一种模糊控制装置及包括模糊控制装置的循环冷却水系统
技术领域
本实用新型涉及钢铁冶金设备技术领域，尤其涉及一种模糊控制装置及包括模糊控制装置的循环冷却水系统。
背景技术
在钢铁厂的各个工序段都配有循环水泵站，用于产线设备和工艺冷却。由于循环水经过生产冷却环节后温度升高，需要通过冷却塔风机降温，确保供水温度不超过上限值，否则会影响生产稳定甚至事故停车。一般地，循环水泵站配备有数台冷却塔风机，为了节省资金费用，减少故障发生，冷却塔风机都设计为工频电机拖动，无法进行频率调节，即单台风机的冷却能力恒定无法动态调整。因此，可调整的冷却变量是风机的开启数量：当检测到供水温度上升到一定阶段时，就需要开启风机；当检测到现有的风机冷却能力不足时，需要增加风机的开启台数；当检测到现有的冷却能力过剩时，就需要减少风机开启台数，避免电能浪费。
目前对于风机启停控制没有统一的定量细化标准，通常依靠操作工的个人经验和习惯，由于没有细化标准，不同的人在应对相同的情况可能有不同的控制方案。一般来说，为了避免可能存在的生产线过热和频繁启停造成的电气故障，现场人员通常采用尽量多开以确保供水温度符合生产需求，如此导致耗费更多的电能。但在目前随着企业越来越注重节能环保和成本控制，一方面要求减少电能使用，另一方面又要更加精确的调节冷却塔风机的运行台数，避免频繁启停带来的电气故障。因此，如何解决依靠个人经验控制风机启停的不确定性，实现风机启停的精确控制，既能减少电能浪费，又能避免设备频繁启停产生的设备故障，是目前亟需解决的一个问题。
实用新型内容
本实用新型提供了一种模糊控制装置及包括模糊控制装置的循环冷却水系统，以解决或者部分解决依靠人工判断控制风机启停无法兼顾节省能耗和减少风机频繁启停产生设备故障的技术问题。
为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种模糊控制装置，应用于包含 N台风机的循环冷却水系统，N大于等于2且为正整数；模糊控制装置包括：温度获取单元、判断单元、第一计算单元、模糊控制单元和风机控制单元；
温度获取单元的输出端与判断单元的输入端连接，判断单元的输出端分别与第一计算单元的输入端和风机控制单元的输入端连接，第一计算单元的输出端与模糊控制单元的输入端连接，模糊控制单元的输出端与风机控制单元的输入端连接；
温度获取单元连续获取冷却水的供水温度T传输给判断单元；判断单元判断供水温度T与第一预设温度T1和第二预设温度T2的大小关系；
当判断单元判断供水温度T在第一预设温度T1和第二预设温度T2之间时，第一计算单元计算冷却水的温度变量并传输给模糊控制单元；模糊控制单元根据冷却水的温度变量进行模糊推理，输出运行风机数量U传输给风机控制单元，其中0≤U≤N；风机控制单元根据运行风机数量U，开启或关闭风机。
可选的，模糊控制装置还包括第二计算单元，第二计算单元的输入端与第一计算单元的输出端相连，输出端与模糊控制单元的输入端相连。
进一步的，第一计算单元包括减法器，第二计算单元包括微分器。
如上述的技术方案，模糊控制装置还包括风机选择单元；
风机选择单元连接在模糊控制单元和风机控制单元之间；
风机选择单元根据运行风机数量U和全部风机的运行参数，确定拟开启或拟关闭的风机；风机控制单元根据风机选择单元确定的拟开启或拟关闭的风机，控制对应的风机开启或关闭。
进一步的，模糊控制装置还包括风机监测单元，监测全部风机的运行参数；风机监测单元的输出端连接风机选择单元的输入端。
如上述的技术方案，温度获取单元包括温度传感器组件和信号转换组件。
本新型还提供了一种循环冷却水系统，包括N台风机，以及如上述技术方案中任意一种模糊控制装置，N大于等于2且为正整数。
通过本实用新型的一个或者多个技术方案，本实用新型具有以下有益效果或者优点：
本新型提供了一种应用于具有多个冷却风机的循环冷却水系统的模糊控制装置，以冷却水的温度变量作为模糊控制单元的输入，经过模糊推理输出运行风机数量U，据此控制冷却风机的启停。由于风机运行数量-供水温度的显著非线性关系和滞后性，因此与原先的仅靠个人经验和习惯的充满不确定因素的人工控制相比，使用上述的模糊控制装置能够建立一套科学合理的风机启停控制标准，实现了定量、精准的根据实时检测的温度变量调整风机运行数量，解决了因为个人控制经验的差异产生的风机运行台数不足或过剩，或者风机频繁启停的问题，既能减少不必要的能源耗费，又能避免频繁启停风机可能产生的设备故障。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的循环冷却水系统的模糊控制装置的结构图；
图2为本实用新型实施例提供的增加了第二计算单元循环冷却水系统的模糊控制装置的结构图；
图3为本实用新型实施例提供的增加了第二计算单元、风机选择单元和风机监测单元的循环冷却水系统的模糊控制装置的结构图；
附图标记说明：
1、温度获取单元；2、判断单元；3、第一计算单元；4、模糊控制单元；5、风机控制单元；6、第二计算单元；7、风机选择单元；8、风机监测单元。
具体实施方式
为了使本实用新型所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本实用新型，下面结合附图，通过具体实施例对本实用新型技术方案作详细描述。
通常来说，水温高的时候开启更多的冷却风机，水温低的时候关闭部分冷却风机，是最基础的控制经验，但具体到如何定量精细的根据水温启停风机，则无法通过精确控制方法实现，这是由于启停冷却风机影响供水温度的变化，具有显著的非线性和大延迟性，无法获取足够精确的参数建立精确控制的数学模型。而以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的模糊控制方法，是一种从行为上模仿人的模糊推理和决策过程的一种智能控制方法，适用于非线性的控制领域。在本新型中，申请人将模糊控制方法应用到冷却循环水系统中的风机控制，提出如下的适用于控制复数台冷却风机的启停的模糊控制装置。
在一个可选的实施例中，参见图1，本实用新型实施例提供了一种模糊控制装置，应用于包含N台风机的循环冷却水系统，N大于等于2且为正整数；模糊控制装置包括：温度获取单元1、判断单元2、第一计算单元3、模糊控制单元4和风机控制单元5；
温度获取单元1的输出端与判断单元2的输入端连接，判断单元2的输出端分别与第一计算单元3的输入端和风机控制单元5的输入端连接，第一计算单元3的输出端与模糊控制单元4的输入端连接，模糊控制单元4的输出端与风机控制单元5的输入端连接；
温度获取单元1连续获取冷却水的供水温度T传输给判断单元2；判断单元2判断供水温度T与第一预设温度T1和第二预设温度T2的大小关系；
其中，判断单元2的具体功能如下：
若水温T低于第一预设温度T1，输出“运行风机数量U＝0”的信号至风机控制单元5，以使风机控制单元5关闭所有风机；若水温T高于第二预设温度 T2，输出“运行风机数量U＝N”的信号至风机控制单元5，以使风机控制单元5 开启所有风机；若水温T在第一预设温度T1和第二预设温度T2之间，启动第一计算单元3和模糊控制单元4；其中T2＞T1。
当判断单元2判断出供水温度T在第一预设温度T1和第二预设温度T2 之间时，第一计算单元3计算冷却水的温度变量并传输给模糊控制单元4；模糊控制单元4根据冷却水的温度变量进行模糊推理，输出运行风机数量U传输给风机控制单元5，其中0≤U≤N；风机控制单元5根据运行风机数量U，开启或关闭风机。
第一预设温度T1是启动一台冷却风机的最低供水温度，说明如果供水温度低于T1，所有风机应当是关闭状态；第二预设温度T2是风机全开的最低供水温度，当供水温度超过T2时，所有风机必须全部开启；当供水温度处于T1 和T2之间时，模糊控制单元4启用，根据第一计算单元3计算得到的温度变量作为模糊控制的输入变量，通过模糊控制单元4中的模糊控制规则推理，输出冷却风机的运行台数。可选的，温度获取单元1包括温度传感器组件和信号转换组件，信号转换组件用于将温度传感器获得的温度信号转化为温度数值供判断单元2使用。
本新型提供了一种应用于具有多个冷却风机的循环冷却水系统的模糊控制装置，以冷却水的温度变量作为模糊控制单元的输入，经过模糊推理输出运行风机数量U，据此控制冷却风机的启停。由于风机运行数量-供水温度的显著非线性关系和滞后性，因此与原先的仅靠个人经验和习惯的充满不确定因素的人工控制相比，使用上述的模糊控制装置能够建立一套科学合理的风机启停控制标准，实现了定量、精准的根据实时检测的温度变量调整风机运行数量，解决了因为个人控制经验的差异产生的风机运行台数不足或过剩，或者风机频繁启停的问题，既能减少不必要的能源耗费，又能避免频繁启停风机可能产生的设备故障，还减少了操作人员的工作量，提高了工作效率。
可选的，作为模糊输入量的温度变量包括温度偏差E和温度偏差-时间变化率Ec。在这里，温度偏差E是必须输入的模糊输入变量，而选择温度偏差- 时间变化率Ec作为第二个可选的模糊输入变量，是由于温度偏差-时间变化率的零语言值的隶属函数较平缓，而其他变量隶属函数较尖。隶属函数的曲线形状较尖，分辨率更高，那么输入变量的变化引起的输出量的变化比较剧烈；而隶属函数的曲线形状平缓，则对应的输出量的变化比较平稳，控制特性比较平缓，具有更好的系统稳定性，更适用于本申请中的冷却风机启停控制。
在一个可选的实施例中，参见图2，模糊控制装置还包括第二计算单元6，第二计算单元6的输入端与第一计算单元3的输出端相连，输出端与模糊控制单元4的输入端相连；
第一计算单元3包括减法器，用于计算温度偏差E＝T2-T；第二计算单元6 包括微分器，用于计算温度偏差-时间变化率Ec＝d(T2-T)/dt。
基于前述实施例相同的实施原理，在一些可选的实施例中，参见图3，模糊控制装置还包括风机选择单元7；风机选择单元7连接在模糊控制单元4和风机控制单元5之间；
风机选择单元7根据运行风机数量U和全部风机的运行参数，确定拟开启或拟关闭的风机；风机控制单元5根据风机选择单元7确定的拟开启或拟关闭的风机，控制对应的风机开启或关闭。
可选的，模糊控制装置还包括风机监测单元8，监测全部风机的运行参数；风机监测单元8的输出端连接风机选择单元7的输入端。
风机选择单元7是根据风机监测单元8实时监测的风机运行参数，综合判断并选择需要优先开启哪些风机，或优先关闭哪些风机。风机的运行参数包括：当前风机的累积运行时间、当前风机的故障次数、当前风机的工作温度中的至少一种。
例如，风机选择单元7按照累积运行时间，和/或故障次数升序的顺序确定拟开启的风机；可以按照故障次数，或累积运行时间，或工作温度的降序顺序，确定拟关闭的风机。
具体来说，根据模糊控制单元4输出的风机开启数量和当前已开启的风机数量进行比较，当确定需要开启新的风机时，优选累积运行时间短，或者故障次数少的风机开启，以提高风机设备的运行稳定性。同理，当确定需要关闭一部分风机时，优选关闭故障次数最多的风机，或者关闭累积运行时间最长的风机，或者关闭风机工作温度最高的风机。可选的，故障次数作为风机关闭的首要考虑因素，其次是风机运行温度，再次是累积运行时间。风机选择单元7在选择风机的时候，还可以将因为故障等原因无法启停的风机，在冷却水控制系统中输出报警信息。
接下来具体说明本申请中的应用到循环水泵站中的模糊控制装置的过程，在这里，模糊控制单元4使用了3个模糊变量，其中输入变量是温度偏差E和温度偏差-时间变化率Ec，输出变量是风机运行台数U。
(1)输入变量模糊化
检测供水温度T，当T1≤T≤T2时启动模糊控制单元4，温度偏差E＝T2-T，其物理论域为[0，T2-T1]，其中T1为需要开启风机降温的起始水温，一般根据经验进行确定，T2为供水温度要求上限。温度偏差E的模糊论域设定为[0,3]；
温度偏差-时间变化率Ec的物理论域为[-Tcmax,Tcmax]，其中Tcmax是风机全部开启时的供水温度偏差-时间变化率，对应的模糊论域设定为[-3,3]；
风机运行台数物理论域为[0,N],其中N为风机台数；模糊论域一般与物理论域相同，下面内容中按4台进行分析。
(2)确定隶属函数
根据设定的温度偏差E的模糊论域，确定E的隶属函数如表1所示：
表1：温度偏差E的隶属函数
在上表中，表1第一列的语言值是温度偏差E的语言变量，表1第一行是温度偏差E的模糊论域取值，表1中间的数值是相应的隶属度取值。
根据设定的温度偏差-时间变化率Ec的模糊论域，确定Ec的隶属函数如表2所示：
表2：温度偏差-时间变化率Ec的隶属函数
根据设定的风机运行台数U的模糊论域，确定U的隶属函数如表3所示：
表3：风机运行台数U的隶属函数
(3)确定模糊规则控制表
模糊规则控制表是存储在模糊控制单元4中的核心规则表，是将现场控制经验结合专家知识总结得到的模糊控制规则，模糊控制表中的模糊控制规则可采用if…then…进行表述：if E is Ei and Ec is Ecj then U is Uij。
表4：模糊控制规则表
在确定了上述的表1～表4以后，就可以根据输入的温度偏差E和温度偏差-时间变化率Ec，获得风机运行台数U的输出：首先将温度偏差E和温度偏差-时间变化率Ec的精确输入量模糊化，然后分别确定E的语言值和Ec的语言值，接着根据表4，推理输出U的语言值，最后将U的语言值去模糊化后获得U的精确值，即输出风机运行台数的具体值至风机控制单元5或风机选择单元7，实现风机的启停操作。
在实际使用中，为了方便程序控制，建立了模糊控制查询表，如表5所示，在确定了E和Ec的模糊输入值后，可以通过表5查询出风机运行台数U的数量。
表5：模糊查询控制表
接下来以具体数据进行说明：某循环水泵站冷却塔配备有4台工频冷却风机，冷却水每隔1小时循环一次。风机启动温度T1为28℃，供水温度上限T2 为33℃，即低于28℃时风机全停，高于33℃时风机全开；供水温度在28～33℃之间时，模糊控制装置启用。
(1)获取E和Ec的精确值
从温度获取单元1中获取当前的实际供水温差E，如当前实际供水温度为 T实际＝31℃，判断单元2确认T实际在T1和T2范围内，启动模糊控制单元4；
第一计算单元3计算出温度偏差的精确值E＝T2-T实际＝33℃-31℃＝2℃；
第二计算单元6计算出当前供水温度-时间变化率Ec＝1.5℃/小时。
(2)确定E和Ec的模糊输入值；
E的物理论域为[0,5℃]，在模糊控制单元4中将E的精确值转化至E的模糊论域[0,3]，四舍五入取整后确定E的模糊值为1，对应的语言值＝中；
已经确定，供水温度-时间变化率Ec的物理论域为[-2.5℃/小时,2.5℃/小时]，在模糊控制单元4中将Ec的精确值转化至Ec模糊论域[-3,3]内，同样四舍五入取整后确定Ec的模糊值为2，对应的Ec的语言值＝正小；
(3)确定U的输出值；
在确定了模糊输入值E＝1，Ec＝2以后，可以直接查询模糊控制单元4中的表5：模糊控制查询表，确定出需要运行的风机台数U＝3；如果没有表5，也可以根据E和Ec对应的语言值，在表4中推理出U的语言值，然后再对U去模糊化后得到精确值。
(4)控制风机的启停；
根据风机监测单元8获得各风机实际状态(累计运行时间，故障情况等)，风机选择单元7选择相应的3台风机，风机控制单元5控制对应的风机开启。
基于上述实施例的实施原理，本新型还提供了一种循环冷却水系统，包括 N台风机，以及如上述实施例中的任意一种模糊控制装置，N≥2且为正整数。
通过本实用新型的一个或者多个技术方案，本实用新型具有以下有益效果或者优点：
本新型提供了一种应用于具有多个冷却风机的循环冷却水系统的模糊控制装置，以冷却水的温度变量作为模糊控制单元的输入，经过模糊推理输出运行风机数量U，据此控制冷却风机的启停。由于风机运行数量-供水温度的显著非线性关系和滞后性，因此与原先的仅靠个人经验和习惯的充满不确定因素的人工控制相比，使用上述的模糊控制装置能够建立一套科学合理的风机启停控制标准，实现了定量、精准的根据实时检测的温度变量调整风机运行数量，解决了因为个人控制经验的差异产生的风机运行台数不足或过剩，或者风机频繁启停的问题，既能减少不必要的能源耗费，又能避免频繁启停风机可能产生的设备故障，还减少了操作人员的工作量，提高了工作效率。
尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
