王俊吉
摘 要：筒仓的智能安全运行是煤炭、电力、钢铁行业正常工作的基础，对筒仓内温度、料位、可燃气体浓度以及烟雾浓度的实时监测和预警是筒仓安全运行的保障。筒仓安全预警系统设计的主要目的是提高故障预警的实时性，提高预警系统的抗干扰能力，防止误报警。该文在数值比较法和曲线比较法的基础上提出了新的故障预测算法，该算法具有更能适合筒仓安全预警实时性的特征。为了提高预警系统的抗干扰能力，该文分别提出了开关量输入信号滤波程序设计的算法和模拟量输入信号滤波程序设计的算法。
关键词：筒仓 PLC 预警 滤波
中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：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 筒倉安全预警的必要性
筒仓作为存储煤炭的设施，其主要优点是结构简单、使用便捷、减少占地面和环保等。在我国，储煤筒仓主要应用于电力、钢铁和煤炭行业。自20世纪70年代以来，我国的筒仓开始朝大型化、超大型化方向发展。
然而，储煤筒仓不仅具有储存煤炭的功能，还需要具备智能安全监控的功能。由于受到生产和供应环节的影响，煤炭需要长时间储存于筒仓中，存储过程中有大量的危险因素威胁筒仓的安全。煤炭在从煤矿中被开采时以及在之后的转运、储存的过程中，大量瓦斯气体被煤炭吸附，在煤体结构的破坏、温度升高以及外界压力减小等诸多因素的影响下，煤炭中已存储的瓦斯气体会被逐步从中释放出来，随着储存煤炭时间的增加，筒仓中将会出现瓦斯气体聚集的现象，当瓦斯气体的浓度超过爆炸临界点时，筒仓内部极易引发瓦斯爆炸事故。与此同时，煤炭也会出现氧化放热现象，封闭的筒仓散热过程缓慢，因此局部热量可能会不断地累积，使仓内温度不断上升，如果不能及时地监测到筒仓内温度的升高，可能发生煤炭自燃甚至爆炸。煤炭运输入、出筒仓会扬起大量煤粉，煤粉具有极高的可燃危险性及爆炸危险性，这是由于煤粉十分细，相对表面积很大，能吸附大量空气，时时刻刻进行氧化反应。缓慢的氧化放热使煤粉温度升高。如果散热条件不良，煤粉温度升高到一定程度后，极可能自燃爆炸。故煤粉也是筒仓危险因素之一。对于以储煤为主的筒仓来说，一旦发生事故，就有可能威胁到整个工厂的运行和安全。因此，建立基于控制器的筒仓智能安全预警系统十分有必要。
基于控制器的筒仓安全预警系统的主要任务是保证筒仓的安全稳定运行。可编程逻辑控制器，简称为PLC（Programmable Logic Controller），是专门为在工业环境下控制的由数字运算控制而设计的电子系统[1]。可编程控制器具有非常多的优点，其主要的优点是可靠性高、通用性强，功能较为完善且易学易用，抗干扰能力强、配套硬件较为齐全，易改造、重量轻，能耗低[2]。
筒仓安全预警系统是要对筒仓内部的温度、烟雾、可燃性气体（CO、O2、CH4等气体）的浓度、煤炭的料位高度等相关参数进行数据检测，并将检测到的数据传送给控制器PLC，PLC再将得到的数据进行运算，并可以通过触摸屏进行显示，还可以将得到的数据通过以太网传送给上位机，利用上位机界面组态软件设计实时画面、实时监控数据等模块。当筒仓内部的实际温度上升过快时，或筒仓内的可燃性气体（CO、O2、CH4等气体）浓度上升超过预设值时，系统将报警。
2 故障预警算法设计
故障预警是对已采集到的数据内容进行分析与处理，据此预测未来可能会发生的故障，此过程需采集PLC收集到足够多的数据为支撑。
为了能够准确地预测筒仓安全预警系统中将要发生的故障，首先应当采集系统正常工作时各类参数作为参考值。具体采集数据方法是，当系统运行趋于稳定后，通过控制器重复采集整个监测系统采集到的数据，再将其平均值或者一周期内的平均值制作成曲线图或者图表，以此作为之后故障预警的参考基准值，或者绘制基准曲线。数据采集的周期可根据具体的情况确定。
数值比较方法就是将运行过程中采集到的数据与PLC 内对应的参考数据进行比较，若得出的偏差值超出一定范围或偏差按某个方向逐渐增大，则可以预测未来某环节将会出现故障的几率较大[3]。
曲线比较方法就是将运行过程中采集到的数据与PLC 内对应的参考基准曲线进行比较，如果偏差超过一定范围或偏差按某个方向逐渐增大，则可以预测未来某环节出现故障的几率较大[4]。
上述数据比较法和曲线比较法是基于连续重复生产过程所使用的故障预警方法，而筒仓安全预警系统是一个实时监测系统，无法建立参考曲线。因而筒仓安全预警系统所采用的预测方法需要在上述故障预测方法的基础上进行相应的改进。具体方法如下。
假设温度采集模块所采集到的数据为X1、X2、X3、…Xi，则：
Y1=（X2-X1）/Δt
Y2=（X3-X2）/Δt
…
Yi-1=（Xi-Xi-1）/Δt
得到的Y1～Yi即是随时间而变化的温度的变化率。此时我们可以设定一个最大温度变化率Ymax，该参数为正常运行状态下最大的温度变化率，一旦Yi>Ymax，则说明煤仓内正在发生非正常变化，未来发生原煤自燃、爆炸等事故的可能性较大，应及时对储存的原煤进行检查，或采取应急措施，故障预警算法流程图如图1所示。
3 输入信号滤波
筒仓安全预警系统所采用的故障预测算法是以瞬时的历史数据作为瞬时参考值，以此来满足系统实时监测的要求[5]。因此，瞬时产生的干扰信号会对事故预测系统产生严重的影响，甚至会使警报装置误动作，影响正常的生产生活。
在存煤筒仓特殊的生产环境中，PLC被强电设备和弱电设备包围，这导致了PLC采集到的数据波动、失真。同时，由于干扰信号具有随机性和复杂性的特性，对控制系统产生负面影响很大。如果从硬件角度入手，则会增加成本，该文从软件角度入手，采用编程的方法实现滤波。
基本的滤波控制只是把几个采样值进行简单的取平均处理，但是有时造成不必要的偏差，而且不方便调试。传统的滤波方法有算术平均滤波法、中值滤波法、递推平均滤波法，该文采取的滤波方法是对各种滤波方法的综合应用，对于随时可能发生的阶跃干扰信号起到了很好的滤波效果。
3.1 开关量输入信号滤波
存储煤炭的筒仓内部是高粉尘、高温度的环境，所以采集数据的环境十分恶劣，为了减少环境因素对采样数据的干扰，需要消除或削弱一些非周期的随机信号，消除方法是采取数字滤波，通过输入继电器（I）来完成开关量信号的采样，然而输入继电器本身没有滤波的功能，但可以通过编写相应的程序，将相应干扰信号在程序中加以处理，以获得准确、真实的信号[6]。
实质上，开关量输入信号滤波的过程是对输入信号再次确认的过程，若采样的开关量数据再次确认为1，则控制系统中就将采用，否则就将该数据遗弃。开关量滤波表如表1 所示。
正常运行状态，I0.0为0，可知此时M1.0不动作，由于M1.0不动作，则Q0.0输出0，即滤波结果为0。若I0.0为1，M1.0为1；下一周期，若I0.0信号为1，则Q0.0被置位为1，若I0.0为0，则尽管M1.0为1，Q0.0页不会置位。这样就对开关量信号I0.0的阶跃干扰起到滤波作用。正常运行状态时，I0.0为1，则M1.0为1，即Q0.0为1，若某一周期内I0.0的输入变为0，执行循环第一步，I0.0为0，M1.0置1，滤波结果Q0.0为1，第二步，M1.0置1断开不执行复位，第三步I0.0为0，故M1.0置0；下个周期，如果I0.0仍然为0，则Q0.0则会在第二步中复位，若I0.0变为1，則Q0.0将继续保持1的状态，这样，系统将对滤波的负向信号起到滤波的作用。
3.2 模拟量信号滤波程序
由于存煤筒仓工作环境恶劣，因此，在模拟量信号的采集过程中，温度、压力等电流值信号常会因为瞬时脉冲干扰而产生较大的波动。再加上筒仓安全预警系统采用了故障预测算法，瞬时干扰信号将对筒仓安全预警系统产生较大影响，影响到整个系统的运行安全，甚至引起警报装置误动作。
目前，较为成熟的模拟量滤波方法有中位值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法。
中位值滤波法的基本方法是：设一组数，X1，X2，…，Xn，把这n个数按值的大小排列；Xi1 ， 这种滤波方法能够有效地克服因偶然因素引起的干扰，对温度等变化缓慢的被测量参数有非常好的滤波效果，但不适用于变化速度较快的被测量。 算术平均滤波法，是连续取n个采样值进行算术平均运算，设一组数G1，G2，…，Gn，那么经过平均滤波处理的采样输出为： 算术平均滤波法适用于具有随时干扰信号的滤波，这种信号的特点是信号在给定的一个平均值上下波动，但缺点是不适用于测量数据变化速度较慢或者是要求数据计算的速度较快的实时监控系统[7]。 递推平均滤波法，把连续n个采样数据作为一个队列，每次采样到新的数据后就把这个数据放入队尾，并且扔掉原来队首的一次数据，把n个数据进行平均运算，即可以得到滤波后的数据。 这种滤波方法对于周期性的干扰有很好的抑制作用，该方法适用于高频振荡系统。但是其缺点是系统的灵敏度较低，不能很好地抑制偶然出现的脉冲干扰信号。 在结合筒仓安全预警系统实时性要求高、偶然性强的特点后，综合了以上几种滤波方法的特点，得到了一种适合筒仓安全预警系统的新的滤波方法。即每次采到一个新数据后，会将其放到数据队列的尾部，并扔掉队首的数据，然后判断一个最大值和一个最小值并剔除，最后计算n-2个数据的平均值，结合现场情况，我们将n的取值选为5，具体算法如下： 其中Yn为第n次滤波输出；Xn-i为没有进行滤波的n-i 次的采样值：Xmax为数据队列中的最大值；Xmin为数据队列中的最小值。这种滤波方法不仅结合了算术平均值滤波算法、中位值滤波算法，还有递推平均值滤波算法，这种滤波方法能够克服偶然因素引起的波动干扰，对周期性干扰也有较好的抑制作用，非常适合筒仓安全预警系统。 4 结语 为了适应筒仓安全预警系统的实时性，该文在数据比较法和曲线比较法的基础上提出了新的故障预测算法，即随时间计算待测物理量的变化率Yi，并设定一个最大变化率 Ymax，一旦Yi>Ymax，则需要报警。为了提高预警系统的抗干扰能力，该文提出了对输入信号再次确认的算法对开关量输入信号进行滤波，同时综合应用传统滤波法，提出了新的算法对模拟量输入信号进行滤波，即每次采到一个新数据后，会将其放到数据队列的尾部，并扔掉队首的数据，然后判断一个最大值和一个最小值并剔除，最后计算n-2个数据的平均值，这种算法对于随时可能发生的阶跃干扰信号起到了很好的滤波效果。 参考文献 [1]M Uzam.PLC with PTCI6F648A Microcontroller[J].Electronics World，2010（1891）：40. [2]杨剑锋，芦国君.充分利用PLC功能滤波温度数值跳变[J].民营科技，2013（6）：68. [3]朱延钊.PLC输入信号的滤波方法[J].信息化研究，2006（10）：79-80. [4]陆吉斌.通用中位值平均滤波法PLC程序的设计与实现[J].计算机光盘软件与应用，2012（5）：63-64. [5]张永艳.PLC输入信号软件滤波的探讨与应用[J].包钢科技，2012（11）：201-202. [6]陈伟.数字滤波技术在PLC中的应用[J].成组技术与生产现代化，2009（4）：52-55. [7]于涛.信号滤波在PLC控制系统的应用[J].微计算机信息，2010（25）：96-97.
