科技方法训练项目申报书.doc

科技项目（课题）申报书计 划 类 属： 项目（课题）名称： PLC控制的玻璃生产流水线设计 申 报 单 位： 景德镇陶瓷学院 ( 盖章)邮 政 编 码： 333403 电 话 号 码：通 讯 地 址： 景德镇陶瓷学院湘湖校区 景德镇陶瓷学院 二0一二年12月30日说 明一、填写本科技项目（课题）申报书时请用钢笔，字迹端正，不得潦草。凡填写马虎，内容难以辨认的将不予受理。二、计划类属分为：省级重点科技项目，省二级科技项目，市级科技项目，星火计划，火炬计划，市级成果推广计划。由省（市）科委有关项目管理人员填写。三、技术指标中，阶段目标、最终目标系指项目（课题）实施中要达到或取得的中间成果，最终成果等。一、国内外与本项目有关的科学技术现状和发展趋势（包括计算机检索情况）一、玻璃生产线控制系统的发展现状我国玻璃工业自诞生以来，过程控制体系历经基地式仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统(DCS)等4代过程控制系统。当前我国设计的浮法玻璃生产线自动控制都是以PLC为基础的DCS系统。DCS既是一个过程控制体系的名称，也是由制造厂商出售的一个起完整作用而集成的集散控制系统产品，但这种DCS系统相对较为封闭，而目前浮法玻璃生产线的DCS系统，如秦皇岛耀华北部园超薄玻璃生产线等，多数是由用户集成的，因此相对较为开放。与早期的控制系统相比，DCS系统在功能和性能上有了很大进步，可以实现设备级、车间级的优化和分散控制但它仍然是一种模拟数字混合系统，从现场到控制系统之间的检测、反馈与操作指令等信号传递。而世界知名品牌西门子公司的西门子S7-400PLC控制系统,使用2块独立工作的CPU模块分别控制真空泵、阴极电源、伺服电机等设备。利用W inCC60组态软件实现对整条生产线的上位机监控,完整显示生产线上所有设备的运行方式、流程作业情况及工艺参数当前值等信息,极大地减轻了操作人员的劳动强度,提高了控制系统的可靠性和生产效率,以及镀膜工程玻璃生产线的自动化控制水平。目前该镀膜生产线控制系统已经应用于国内某玻璃加工工厂,系统投入使用半年以来,控制性能稳定,月均产量达10万平方米,处于国内领先水平。目前国内多数玻璃工厂使用的配料控制系统是20世纪80年代开发的，主要由计算机、配料控制器、PLC、给料控制装置等组成。配料控制器控制每台秤的补料、排料，PLC控制配料时序，计算机对整个配料过程进行监控和管理。这种系统的配料控制器、PLC、计算机之间存在大量的数据交换。a、传统配料控制系统主要存在以下不足：(1)系统硬件线路复杂传统配料控制系统中配料控制器与PLC、配料控制器与给料控制装置、PLC与给料控制装置之间有大量的I0接口。每台秤的配料控制器与计算机都有通讯网线。这样的系统结构决定了其硬件线路的较为复杂性。(2)计算机与配料控制器的通讯可靠性差由于计算机没有专用的与配料控制器通讯的软件，计算机与配料控制器的通讯软件是各配料系统供应商自己用“VB”或“VC”等语言编程进行通讯的，考虑难免不周，控制过程会出现通讯不畅、实时采用数据不正确等问题。(3)系统可靠性不高由于浮法玻璃配料是长期连续工作的，系统硬件线路的复杂及计算机与配料控制器的通讯可靠性差决定了其系统可靠性不高、故障排查难、维修不方便。b、新型配料控制系统随着电子技术的迅猛发展，PLC的功能越来越强，越来越多地应用于各种控制领域。PLC已从传统的顺序控制发展为对各种工业需求的控制，其中就有专门应用于配料的配料控制模块，实现配料控制。支持PLC的计算机控制软件也越来越多，世界上主要的计算机控制软件都能支持主流的PLC，使计算机与PLC的数据交换变得简单、可靠。PLC控制软件包括称重模块数据转换、秤补料排料控制、配料时序控制、混合时序控制、各种故障检测报警等。随着计算机技术、控制技术、通讯技术和图形显示技术的发展,产生了以微处理机为基础的分布式控制系统(DCS)。近年来DCS在我国新建的和改造的浮法玻璃厂中得到了广泛的应用,但基本上还属于单参量单回路控制(有的系统已做了复杂控制),DCS的功能没有得到充分发挥。用人工智能专家系统控制熔窑的温度是今后熔化自动控制的必然趋势。c、熔窑温度控制系统的现状熔窑温度控制分熔化部和冷却部(或流液道)温度控制,前者由于影响温度的因素太多,当前难以实现温度闭环自动控制,后者由于没有燃烧状态和未熔化配合料的干扰,实现冷却部温度自动控制相对容易得多。实行温度自动控制,测温点的代表性是关键问题。一般称熔窑空间温度为窑温,窑温对玻璃液的温度和配合料的熔化速度起调节作用,如果窑温和玻璃液之间有一个相对固定的值,那么,“窑温”就能代表玻璃液的温度,否则,就没有代表性。一般将测温元件安装在胸墙或碹顶,更多的是在碹顶,这样的测点是否有代表性?大中型横火焰玻璃熔窑,需要进行周期性地换火,为得到窑温测量的准确,要求熔窑两侧的火焰大小、形状和角度都要一致。这样必须要求两侧蓄热室、上下道、小炉通道的阻力、流通面积、几何形状和尺寸一致、对称(实际上,这些要求是很难做到的),否则,由于左右两侧火焰的不同,将导致测量的温度产生差异。有数据表明:当两侧火焰不对称时,碹顶测得的温度相差30-40(热电偶伸出碹顶内50mm),在火焰调得比较对称时,其温度相差5-15。根据这样的温度去控制流量,必然引起燃料输入量的很大变化,不但没有达到自控的目的,反而使本来稳定运行的熔窑制度遭到破坏。 由于不可避免的火焰干扰,在熔化部空间很难找到有代表性的测温点。当然,如果用若干测温元件将所测温度进行加权平均,会有所改善,但并没有根本解决问题。还有一个影响测温点代表性的因素值得一提,据有关实验报告表明:熔化区玻璃液温度和上部空间温度之间是负耦合关系,这是由半透明屏障-熔融泡沫层物理性能引起的,在泡沫层增长或变厚时,热交换的活性减弱,进入玻璃液热量减少,此时窑温增长,而玻璃液温度降低,在泡沫层减薄或长度减轻时,会出现相反的情况。浮法玻璃的生产是个连续不断的过程,从锡槽出来的玻璃板一直到横切以前都是一个均匀的整体,这就要求退火窑辊道的辊子上母线速度是相同的。一般来说,大部分浮法退火窑辊子直径都是有变化的,前面的辊子直径比后面的大一些,而且速度有微小的误差。蚌埠玻璃设计研究院最近设计的生产线的辊子其直径没有变化,例如用于青岛太阳玻璃公司和成都玻璃厂两条500t/d的生产线的辊子,严格来说这是不正确的。首先,在退火窑的快速冷却区如果退火冷却控制不好,玻璃板极容易发生炸裂现象,当用直径较大的辊子时,其与退火窑(如F区)风管之间的间隙很少,碎玻璃会严重划伤辊面,同时也不容易漏到渣箱,被卡住的玻璃板还会造成碎玻璃的堆集,需用人工清除。其次,全部用大径辊大大增加投资费用,这是完全没有必要的,有丰富经验的工艺人员认为:大径辊的排置决不能进入退火窑E区以后。因此,全部设计成大径辊是欠妥的。之外还要提到的是人工智能专家系统,世界上有些国家已经起步,有的已在玻璃熔窑投入运行。相信我国的玻璃行业,随着工业的发展、技术的进步、用户对玻璃产品质量的要求日益增高;节能、环境保护要求越来越严,玻璃熔窑温度控制人工智能专家系统一定会很快起步,并在不久的将来取得巨大成功。二、玻璃生产线控制系统领域其发展趋势玻璃生产线控制系统领域其发展趋势是管理控制系统的一体化。何谓管理控制一体化？在市场经济与信息时代的飞速发展中，企业内部之间以及与外部交换信息的需求不断扩大，现代工业企业对生产的管理要求不断提高，这种要求已不局限于通常意义上的对生产现场状态的监视和控制，同时还要求把现场信息和管理信息结合起来。管理控制一体化就是建立全集成的、开放的、全厂综合自动化的信息平台，把企业的横向通信(同一层不同节点的通信)和纵向通信(上、下层之间的通信)紧密联系在一起，通过对经营决策、管理、计划、调度、过程优化、故障诊断、现场控制等信息的综合处理，形成一个意义更广泛的综合管理系统。现场总线为管理控制一体化铺平了道路-企业信息网络是管理控制信息集成的基本条件，没有信息网络就不可能实现企业横向和纵向信息的沟通和汇集，建网的目标在于实现全企业范围内的信息资源共享，以及与外部世界的信息沟通。玻璃企业和一般企业网络一样大致可分为3层，即企业管理层，过程监控层和现场控制层。管理控制一体化解决方案中的现场控制层由现场总线设备和控制网构成，把传统的集散系统控制站(如原料、熔窑、退火、冷端的PI、C分站)的功能分散到了现场总线设备，此时的控制站实际是一个虚拟的控制站。现场总线技术与产品所形成的底层网络，充分发挥其测控设备具有通信能力的特点，为控制网络与通用数据网络的连接提供了方便。企业信息网络是管理控制一体化的基础，现场总线为构成管理控制一体化网络铺平了道路。过程监控层由局域网段以及连接在局域网段的担任监控任务的工作站或控制器组成，现场总线网络通过现场总线接口与过程监控层相连，或者监控层直接由现场总线来担当;监控站可以完成对控制系统的组态，执行对控制系统的监控、报警、维护及人机交互等功能;企业管理层由各种服务器和客户机等组成，用于集成企业的各种信息，实现与Internet的连接，完成管理、决策和商务应用的各种功能。二、研究内容、方法和技术路线（包括工艺流程）研究内容根据企业生产需要，设计基于PLC控制的玻璃生产流水线。(1)硬件选型。主要包括：PLC硬件的选型，各区温度控制模块的选择，变频调速器的选择。本系统采用PLC为中心控制器，通过扩展的多路温控模块采集现场16路温度，并通过PLC对各路温度进行PID输出控制。同时在上料辊道与下料辊道的传送带上各安装一个旋转编码器，以检测玻璃在传送道上的位置，确保玻璃在整条生产线的运动定位准确，并通过PLC控制变频调速器来控制上料、加热、冷却三台电机。系统的操作控制、数据采集和动作过程监视、各种参数的显示设定，由挂接在PLC的上位组态软件来实现(2)程序设计。程序设计主要分两部分，PLC程序的设计，以及上位机监控程序的设计。其中核心是PLC程序设计。PLC程序设计部分主要包括实现对温度、流水线运行速度等参数的计算和输出，系统运行的顺序控制，已经状态和报警显示等任务。在上位机上实现工艺流程图的实时监测、数据处理是通过可编程控制器操作站系统软件和组态软件来实现的。 研究方法研究方法（可行性分析）2.1.1整体控制在工业控制系统中，目前有以下几种控制策略。(l)开环控制开环控制策略主要是在输入和输出的过程中，不采用任何的反馈信号，这样的控制使得系统反应速度快，缺点是系统精度不高，不够稳定，如图2.6所示(2)闭环控制闭环控制策略主要是在输入和输出的过程中，采用一定的反馈信号，再将该反馈信号与输入信号进行“+”(正反馈)或者“一”(负反馈)运算后，作为新的信号输入系统中，特点是控制精度高，可以将系统的输出值控制在要求的范围之内，如图2.7所示。在本系统中，是利用电机转速与输入控制信号(一般是电压信号)成反比的特性来控制电机的速度的可调节性，希望电机运行频率或者运行速度稳定在某个值附近，所以开环控制策率是难以满足控制要求，故拟采用闭环控制。从被控电机取回速度值或者频率值作为反馈信号与电机运行频率设定值进行运算后，再作为输入信号给电机。2.1.2温度控制在本系统中，采用的PLC通过PID方式对温度进行后续控制，PID控制是一种负反馈控制，是一种比较精确的常规控制，并具有以下优点:(l)原理简单，使用方便。(2)适应性强，可广泛应用于各种场合和工业部门。(3)鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不太敏感。由于以上优点，PID控制已成为迄今为止最通用的控制方法。实际运行经验和理论分析均表明，将这种控制规律用于大多数工业对象能够得到比较满意的结果。所以虽然PID控制器产生于19世纪初，但今天仍被广泛应用于化工、冶金、电力、机械等工业过程控制中。目前全世界大约有90%的过程控制仍在使用PID控制器及其改进型来完成反馈回路的控制。基于上述内容，本系统采用PID算法。PID控制的全称叫做比例积分微分控制，是由比例控制、积分控制和微分控制三种控制组合而成的组合控制方式。比例(P)控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(steady-state error)。积分(I)控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统 (system with Steady-state Error)。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PD控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分(D)控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例加微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此在控制规律中积分和微分项不能直接准确计算，只能用数值计算的方法逼近，其控制规律为:公式(21)表示的调节器的输入函数和输出函数均为模拟量。为了用计算机对它进行计算，可以把连续形式微分方程转换位离散形式的差分方程。取T为采样周期，k为采样序号，k=O，l，2,3i,k。因为采样周期T相对于信号变化周期是很小的，所以可以用矩形法来计算积分，用后向差分来代替微分，即这样式(21)可以写成 (Uo=0)式(2-2)中的输出量为全量输出。它对应于被控制对象的执行机构每次采样时应达到的位置。因此，式(22)也是PID控制规律的离散化形式。称为位置型PID控制算式。另有增量型PID控制算式。在增量型中，输出是执行机构的增量u。，即三、项目（课题）主要技术经济指标、社会效益：（一）技术指标：1、阶段目标（阶段目标按年月写）1、2012年12月，完成相关技术发展现状的调研。2、2013年2月，根据企业生产需要，完成基于PLC控制的玻璃生产流水线的整体设计。3、2013年3月，完成系统的操作控制、数据采集和动作过程监视。4、2013年4月，完成数据分析（实时曲线图与历史曲线图的对比分析），并做项目最后的总结。2、最终目标： 使整个系统始终工作在正常高效的状态。最终提高该厂的生产效率，减少劳动强度，提高了产品质量。（二）经济指标：1、实验温度范围： 20-1510102、温度控制精度： 1 C （稳态时）3、位移测量范围： 0-2.5 mm4、玻璃平衡厚度： 7mm5、拉引速度：110米/小时左右6、位移分辨率： 0.1m7、电 源： AC220V最大输入功率： 3Kw（三）社会效益： 该项目具有较明显的经济效益和社会效益。将受到广大生产厂家的欢迎，为企业的生产提供更高的效益，减少劳动强度，提高产品的质量，使之满足更大的市场需求。3四、项目（课题）计划进度（按年月详细填写）