（控制理论与控制工程专业论文）蒸压粉煤灰砖生产线控制系统的设计研究.pdf

t h e d e s i g na n dr e s e a r c ho f c o n t r o l ls y s t e mf o r p r o d u c t i o nl i n eo fb r i c km a d eo ff l yc o a la s h b y z h a n gd e f u u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f h u a n gm i n g j i a n at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to f t h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y2 0 ，2 0 1 0 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：烛 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或 部分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 制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：禾乏丛趣导师签 济南大学硕十学位论文 目录 摘要v a b s t r a c t v i i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 国内发展历史与现状2 1 3 国外发展历史与现状4 1 4 课题提出及主要研究内容4 1 5 本章小结5 第二章蒸压粉煤灰砖生产工艺及生产线控制系统设计7 2 1 蒸压粉煤灰砖生产工艺流程7 2 1 1 蒸压粉煤灰砖概述7 2 1 2 蒸压粉煤灰砖生产工艺流程7 2 2 各种控制方式的特点及控制系统的选取9 2 3 基于p l c 的蒸压粉煤灰砖生产线控制系统总体设计1l 2 4 下位机的设计与实现1 1 2 4 1 可编程控制器概述1 l 2 4 1 1p l c 的产生和发展历程1 2 2 4 1 2p l c 的特点与应用领域1 3 2 4 1 3p l c 的发展趋势1 4 2 4 2p l c 工作原理1 5 2 4 2 1 循环处理过程1 5 2 4 2 2 工作原理1 7 2 4 2 3 西门子编程软件s t e p 7 1 7 2 4 2 2 西门子p l c 的通信方式1 8 2 4 3 基于西门子s 7 3 0 0p l c 的下位机实现1 9 2 4 3 1 粉煤灰砖控制器p l c 的模块结构1 9 2 4 3 2 粉煤灰砖生产线的程序流程图1 9 2 5 上位机的设计与实现2 0 蒸压粉煤灰砖生产线拧制系统的设计研究 2 5 1w i n c c 概述2 0 2 5 2 基于w i n c c 监控软件的监控功能实现2 2 2 6 本章小结2 7 第三章蒸压粉煤灰砖生产线故障检测的研究与设计2 9 3 1 故障检测设计目的2 9 3 1 - l 电动机故障概述2 9 3 1 2 蒸压釜故障概述3 0 3 2 故障检测设计3 0 3 2 1 下位机设计3 0 3 2 1 1 采样点选择3 0 3 2 1 2 硬件组态3 1 3 2 2 电机故障检测原理3 1 3 2 3 上位机设计3 3 3 2 3 1 实时数据库设计3 3 3 2 3 2 监控画面设计3 3 3 3 本章小结3 8 第四章基于单神经元算法的比值控制研究3 9 4 1 比值控制系统概述3 9 4 1 1 比值控制系统定义3 9 4 1 2 比值控制系统类型3 9 4 1 3 比值控制方案的设计原则4 2 4 1 4 比值控制系统选择4 4 4 2 基于单神经元网络的p i d 智能控制概述4 4 4 2 1 几种典型的学习规则4 4 4 2 2 单神经元自适应p i d 控制4 5 4 3 基于单神经元自适应p i d 控制器的比值控制系统实现4 6 4 4 基于单神经元自适应p i d 控制器的比值控制系统m a t l a b 仿真4 7 4 4 1m a t l a b 概述4 7 4 4 2m a t l a b 仿真实现4 8 4 5 本章小结5 0 济南大学硕l j 学位论文 蔓曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼量舅皇曼蔓曼鼍曼鼍曼曼曼曼! 曼曼i ! = a! il a m _ i i_i 曼曼鼍鼍曼皇曼蔓曼曼曼曼皇曼曼曼曼 第五章结论与展望5 1 5 1 本文总结5 1 5 2 前景与展望5 2 参考文献5 3 致谢5 7 附录攻读学位期间发表的论文5 9 蒸乐粉煤灰砖生产线拧制系统的设计研究 济南人学硕f ：学位论文 皇曼曼蔓曼曼曼曼曼曼曼鲁曼曼曼曼曼昌曼曼曼曼m m m 1 _i iiiiii - -曼曼鼍曼量曼曼 摘要 随着我国经济的持续发展，对电力和热力的需求不断增长。因而，对煤炭需求量 越来越大，由此产生的粉煤灰量也日益增加。现在，全国每年的粉煤灰排量已达到1 2 亿吨之多，我国已成为世界上最大的粉煤灰生产和贮存国。对粉煤灰如果不加以有效 利用，其堆置不仅占用大量土地，而且还会对人类的生存环境造成污染，破坏生态平 衡，进而影响到国民经济的可持续发展。因此，加大对以粉煤灰作为主要原料的蒸压 粉煤灰砖的开发和研究就显得日益重要。我国国民经济的高速发展和人民生活的日益 提高对蒸压粉煤灰砖的需求会越来越大，加之良好的政策环境使得粉煤灰砖的研发、 生产与应用出现了前所未有的发展良机。因此，蒸压粉煤灰砖具有广阔的市场前景和 巨大的发展潜力，从而为蒸压粉煤灰制砖设备的研发提供了契机。 本文是在对蒸压粉煤灰砖生产线工艺流程进行深入研究的基础上，进而对生产 设备的生产流程有一个全局的认识、理解和把握，从而掌握该生产线的全部生产环 节和控制规律。对比不同的控制方式，确定各种控制方式优点和缺点、性能指标、 经济指标和适用范围。根据各种性能指标的优劣，在d c s 控制、p l c 控制及其他控 制方式中选取西门子s 7 3 0 0 可编程控制器作为蒸压粉煤灰砖生产线的控制系统。 蒸压粉煤灰砖生产线控制系统总体方案设计研究。对蒸压粉煤灰砖的生产工艺 流程进行整体研究和分析，给出控制系统的架构；对现有控制系统不足之处加以改 进，使整个控制系统在性能上得到完善、在技术上得以提升。上位机采用基于西门 子s i m a t i cw i n c c 软件的监控系统。 s i m a t i cw i n c c 是第一个使用最新的3 2 位技术的过程监视系统，具有良好的开放性和灵活性，便于对生产现场的各个 环节进行监控，集生产自动化和过程自动化于一体，实现相互之间的整合。下 位机采用$ 7 - 3 0 0 作为系统控制器，该控制器采用西门子专门开发的s t e p 7 软 件平台进行编程。数据通信采用p r o f i b u s 总线管理，易于实现与工业控制系统形 成一个整体，符合扩充其功能的原则。 针对在蒸压粉煤灰砖生产线上电机连续使用时间长和启动频繁，以及蒸压釜温 度和压力对砖质量影响大的特点，设计了系统故障报警装置。在电机启动后，若未 能转动，则予以报警提示；对蒸压釜的温度和压力进行检测，防止温度和压力过低 造成砖质量下降，以及压力过大情况下出现爆炸情况。设计上位机检测画面，通过 蒸压粉煤灰砖牛产线控制系统的设计研究 对电机和蒸压釜的关键参数数据进行传输，实时检测电机和蒸压釜的运行情况。 作为对以粉煤灰作为主要原料、石灰、集料和灰膏与之保持一定比例的配料模 型模拟，本文对比值控制系统进行系统地深入研究。采用多闭环比值控制系统，其 中闭环控制器采用单神经元控制方式，形成基于单神经元控制算法的比值控制系 统。并运用m a t l a b 对其进行仿真。和常规的p i d 控制相比，该算法显示出p i d 控 制性能的优越性。 本文最后总结本论文的主要思路和创新之处，指出今后课题的研究和开发应用 方向。 关键词：可编程控制器；故障检测；比值控制系统；单神经元算法；m a t l a b 仿真 济南大学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fc h i n e s ee c o n o m y , t h e r ei sa ni n c r e a s i n g d e m a n df o re l e c t r i c i t ya n dt h e r m a lp o w e r a c c o r d i n g l y , w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r i c i t ya n dt h e r m a lp o w e ri n d u s t r y , t h eo u t p u to ff l yc o a la s hh a si n c r e a s e d e n o r m o u s l y a tp r e s e n t ，t h eo u t p u to ff l yc o a la s hh a sa m o u n tt oo 12b i l l i o nt o n se a c h y e a r c h i n ah a sb e c o m et h eb i g g e s tc o u n t r yi no u t p u to ff l yc o a la s h u n l e s sf l yc o a la s h c a nb ep u ti n t ou s ee f f i c i e n t l y , i tw i l ln o to n l yo c c u p yp l e n t yo fl a n di ns t o r a g e ，b u ta l s o l e a dt op o l l u t i o no ft h ee n v i r o m e n tw h i c ht h eh u m a nl i v ei n a l lt h e s ed oh a r mt o e c o l o g i c a lb a l a n c ea n dt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fc h i n e s ee c o n o m y t h e r e f o r e ，i ti s o fi n c r e a s i n gi m p o t a n c et or e s e a r c ha n dd e v e l o pt h eb r i c km a d eo ff l yc o a la s h t h e r a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m yl e a dt oa ni n c r e a s i n gd e m a n df o rb r i c km a d eo ff l yc o a l a s ha sw e l la sf a v o r a b l ep o l i c yg i v e sa no p p o r t u n i t yf o rd e v e l o p i n gt h eb r i c km a d eo ff l y c o a la s h f u r t h e r m o r et h i sp r o v i d e sa no p p o r t u n i t yf o rr e a s e a c ha n dd e v e l o p m e n to f e q u i p m e n tf o rb r i c km a d eo ff l yc o a la s h t h ep a p e rp r o v i d e ss y s t e m a t i c a lc o m p r e h e n s i o na n df u l lu n d e r s t a n d i n go fb r i c k p r o d u c t i o np r o c e s s ，t h e nm a k e sp r o d u c t i o nl i n k sa n dc o n t r o l ll a wc l e a r b yac o m p a r i o n o fm a n yc o n t r o lm o d e sa n da c c o r d i n gt ot h ea d v a n g t a n g ea n dd i s a d v a n t a g eo fe v e r yk i n d o fc o n t r o l lm o d e ，p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ( p l c ) i sc h o s e na st h ec o n t r o l l e ro f p r o d u c t i o nl i n ea m o n gd c s ，p l ca n ds oo n i nt h i sp a p e r , g e n e r a ls c h e m ef o rc o n t r o ls y s t e mf o rp r o d u c t i o nl i n ei sp r e s e n t e da s aw h o l e ，a n di m p r o v e m e n ti nc u r r e n ts y s t e mi ss e e nt op e r f e c tt h ep e r f o r m a n c ea n dt o i n c r e a s es t a b i l i t yo fc o n t r o l ls y e s t e m h o s tc o m p u t e ra d o p t sm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do n s i m a t i cw i n c cw h i c hh a se x c e l l e n to p e n n e s sa n df l e x i b i l i t yt os u p e r v i s ee v e r yl i n k o nt h es p o to fp r o d u c t i o ns oa st oc o m b i n ep r o d u c t o na u t o m a t i o na n dp r o c e s sa u t o m a t i o n t or e a l i z et h ei n t e g r i t yo fp r o d u c t i o np r o c e s s s l a v ec o m p u t e ra d o p t ss 7 - 3 0 0p l ca s c o n t r o l l e r s 7 - 30 0p l ch a sm a n ya d v a n g a g e ss u c ha sc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n d f u n c t i o n e x t e n s i o ni n p r i n c i p l e a sw e l la sd a t ac o m m u n i c a t i o n t h r o u g h p r o f i b u s 一v i i - 蒸压粉煤灰砖乍产线控制系统的设计研究 t h ep a p e ra l s op r o v i d e sm e t h o df o rf a u l td e t e c t i o nf o rm o t o r sa n da u t o c l a v e t h e u p p e r - c o m p u t e rp r o v i d e sf a u l td e t e c t i o nf o rm o t o r sa n da u t o c l a v eb yc o m m u n i c a t i n gk e y d a t af r o mt h ep r o d u c t i o n s p o tt os u p e r v i s et h eo p e r a t i o nc o n d i t o no fm o t o r sa n d a u t o c l a v e i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mt h a ti ti sd i f f i c u l tt os e tp i d p a r a m e t e r si ni n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n ，t h ep a p e rp r e s e n t sas e l f - a d a p t i v e c o n t r o l l e rb a s e do ns i n g l en e u r o n a l g o r i t h mf o rr a t i oc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hb a s e so ns i n g l en e u r o ns e l f - l e a r n i n ga b i l i t y , a n d c a nt r a c k sc h a n g e so ft h es y s t e ma n dc a ns e tp a r a m e t e r sr a p i d l ya c c o r d i n gt oc h a n g e s a l ld o n el i k et h i si st om a k et h es y s t e mw o r ks t e a d i l y s u b s e q e n t l y , t h ep a p e rt a k e s a d v a n t a g eo fm a t l a bt os i m u l a t et h es y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h e s y s t e mp o s s e s s e se x c e l l e n td y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dr o b u s t n e s si ss a t i s f a c t o r y f i n a l l y , t h ec r e a t i v i t yo ft h ep a p e ri sp o i n t e do u ta n dt h e d i r e c t i o no fr e s e a r c h d e v e l o p m e n to fc o n t r o ls y s t e mf o rp r o d u c t i o nl i n eo fb r i c km a d eo ff l yc o a la s h k e yw o r d s ：s i n g l en e u r o na l g o r i t h m ；p i dc o n t r o l ；r a t i oc o n t r o ls y s t e m ；p l c ；f a u l t 济南大学硕卜学位论文 曼曼曼曼曼曼曼曼量毫曼曼曼曼皇曼曼曼量曼曼曼! 皇皇i i hi_hi h i i 皇曼鼍曼曼曼! 皇曼曼曼皇曼曼皇量 第一章绪论弟一早殖下匕 1 1 课题研究背景及意义 随着经济的不断发展，我国对电力和热力的需求不断增长，现在全国火电装机容 量已达到2 亿千瓦以上n 1 。伴随着以煤炭为主要原料的电力和热力工业的发展，由此 而产生的粉煤灰排量也日益增加，现在每年的排量已近达到1 2 亿吨之多，我国已成 为世界上最大的粉煤灰生产国和贮存国。如果对粉煤灰不加以有效利用，其堆置用地 将达2 万亩以上豫1 。粉煤灰堆场流出的废水，污染农田；扬起粉尘，污染空气；深入 地下，污染地下水。如此以来，粉煤灰的堆积不仅会占用大量土地，给周围环境造成 很大污染，破坏生态平衡口1 ，而且还会影响到国民经济的可持续增长。 因此，加大对粉煤灰综合利用的研究和开发就显得尤为重要：可以充分利用资源， 减少贮灰场的建设，节约宝贵的土地资源和建设资金，减少对环境的污染，是经济可持 续发展的必然要求，因而具有良好的经济、环境和社会综合效益h 1 。 目前，对粉煤灰综合利用研究主要有两个方向，一是以粉煤灰为原料，做建筑材料， 应用于建筑工程和道路工程等；二是以粉煤灰为原料做吸附材料、絮凝剂等，应用于 化工和环保方面晦1 。 近年来，为推动粉煤灰等工业固体废弃物在墙材中的综合利用、发展循环经济、 保护环境，国家制定了一系列方针政策和优惠措施：利用工业废渣生产建材产品不 征收固定资产投资方向调节税。对生产新型墙材的企业减免土地使用税，对生产实 心粘土砖企业征收土地使用税。凡企业利用本企业外的大宗煤矸石、炉渣、粉煤灰 作主要原料，生产建材产品的所得，自生产经营之日起，免征所得税5 年。企业生产的 原材料中掺有不少于3 0 的煤矸石、粉煤灰、炉渣等废渣的建材产品，免征增值税。 对使用实心粘土砖的房屋建筑，在价外加收一定费用。将抗压强度 m u l 5 、吸水率 2 2 的高掺量粉煤灰烧结普通砖作为新型墙材重点发展类产品，同时将粘土实心砖列 入禁止类产品。2 0 0 3 年6 月3 1 日起在全国直辖市、沿海大中型等1 7 0 个城市禁止使用 实心粘土砖。将粉煤灰烧结空心砖列为中国高新技术产品，重点鼓励粉煤灰烧结空 心砖的生产、销售和利用。 2 0 0 5 年前淘汰粘土实心砖厂2 万家，每年关闭4 0 0 0 家，粘 土实心砖产量每年减少1 2 0 亿块：2 0 0 5 年粉煤灰综合利用率要达2 0 6 5 ：2 0 0 5 年1 2 月3 1 日之前，全国所有省会城市全面禁止使用实心粘土砖哺1 。 蒸乐粉煤灰砖生产线摔制系统的设计研究 从上世纪末，我国为了节约用地、充分利用资源，实施了新的墙改政策h ，7 1 ，即： 淘汰粘土砖，利用工业固体废弃物资源研制、生产高强轻质、保温隔热节能、防火无 毒环保的新型墙材哺3 。 根据国务院国办发 1 9 9 9 7 2 号文、建设部住房 1 9 9 9 2 9 5 号文以及国家墙体材料 革新办公室墙办发 2 0 0 0 0 6 号文，国家己明确提出在相应的城市限时禁止使用黏土实 心砖，要求积极推广采用轻质、高效、保温、隔热、块大、施工方便快捷的新型绿色 建筑材料旧1 。因此，利用蒸压粉煤灰制砖就成为替代黏土实心砖的一种重要途径n0 1 。 而蒸压粉煤灰砖不仅有与黏土实心砖相比具有质量轻、强度大、保温性好等特 点，在生产和应用上完全可以代替实心黏土砌墙砖，而且也是发展循环经济、将粉 煤灰“变废为宝”的一种重要方式n 刳。 随着我国国民经济的高速发展和人民生活的日益提高，对于蒸压粉煤灰砖的需求 量会越来越大，加之良好的政策环境使粉煤灰砖的研发、生产与应用出现了前所未有 的发展良机。因此，蒸压粉煤灰砖具有广阔的市场和巨大发展潜力。 因而，研究和开发生产蒸压粉煤灰砖设备就为有效利用粉煤灰奠定良好的基础， 也显得愈发重要和迫切。良好的生产设备会对粉煤灰砖的质量有很大的积极推动作 用。而作为生产设备“大脑”的控制系统无疑是至关重要的。所以，研发完美的控制 系统对粉煤灰有效利用会起到很大的促进作用。 1 2 国内发展历史与现状 蒸压粉煤灰砖是指以粉煤灰、石灰为主要原料，掺加适量的石灰和骨料，经坯料 制备、压制成型、高压或常压蒸汽养护而成的粉煤灰砖。 早在2 0 世纪3 0 年代，我国在上海、北京、长春等地的手工作坊中开始生产粉煤灰 砖。 从1 9 5 8 年以后，建筑材料工业部水泥研究院与无锡矽盐酸制品厂合作，研究成功 并小批量生产出具有现代意义的蒸压粉煤灰砖。 1 9 6 2 年，北京为了有效处理北京热电厂的粉煤灰，在北京建材局的组织领导下， 由建材工业部东北工业建筑设计院、北京市水泥砖瓦厂和北京市建筑材料科学研究所 派人组成了“北京市工业用废料利用试验研究组 ，其课题是“粉煤灰的生产工艺和 耐久性”，研究工作于1 9 6 3 年完成，其研究成果以“粉煤灰砖生产工艺与耐久性试验 研究报告”向外发布。这是我国首次对粉煤灰砖进行系统的研究。在此基础上，1 9 6 3 年建成了北京市水泥砖瓦厂粉煤灰砖试验生产线。1 9 6 5 年，利用该成果开开始建设年 济南大学硕 学位论文 产5 0 0 0 万块的高压蒸养粉煤灰砖的武汉市硅酸盐制品厂，该厂至今仍在正常生产，由 此蒸压粉煤灰砖在我国发展起来。 但是在2 0 世纪8 0 年代，蒸压粉煤灰砖的发展却陷入了低谷。当时由于我国正处于 改革开放的初期，建筑造价很低，墙体材料的价格对建筑造价影响很大，当时政府和 社会对于节能和环保较少重视，对黏土实心砖的发展和使用持鼓励政策；加之由于当 时粉煤灰砖的生产工艺和设备落后，职工队伍人员素质低下，蒸压粉煤灰砖的质量不 很理想，使得生产蒸压粉煤灰砖的企业在市场竞争面前显得软弱无力，最后落得不得 不关停的结局。这也是我国经济处于一定发展阶段的必然结果。 现在，由于国家限制发展黏土实心砖，对于粉煤灰砖的发展在政策上给予大力扶 持，再加上生产蒸压粉煤灰砖的生产工艺经过近4 0 年的探索和研究已经成熟，产品质 量已经满足社会和市场要求，因此在近期内出现一股新的发展蒸压粉煤灰砖厂的热潮 也是经济发展到一定阶段的必然结果，从而为蒸压粉煤灰制砖设备的研发提供了良好 的契机。 伴随着粉煤灰综合利用的热潮下，我国相关企业也投入到蒸压粉煤灰砖设备和控 制系统的开发、研究和使用上来。 我国六、七十年代建设投产的大型蒸压粉煤灰砖厂武汉市硅酸盐制品总厂， 在8 0 年代末众多蒸压粉煤灰砖厂纷纷倒闭停产、市场下滑、面临停产的时候，他们 引进德国二手6 0 0 吨液压压砖机，对生产工艺和设备进行改造，生产出了有较高质量 的蒸压粉煤灰砖( 2 0 m p a 以上) ，产品性能良好，适用于多层建筑的基础部分，企业收 到很好的效益。 2 0 0 1 年，江阴矿山机械厂为提高蒸压粉煤灰砖等非烧结砖设备水平，生产高质量 粉煤灰和废渣砖产品，研制开发出6 0 0 吨上下加压的液压压砖成型机，现已经做到批 量生产。 北京红耀科贸有限公司为适应生产高掺量粉煤灰砖需要，开发研制出了6 0 0 一- , 1 2 0 0 吨压力，年产3 0 0 0 - - - 6 0 0 0 万块掺灰量在9 0 以上的粉煤灰砖成型设备，每条生产 线投资大约5 0 0 - - - 9 0 0 万元，可生产不同规格、不同档次的粉煤灰砖。 天津龙腾机械制造有限公司独家引进的德国技术，生产出用于高掺量高强度粉煤 灰蒸压砖( 煤矸石砖) 的h d p 2 3 0 0 型双向压密液压砖机，于2 0 0 1 年底调试带料运行，可 年产4 0 0 0 - - 6 0 0 0 万块掺灰量7 0 左右的不同规格型号的高强度蒸压粉煤灰砖。 河南郑州桓通源新型材料股份有限公司投资2 3 0 0 万元，与德国拉斯科公司联合研 蒸压粉煤灰砖生产线挎制系统的设计研究 制的高新技术装备在河南省平顶山市建设了年产9 万m 3 ( 折标砖6 0 0 0 万块) 的粉煤灰建 筑制品生产线，开创了利用蒸压工艺，大掺量工业化生产高强粉煤灰制品的先河。 2 0 0 3 年至2 0 0 5 年的时间里，我国的常州锅炉有限公司开发的j q f 型加气混凝 土切割机和福建海源自动化设备有限公司开发的h f l l 0 0 型全自动液压粉煤灰砖压 砖机研制成功并通过国家鉴定，填补我国在此方面的空白。 与生产设备发展相类似的是设备控制系统的发展也经历一个从低级到高级的 过程。早期的生产设备应用的控制系统主要是手动操作加继电器控制，像武汉市硅 酸盐制品总厂引进的德国液压压砖机就是属于此种类型。在以后的设备研究开发 中，随着电子技术的发展，先后出现了可编程控制器控制系统p l c 、分布式控制系 统d c s 。福建海源自动化设备有限公司开发的h f l1 0 0 型全自动液压粉煤灰砖压砖机 使用了p l c 控制系统，潍坊恒远建材设备有限公司设计开发的配料系统也使用了西 门子$ 7 - 3 0 0 控制系统。内蒙古金幸环保公司加气砼生产线项目就采用了分布式控 制系统，做到了分散控制、集中管理。 1 3 国外发展历史与现状 各国都非常重视粉煤灰的资源化利用，据不完全统计乜3 1 ，目前欧美发达国家粉 煤灰的利用率已高达7 0 以上，如：荷兰达到1 0 0 ，意大$ t j 9 2 ，丹麦9 0 ，比利时7 3 。 美国也将列在主要固体资源中的第7 位，排在矿渣、石灰和石膏之前。 国外蒸压粉煤灰砖的应用和研究要比我国早。 俄国赫鲁谢夫首次在3 5 0 的高压水蒸气条件下进行水热合成； 法国列柏林获得用石灰一砂在蒸压条件下制造人工石材的专利权； 美国，劳林德获得用磨细砂、水泥、和水在蒸压釜处理制造人工石材的专利； 利用蒸压方法制备了2 3 8 m p a 的砖； 格拉则纳普研究了灰砂混合物在蒸压处理制度的影响作用。认为：灰砂质石料的 强度取决于水化硅酸钙的生成量，与砂子、石灰接触的总表面积、水蒸气的作用时间 和压力值有关。 从此蒸压制品就这样发展起来了。在以后的时间里，随着粉煤灰的综合利用，蒸 压技术也运用到粉煤灰制砖技术上来。至现在，国外的蒸压粉煤灰砖制砖工艺、生产 设备研发以及设备控制系统应用技术已经趋于成熟。 济南大学硕j 学位论文 曼曼曼曼曼曼曼曼蔓曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼皇曼鼍i il li n i l el 曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼量曼 1 4 课题提出及主要研究内容 在分析国内外蒸压粉煤灰砖生产历史以及生产设备的变革情况后，可以很清楚 地看出，我国的粉煤灰利用和生产粉煤灰砖设备和国外相比还有很大差距：起步晚、 设备落后、整体水平不高。因此，自主研发具有一定技术水平的蒸压粉煤灰砖生产 线，对提高我国的粉煤灰利用，改变经济发展模式，促进循环经济的发展具有重要 意义。 鉴于蒸压粉煤灰砖的良好发展趋势，本文将围绕控制系统的总体设计、故障检 测和比值控制的研究展开。主要研究工作包括如下几个方面的内容： 一、蒸压粉煤灰砖生产工艺流程研究及控制系统总体方案设计。对于蒸压粉煤 灰砖的生产工艺流程进行整体的研究和分析，给出整个控制系统的整体架构；对现 有控制系统的不足之处加以改进，使整个控制系统在性能上得到完善、在技术上得 以提升。上位机采用基于西门子s i m a t i cw i n c c 软件的监控系统。s i m a t i cw i n c c 是第一个使用最新的3 2 位技术的过程监视系统，具有良好的开放性和灵活性， 便于对生产现场的各个环节进行监控，集生产自动化和过程自动化于一体，实现 相互之间的整合。下位机采用$ 7 - 3 0 0 作为系统控制器，该控制器采用西门子 专门开发的s t e p 7 软件进行编程，数据通信采用p r o f i b u s 总线管理，易于实现 与工业控制系统形成一个整体，符合扩充其功能的原则。 二、针对在蒸压粉煤灰砖生产线上电机连续使用时间长、启动频繁的情况，以 及蒸压釜温度和压力对粉煤灰砖质量影响大的特点，设计电机和蒸压釜故障报警装 置。在电机启动时，若电机未能转动，则予以报警提示；对蒸压釜的温度和压力进 行检测，防止温度和压力过低，以及压力过大情况下出现爆炸情况。设计上位机检 测画面，通过对电机和蒸压釜的关键参数数据进行监控，实时检测电机和蒸压釜的 运行情况。 三、对粉煤灰作为主要原料、石灰、集料和灰膏与之保持一定比例的配料模型 模拟，本文对比值控制进行系统深入研究。采用多闭环比值控制系统，其中闭环控 制器采用基于单神经元算法的自适应控制器，形成基于单神经元控制算法的比值控 制系统。并运用m a t l a b 对其进行仿真。和常规的p i d 控制相比，该算法显示出基 于单神经元控制算法的比值控制器p i d 控制性能的优越性。 蒸压粉煤灰砖生产线控制系统的设计研究 曼曼舅曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼鼍曼曼曼曼! ! 曼量曼曼曼曼曼曼ii 曼曼曼曼蔓曼曼皇皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼毫曼曼曼曼曼蔓 1 5 本章小结 本章简要地阐述粉煤灰利用的意义，介绍国内外粉煤灰利用的现状和粉煤灰砖 生产设备的发展历史，说明课题研究的内容。 济南大学硕_ 学位论文 第二章蒸压粉煤灰砖生产工艺及生产线控制系统设计 2 1 蒸压粉煤灰砖生产工艺流程 2 1 1 蒸压粉煤灰砖概述 蒸压粉煤灰砖是以粉煤灰、石灰为主要原料，掺加适量的石膏和骨料，经坯料制 备、压制成型、高压或常压蒸汽养护而成的粉煤灰砖。 它的结构和形成机理是：是由钙质材料和粉煤灰中的硅质及铝质材料在水热处理 过程中生成的水化产物以及未反应完全的原料颗粒共同组成的一个统一体；是一种密 实硅酸盐混凝土制品，蒸汽养护过程中，c a ( o h ) ：与粉煤灰中的s i o 。和a 1 。o 。发生化学反 应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，在粉煤灰及其表面形成的这一层水化物把粉煤灰 及其他产料胶结起来，形成一定物理力学性能的墙体材料。 粉煤灰的主要作用是提供s i o 。和a 1 ：0 。；生石灰的主要作用是和水作用后提供 c a i o h ) 2 ； 石膏的作用是在粉煤灰砖的的养护过程中，可以加速水热反应的进行，提高制品 的早期强度，特别是对提高抗折强度作用很明显； 骨料( 主要是沙子，有时用石子和碎石屑) 的作用是提高砖的强度。 2 1 2 蒸压粉煤灰砖生产工艺流程 蒸压粉煤灰砖的生产过程大体上包括7 个部分：原料处理，配料搅拌，混合消 化，混碾，成型，养护和成品处理。如图2 1 所示。 一、原料处理 根据生产粉煤灰砖的材料要求对湿粉煤灰进行脱水处理，对生石灰、集料和石膏 进行粉碎处理。 二、配料搅拌 根据砖坯的强度、粉煤灰砖的强度和产品的经济性进行混合料配合比的设计，以 期望找到技术上和经济上最优化的临界点。把原料按照配合比配成混合料后，就对混 合料进行搅拌。搅拌在搅拌系统内进行。搅拌是蒸压粉煤灰砖的重要环节，它决定着 混合料的均匀程度，从而决定着产品的质量好坏，是粉煤灰砖质量的关键。国外在进 蒸压粉煤灰砖乍产线控制系统的设计研究 行技术改造时，往往把改造计量搅拌系统放在比改造压砖机更优先的地位。 主要控制的对象是料仓的电磁阀、拉力传感器和料称的电磁阀、强制搅拌机的电 磁阀和阀门接近开关、料位计n 3 1 。 济雨大掌坝，j 学位论文 曼曼鼍蔓曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼皇! 曼曼i i i i ii ii ii ii i ；一皇 消化过程是在各种物料经过配料搅拌制成混合料后，生石灰粉将吸收混合料的水 分，变成氢氧化钙的过程。消化过程是在消化仓内完成的。 主要利用电磁阀来控制消化仓内的配料化学反应时间n 制。 四、混碾 粉煤灰砖生产工艺的显著特点是消化后的混合料要经过混碾工艺。混碾是通过轮 碾机对粉煤灰的粉碎、摩擦和压实作用，使得混合料变得均匀而致密，这样既有利于 极限成型压力的提高，得到体积密度很高的密实砖坯，又有利于降低其成型水分，从 而使混碾后的产品强度大大提高。 主要控制对象是轮碾机上的电磁阀和接近开关n 5 1 。 五、砖坯成型 砖坯成型的目的是将松散的混合料加工成所需规格的砖坯。砖的质量在很大程度 上取决于砖坯质量，压砖机的产量决定着工厂产量。压砖机是工厂生产的主机，因此， 砖坯成型是粉煤灰砖的一道关键工序n 引。 六、蒸压养护 这是粉煤灰砖生产的最后一道工序，其目的是使粉煤灰中以及骨料中的活性成分 ( 活性三氧化二铝和二氧化硅) 和石灰( 氢氧化钙) 之间在水的参与下加速发生水化 反应增加制品中的水化产物数量，提高水化产物的结晶度，生成强度和抗折度都大大 高于常压养护下的高强度的水化产物。这道工序是在气压为0 8 m p a 和温度为1 7 0 摄氏 度的蒸压釜内进行的。 主要利用降温电机和电磁阀控制蒸压釜内的压力、温度。 七、成品处理 当砖出釜之后，可以对砖进行盐溶液的浸渍养护和着色。 2 2 各种控制方式的特点及控制系统的选取 控制系统自2 0 世纪4 0 年代就已经开始使用n 引，现在所提到的控制系统，多指基于 电脑或微处理器进行智能控制的系统，在控制系统发展史上，称为第三代控制系统， 以d c s 和p l c n 町为代表。p l c 和d c s 从7 0 年代初开始应用以来，在冶金、电力、石油、 化工、轻工等工业过程控制中获得了迅猛发展。从9 0 年代始，陆续出现现场总线控制 系统和基于p c 的控制系统等。 一、手动控制：最早出现的控制就是人工手动控制，即由人亲自对生产设备进行 蒸压粉煤灰砖生产线控制系统的设计研究 手动按钮操作。这种类型控制的优点是简单，实用。但是其缺点也是显而易见的：费 时，费力；控制精度不高；在人员疲劳时，容易发生安全事故。现在已经基本上被淘 汰了n 9 1 。 二、继电器控制系统：早期现场基地式仪表和后期继电器构成了控制系统的前身， 今天，继电器已经应用到家庭及工业控制的各个领域，他们与以前的产品和控制模式 具有更高的可靠性，比以往的手动控制更具有科学性。但是，继电器控制也随之带来 了一些应用上的实际问题。例如，绝大多数控制继电器都是在疲劳工作和长期磨损的 条件下进行的，容易损坏。而且继电器的触点也极易产生电弧，甚至会将触点熔在一 起产生误操作，引起严重的安全生产事故。再者，对一个具体使用了装有上百个继电 器的大型设备，其控制箱将是非常庞大和笨重的。在全负荷运载情况下，大量继电器 将产生巨大热量和噪声，同时也消耗大量的电能。并且继电器控制系统必须是人工接 线、安装，即使有简单的改动，也需要花费大量时间、人力和物力去改动、安装和调 试2 0 1 。 三、集散控制系统d c s ：集散控制系统是由计算机技术、测量控制技术、通讯网 络技术、信号处理技术和人机接口技术发展渗透产生的。它是利用计算机对生产全过 程进行集中监控、操作、管理。具有自主性、协调性、高可靠性、人机界面友好性、 灵活性和扩充性、在线性等特点。它常用于设备大型化、工艺流程连续性要求高、需 控制的工艺参数增多，而且条件苛刻，要求显示操作集中等场合。但d c s 也存在着系 统开放性不好、与现场传感器、变送器、执行器的接线难、费用较高等问题幢1 瑚2 射。 四、现场总线控制系统f c s ：现场总线控制系统采用现代的计算机控制技术、微 处理器技术及软件技术，实现了现场仪表之间的数字连接及现场仪表智能化。具有以 数字信号完全取代传统的模拟信号、实现结构上的彻底分散、总线网络系统具有良好 开放性的特点。它的出现和应用大大降低了现场仪表的安装费用，节省了昂贵的电缆、 安装费用及人工设计规划等方面的消耗；增强了现场控制的灵活性；提高了信号传递 的精度；减少了系统运行的维