（控制科学与工程专业论文）微粉生产过程的智能控制研究与开发.pdf

武汉理t ：人学硕十学位论文 摘要 如今粉体加工技术已是支持高新技术产业的重要基础技术之一。现代工程 技术的发展需求许多粒度极细且分布均匀，纯度高而污染低呈粉体状态的原料 和制品。与传统的微粉生产方法相比，当今流行的微粉气流磨生产技术主要是 能通过其控制系统控制分级机的转速来得到所需颗粒粒径大小的粉末，高效且 适应物料广泛，产量高。 目前针对微粉生产线的控制系统主要是通过传统的p i d 算法控制，自适应 控制以及智能控制，但是不能哪种控制算法，在处理气流磨内这个独特环境下 的“气浪”强干扰对系统的影响方面，都达不到较优的控制效果，特别是参数 调整较为麻烦，不能使分级机转速保持在一个较稳定状态，因此本文针对系统 内“气浪”这个强干扰，在对这种特殊强干扰有很好的处理能力的九点控制算 法在微粉生产控制系统实现闭环控制上丌展研究。主要研究内容如下： 首先介绍了微粉生产线的工艺流程，整理出微粉生产过程中的控制要求， 分析了分级机这一对象在控制角度上的特殊性。然后肘整个微粉生产线控制系 统进行硬件和软件设计。在微粉生产线控制系统整体设计方案的基础上，对生 产线中p l c 与变频器的通讯问题进行微粉生产线变频涮速系统设计。实现了分 级机转速的高速采集，比较了多种p l c 和变频器通汛方案，最终确立了自由口 通讯为本项目采取的通讯方式，提出了整体上的通讯方案，并对其编程且在微 粉生产线上进行实现。特别是针对微粉生产线一卜的气浪这个强干扰的问题，对 分级机控制采用了九点控制算法。指出了传统p i d 算法在分级机转速的控制上 的不足，介绍了九点控制的理论基础，提出了进行九点控制控制器设计的步骤， 最后结合p l c 对九点控制器进行工程化实现，通过最终的现场凋试结果验证了 控制策略的j 下确性，并证明了这种方法在滑石微粉，主产线控制l j 具有推广价值。 在文章的最后也指出了九点控制算法的不足之处以及村整个微粉生产线控 制系统设计不周到的地方，指明了以后还需继续研究的地方，同时肯定了九点 控制算法在微粉控制系统的作用，特别是对分级机转速的闭珂：控制上，整个系 统响应快，调节时i 喇短，鲁棒性好，转速输 i ：值特别稳定。 关键词：微粉生产线，分级机，p l c ，自由口通讯，九点摔制算法 武汉理j ：人学硕+ 学位论文 a b s t r a c t n o w p o w d e rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n tf o u n d a t i o nt e c h n o l o g yt o s u p p o r th i g h t e c hi n d u s t r i e s t h ed e v e l o p m e n to fm o d e r ne n g i n e e r i n gn e e d sr a w m a t e r i a l sa n dp r o d u c t sp o w d e rw i t hf i n ep a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n ，h i 曲p u r i t ya n d l o w c o n t a m i n a t i o n c o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lm e t h o d s ，t o d a y sp o p u l a rp o w d e rj e tm i l l p r o d u c t i o nt e c h n o l o g i e sa r eh i g h l ye f f i c i e n t ，a d a p t a b l e ，a n df r u i t f u lt h r o u g hi t sc o n t r o l s y s t e mt oc o m m a n ds p e e do fc l a s s i f i e rt og e tt h er e q u i r e ds i z eo ft h ep o w d e rp a r t i c l e r e c e n t l y , p o w d e rp r o d u c t i o nl i n ec o n t r o ls y s t e mi sm a i n l yt h r o u g ht h et r a d i t i o n a l p i da l g o r i t h mc o n t r o l ，a d a p t i v ec o n t r o la n di n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 b u tn o n eo ft h e a l g o r i t h m sc o u l do b t a i nag o o dr e s u l ti nd e a l i n gw i t ht h es t r o n gi m p a c to fi n t e r f e r e n c e o nt h es y s t e mo fa i r f l o wm i l lb l a s t t h u s ，t h i sa r t i c l ei sm a i n l yf o c u s e do nt h es t r o n g i n t e r f e r e n c ei nt h ec a p a c i t yo ft h en i n eg o o dc o n t r o la l g o r i t h mp o w d e rp r o d u c t i o n c o n t r o ls y s t e mf o rc l o s e d - l o o pc o n t r o lr e s e a r c h m a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n g s ： t h ep a p e ri n t r o d u c e st e c h n o l o g i c a lp r o c e s so fap o w d e rl i n e ，t h ec o n t r o l r e q u i r e m e n t so ft h ep o w d e rp r o d u c t i o nh a sb e e ns o r t e do u t ，t h es p e c i f i c i t yo ft h e t u r b i n ec l a s s i f i e rh a sb e e na n a l y z e d a n dt h e nt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h ec e n t r e l s y s t e mo ft h ep r o d u c t i o nl i n eh a sb e e nd e s i g n e d t h ef r e q u e n c yc o n t r o ls y s t e mo f c o m m u n i c a t i o nb e t w e e np l ca n df r e q u e n c yc o n v e r t e rh a sb e e nd e s i g n e db a s e do n t h ew h o l ep l a n t h ef r e e p o r tc o m m u n i c a t i o nh a sb e e nc h o o s e da n da c h i e v e da tl a s t a n dt h e nan i n e p o i n tc o n t r o l l e ra l g o r i t h mh a sb e e nu s e da g e i s t t h eb l a s tp r o b l e m ， t h et h e o r ya n ds t e po ft h ec o n t r o l l e rh a sb e e ni n t r o d u c e d ，f i n a l l y , e n g i n e e r i n g i m p l e m e n t a t i o np r o v e dt h ec o r r e c t n e s so ft h i sc o n t r o ls t r a t e g ya n dt h ev a l u eo f p r o m o t i o n a tl a s t ，t h ew e a kp o i n to ft h ec o n t r o la l g o r i t h ma sw e l la st h ep r o d u c t i o nl i n eh a s b e e ni n d i c a t e d a f t e rp o i n t i n go u tw h a tt od oi nf a r t h e rs t u d y , t h ec o n t r o la l g o r i t h m i nt h er o l eo fp o w d e rc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nc o n f i r m e d ，e s p e c i a l l yt h ep e r f o r m a n c e o fc l o s e d l o o pc o n t r o li nt h ec l a s s i f i e rs p e e d ，t h es y s t e mh a sar e s p o n s es p e e d ，as h o r t s e t t l i n gt i m e ，p e r f o r m sg o o d i nr o b u s t n e s s ，h a sas t a b l eo u t p u ts p e e d k e y w o r d s ：p o w d e rp r o d u c t i o nl i n ec o n t r o ls y s t e m ，c l a s s i f i e r , p l c ，t h ef r e e p o r t c o m m u n i c a t i o n ，n i n e - p o i n tc o n t r o l l e ra l g o r i t h m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规 定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以 将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学 位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：型仨 导师( 签名) ： 研究生( 签名) ：螳e 导师( 签名) ：期 武汉理一i ：人学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 物料的粉碎现在是当今很多行业产品生产中必不可缺少的工艺生产环节它 的任务是为产品的下一步继续生产提供具有合适粒径和粒度大小的原料。如今的 粉体加工技术已是支持高新技术产业的重要基础技术之一n 1 。现代工程技术的发 展也需求许多粒度极细且分布均匀，纯度高而污染低呈粉体状态的原料和制品。 物料粉碎的方法主要分为物理方法和化学方法两大类。化学的方法往往会对 物料的材质有影响，因此普遍采用物理的方法口1 。而物理的方法又以气流磨粉碎 方法为主。 对于不同的所需粉碎加工技术的深度、粉体物料本身的物理化学性质以及物 料的应用性能等，气流磨都能够而得到不同的粉体，主要有以下三种： 1 0 1 0 0 0 f f m ( 细粉) 、0 i 一1 0 , t a n ( 超细粉) 和0 0 0 1 0 i a n ( 超微细粉) 。相 较于其它的物理化学方式的制粉方法，该方法特点是在于通过控制系统控制分级 机的转速束得到所需颗粒粒径犬小的粉术，因此高效且适应物料广泛，产量高。“。 由于在微粉生产线控制系统q 1 分级机的转速直接控制着产品的质量，因此对 于分级机转速的控制，是住整个微粉生产线控制系统中最重要的控制部分。目前 针对微粉生产线的控制系统主要足通过传统的p i d 算法控制，自适应控制以及 智能控制，但是不能哪种控制算法，在处理气流磨内底部喷嘴阀和顶部分级机的 气压差这个独特环境下形成的厶e 浪这个特殊强干扰对系统的影响方面，都达不到 较好的控制效果，特别是参数调整较为困难，不能使分级机转速保持在一个较稳 定状念，如何采用先进的、对特殊强干扰有很好的处理能力的控制算法来对微粉 生产控制系统实现闭环控制成为、与f j ，j 研究的热点。 1 2 课题研究的意义 工业生产过程作为自动控制理论的重要应用背景领域，以其特有的复杂性推 动着控制论的向l i i 发展，这些复杂性具有如下特点“1 ： 1 ) 对控制系统要求的综合性。由于，当今工业生产规模越来越庞大，生产 者已经不可能对所有的化产参数来进行要求，只可能尽量去优化一切参 数，从而构成了在动态不确定性环境下的满意优化问题。 武汉理一：人学硕十学何论文 2 ) 实际系统存在各种约束。在工业过程中，物理量会受到复杂的环境，工 艺要求，安全等各种限制，同时还受到环境保护的压力，并要考虑生产 过程中的经济性。 3 ) 对象和环境的不确定性。工业过程的对象很难用准确的数学模型来描 述，由于现场的环境的复杂，各种干扰的存在，使得对象有很强的时变 性，难以描述。 4 1 系统的非线性。 除了上述复杂性以外，往往还存在某些不确定性，不确定性也难以用数学方 法加以描述。然而，对这样复杂系统的控制性能的要求越来越高，这样一来，基 于精确模型的传统控制就难以解决上述复杂对象的控制问题。在这样复杂对象的 控制问题面前，各种先进的控制算法应运而生拍1 。 但是目前大多先进算法对存在强扰动的控制系统，特别是在气流磨这个特定 环境下产生的气浪这个特殊强干扰都一直得不到比较良好的控制效果，特别是参 数调整较为麻烦m 1 。而本文研究的对象微粉生产线控制系统正是一个存在气 浪强扰动的控制系统。这是因为微粉生产线内气流磨内由于磨底的喷嘴阀和磨顶 的分级机之间的气压差，在气流磨内形成了一股强烈的气浪，对这个系统的闭环 控制产生一个强扰动。 所以为了实现一个稳定高效安全的微粉生产线控制系统，对先进控制算法的 研究与实现为本文的中心内容，笔者先对先进控制的发展现状、核心内容及工程 化方法进行简述，然后提出了一种新的先进的能有效防止系统内的强扰动的控制 算法九点控制算法在微粉，主产线整体的设计方案，并阐明了九点控制的技术 优势及所产生的经济效益，对其的应用研究做出了详细的阐述。 本课题来源于广西龙胜滑石公司滑石微粉气流磨生产线控制系统的研发过 程。 1 3 国内外研究现状 从4 0 年代起，国外以超级粉碎、改性、分级为基础的深加工技术引起了人 们的广泛天注，该技术在6 0 年代有了迅速发展n 】。日本，美国，英国，德国等 国家超细粉技术和设备的研发都具备了较高的水平，它们推出了能加工细度为 0 5 l oum 任意级别产品的干法和湿法的各类型及其规格的超细微粉及其分级 设备。国内的对超细粉技术和设备的研究起于6 0 年代，发展比较缓慢，到8 0 年代以后，才得以迅猛发展。目自 我国已经能自行生产出各种型号的气流磨，搅 动磨，搅拌磨，冲击磨，性能基本能与世界先进水平相媲美哺，。 2 武汉理l ：人学硕十学位论文 9 0 年代以前整个微粉生产线控制系统基本采取已传统继电器为主的电器柜 来进行控制，但由于现场环境复杂，经常使电器柜内的接触器和继电器产生误操 作，使控制系统的报警装置进行误报警旧1 。且不能有效的和控制分级机的变频器 产生良好的通讯联系，进行闭环反馈控制。使得生产加工过程效率提不上去，不 能方便的控制各种粒径大小的原料生产。 在9 0 年代以后随着p l c ，d c s 技术的快速发展，针对所加工原料性质和生 产不同粒度系列微粉、超微粉的具体要求，大多开始采用以触摸屏作为人机交换 界面、可编程控制器p l c 为基本控制级的控制系统训。这大大提高生产线控制 系统的可靠性、安全性、可扩展性和自动化程度，实现整套生产线的自动控制， 当今，各国不仅在生产机械，控制系统的控制级实现了技术突破，而且在控 制系统的摔制算法上也是不断推陈出新。在早期的微粉生产中，简单控制由于受 到经典控制理论和常规仪表的限制，难以处理工业过程所存在的复杂性。随着我 国经济体制的转变、改革丌放的深入，国内的众多工业生产企业r 益感受到国际 竞争所带来的压力和挑战。因此，企业提出了高柔性、高效益的生产要求，上 述传统的控制策略已经不能适应新的要求，直到先进控制理论的出现，爿。为解决 上述问题提供了有力手段；现代控制理沦和人工智能几十年的发展为先进控制奠 定了应用理论基础，而计算机控制尤其是集散控制系统的普及与提高，则为先进 控制的应用提供了强有力的硬件和软件平台n 引。 传统控制是经典控制和现代控制理论的统称，它们的主要特点是琏于模型的 控制叫。出于被控对象越来越复杂，其复杂性表现为高度的非线性、高噪声干扰、 动念突变性以及分散的传感元件与执行元件、分层和分散的决策机构、多时问尺 度、复杂的信息结构等，这些复杂性都难以用精确的数学模型( 微分方程或差分 方程) 束描述1 。 先进控制算法即各种先进的控制算法，它与传统控制算法相比，最人的优点 在j ：抛丌了控制对象数学模型的束缚。在构思控制算法框图时，不再拘泥于对象 模，5 j 。传统控制适于解决线性、时f i 变等相对简单的控制问题，先进控制算法 不仪能出色的解决这一类控制问题，而且它在处理复杂性不确定性方函i 的能力远 远t ；扪：传统控制，甚至可以说，传统控制在这种高难度，高要求的控制| 、u j 题面d 矿， 已经丧失了控制能力。 先进控制策略应用于过程控制，必须严格地执行程序流程，完成先进控制的 工程化工作引。目日订比较常见的先进控制策略主要有：双重控制、纯滞后补偿控 制、解耦控制、自适应控制、差拍控制、状态反馈控制、多变量预测控制、推理 控制及软测量技术、智能控制等引。因此，在微粉生产中用先进控制算法取代常 规控制算法成为当今发展潮流。 3 武汉理f = 大学硕+ 学位论文 1 4 论文主要内容 笔者有幸亲身经历了微粉控制系统的设计、控制程序的编写以及现场调试过 程。该滑石微粉气流磨生产线是一个闭环控制系统，它的核心是对其分级机转速 的控制，分级机的转速直接影响着该生产线的产量以及其产品的粒度大小，但现 场环境比较复杂，干扰较大，特别是气流磨内存在气浪这个强干扰。因此在此控 制对象上实施常规的控制策略足不能达到控制要求的。笔者结合该厂操作员丰富 的现场操作经验，查阅大量文献资料，提出了多种控制方案，最终找出了一种可 行的、最适用于本项目的先进控制策略九点控制法，结合p l c 可编程控制器， 完成了对该滑石微粉气流磨生产线的控制。在项目完成之后，笔者结合这一有限 的现场调试经验，经过后期的文字整理和理论升华，最终形成本论文。希望本文 的研究能给读者一条可行的途径。下面是在研究过程中工作的主要内容： 1 1 通过了解与学习目前国内外相关领域有关控制算法、在工业控制领域广 泛应用的信息以及先进控制的发展和应用情况，并对滑石微粉生产线的 分级机这核心领域进行了详细的探讨，提出了一种基于九点控制器的 先进算法 2 ) 深入现场调研，对滑石微粉生产线工艺控制进行详尽分析，在目前滑石 微粉生产线的控制技术的基础上，提出多种控制方案，通过比较，最终 确立了九点控制器算法的控制策略，完成了滑石微粉尘产线控制系统的 硬件设计。 3 ) 在掌握了初步的系统辨识的基础上，通过反复的现场试验，得出滑彳i 微 粉生产线的各种参数，同时通过实验室实验得到九点控制器的参数，在 此基础上现场调试整定。 4 1 存：滑石微粉生产线控制系统硬件结构的基础上，针对滑石微粉生产线的 控制要求，结合操作者多年的操作经验，总结出九点控制器控制j ! l ! 则。 完成了九点控制器控制器的设计。在熟悉s 7 2 0 0 p l c 的荩础一l - _ ，结合大 单- r ! _ 1 ：程化实现技术，将九点控制器控制器进行】：程化实现。 5 ) 现场调试以及经验的总结。在扎实的理论基础上，分析现场调试不州想 的原因，得出解决方案，最后使控制效果达到工艺控制要求。 4 武汉理1 二大学硕七学位论文 第2 章微粉生产线的控制系统方案设计 2 1 微粉生产线控制方案 2 1 1 生产线工作流程 微粉生产线主要由给料机、气流磨主机、分级机、捕集器、引风机等组成。 其中气流磨粉设备可用于加工多种硬度的矿产物料。其成品粒度范圈广，一般可 达1 0 2 5 目，少部分物料最细可达到2 5 0 0 目，粒径最粗4 2 5 目。其粉磨物料的 过程如图2 1 所示 图2 1 微粉生产线工艺流程图 5 武汉理r 大学硕十学位论文 2 1 2 系统控制 采用触摸屏组态设计作为人机交换界面，可编程控制器p l c 作为控制系统 的基本控制级。控制系统对滑石微粉生产线的运行进行自动控制，控制柜是整套 生产线的控制中心，具有控制操作、数据采集、参数处理、运行状态及参数动态 显示、越限报警等功能。微粉生产线系统我们对其设有手动和自动两种控制方式。 主要在5 方面对微粉生产线的系统控制进行设计： 1 ) 装置能对整机进行生产自动控制，也能进行手动单机调试控制。 2 ) 根据工艺要求，要按预先给定的程序丌启、停止各相关单元的电气设备。 3 ) 当某单元发生故障时，能准确地按工艺要求自动切除有关设备，并且发 出闪光报警指示信号，指示发生故障单元。 4 ) 有判断比较功能，能够根据随机的工艺状况变化，自动进行切换控制， 从而达到良好的生产效果。 5 ) 对给料速度，分级机转速能进行平滑的调节，充分满足不同产品的要求。 2 1 3 开关量控制 滑石微粉生产线的逻辑控制，按生产工艺要求设计为，自动按照一定的顺序 方式和延时要求，逐台依次启动或关闭机器。启动顺序依次为：分级机捕集器 引风机喷嘴阀给料机 出料机。关机顺序依次为：出料机给料机喷 嘴阀引风机捕集器分级机。 运行中系统可能出现的几种开关量故障逻辑关系如下： 总气源气压不够总气压指示灯光1 1 人j 烁报警分级机设备不能起动一 一检查空气压缩机工作是否正常气源阀门是否打开。 气封压力不够声响报警、相应指示灯i 人j 光，在联机状念下同时全线停机 分级机设备i i 能启动调整气封压力使之恢复j 下常。 分级器电机超载料满指示停给料机无需处理。 引风机过载声响报警、相应指示灯i n 光引风机电机断电相应喷 嘴阀、给料机停止检查引风机电机是否一常。 给料机过载声响报警、相应指示灯i n 光给料电机停检查给料电 机是否正常，是否给料电机堵塞。 旋风排料或捕集排料过载声响报警、相应指示灯闪光其电机断电一 一检查相应电机是否断相或粉料堵塞。 磨内压力过高声响报警、相应指示灯闪光分级机电机以下电气设备 ( 电机、阀f - 1 ) 均停检查喷嘴压力和风机流量是否正常或堵塞，j 下常后过压 复位按钮复位。 6 武汉理i ：人学硕十学位论文 捕集器内压力过高声响报警、相应指示灯闪光捕集器脉冲、引风机、 喷嘴阀、给料机均停调整风机流量、检查布袋透气性正常后复位按钮复 位。 磨机发出尖锐的啸叫声，无粉碎效果可能磨机空了，进料量太小或给料 机或翻板阀有故障输入管堵塞，物料进口有积料检查进料装置，尤其翻 板l 日j 丌关交替时间清理进料管或重新设置料位控制仪表。 满料指示经常发出“磨满 指示，尽管已停止给料，但该信号不消失料 位指示器灵敏度太高，传感器探极上有积料调节料位检测系统，消除探极上 积料一适当调整给料量。 针对生产工艺对我们的要求，我们处理主控程序中这些主要开关量时，设计 时我们依次将前一级的启动当作后一级启动的必要条件，同时对微粉生产线运行 时可能出现的几种主要故障情况在程序中根据生产要求采取联锁和自锁的保护。 通过这几种主要的措施，我们保证了微粉生产线的正常运行。 2 2 微粉生产线系统的硬件设计 为了保证微粉生产线独立性和灵活性，系统配置1 套可编程控制器作为微粉 生产线的控制级，用1 台触摸屏作为人机交换界面，p l c 通过通信模块实现与人 机交换界面连接，同时通过自由口与2 台变频器相连，分别控制给料机和分级机， 触摸屏对系统远程状态设置、实时监控，p l c 作为控制系统的基本控制级。 微粉生产线控制系统采用德国西门子公司生产的具有体积小、高速和功能先 进等特色的s 7 2 0 0 系列中小型可编程控制器s 7 2 2 6 。根据系统控制要求以及系 统扩容的需要，选择p l c 硬件配置。p l c 的输入设备有启停和复位按钮、丌关、 料位和速度传感器等，p l c 输入接口图如图2 2 所示。输出设备主要有接触器、 继电器、变频器、指示灯、报警器等，p l c 输出接【j 如图2 3 所示。微粉生产线 的执行机构有异步电动机、阀门、变频调速电机、调1 了阀等。 2 2 1p l c 输入接口电路设计 根据西门子s 7 2 0 0 系列p l c 的内胃输入功能设定，对输入点进行地址分配。 西门子s 7 2 2 6 p l c 输入电路有2 4 点。该系统共需要输入端子1 7 点，两门子 s 7 2 2 6 p l c 输入端子接线图如图2 2 所示。 7 武汉理j 大学硕十学仔论文 图2 2 p l c 输入接口电路圈 首先将西门子s 7 2 2 6 p l c 输 接口端子台上所有m 与电源负极短接。两门 子s 7 2 2 6 p l c 电源单元的下部端子台中虽然含有d c 2 4 v 输出端予，但考虑到本 武汉理r 人学硕十学位论文 项目输入所接负载较多，负荷较大，故外加一个2 2 0 v ，1 0 a 的丌关电源，作为 输入电路用的d c 电源使用。内置输入端子根据西门子s 7 2 0 0 系列p l c 设定的 内置输入设定的各项目，选择、分配功能。在本项目中，笔者将生产线中各个传 感器信号的输入集中分配到p l c 输入的1 0 段，将输入保护2 的空开的输入和在 其保护下的分级机空丌和分级机变频器的输入集中放在p l c 输入的i l 段，最后 将输入保护3 的空丌的输入和在其保护下的分级机，引风机空丌，给料机空开， 排料机的外部控制和给料机变频器的输入集中放在p l c 输入的1 2 段。所有空丌 一端接s 7 2 2 6 输入端子，一端则必须接2 4 v d c 电源正极；磁电传感器有三个输 入端，一端接s 7 2 2 6 输入端子，另外两端分别接2 4 v d c 电源正负极；料位传感 器有四个输入端，一端接s 7 2 2 6 输入端子，一端接2 4 v d c 电源正极，另外两端 则分别接v a c 2 2 0 正负极。 同时由于本控制系统中对磁电传感器输入信号的采集用到了西门子s 7 2 0 0 系列p l c 的高速计数器3 ，所以需要通过程序对p l c 系统设定内置输入高速计 数器3 设定为使用，同时按照编程手册设定其工作方式。同时由于高速计数器3 的使用，根据s 7 2 0 0 使用手册，它需要占据通用输入端子1 0 1 ，所以p l c 输入 接口电路图中必须将磁电传感器信号的输入连接到i o 1 。 2 2 2p l c 输出接口电路设计 根据西门子s 7 2 0 0 系列p l c 输出功能设定，对输出点进行地址分配。西门 子s 7 2 2 6 的输出电路为1 6 点，该系统输出实际所用点是1 1 点。该控制系统p l c 输出端子接线图如图2 3 所示。 s 7 2 2 6 p l c 输出接口既支持v d c 2 4 v 输出，也支持v a c 2 2 0 v 输出。但是， 只有l l 内的四个输出点力能且只支持v d c 2 4 v 的输出。由于对给料机和分级机 变频器的启停信号均是v d c 2 4 v 输出信号，所以将l l 与两台变频器的公共端 1 8 1 2 和2 8 1 2 相连，然后分别将q 0 0 和q 0 1 与两台变频器启停的控制端1 8 1 8 和2 8 18 相连。 而s 7 2 2 6 p l c 输出接口2 l 和3 l 下的输出端均是只支持v a c 2 2 0 v 输出。 所以我们将其他的一些开关，负载和f 乜机的接触器线圈全部接在输出端口2 l 和 3 l 下，同时将输出端子公共口2 l 和3 l 分别与a c 2 2 0 电源火线短接，且在2 l 和3 l 公共口与火线的连接上分别接上两个空丌，以便发生故障时i ，丁以即时切断 回路，保护负载。其余所有开关，负载和接触器线圈一段接p l c 输出端子，一 段则接a c 2 2 0 电源零线，形成闭合回路。 q 武汉理l ：大学硕士学位论文 2 2 3 存储地址空间分配 图2 3p l c 输出接口也路图 为了使系统各部分程序设计起来更加方便，我们应提前对程序中各个变量可 能占用的地址进行统一分配，并进行记录。分配时我们应尽量将各个子程序所需 武汉理工大学硕七学何论文 的存储地址放在一段连续内存空间内，同时各个不同的子程序存储地址之间尽量 、 留有一定的地址空间距离，以便扩展。 根据上述原则，对微粉生产线控制系统程序存储地址空问分配如表2 1 所 示。 表2 1 微粉生产线控制系统程序存储地址空间分配表 v b o 高速计数定时中断 v d 2 0 高速计数小断加1 地址 v w 5 0 决定写读取自由通i r - i u l 个数据的地址 v b 9 9 自由口通讯数抓输出起始地址 v b l 0 0 v b l1 4 依次按狭义格式填入 v b l l 5 b c c 校验输出 v d 2 0 0 v d 2 2 0高速滤波( 采集连续6 个数据) v d 3 0 0 高速滤波变量 v d 3 0 4 最终滤波结果 v w 5 0 0 喷嘴阀显示状态 v d 6 0 0 电机2 转速卣分比 v w 2 0 0 0 一v w 2 5 9 0 自由口通讯数扒5 杰示占用地址 v d 4 0 0 4 自由口发送字符地址缓冲区 t 3 3 4 8 5 通砒定时器 v w 6 0 0 一v w 8 0 0对两电机电流和频率滤波 2 2 4p l c 高速采集的实现 在微粉生产线控制系统中，分级机的实时转速是生产中非常重要的一个参 数，它直接关系着生产产品的质量优劣。因此，在s 7 2 0 0 系列p l c 与d a n f o s s 变频器自由口通讯中，分级机实时转速的采集是实现自由口通信的首要步骤。 在微粉生产线系统中，我们将一个磁电传感器置于距分级机测速盘齿轮1 2 m m 处，然后我们将传感器数据线接在s 7 2 2 6p l c 指定输入端口。但是由于 s 7 2 0 0 系列p l c 的c p u 手- i 描频率不是很高，而分级机转速却较高，因此我们不 能直接用s 7 2 0 0 系列p l cf - 带的普通计数器进行分级机转速的采集，而必须j j 到s 7 2 0 0 系列p l c 的另一个特色功能高速计数器m 1 。 高速计数器它可用来累汁比p l c 的扫描频率高得多的脉冲输入，利用其产 生的中断事件完成预定的操作。s 7 2 2 6p l c 有6 个高速计数器，每个高速计数 器的工作模式的种类、输入点、以及各自的控制字和状态字各不相同。 各高速计数器的输入点分配如下表2 2 所示。 武汉理- t 大学硕t 学位论文 表2 2 高速计数器的输入点分配图 输入点l l 高速计数器 o oo 10 2o 30 40 5o 6o 71 01 11 21 31 41 5 h s c oxxx h s c l xxxx h s c 2x x h s c 3 x h s c 4xx h s c 5x 边沿【 ：断xxxx 根据微粉生产线控制系统对分级机转速的要求，我们只需具有带有内部方向 控制的单相计数器功能的高速计数器就能满足我们的要求。我们依据西门子p l c 的技术手册，发现本项目中使用的s 7 2 2 6p l c 自带的六个高速计数器全部满足 我们的要求口9 | 。从表2 2 我们可以看出，为了使微粉生产线控制系统对分级机转 速的采集设置更加简便，一目了然，同时又能满足微粉生产线高速采集的要求， 我们采用高速计数器h s c 3 最能符合上述要求。它具有带有内部方向控制的单相 计数器的功能，同时它也只有一个输入点，编写程序时不易出错。高速计数器 h s c 3 的使用，它需要占据通用输入端子i o 1 ，所以p l c 输入接口电路图中必须 将磁电传感器信号的输入连接到i o 1 。 但是要想正常使用s 7 2 0 0 系列p l c 的高速计数器功能，首先必须对高速计 数器的控制字节进i 丁设胃。每个高速计数器都对应一个控制字节，如表2 3 所示 3 。用户可以根据要求末设置控制字节中各控制位的状态，如复位与启动输入信 号的有效状态、计数速牢、计数方向、允许更新双字和允许执行h s c 指令等， 实现对高速计数器的控制。 表2 - 3h s c 控制位图 h s c 0h s c lh s c 2h s c 3h s c 4h s c 5描述 s m 3 7 3s m 4 73s m 5 73s m l 3 7 3s m l 4 7 3s m l 5 7 3i i 数玎阳抒m 8 之； o = 减i l 数：1 = 增i l 数 s m 3 7 4 s m 4 7 4s m 5 7 4s m l 3 7 4s m l 4 7 4s m l 5 7 4i h i h s cc # 写入i t 数疗l 两： o = 4 ；蹙新：1 = l 也新i t 数hi f i j s m 3 7 与s m 4 7 5s m 5 75s m l 3 7 5s m l 4 7 5s m l 5 7 5i 匈h s c 中写入颅锅：f f j ： 0 = 小延新；1 = 哑斩i 惯伪 s m 3 7 6s m 4 7 6s m 5 76s m l 3 7 6s m l 4 7 6s m l 5 7 6 i ：- , j h s c t - t ：；入笋i f j ：j 。前： o = 小史新；1 = 蜓新“1j i , j f f i s m 3 7 7 s m 4 7 7s m 5 77s m l 3 7 7 s m l 4 7 7s m l 5 77h s c 允许：0 = 禁止 h s c ；1 = 允汁h s c 设置好控制位后，然后根据自己项目的要求设置当日 值和预设值，在本项目 中我们利用当前值等于预设值产生中断来达到微粉尘产线控制系统高速采集的 控制要求。各h s c 当前值和预设值位图如表2 4 所示。 1 2 武汉理l ：人学硕十学位论文 表2 4 各h s c 当前值和预设值位图 要装入的值 h s c oh s c lh s c 2h s c 3h s c 4h s c 5 新。确j 艇s m d 3 8s m t 3 4 8s m d 5 8s m d l 3 8s m d l 4 8s m l 3 1 5 8 新颇凝馈 s m d 4 2 s m d 5 2 s m d 6 2s m d l 4 2s m d l 5 2s m d l 6 2 根据本项目的要求以及西门子s 7 2 0 0 系列p l c 的技术手册，对微粉生产线 控制系统中使用的高速计数器h s c 3 设置如下： l d s m 0 0 m o v b16 # f 8 ，s m bi3 7h c 30 模式c v = 0 ，p v = 0 ，增计数 m o v d+ o ，s m d l 3 8 设置当前值 m o v d l ，s m d l 4 2设置预设值 h d e f 3 ，0启动高速计数器3 a t c h c o u n t , 3 2当前值等于预设值时产生中断 m o v b 0 ，v b 0 m o v b 2 5 0 ，s m b 3 4 a t c ht i m e l ，1 0中断间隔时问1 s e n i h s c3 启动h s c 3 后，微粉生产线控制系统开始对分级机转速进行高速采集，但是 由于现场环境的恶劣，工作电压的波动以及分级机测速盘齿轮悬臂式的结构，使 得我们采集到的分级机的转速值很不稳定，有时还会出现数据溢出的情况，这时 为了我们得到的数据更加可靠有效，我们对其应采取滤波措施，我们定时每l s 输出一次，每6 次的数据取一次平均值，这样的话我们有效的屏蔽了干扰，使得 采集的数据非常平稳。 2 3 微粉生产线系统的软件设计 2 3 1 人机交换界面设计 微粉生产线系统采用的触摸屏是上海步科有限公司生产的e v i e wm t 4 0 0 0 系列触摸屏，m t 4 0 0 0 系列触摸屏是依据工厂应用环境而设计的工业产品。它设 计的规范可以保证冉t - , 厶匕f j i 匕够在0 到4 5 的大多数工业环境中稳定工作。在此系统 中，我们根据生产要求以及现场环境选用的触摸屏型号是m t 4 4 0 0 t 心。人机界 面我们采用该款触摸屏自带的组态软件e v 5 0 0 0 编制组态界面。在触摸屏上设置 好微粉生产线的控制界面、参数显示画面、报警画面，各显示画面之间可自由切 换，对生产线的生产流程、工作状态、测量参数、报警信息等进行显示。通过入 1 3 武汉理| = 大学硕士学位论文 机对话方式由人工选择或设定其操作的方式，操作人员可在上位机界面上设定给 定值，调节参数等。 对控制界面的设计，我们主要是利用了e v 5 0 0 0 中丰富的按钮设霞功能和其 强大的位图库。控制界面分为控制键界面、设备状态界面、运行参数界面和工艺 状态界面，其相互之间可以切换，集操作、监控于一体。 1 ) 控制键界面 在耐控制柜控制键界面的设计时，我们需要考虑怎么实现设备启停控制。 在正常情况下启动，设备是按顺序启动，分级机启动后延时2 0 秒( 程序 控制) 才能启动捕集器。引风机启动时是星型状态，1 2 秒( 程序控制) 转换 角型运行，延时8 秒爿可喷嘴阀。 在正常情况下关闭，设备是按顺序关闭，捕集器关闭后延时6 0 秒( 程序 控制) 才能关闭分级机。 同时，我们还要考虑，在丌车时怎么对控制柜控制键界面中对料位电流 和停止给料时间进行设定，如缺省就为调试时的2 8 a 与3 0 s 。 针对这两点要求，控制柜控制键界面设计如图2 _ 4 所示。浚界面主要完 成在j f 常情况时与调试情况下，设备的启动停止的操作功能。 网2 - 4 控制柜控制键界而 2 1 鞋备状态指示界面 该界面完成对设备运行状况的检测，显示殴备是舌在正常的状态，如 某设备有故障，兹设备的对应指示将会f j 烁，如图2 - 5 。 武汉理l 大学硬十学位论文 图2 - 5 控制柜状态指示界向 3 1 运行参数界面 运行参数主要反映分级机与给料机的主要工作状态，通过调整分级 机的转速，达到控制滑石粉的粒度大小：分级机电流指d ：分缴机的负载情 况；给料机显示给料量的状况。运行时问记录分缎机外机时删，在不重启 p l c 的情况下，运行时间可断续记录运行时日j 。在每个班组操作时，可以 进行计时复位，如图2 - 6 。 图2 - 6 控制柜电机参数界面 武汉理1 丈学硬 学位论文 4 ) 工艺状态界面 工艺状态主要反映生产线的的主要气压状况，在该项气压不在规定 的界内时，将会出现声光与相应的指示订报警。在该界面里，可以设定 料满后停止给料时间。如果缺省丌机时自动设定为3 0 秒。如图2 7 。 图2 7 气流磨工艺状态的界面 料位设定界面 料位设定主要设定分级机的电流，在生产不同的产品时，设定分 级机的电流也可以起到料位保护的作用。其缺省值为2 8 a 。如图2 - 8 。 图2 - 8 气流磨料位设定的界面 武汉理l ：人学硕十学位论文 2 3 2p l c 主程序设计 p l c 主程序用德国西门子公司的软件开发工具s t e p 7 m i c r o w l n 丌发。 s t e p7 - m i c r o w l n 是基于w i n d o w s 的应用软件，它功能强大，主要为用户开发 控制程序使用，同时也可实时监控用户程序的执行状念忙引。s t e p 7 m i c r o w l n 编 程软件具有非常丰富的编译工具，可以很容易地修改程序、编译、调试并下载到 p l c ，并且具有强大的编辑功能，可将程序编辑、存盘、打印，类似w i n d o w s 风 格的人机界面给编程者的操作带来了极大的方便。 为了提高效率和增强程序的可读性，在微粉生产线设计过程中，不仅要采 用模块化的设计方式，还要考虑到微粉尘产线自身的特点。 设计时，我们要考虑三个方面：1 微粉生产线系统的自动化程度，要尽量提 高微粉生产线控制系统自动化程度。2 控制系统操作要尽量简单，减少操作人员 工作量，3 整个程序具备足够的系统灵活性。 在微粉生产线设计的过程中，我们需要根据微粉生产线的流程以及各设备 的联锁关系，画出整个生产的流程图，这是设计中的重要前期工作。