站，主站可利用上位计算机或上传园区信息中心进行大数据据分析，结果可指导商户和园区生产调度。