（控制科学与工程专业论文）基于plc的碱溶液实时检测与控制系统.pdf

学位论文的主要创新点 一、采用多传感器数据融合技术，将三种检测装置的检测结果进行数 据融合，提高了检测数据的准确性、系统的动态性能和控制精度。 二、采用智能分程与非线性处理技术，由推理机构实现了检测信号的 平滑过渡、校核以及修正。 三、采用智能跟随、均匀与解耦控制技术，由推理机构实现了各槽液 位的跟随、均匀，又实现了液位与流量的解耦。 摘要 本文介绍了基于p l c 的碱溶液实时检测与控制系统。本项目是天津市是科 技计划项目，项目编号：0 9 z c k f s h 0 2 0 0 0 。碱溶液检测与控制是检测技术、信 息技术和自动控制技术有机结合的综合性科学技术。它主要的控制参数是碱溶液 的液位和浓度。本文以印染行业中的丝光机为例研究了碱溶液检测与控制系统中 碱溶液浓度和液位的检测和控制问题。文章通过介绍丝光机的相关知识，系统的 工艺和流程，碱溶液的浓度检测方法，同时依据实际需求研制了三种碱溶液浓度 检测装置，并建立了相应的数学模型，而后还以三槽连通为例分析，建立了溶液 液位控制系统的数学模型，对丝光机的碱溶液的检测与控制系统进行了设计和分 析。 根据实际要求，本控制系统采用以p l c + h m i 的控制方式，控制v l t 5 0 0 0 系 列变频器实现电动机变频调速。为实现多传感器数据的融合，检测信号的平滑过 渡，数据校核，曲线修正，各个液槽的液位跟随、动态和稳态过程中各槽液位的 均匀以及液位和流量之间的解耦控制等，采用了多传感器数据融合、分程和非线 性控制以及跟随、均匀和解耦的智能控制算法，同时还考虑了温度补偿控制。这 些控制算法均由p l c 相关程序实现。该系统已经在生产现场运行，实现智能控制， 浓度控制精度为0 5 9 l ，比市售系统的精度提高了四倍；动态过程中l 群碱槽和调 整槽的液位波动在设定范围内( 5 m m ) ，为企业在节能减排方面取得了明显的 经济效益和社会效益。 关键词：浓碱浓度；p l c ；数据融合；智能分程和非线性；跟随、均匀与解耦 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ea 墩a l is o l u t i o nr e a lt i m ed e t e c t i o na n dc o n t r o ls y s t e m b a s e do np l c t h i sp r o j e c ti sas c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c to ft i a n j i n , i t e m n u m b e r ：0 9 z c k f s h 0 2 0 0 0 d e t e c t i o na n dc o n t r o lo fa l k a l is o l u t i o ni sa no r g a n i c s y n t h e s i sa b o u tt h ed e t e c t i o nt e c h n o l o g y , t h e i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h e a u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g y , e m e r g i n gi n t e rd i s c i p l i n ec o m p r e h e n s i v es c i e n c ea n d t e c h n o l o g y t h ep r i m a r yc o n t r o lp a r a m e t e ri st h el i q u i dl e v e la n dc o n c e n t r a t i o no f a l k a l is o l u t i o n t h i sa r t i c l es t u d i e dd e t e c t i o na n dc o n t r o la b o u tc o n c e n t r a t i o na n d l i q u i dl e v e lo f t h ea l k a l is o l u t i o nb ym e r c e r i z e dm a c h i n e sw h i c ha r eu s e di np r i n t i n g a n dd y e i n gi n d u s t r y t oa n a l y z ea n dd e s i g nt h ea l k a l is o l u t i o nd e t e c t i o na n dc o n t r o l s y s t e m o fm e r c e r i z i n gm a c h i n e ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h e k n o w l e d g e a b o u t m e r c e r i z i n gm a c h i n e ，t h et e c h n o l o g ya n dp r o c e s s e so ft h es y s t e m ，t h ed e t e c t i o n m e t h o d sf o ra l k a l is o l u t i o nc o n c e n t r a t i o n ，d e v e l o p st h r e ek i n d so fd e t e c t i o nd e v i c ef o r a l k a l is o l u t i o nc o n c e n t r a t i o n ，a n df o r m st h ec o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n d a n a l y s e sa n df o r m sm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ea l k a l is o l u t i o n l e v e lc o n t r o ls y s t e m b yt h et h r e ec o n n e c t i v i t ys l o t s d e p e n d i n go nt h ea c t u a lr e q u i r e m e n t s ，t h ec o n t r o lm o d eo fp l c + h m ii s a p p l i e dt ot h ec o n t r o ls y s t e mt om a k ev l t 5 0 0 0 i n v e r t e rt om o d u l a t et h ee l e c t r o n i c m o t o rv e l o c i t y t or e a l i z et h em u l t i - s e n s o rd a t af u s i o 玛s m o o t ht r a n s i t i o no fd e t e c t i o n s i g n a l ，d a t ac h e c k i n g ，c u r v e sc o r r e c t i o n ，f o l l o wo fe a c ht a n k sl e v e l ，t h eu n i f o r mo f e a c ht a n sl e v e la n dt h ed e c o u p l i n gc o n t r o lb e t w e e nl e v e la n df l o wi nt h ep r o c e s s i n g o fd y n a m i ca n d s t e a d y - s t a t e ，a l g o r i t h m s o fm u l t i s e n s o rd a t a f u s i o n ，s p l i t s u b - p r o c e s s e sa n dn o n l i n e a rc o n t r o l ，a n df o l l o w , u n i f o r ma n dd e c o u p l i n gc o n t r o la r e a p p l i e d t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nc o n t r o li sa l s ot a k e ni n t oa c c o u n t t h e s ec o n t r o l a l g o r i t h m sa r er e a l i z e db yp l cp r o c e d u r e s t h es y s t e mh a sb e e nr u n n i n ga tt h e p r o d u c t i o ns i t e ，t h ec o n t r o la c c u r a c yo fc o n c e n t r a t i o ni s 却5 9 1 c o m p a r i n gw i t ht h e s i m i l a rs y s t e m so nt h em a r k e t ，i t sa c c u r a c yi n c r e a s e sf o u r - f o l d t h el e v e lf l u c t u a t i o n s o f1 撑a l k a l is l o ta n dt h ea d j u s ts l o ta r eu n d e rt h es e t ( 5 m m ) ，a n dt h ee n t e r p r i s e s a c h i e v e dr e m a r k a b l ee c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t si nt h ef i e l do f e n e r g y 鼢v i n g k e yw o r d s ：c o n c e n t r a t i o no fc o n c e n t r a t e da l k a l i ；p l c ；d a t af u s i o n ；i n t e l l i g e n c es p l i t a n dn o n - l i n e a r ；f o l l o w , u n i f o r m i t ya n dd e c o u p l i n g 目录 第一章绪论j 1 1 1 课题来源l 1 2 课题研究背景1 1 3 印染行业国内外现状2 1 3 1 我国印染业当前状况2 1 3 2 国外印染业当前状况一3 1 4 丝光相关知识3 1 4 1 丝光工艺知识3 1 4 2 丝光机类别和介绍4 1 5 智能控制简介5 1 5 1 学习控制系统一6 1 5 2 专家控制系统6 1 5 3 模糊控制系统7 1 5 4 神经网络控制系统7 1 5 5 分级递阶智能控制系统7 第二章系统工艺流程及要求9 2 1 1 群碱槽、2 群碱槽以及变频自吸循环泵1 0 2 2 过滤箱、转鼓、转鼓电机和变频自吸过滤泵1 0 2 3 调整槽溶液来源1 0 2 4 检测槽1 l 第三章碱溶液实时检测与控制系统分析与建模1 3 3 1 浓碱浓度控制系统分析与建模1 3 3 1 1 碱溶液浓度测量方法介绍1 4 3 1 2 系统输入信号、输出信号、检测信号和扰动信号1 5 3 1 3 碱溶液浓度控制系统采用的三种检测装置1 5 3 2 碱溶液的液位控制系统分析与建模1 8 第四章碱溶液实时检测与控制系统硬件设计2 l 4 1p l c 介绍2 2 4 1 1 概述2 2 4 1 2p l c 基本结构2 3 4 1 3p l c 工作原理2 5 4 1 4p l c 系统的快速性2 8 4 2 触摸屏。2 9 4 3 液位计3 0 4 4 阀门和泵一3 0 4 5 变频器3l 4 5 1 概述3l 4 5 2 丹佛斯v l t s 0 0 0 变频器3 3 第五章碱溶液实时检测与控制系统软件设计和算法3 5 5 1 触摸屏软件设计3 5 5 1 1 组态软件介绍3 5 5 1 2h i t e c hp w s 6 8 0 0 编程软件a d p 6 3 6 5 1 3h i t e c hp w s 6 8 0 0 编程设计3 6 5 2 p l c 程序设计一3 9 5 2 1p l c 的五种编程语言及特点3 9 5 2 2 欧姆龙c x p r o g r a m m e r 7 0 编程软件4 0 5 2 3p l c 程序编程结构4 0 5 2 4 系统p l c 程序设计4 0 5 3 系统采用的智能控制算法4 4 5 3 1多传感器数据融合4 4 5 3 2 分程控制和非线性处理4 5 5 3 3 跟随、均匀与解耦控制：4 5 第六章结论4 7 参考文献4 9 发表论文及参加科研情况5 l 致谢5 3 h 第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题是国家科技部第一批产业技术创新联盟项目授予的子课题，也是天津 市科技计划项目的子课题，项目编号0 9 z c k f s h 0 2 0 0 0 。研究内容主要是了解和 参考国内外的研究情况，给出合适的碱溶液浓度与液位在线检测与自动配碱控制 系统。 。 1 2 课题研究背景 中国早已成为世界上第一纺织大国，世界纺织服装的制造中心。随着国家的 经济腾飞和科技进步，新材料、新工艺及新设备的运用，作为传统支柱产业的纺 织染整工业，得到了快速、持续的发展。据权威部门统计，2 0 0 6 年，我国有2 3 7 2 家上规模印染企业，年印染产量4 3 0 3 0 亿米，已经达到世界上染整工业的最大生 产规模。同时，染整工业的经济情况良好，生产、销售和利润持续增长。但实际 上，总体来说，我国的纺织行业还处在初级发展阶段，仍存在较多问题：生产加 工能力增长迅猛，但产品档次和附加值均比较低；生产技术水品较低，产品缺乏 核心竞争力；重视产品色彩，忽视了对环境的危害；染整技术装备有一定提高， 但在新设备开发方面与国外仍有较大差距，总体水平有待提高j 。 纺织品在承受一定的张力的状态下，借助于浓烧碱的作用以获得丝一般的光 泽，称作为丝光【2 1 。丝光处理是染整加工针对纤维或织物进行的重要工序之一。 它能够提高织物印染产品的光泽、稳定织物尺寸、利于染料的吸收以及降低织物 缩水率等。染色前，大多数的织物都要经过丝光工艺进行处理。碱溶液的浓度对 纤维或织物的影响较大。棉纤维进行丝光处理时，碱溶液的浓度对其膨化收缩的 影响作用就比较明显，当碱溶液浓度d x 2 0 时，其膨化率就会降低，丝光效果不 明显；当碱溶液浓度大于2 5 时，其膨化率也会降低，这是因为碱溶液粘度增大， 影响了碱溶液的渗透【3 】。与此同时，织物和纤维进行丝光处理时，碱槽中碱溶液 的浓度会逐渐降低，这是因为织物和纤维存在吸附作用，会带走大量的烧碱，所 以在连续生产中，我们需要对设备不断补充规定浓度的浓碱溶液，并对用于丝光 处理的碱溶液的浓度进行在线检测和实时控制，以达到良好、稳定的丝光效果。 染整的效率关系到印染企业能否充分发挥其应有的生产能力以及持续取得 天津工业大学硕士学位论文 良好的经济效益。在这样的情况下，研究碱溶液检测控制一体化系统，对碱溶液 的浓度进行实时监测控制与在线配液，可以使浓碱浓度稳定在工艺要求的范围 内，有效保证印染生产工艺过程的稳定性，对提高产品质量、节省染化料、改善 劳动条件，有着重要意义。 1 3 印染行业国内外现状 印染是纺织生产过程中的关键工序。印染业在整个纺织产业链中，上接织造 业，下接服装行业。印染业的发展直接关系着其上游产业及下游产业的发展。 1 3 1 我国印染业当前状况 近些年，我国印染业取得一定的进步。我国染整工业通过自主研发、借鉴以 及引进国外先进技术等，陆续开发出了一系列染整设备，填补了多项国内空白。 国产纺织印染产品已经能够与国际市场接轨，产品结构上紧跟国际市场的需求。 印染长期制约国家纺织工业的现象得到缓解和改善，为我国纺织行业的发展奠定 新的基础。但现有的国产印染设备存在许多不足之处：电气传动、自控、计量和 在线检测、关键的部件等方面亟待提高。 我国的印染业与发达国家相比，其在信息、开发以及软硬件技术等好多方面 都存在较大差距。在印染装备方面表现的尤为突出：一，产品的开发缺乏创新； 二，传感器与检测技术、控制策略等方面与国外相比也有较大差距。国内目前一 般采用人工取样、化学滴定的方法对印染前处理设备碱溶液的浓度进行测量。这 种检测方法缺陷较多，容易出现后续染色工艺重现性差、次品率高的情况。出现 这一情况的原因在于：首先，生产现场环境恶劣，人工取样繁琐，限制了取样的 次数、以至于不能实现对碱溶液浓度的连续在线检测；其次，人为因素较多，测 量精度难以得到保证；再次，从碱溶液浓度测定到碱溶液浓度变为设定值的时间 太长，这段时间内碱溶液浓度会存在较大波动。还有些单位，采用稀释法检测碱 液。这种方法是在生产过程中，取一定比例的水，使浓碱液变稀。然后采用常规 p h 计，进行检测，很明显这种方法的系统误差较大，难以保证系统的检测与控制 精度。也有一些单位使用数字化的碱溶液浓度检测仪器，例如电磁浓度计、同位 素浓度计、折光仪等。但是目前使用的电磁浓度计只能检测浓度为8 以下的淡 碱溶液；同位素浓度计的价格较高且其考虑其安全性，其使用范围受限；折光仪 的价格过高且对现场的环境状况要求苛刻：其他类型的浓度计也存在各自的固有 问题，因而我们研制造价低、性能稳定、检测精度高、易于安装和维护的浓碱浓 度在线检测装置在我国的印染行业来说非常有必要。 2 第一章绪论 1 3 2 国9 1 c o 染业当前状况 现阶段，一些欧美国家及日本的印染装备自动化水平相当高。电气传动自动 化，生产过程自动化，工业系统管理自动化、机器人、机械手等都被应用于染整 生产过程之中。这些国外设备的发展方向是：高效、节能和减排；通过一机多用， 实现设备投资的减少和机器利用率的提高；低张力、高品质、设备能够适应多个 织物品种；配置微型计算机，自动化水平不断提高；运用新工艺、新技术。 染整时，工艺变量往往因自然或者人为的一些因素发生波动，进而偏离原工 艺设定值并产生误差。为实现染整过程的稳定操作，达到严格的工艺要求，我们 必须对生产过程实现自动控制，对其进行实时检测，进而消除误差使工艺变量达 到原设定值。 印染前处理的碱溶液控制系统方面，国外优秀的在线监控设备有：瑞士贝宁 格公司湿布热碱丝光系统嗍；瑞士l k r s t l 型碱浓溶液控制系统，该设备可由称重气 压传感器测量浓碱浓度【5 1 ；美国普林顿公p r i n c od e n s i t r o l 远传信号密度计，该设 备液体密度的测量和控制是通过一台采用质量平衡技术的在线液体密度计来实 现的。 1 4 丝光相关知识 丝光是印染工艺中的前处理工艺的工序之一，其效果影响着产品的质量，大 部分混纺织物和棉在进行染色和印花加工之前都得经过丝光处理。一般情况下， 丝光是指织物在受到定量张力的情况下，为达到改善纤维性能的目的，用浓碱或 者是其他化学制剂对织物进行处理，以改变织物的结构和形态。现在的丝光工艺 效果要求较多：织物染料上染均匀，织物表面色泽改善，手感良好，加工重现性 良好，织物尺寸稳定、褶皱和弓纬的改善，门幅收缩量最小，残余收缩量低；烧 碱耗量降低，淡碱回收蒸发量减低。 1 4 1 丝光工艺知识 丝光效果因丝光工艺条件的变化而变化。通常情况下影响丝光作用效果的因 素有：碱溶液的浓度、温度、作用时间，丝光过程中的张力以及丝光工艺之后的 去碱等。 1 ) 浓度 碱溶液的浓度是影响丝光效果的主要因素。综合考虑各种因素，棉布丝光时 碱溶液浓度一般控制在2 0 0 2 8 0 9 1 。对于丝光要求不太严格的织物品种可采用在 3 天津工业大学硕士学位论文 1 5 0 - 1 8 0 9 l 的碱溶液进行处理。企业生产过程中，我们可以根据织物的品级、品 质、组织规格以及所要达到的性能指标和质量来确定所需丝光碱溶液的浓度。 2 ) 温度 碱溶液浓度相同的条件下，碱液温度的升高，会降低丝光效果。丝光方法普 遍采用低温丝光或者是室温丝光。然而低温丝光和室温丝光有很大的缺陷，其丝 光均匀性比较差。低温情况下棉纤维溶胀较好，但与此同时，碱溶液的温度低、 粘度大，膨化溶胀后的棉纤维截面积增大，空隙减少，进而导致碱溶液不易渗入 棉纤维的内部，膨化溶胀不均匀，形成的丝光“不匀又不透”。后来，热碱丝光 理论产生了，其主要观点是：热碱不能引起棉纤维足够的膨化，但能减低碱溶液 的粘度，进而促进碱溶液快速、均匀地渗透到织物纤维结构的内部，于是，先浸 热碱后轧冷碱的二步法丝光工艺诞生了【6 】。 3 ) 张力 织物在丝光过程中会产生收缩，因此浸轧浓碱时应该在适当的方向施加张 力，以防止收缩，进而获得较好的光泽。要适当控制张力，因为张力还影响着染 色性能，织物的缩水率。实际生产中，通过控制丝光后落布门幅和伸长率来控制 丝光的张力。 4 ) 作用时间 丝光时，需要花一定的时间使碱溶液能够均匀、充分地渗透到纤维内部，进 而与纤维大分子作用。这一时间的长短由织物的结构、碱溶液浓度、温度等因素 决定。碱溶液浓度和温度较低时，可以适当延长作用时间。目前，企业生产过程 丝光工艺的碱作用时间为3 0 3 5 s ，作用时间可根据织物的厚度、重量以及具体的 丝光工艺、设备进行适当调整。 。 5 ) 去碱 丝光后的去碱很大程度上影响着织物的定型纬向缩水率。碱纤维素在保持张 力的前提下，通过洗涤去碱，使织物上碱含量降低到6 7 以下，这时碱纤维素 不再回缩，而后纬向张力松弛，洗净余碱，最终定形。 1 4 2 丝光机类别和介绍 丝光机主要有机织物丝光机、针织物丝光机和纱线丝光机三类。而机织物丝 光机主要有布铗丝光联合机、直辊丝光联合机、混合型丝光机。 1 ) 布铗丝光联合机 布铗丝光联合机是一种被广泛应用的丝光设备，其主要特点是扩幅性能良 好、经向张力和扩副范围可测。经布铗丝光机丝光处理后的织物光泽鲜艳、缩水 率较低，能够满足生产质量要求。但是，它也有一些缺点，比如消耗能源较多， 4 第一章绪论 噪声大，容易产生脱铗、破边、铗子印等；代表机型有：5 4 型布铗丝光机，l m a l 4 2 型和l m a l 2 5 型高速丝光机 7 1 。， 2 ) 直辊丝光联合机 直辊丝光联合机通过将平幅织物包绕在多只直辊上来对织物进行浸轧烧碱 溶液和冲洗去碱。与布铗丝光机相比，直辊丝光机的简单结构，使得操作方便， 但其浸碱时间较长，丝光均匀，不会有破边产生。但其扩幅效果较差，因为直辊 丝光机没有纬向扩幅装置和功能。代表机型有：荷兰布鲁格曼x - x 型高速直辊丝 光机，瑞士贝宁格直辊丝光机，德国高尔乐公司的m m 型直辊丝光机【7 】。 3 ) 混合型丝光机 它主要使得直辊丝光机和布铗丝光机的优点结合起来。最大的特点是：织物 在丝光反应区里受到力n - r _ 处理，但它对织物门幅控制有缺陷。所以在直辊反应区 后增加布铗拉幅，使织物在拉幅区纬向处于全控制状态。这样可以使得织物收缩 明显减小，从而使织物在长度和幅宽方向都能达到稳定的尺寸要求。代表机型有： 瑞士贝宁格的达曼莎直辊丝光机，江苏宏源纺机股份有限公司的直辊+ 布铗型丝 光机【引。 1 5 智能控制简介 智能控制是在经典控制理论和现代控制控制理论基础上发展起来的一门新 的交叉前沿学科，是控制理论的高级阶段。智能控制主要应用于模型不确定、高 度非线性以及任务要求复杂的领域，比如：机器人系统、航天航空控制系统、计 算机集成制造系统、交通运输系统等。智能控制系统实际上就是一种能够实现某 种控制任务的智能系统【9 1 。其结构示意图如图1 1 所示： 图i - i 智能控制系统示意图 5 天津工业大学硕士学位论文 智能控制一般具有如下特点： ( 1 ) 方便实际应用，不需要精确的对象模型，按照对象的特征进行设计。 ( 2 ) 能够实现多项或离散事件的性能指标，通过在线组织、协调、修正、 寻优以及执行，以实现全局优化。 ( 3 ) 通过对经验的积累，知识的在线学习、分析判断和推理，实现自学习 和白适应，达到自主调整自己的结构、参数，并进行规划、决策和求解问题。 ( 4 ) 具有复合、多层次的信息处理结构，能够进行故障的检测、诊断、容 错以及重构。 智能控制的基本类型有：学习控制系统、专家控制系统、模糊控制系统、神 经网络控制系统以及分级递阶智能控制系统。 1 5 1 学习控制系统 学习控制始于2 0 世纪7 0 年代，是最早的智能控制研究领域。学习控制系统是 一个能够在其运行过程中逐步获得受控过程及环境的非预知信息，积累控制经 验，并在一定的评价标准下进行评估值、分类、决策，和不断改善系统品质的自 动控制系统【l 。它分为在线自学习系统和离线可训练系统，具有搜索、识别、记 忆和推理的功能。学习控制系统主要有三种研究方向：基于模式识别的学习控制、 基于迭代和重复的学习控制及基于神经网络机制的连接主义学习控制【l 。 1 5 2 专家控制系统 专家控制是将专家系统的设计规范和运行机制与传统的控制理论和技术相 结合而形成的实时控制系统的设计和实现方法。它主要是模拟、扩展“专家”的 思想和方法，并将常规的p i d 控制、自适应控制以及最小方差控制等各种方法结 合在一起，依据不同的情况采用对应的控制方法，实现对系统的控制，同时还具 有自动切换、故障诊断和报警的功能。专家控制系统的设计与实现存在两个问题： 第一，如何获取完备的领域知识；第二，知识表示方法需要变得简单有效，因为 知识一旦变多就会减缓系统的推理速度，进而影响系统的实时性。专家控制系统 不仅能够扩展传统控制系统的作用范围和功能、提高系统的控制品质，而且还能 够闭环控制传统方法难以控制的复杂系统。专家控制系统主要由数据库、知识库、 推理机、解释器及知识获取五个部分组成。它包括基于知识的专家控制系统、基 于模糊规则的专家控制系统、仿人智能控制系统和组合型专家控制系鲥1 2 】。 6 第一章绪论 1 5 3 模糊控制系统 英国人马丹尼最早提出模糊控制。近些年来，模糊控制发展迅速，应用于较 多领域，尤其是工业控制领域。对于模糊控制系统，给定一个输入，就可以得到 一个合适的输出。模糊控制以模糊集合论、模糊语言及模糊逻辑为基础，不依赖 控制对象的模型，无需知道输入与输出之间的数学逻辑关系，主要依靠模糊规则 以及隶属度函数，并模仿人的控制经验。模糊控制是专家控制的一个特例，也是 专家控制的前身。 1 5 4 神经网络控制系统 神经网络控制系统的结构和功能都是通过技术手段模拟人脑神经网络而形 成的。它具有良好的鲁棒性、容错性以及实时性，并因自适应性、自组织性、可 塑性还使其具有较强的学习能力。神经网络控制器可以较快地识别出控制信号， 通过学习过去的经验，进而给出变化信号和控制信号间的内在联系，并由系统的 评价函数得出它的控制效果。在控制系统中，神经网络可用作控制器、基于模型 的控制结构以及系统的优化、计算等。神经网络控制的典型控制结构有：神经网 络自适应控制、神经网络自适应评判控制、神经网络监督控制、神经网络预测控 制、神经网络内模控制系统、神经直接逆控制等f l 引。 1 5 5 分级递阶智能控制系统 分级递阶智能控制系统时是在学习控制系统的基础上，将人工智能和自适应 控制相结合而逐渐形成的控制系统。代表类型有知识基、解析混合多层智能控制 和三级递阶智能控制1 4 1 。常常用到概率工具以及神经网络和p e t r in e t 等。 7 天津工业大学硕士学位论文 8 第二章系统工艺流程及要求 本章以印染行业中的丝光机的碱溶液检测与控制系统为例，介绍基于p l c 的 碱溶液检测与控制系统的工艺流程和工艺要求。工艺流程示意图如图2 - l 所示。 液位传 曝 调整槽( 配碱槽) 图2 - 1 丝光工艺流程示意图 9 天津工业大学硕士学位论文 2 1 1 碱槽、2 碱槽以及变频自吸循环泵 织物依次进入l 拌碱槽、2 拌碱槽，进行丝光加工处理，然后进入下一道工序。 两个碱槽是连通的，工艺要求l 撑碱槽的溶液液位和浓度都在设定值上。季节发生 变化时，外界温度会发生变化，此时需要对温度进行补偿。织物的丝光处理过程 中要消耗碱槽中的浓碱，这会导致碱溶液浓度降低，因而需要及时补充额定浓度 的浓碱，以使其达到工艺规定要求，保证织物的丝光质量。根据织物丝光工艺要 求，工艺过程中需另设调整槽进行配碱。图中变频自吸循环泵将调整槽中配好的 符合工艺要求的浓碱通过支路3 打到1 拌碱槽中。 控制要求：动态过程中，l 撑碱槽液位对参考输入信号既相应快又超调小，最 大超调量不大于4 3 ，由循环泵打入l 群碱槽配制的浓碱浓度误差精度控制在 2 9 l 。 2 2 过滤箱、转鼓、转鼓电机和变频自吸过滤泵 为保证检测装置和控制系统的正常工作，需要对丝光过程中产生的各种杂质 进行过滤处理。过滤设备由过滤箱、转鼓、转鼓电机和旋转接头等构成。管路连 通2 拌碱槽和过滤箱。由于1 群碱槽、2 撑碱槽以及过滤箱三者连通，因此，只要求对 过滤箱的上下液位予以报警。变频自吸泵将过滤后清洁溶液打到调整槽中。 2 3 调整槽溶液来源 1 ) 来自过滤泵的溶液 来自过滤泵的溶液是织物丝光后的过滤溶液，其碱浓度低于设定值，需要与 原料碱、淡碱进行配比。 2 ) 自循环溶液 由图可见，调整槽、变频自吸循环泵、支路l 形成自循环回路，该自循环回 路的功能是在适当的自循环流量下使调整槽的溶液浓度均匀，缩短调整时间。 3 ) 原料碱 原料碱( 浓碱) 经电动调节阀进入调整槽，控制系统会根据碱溶液浓度设定值 和检测反馈值之间的差值对电动调节阀进行智能调节，以控制原料碱流入量。 4 ) 淡碱溶液 通常情况下，丝光机碱溶液浓度的设定范围是：2 0 0 9 l 一2 8 0 9 l 。外购原料碱 液的浓度通常不小于3 0 0 朗，生产车间将回收的淡碱与原料碱液进行配比。控制 l o 第二章系统工艺流程及要求 系统通过控制电磁阀调节淡碱流量，是一种p w m 调节方式。 控制系统对调整槽的碱液浓度和液位进行控制，其控制要求是：调整槽的液 位和浓度在动态过程中对参考输入信号既响应快又超调小，最大超调不大于 4 3 ，浓度的控制精度为：士2 9 l 。 2 4 检测槽 由图2 1 所示，检测槽位于调整槽内部，变频自吸循环泵输出的第2 条支路进 入检测槽中。系统正常运行过程中，检测槽始终处于溢流状态，这样可以保证检 测槽内部液位恒定不变。假设3 8 0 m m ，在此前提下，压力式传感器、浮动式传感 器和全浸式传感器的输出信号仅仅和检测槽内溶液的浓度、密度有关。图2 1 中， 检测槽由网状隔板分为四格，第l 格为缓冲格，其他三格分别置入三种传感器。 现场运行数据表明，在适当的自循环流量即搅拌均匀的条件下，检测槽中溶液的 浓度与调整槽中溶液的浓度是一致的。 天津工业大学硕士学位论文 第三章碱溶液实时检测与控制系统分析与建模 第三章碱溶液实时检测与控制系统分析与建模 根据控制工艺要求，控制系统要保证1 撑碱槽和调整槽中碱溶液浓度为设定 值，其幅度不能超过精度要求，同时以1 群碱槽的液位为主令信号，调整槽液位为 跟随信号，实现主从单元的液位跟随控制。当l 群碱槽的液位达到设定范围内时， 要求变频自吸过滤泵和变频自吸循环泵按照各自相应的流量进行循环，即实现液 位与流量的解耦控制。由此可见，丝光机的碱溶液实时检测与控制系统应该是碱 溶液浓度与液位的协调控制系统。 3 1 浓碱浓度控制系统分析与建模 浓碱浓度控制系统结构示意图如图3 - 1 所示： 图3 - 1 碱溶液浓度控制系统框图 1 3 天津工业大学硕士学位论文 3 1 1 碱溶液浓度测量方法介绍 影响丝光质量最重要的因素是碱溶液的浓度，当碱溶液的浓度低于1 0 5 9 l 时， 没有丝光作用；当碱溶液的浓度高于2 8 0 9 1 时，丝光效果没有明显的提高，所以 我们必须选择合适的浓度传感器。如下，简单介绍碱溶液浓度的几个测量方法。 1 ) 电导率法 印染前处理设备碱槽中的溶液除了氢氧化钠溶液以外，还有微少量的次氯酸 钠和硫酸溶液。电解质溶液之所以能导电，是由于溶液中有离子存在。不同的电 解质溶液有不同的导电能力，由实际的实验总结得出，溶液中次氯酸钠和硫酸的 电导率基本上可以忽略不计，碱槽溶液的导电能力主要由碱溶液中离子的数量决 定； 在电解质溶液浓度为一定的范围( o 8 ) 的前提下，我们可以根据溶液的 电导率与浓度成比例的数学关系计算出溶液的浓度。 通常情况下，电解质溶液的电导率的变化正比于浓度的变化。但浓度较高的 情况下，电导率与浓度之间会呈现非线性、双值的关系，这是由于浓度增加到一 定数值后电导率会变小。出现上述现象的原因在于：电解质溶液的电离度在电解 质溶液的浓度增加到一定数值的时候会减小，溶液中含有的离子总数减少，使得 电导率降低。 溶液温度影响着离子的运动速度，进而影响着电导率。温度下降时，溶液的 粘度升高，离子运动速度减慢，而使溶液的电导率减小；溶液温度上升时，其电 导率增大【1 5 】。 综上所述，可以得出如下结论。溶液的浓度、电导率、电离度以及温度之间 的关系比较复杂，难以用数字进行精确描述。常规的做法是根据实验测得的各种 浓度溶液的电导率，绘制成图表，再查询。用来测量溶液的电导率的仪表有：电 磁浓度计和电极类电导率计。 2 ) 密度法 密度检测法是用来测量溶液浓度的最为直观容易理解的检测方法，其原理是 根据阿基米德定律检测出溶液的浓度，一般用于碱溶液浓度较高的场合。 3 ) 超声波法 超声波在各种液体中的传播状态随溶液温度、压力、浓度的不同而变化，超 声波浓度仪通过测定上述参数，并根据多普勒参数是这些因素的有限元多次方程 的数学关系并进行计算，就可以给出溶液的浓度，还可根据工艺精度要求在远程 仪表上预置报警点或闭环控制，它可广泛应用于石油、化工、制药、水处理、造 纸、环保检测、食品等行业中【1 6 1 。 4 ) 光学折射法 1 4 第三章碱溶液实时检测与控制系统分析与建模 光学浓度变送器是运用光线的临界角随溶液浓度的变化而变化的光学原理， 被测溶液的折射率与溶液的浓度成线性正比例关系( 除部分溶液不成线性关系 外) 。光线经过两种物质界面时会发生折射或者反射，仪器应用临界角，使光线 发射到光电池，光通过周期的波长随溶液的密度的变化而变化，光电池的输出信 号也相应变化，从而达到测量溶液浓度的目的。光电池的输出信号为m v 经毫伏 转换器转换，变成d c 统一的m a 信号。折射法的浓度测量范围为1 0 一5 0 ，其适 用于淡碱、浓碱工艺浓度测定l 1 6 j 。 3 1 2 系统输入信号、输出信号、检测信号和扰动信号 1 ) 参考输入信号 浓度控制系统的参考输入信号即图3 1 中的浓碱浓度设定信号，其值可以在 触摸屏上设定。 2 ) 输出信号 系统输出信号为变频自吸循环泵的第三条支路输出碱液的浓度，调整槽中的 溶液搅拌均匀的前提下，调整槽中溶液的浓度和检测槽中溶液的浓度是一致的。 3 ) 检测信号 检测槽中溶液处于溢流状态的前提下，自行研制的全浸式检测装置、压力式 检测装置和浮动式检测装置的检测信号只和溶液的浓度、密度有关，在图3 1 中， 、n y 、n 1 分别是全浸式、压力式和浮动式检测装置的输出信号，对应于碱溶 液相应的浓度。 4 ) 扰动信号 由图3 1 可见，流入l 撑碱槽的碱液浓度受到数个扰动信号的影响，主要的扰 动信号有原料碱的浓度、淡碱浓度，丝光机的车速、织物定量以及手动阀的开度。 3 1 3 碱溶液浓度控制系统采用的三种检测装置 综合考虑检测结果准确、性能稳定、可靠、便于维护和性价比等方面的因素， 并经过近四百次的实验和工厂生产现场的运行检验，我们最终确定采用压力式、 浮动式和全浸式检测的方案，并研制出相应的检测装置。 1 ) 压力式检测装置 压力式检测装置的工作原理与静压式液位计的工作原理相似，在检测槽溢流 ( 液位恒定) 的情况下，检测元件的输出信号仅与碱溶液的密度相关，使用高精 密度计对检测元件的输出信号进行逐点校正、核对( 通常情况下需要1 8 0 点) ， 并对非线性曲线进行修正。 压力式检测装置的特点i 天津工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 没有活动的部件； ( 2 ) 检测的准确度和灵敏度都能满足工艺要求： ( 3 ) 需要注意保持检测头的干净、清洁。 2 ) 浮动式检测装置 浮动式检测装置的设计是基于阿基米德定律，其装置示意图如图3 2 所示， 浮子导杆一部分在碱液液面之上。检测槽保持溢流状态的情况下( 即液位恒定) ， 碱溶液密度的变化会引起浮子垂直方向上的位移变化，故位移检测元件的检测值 仅仅取决于碱溶液的密度。 图3 - 2 浮动式检测装置示意图 如图3 - 2 所示，浮子是直径为4 的圆柱体，浮子高度为扛，浮子的重量为形， 侵入碱液中浮子的体积为v ( 包括导向杆部分) 。导向杆的直径为以，其位于检 测槽中的高度为j i l 。碱液浓度为p 。当检测槽溢流( 即液位恒定) 的情况下，当 碱液浓度变增加p 时，浮子上浮，浮子浸入体积也相应减少a v ，达到新平衡 时，浮力表达式为： w=pvg(3-1) w = ( p + a p ) ( v - a v ) g 由公式( 3 - 1 ) 公式( 3 - 2 ) 得： 舢：堂 p + a p 1 6 ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) 第三章碱溶液实时检测与控制系统分析与建模 依据图3 - 2 所示，浸没体积的变化量a v 的产生是因为浸没在检测槽中的高 度减少了挑所致，所以有以下的表达式： a v = i 1 万畋2 触( 3 - 4 ) 总体来说，浸于碱液中浮子的体积为v ： 1 ，= ( 刀吐2 坷+ 万破2 噍) ( 3 5 ) 将公式( 3 - 4 ) 和( 3 - 5 ) 分别代到公式( 3 3 ) 的左右两边，经运算得： 她地嘻 ) 老 ( 3 - 6 ) 由式( 3 6 ) 可知，浮子直径d - 与导向杆直径d z 之比越大，浮动式检测装置的 灵敏度越高。 丝光工艺的浓碱浓度通常在9 6 6 - 2 9 6 8 9 ，l ( 对应密度为1 1 0 0 - 1 2 6 3 9 e m 3 ， 1 5 ( 2 ) 范围内设定，据此来设定浮子的各项参数( 包括浮子的直径、高度、重量 以及导杆的尺寸) 。 浮动式检测装置的特点： ( 1 ) 不存在检测元件长期受力疲劳的问题； ( 2 ) 检测的准确度和灵敏度都能满足工艺要求； ( 3 ) 存在导杆与直线轴承的摩擦力随机变化的问题。 3 ) 全浸式检测装置 全浸式检测装置也是基于阿基米德定律，全浸式检测装置的浮子结构与浮动 式的浮子结构相似，在图3 2 中，将导杆上方的非接触位移检测元件换成力敏式 检测元件，这样就成为全浸式检测装置。在检测槽溢流( 即液位恒定) 的情况下， 碱溶液密度的变化会引起浮子对力敏元件的作用力的变化，因而，全浸式检测装 置的检测值仅仅取决于碱溶液的密度。 全浸式检测装置的特点： ( 1 ) 可动部件的位移量很小以至于几乎可以忽略不计； ( 2 ) 检测的准确度和灵敏度都能满足工艺要求