（机械电子工程专业论文）印铁烘房生产线自动化系统的控制技术研究.pdf

南京理t 大学博十学位论文印铁烘房生产线自动化系统的控制技术研究 摘要 印铁烘房生产线是一类复杂的轻工机械装备产品，其落后的技术现状难以满足国 际市场竞争的需要。论文以印铁烘房生产线为研究对象，以构建印铁烘房生产线自动 化监控系统为目标，对相关控制技术进行了研究，并设计和开发了相应的控制系统、 算法与软件，实现了对印铁烘房生产线的监测与控制功能。 首先，研究了基于现场总线构建印铁烘房生产线自动化监控系统的总体技术，包 括现场总线控制系统技术和监控系统软件技术。对现场总线控制系统技术的研究包括 功能特点、网络模型、总线协议以及智能仪表技术四个方面，而从软件功能模型和工 业监控组态软件关键技术两方面研究了监控系统软件技术。在技术研究基础上，设计 了印铁烘房生产线自动化监控系统网络，并对监控系统软件功能进行了总体设计。 其次，为了改变机械轴传动的同步运行控制落后方式，设计了电气传动的同步运 行控制系统。根据烘房传动系统的要求，设计了三种同步运行控制系统硬件方案，。并 选择了以p l c 作为算法控制器，采用变频器驱动交流异步电机的低硬件成本方案。 基于该硬件方案，建立了烘房位置同步运行控制系统的仿真模型，对p i d 、模糊控制、 模糊p i d 以及滑模变结构控制算法进行了仿真研究，仿真研究的结果为控制算法的 设计提供了参考。而后，设计了在实际约束条件下的基于运动分解的同步运行控制算 法，实现了烘房与印铁机的位置同步运行控制，该算法在同步带和普通v 带两种传 动条件下都取得了较好的应用效果，其中普通v 带传动条件下在算法中增加了对带 弹性滑动系数的在线辨识环节。 再次，为了提高烘房温度控制精度和抗干扰性能，设计了温度控制系统和算法。 在对烘房温度控制系统固有特性分析的基础上，围绕烘房温度大时滞特性这个控制难 点，研究了用于大时滞特性对象控制的s m i t h 纯滞后补偿控制算法、d a h l i n 控制算法 以及基于规则的仿人智能控制算法，并设计了仿人智能p i 控制算法，实现了对烘房 温度的满意控制。 最后，设计实现了印铁烘房生产线监控系统网络，开发了监控系统软件，实现了 印铁烘房生产线设备与工艺过程参数的集中监控。印铁烘房生产线自动化监控系统的 长期稳定运行实践表明，监控系统各项功能和性能指标达到了设计要求，提高了装备 产品的技术水平和市场竞争力。 关键词：监控系统网络，现场总线控制系统，监控软件，位置同步控制，温度控制， 仿人智能p i 控制算法 南京理t 人学博上学位论文 印铁烘房生产线自动化系统的控制技术研究 a b s t r a c t i r o np r i n t i n gc h a m b e rp r o d u c tl i n ei sak i n do fc o m p l e xl i g h ti n d u s t r i a lm e c h a n i c a l e q u i p m e n t ，a n di t st e c h n o l o g i e sa r et o oo b s o l e t et os a t i s f yt h ec o m p e t i t i o nr e q u i r e m e n to f i n t e r n a t i o n a lm a r k e t t h er e s e a r c ho b j e c to ft h i sd i s s e r t a t i o ni si r o np r i n t i n gc h a m b e r p r o d u c tl i n e ，i no r d e rt oc o n s t r u c ti t sa u t o m a t i cm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ，s o m e i n t e r r e l a t e dc o n t r o lt e c h n o l o g i e sh a v eb e e nr e s e a r c h e d ，a n dr e l e v a n tc o n t r o ls y s t e m ， a r i t h m e t i ca n ds o f t w a r eh a v eb e e nd e s i g n e da n dd e v e l o p e d ，w h i c hc a r r i e do u tm o n i t o r i n g a n dc o n t r o lf u n c t i o n so fi r o np r i n t i n gc h a m b e rp r o d u c tl i o n f i r s t l y , t h ec o l l e c t i v i t yt e c h n o l o g yt oc o n s t r u c ti r o np r i n t i n gc h a m b e rp r o d u c tl i n e a u t o m a t i cm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nf i e l d b u sh a sb e e nr e s e a r c h e d ，i n c l u d i n g f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e mt e c h n o l o g ya n dm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls o f t w a r et e c h n o l o g y t h e r e s e a r c ho nf i e l d b u sc o n t r o ls y s t e mt e c h n o l o g yi n c l u d e sf o u r a s p e c t s ：f u n c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ，n e t w o r km o d e l ，b u sp r o t o c o la n di n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t st e c h n o l o g y , a n d t h er e s e a r c ho nm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls o f t w a r et e c h n o l o g ym a i n l yi n c l u d e st h ef u n c t i o n m o d e la n di n d u s t r i a lm o n i t o r i n ga n dc o n t r o lc o n f i g u r i n gs o f t w a r ek e yt e c h n o l o g yr e s e a r c h b a s e do nt h er e s e a r c ha b o v e ，t h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ln e t w o r ko fi r o np r i n t i n gc h a m b e r p r o d u c tl i n ea u t o m a t i cs y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d ，a n dc h i e ff u n c t i o n so fm o n i t o r i n ga n d c o n t r o ls y s t e ms o f t w a r eh a v eb e e nd e s i g n e d s e c o n d l y , i no r d e rt oa l t e r t h eo b s o l e t es y n c h r o n i z a t i o nm o t i o nc o n t r o lm o d eb y m e c h a n i c a la x i sd r i v i n g , t h es y n c h r o n i z a t i o nm o t i o nc o n t r o ls y s t e mo fe l e c t r i cd r i v em o d e h a sb e e nc o n s t r u c t e d a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h ed r i v es y s t e m ，t h r e eh a r d w a r e p r o j e c t so fs y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o ls y s t e mh a v eb e e nd e s i g n e d ，a n dt h ep r o j e c tm a d eu po f p l c ，v a r y i n gf r e q u e n c ya d j u s t a b l es p e e dc o n t r o l l e ra n da ca s y n c h r o n o u sm o t o rh a sb e e n a d o p t e df o ri t sl o wd e v i c ec o s t b a s e do nt h i sh a r d w a r ep r o j e c t ，s i m u l a t i o nm o d e l sh a v e b e e ne s t a b l i s h e d ，a n dt h ep i d ，f u z z yc o n t r o l ，f u z z y - p i da n ds l i d i n gm o d ev a r i a b l e s t r u c t u r ec o n t r o la r i t h m e t i ch a v eb e e nr e s e a r c h e d ，t h es i m u l a t i o nr e s u l tg i v e sr e f e r e n c e st o t h ea r i t h m e t i cd e s i g no fp o s i t i o ns y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o ls y s t e m t h e n , a na r i t h m e t i ct h a t c a ns a t i s f ya l lt h ea c t u a lr e s t r i c t i o n sb a s e do nm o t i o nr e s o l v i n gh a sb e e nd e s i g n e d ，a n dt h e a r i t h m e t i ca c h i e v e dp o s i t i o ns y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lo fi r o np r i n tc h a m b e rp r o d u c tl i n eo n t h ec o n d i t i o no fs y n c h r o n i z a t i o nb e l ta n dc o m m o nvb e l tt r a n s m i s s i o n , o nt h es e c o n d i i i c o n d i t i o na i lo n l i n eg e t t i n gb e l t se l a s t i cs l i d i n gc o e f f i c i e n tp a r th a sb e e na d d e dt o t h e a r i t h m e t i c t h i r d l y , i no r d e rt oi m p r o v et h ep r e c i s i o na n da n t i - j a m m i n ga b i l i t yo ft h ec h a m b e r s t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m t h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e ma n da r i t h m e t i ch a v eb e e n d e s i g n e d b a s e do nc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i so ft h ec h a m b e r st e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m c o n s i d e r i n gl a r g et i m ed e l a yc h a r a c t e r i s t i ci ni t ，s e v e r a lc o m r o la r i t h m e t i cu s e dc o m m o i l l v i n l a r g et i m ed e l a yc o n t r o lo b j e c th a v eb e e nr e s e a r c h e ds u c ha ss m i t h p u r el a g c o m p e n s a t i n ga r i t h m e t i c ，d a h l i na r i t h m e t i ca n da p e r yi n t e l l i g e n tc o n t r o la r i t h m e t i cb a s e d o nr u l e s ，t h e na na p e r yi n t e l l i g e n tp ic o n t r o la r i t h m e t i ch a sb e e nd e s i g n e d ，w h i c hc a r r i e s o u ts a t i s f i e dc o n t r o lq u a l i t yo fc h a m b e r st e m p e r a t u r e l a s t l y , t h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mn e t w o r ko fi r o np r i n t i n gc h a m b e rp r o d u c t l i n eh a sb e e nr e a l i z e d ，a n dt h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r eh a sb e e nd e v e l o p e d ， a c h i e v e dc o n c e n t r a t e dm o n i t o r i n ga n dc o n t r o lo fd e v i c e sa n dp r o c e s sp a r a m e t e r si ni r o n p r i n t i n gc h a m b e rp r o d u c tl i n e t h ef a c to fl o n gt i m ea n ds t a b l er u n n i n gi n d i c a t e st h a tt h e f u n c t i o n sa n dp e r f o r m a n c el e v e lo fi r o n p r i m i n gc h a m b e rp r o d u c tl i n em o n i t o r i n ga n d c o n t r o ls y s t e ma c h i e v e dt h er e q u i r e m e n to fd e s i g n , a n dt h e t e c h n o l o g yl e v e lo ft h e e q u i p m e n tp r o d u c ta n dt h ec o m p e t i t i o na b i l i t yh a v eb e e ni m p r o v e d k e y w o r d s ：m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mn e t w o r k ；f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ；m o n i t o r i n g a n dc o n t r o ls o f t w a r e ；p o s i t i o n s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o l ；t e m p e r a t u r ec o n t r o l ； a p e r y i m e u i g e n tp ic o n t r o la r i t h m e t i c i v 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：皇鲢墼柳年，月岁de l 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 更贬手之 扪7 年1 1 月产日 南京理工人学博。f ：学位论文印铁烘房生产线自动化系统的控制技术研究 1 绪论 1 1 论文研究背景和意义 制造业是一个国家国民经济发展的支柱，制造业的发展对一个国家的经济、社会、 文化诸方面的发展具有深刻的影响。传统制造技术不断吸收计算机、信息、网络通信、 自动化、新材料、新能源和现代管理科学技术的最新成果，将其应用于产品的研究与 开发、设计、生产、管理和市场开拓等方面，从而形成了现代的先进制造技术【lj 。人 类社会正步入信息时代，信息和知识日益成为最重要的战略资源和决定生产力、竞争 力和经济成就的关键因素，知识创新和技术创新进一步推动了制造技术向纵深发展， 集成化、智能化、敏捷化、全球化、虚拟化、标准化、绿色化成为先进制造技术发展 的主流方向【2 1 。 机械装备制造是制造业的一个重要组成部分，机械装备自身的技术水平直接影响 到加工产品的质量和性能。先进制造技术的飞速发展，掀起了机械装备制造行业技术 革新的浪潮，先进制造技术的最新发展成果在传统机械装备产品的设计、制造、控制、 运行监测、设备故障诊断与维护等方面的应用，极大地提高了机械装备产品的各项性 能指标，使其具有更高的技术含量和产品附加值。当前，我国装备制造业内部各行业 之间存在技术发展水平不平衡的结构特点，一些高、精、尖特种装备的制造技术已达 到国际先进水平，而许多与人们同常生活密切相关的传统轻工机械装备的技术发展仍 停留在上世纪八、九十年代的水平。近年来，随着人们消费水平不断提高，带来了与 消费产品加工制造相关产业的巨大需求，为传统轻工机械装备制造业带来了前所未有 的发展机遇。而与此同时，随着经济全球化步伐的加快，传统轻工机械装备制造企业 正面临国际市场的激烈竞争，一方面，国外产品加入到国内市场的竞争中来，另一方 面，制造企业要做大做强，其产品必须走向国际市场，参与国际竞争。由于我国传统 轻工机械装备产品普遍存在核心技术相对落后、产品附加值低、单位产品能耗高以及 环境污染严重等缺点，导致产品竞争力不强，在国际市场竞争中处于劣势地位。 针对制造业发展现状，我国已经采取了许多积极有效的产业政策来推动国内制造 业的快速发展，其中最重要的一条就是实现制造企业的工业化与信息化【3 】。生产过程 自动化是工业化的主要任务，也是实现制造企业信息化的基础。利用计算机网络通信 技术，组建开放性的生产车间自动化系统，实现制造过程的数字化、智能化和网络化， 充分利用各种智力资源，优化制造过程工艺控制参数，增加产品的附加值，以提高产 品的竞争力。利用车间自动化系统的开放性，将其有效地集成到企业管理、决策上层 网络中，企业网络通过i n t e r n e t 与全球市场相连，更好地参与国际市场竞争【4 j 。 论文以复杂机电装备产品的设计、制造与控制为背景，着重对与研究对象密切相 1 第1 章绪论博i j 论文 关的控制技术进行研究，研究成果最终应用于生产实践，以提高该机电装备产品的技 术水平。论文研究对象为印铁烘房生产线，其是一类复杂的轻工机械装备产品，是铁 皮印刷工艺过程的关键设备之一。国产印铁烘房生产线装备产品最早于上世纪8 0 年 代初与几家同本企业合作研制，在当时的技术条件下，其能够在一定程度上对工艺参 数进行控制，基本实现了生产线设计的各项功能，能够满足当时国内市场的需要。然 而，随着工业自动化控制技术的发展，尤其是网络通信技术对制造业信息化的推动作 用，国内外用户对印铁烘房生产线装备产品的自动化与信息化技术提出了新的要求。 论文研究工作是在我国努力实现工业化与信息化宏观背景下，针对国产印铁烘房 生产线装备产品的技术落后现状以及产品技术革新的迫切需要而展开的。论文以构建 印铁烘房生产线自动化监控系统为目标，对相关控制技术展开了深入研究。在充分考 虑产品成本、性能指标、技术先进性以及系统开放性、可扩展性、易维护性等因素情 况下，设计了基于现场总线的印铁烘房生产线自动化监控系统，开发了监控系统软件， 并通过控制算法设计，使烘房生产线的同步运行控制系统与温度控制系统的各项性能 指标达到了技术改造的目标。印铁烘房生产线的自动化技术改造，增强了该产品的国 际市场竞争力，并取得了巨大的经济效益，论文研究成果为我国民族工业的振兴尽了 绵薄之力。 除了具有应用价值外，论文研究的意义还在于印铁烘房生产线自动化系统中的各 种控制问题，同样存在于其它各类工业对象中，论文对相关控制技术的研究工作，对 于这些工业对象的控制问题的解决具有参考意义，因此论文的研究工作同样具有学术 参考价值。论文研究的相关控制技术的普遍性及参考价值论述如下：采用现场总 线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 技术构建大型过程控制系统网络是工业自 动化控制系统的发展趋势【5 7 】，基于现场总线网络构建的印铁烘房生产线监控系统， 是f c s 在中、小型工业自动化系统中的成功应用，对于f c s 在国内中、小型工业自 动化系统中的推广应用具有参考意义；在带传动方式下，采用变频器和交流异步 电机作为驱动设备，设计合理的位置同步控制算法，实现了对具有较高位置同步要求 的高速运动对象的运行控制，是一种以低硬件成本构建高性能位置同步运行控制系统 的成功应用，设计的基于运动分解的位置同步控制算法，在具有相似运动系统特性及 约束条件的工业运动控制系统设计中具有参考意义；烘房温度控制系统具有的大 时滞特性广泛存在于各种热工过程中瞄卅，论文中设计的仿人智能p i 控制算法，吸取 了仿人智能控制技术的思想，算法简单且易于实现，对烘房温度的控制取得了满意效 果，是智能控制理论与技术在解决大时滞特性工业对象控制问题中的灵活应用，其对 于大时滞工业对象的控制算法设计具有参考意义。 2 南京理工人学博上学位论文印铁烘房生产线自动化系统的控制技术研究 1 2 印铁烘房生产线自动化系统技术需求概述 1 2 1 工程应用背景介绍 印铁烘房生产线是一种印刷包装机械装备，主要用于铁制品的印刷、烘干工艺过 程。印铁工艺与印纸工艺有相似之处，又有较大的不同。纸张的印刷烘干过程具有涂 料易吸附、干燥迅速的特点，其烘干工艺过程较简单。铁皮的烘干工艺过程存在涂料 不易吸附、烘干时间较长等特点，涂料品种不同，要求的烘干工艺温度和烘干时间也 不同，烘干时间一般要求5 1 0 分钟，而烘房的长度也受限，与印纸工艺的平铺烘干 不同，印刷铁皮要通过进铁装置竖直进入烘房，每张铁皮占有独立的位置不能重叠， 这样既能保证烘干的工艺温度，又能保证烘干时间。印铁工艺流程如图1 2 1 所示。 r 圈囤厂围 黼鲈线 i ；聃- 由趣 堪卜由吨 悃 图1 2 1 印铁工艺流程 根掘硬件设备组成划分，印铁烘房生产线主要由印铁机和烘房生产线两大部分组 成，它们分别完成如图1 2 1 中的虚线框部分和实线框部分所示的工艺过程。根据印 铁机完成功能的复杂程度不同，一般分为单色印铁机和多色印铁机。单色印铁机只能 在背景色上印刷一种颜色的文字与图案，国内已经具备独立设计、制造单色印铁机的 能力。多色印铁机可以在单色印刷的基础上，通过增加机组的数量而在背景色的基础 上印刷更多颜色的文字与图案，目前，国内尚无法完全独立设计、制造高性能的多色 印铁机，完全依赖从国外进口。国产单色印铁机如图1 2 2 所示。 烘房生产线主要完成铁皮的烘干工艺过程，其由输送带、前传动上料装置、烘房 本体、前排风装置、加热室、后排风装置、冷却装置、卸料装置、堆积装置、自动输 送滚道、同步传动控制系统、温度控制系统以及电气设备开关控制系统等部分组成， 如图1 2 3 所示。 国产烘房生产线的一些主要的生产技术参数如下：最高生产能力为5 5 0 0 张，j 、时， 对应前传动电机转速为7 5 0 r p m ；烘干区长度2 1 - - - 3 6 米，冷却区长度4 6 6 6 9 6 米， 链式输送装置长度范围约为2 6 - - - 4 3 米：加工金属板尺寸最大为1 1 4 3 m m x 9 6 5 m m ，最 小为7 1 2 m m x 5 0 8 m m ，厚度范围o 1 6 - 0 5 0 m m ，单张会属板重量最大为2 2 k g ：最高 工艺设定温度为2 2 5 ；适用加热能源可选电力、燃油、燃气和燃煤热风炉等。 鼐i 绪论博l * 女 幽12 2 国产单色印铁机 幽12 3 烘膀生，“线 烘房生产线主要完成的控制功能包括三个方面：烘房前、后传动轴与印铁机轴的 位冒同步运行控制、烘房工艺温度控制以及烘房生产线中的电气设备的时序逻辑控 制。在采用新的自动化技术之前，烘房生产线的辛要挖制性能指标与国外同类型产品 南京理工人学博l 学位论文印铁烘房生产线自动化系统的控制技术研究 相比如表1 2 1 所示。 表1 2 1 烘房生产线主要控制性能指标比较 性能指标l t , 较项目国产烘房生产线国外同类酗烘房生产线 稳态温度偏差范同 士3 ，存在抗干扰性能筹的缺点，士1 ，抗干扰性能较好，仅适用于燃 适用于多种加热能源方式气加热能源方式 位置同步控制方式 无电气伺服传动；采刚机械轴传 电气伺服系统传动，动态偏差限制在 及精度动方式，无同步偏差 前轴一周转角士1 5 ，满足同步要求 烘房最高生产能力5 5 0 0 张d , 时( 对应印铁机最高设6 0 0 0 张d , 时( 对应印铁机最高设计速 计速度6 0 0 0 张4 , 时)度6 0 0 0 张4 , 时) 设备时序逻辑控制需要手动操作，电气设备时序难准确无误 以精确保证 设备集中监控功能无有 生产信息共享功能无有( 限丁单条生产线内部) 1 2 2 印铁烘房生产线自动化系统技术需求 。 针对国产烘房生产线在控制方式及性能指标等方面存在的不足，在分析其存在的 主要问题的基础上，确定了构建印铁烘房生产线自动化监控系统的主要任务。 ( 1 ) 构建印铁烘房生产线集中监控系统 根据烘房生产线内部的设备布局特点，其控制功能由安装于烘房前、后部的2 个p l c 以及安装于烘房中部的3 个温度控制仪表独立实现，生产线设备状态及工艺 温度信息由现场工作人员定时巡查获得。这种传统的生产线监控方式远远落后于工业 自动化技术的发展步伐，其缺点是显而易见的： 设备运行的同步时序无法保障。例如，手工操作无法保证烘房前、后传动电 机同时启动，导致烘房传动链承受冲击负载，减少了传动链的使用寿命。 增加了现场操作人员的工作量。烘房生产线现场存在高温辐射和少量化学毒 害，现场的人工操作、巡检、记录等作业会对工作人员的健康产生危害。 获取的工艺温度信息具有很大随机性。人工定时地采集烘房工艺温度，信息 量较少且存在很大的随机性，不利于工艺参数的分析与优化。 因此，采用网络通信技术建立烘房生产线的集中监控系统，是实现烘房生产线过 程自动化与信息化的必要条件。 ( 2 ) 开发监控系统软件以实现生产过程信息共享 印铁烘房生产线的设备状态以及工艺过程参数等实时信息无法自动获取，生产过 程信息化也处于空白状态。在构建印铁烘房生产线集中监控系统的基础上，开发监控 5 第1 章绪论 博一f ：论文 系统软件，自动采集、记录生产过程的各类信息，以多媒体方式实时显示生产线加工 过程，提供各种报警功能以及设备故障诊断与维护信息，并支持与上层管理网络的信 息共享，是实现制造企业信息化的发展需要。 ( 3 ) 设计电气传动方式下的烘房与印铁机同步运行控制系统 为保证印刷铁皮精确进入烘房的进铁装置，要求烘房前、后传动轴必须保持与印 铁机轴的位置同步。国产烘房生产线原采用机械轴将印铁机的动力传递到烘房前传动 轴，再利用液力耦合器和独立的电机驱动后传动轴。与电气传动方式相比，机械轴传 动的同步运行方式存在的不足有： 故障率高。机械传动部分容易出现机械故障，严重时需要停机更换机械零部 件。液力耦合器需要控制合理的加油量，油量太多使液力损失增大，容易渗漏和发热， 油量太少则使轴承得不到润滑，加速轴承磨损，并产生噪声，而且油量随着油液的损 失而不断变化，实际运行表明，不合理的加油量常造成液力耦合器故障而影响生产。 增大了印铁机主驱动的负载。烘房的前传动轴的驱动力由印铁机提供，印铁 机设计时并没有考虑这部分额外负载，一般采取两种权宜方案，要么选购更大功率的 印铁机，要么降低印铁机的运行速度，均造成了印铁机设备能力的浪费。 设计、运输、装配不便。对于不同型号的印铁机，需要根据不同的传动比选 用相应的齿轮副和同步带，传动件的通用性较差，不利于备件更换。机械轴有时长达 5 m ，不利于设备的出口运输和生产车间厂房布局，装配也不方便。 工作方式的手动切换造成烘房生产线的速度冲击。在连续印铁结束后，烘房 要从同步运行方式切换到单独运行方式继续运行一段时间，机械轴传动的同步方式 下，手工操作离合器将烘房前传动轴的驱动切换到前传动电机上，切换过程速度平稳 性差，对烘房传动系统造成巨大冲击，影响生产线设备寿命。 因此，取消机械传动轴，设计电气传动方式下的同步运行控制系统是印铁烘房生 产线自动化技术革新的主要任务之一。 ( 4 ) 设计温度控制算法以提高温度控制品质 烘房温度控制系统具有大时滞、强干扰以及各温度控制区输入之间耦合等特点， 并且影响烘房温度的因素复杂，难以建立精确的数学模型，导致难以实现烘房工艺温 度的有效控制，其中，大时滞特性是造成温度控制算法设计困难的主要原因。烘房生 产线原使用的温度控制仪表采用常规p i d 算法控制，控制效果不理想，温度稳态偏差 范围只能达至a j 士3 。c ，其最大不足是抗干扰性能差，印铁速度波动等干扰因素容易造成 烘房工艺温度的大幅波动，需要较长时间才能重新回到稳态区间。因此，设计烘房温 度控制算法，提高温度控制品质是印铁烘房生产线自动化技术革新的又一研究任务。 6 南京理t 大学博i 二学位论文印铁烘房生产线自动化系统的控制技术研究 1 3 论文主要研究内容 1 3 1 论文主要研究内容 根据印铁烘房生产线自动化系统技术需求和研究目标，论文的主要研究内容有t ( 1 ) 基于现场总线构建印铁烘房生产线自动化监控系统的总体技术研究 监控系统网络技术和监控系统软件技术是构建印铁烘房生产线自动化监控系统 的两大总体技术。 f c s 具有丌放性、互换性、总线式结构、数字化通信、分布式控制以及现场设备 智能化等优点，是工业自动化监控系统的发展趋势。论文从功能特点、网络模型、总 线协议及智能仪表技术四方面对f c s 技术进行的研究。 随着工业自动化系统规模的扩大，对监控系统软件的实时性、可靠性和稳定性的 要求也不断增加，工业监控组态软件作为面向工业自动化监控软件设计的开发平台， 提高了监控系统软件功能模块的可重用性、实时性和稳定性，缩短了软件开发周期和 降低了软件成本。论文从工业监控软件系统的功能模型以及工业监控组念软件的关键 技术两方面对工业监控系统软件技术进行了研究。 在总体技术研究基础上，构建基于现场总线的印铁烘房生产线自动化监控系统网 络，并对监控系统软件功能进行了总体设计。 ( 2 ) 印铁烘房生产线位置同步运行控制技术研究 印铁烘房生产线位置同步运行控制技术研究的主要内容包括： 位置同步运行控制系统硬件构成方案设计； 位置同步运行控制系统建模与控制算法仿真研究； 实际约束条件下基于运动分解的控制算法设计与实现。 其中，位置同步控制算法研究包括p i d 、模糊控制、模糊p i d 和滑模变结构控制 算法。 ( 3 ) 大时滞特性烘房温度控制技术研究 论文对印铁烘房温度控制技术研究的主要内容包括： 烘房温度控制系统固有特性分析； 大时滞系统控制算法研究； 仿人智能p l 算法在烘房温度控制系统中的设计实现。 其中，大时滞系统控制算法研究包括s m i t h 纯滞后补偿控制算法、d a h l i n 控制算 法以及基于规则的仿人智能控制算法。 ( 4 ) 印铁烘房生产线自动化监控系统实现技术研究 在对相关控制技术研究的基础上，设计实现印铁烘房生产线自动化监控系统，主 7 第1 章绪论博j ：论文 要包括： 印铁烘房生产线监控系统网络设计与实现； 印铁烘房生产线监控系统软件功能详细设计与开发。 1 3 2 主要技术指标要求 根据烘房生产线实际需要，提出了印铁烘房生产线自动化系统的控制功能与性能 技术指标，如表1 3 1 所示。 表1 3 1 印铁烘房生产线控制系统性能技术指标要求 功能设计主要性能指标相关性能指标约束其它考虑冈素 中速时稳态速度波动- 4 - 3 ， 电气传动方式位动态偏差限制在前启动平稳，工作方式自动平设备硬件成本与控制算 置同步控制轴一周转角4 - 3 稳切换，最高生产能力与印法复杂度 铁机相同 有较好的抗干扰性能，初始设计算法及显示功能， 温度控制稳态温度偏差士2 升温时间合理，适合各种加取代温度控制仪表设备 热能源方式 电气设备时序逻辑控制准确无误，控制台集中监符合生产线设备布局， 设备集中监控 控与管理，长期可靠运行便于系统扩展与升级 生产线内部信息完全共享，方便集成组成车间生便于系统扩展与升级， 生产线信息共享 产控制网络软件的实时性与可靠性 1 4 相关技术发展研究状况 印铁烘房生产线是一类复杂的工业对象，对复杂工业对象的控制往往存在四个方 面的复杂性：对象特有的非线性时变特性、对象和环境的模糊不确定性、工业系统存 在各种实际约束条件以及对控制系统各项性能指标要求的综合性【1 0 1 。对印铁烘房生产 线的控制有来自于对象自身特有的复杂性，但就研究内容而言，相关控制技术在工业 自动化系统中又具有一定的普遍性，相关技术的发展研究现状可作为论文研究工作的 基础。与论文研究内容相关的控制技术主要包括现场总线控制系统技术、工业监控软 件技术、交流伺服运动控制技术和大时滞系统控制技术，本节将概述相关技术的发展 研究状况。 8 南京理工人学博上学位论文印铁烘房生产线自动化系统的控制技术研究 1 4 1 现场总线控制系统发展状况 工业自动化系统规模的不断扩大以及对生产过程集中监控的需求，促进了工业自 动化控制系统网络技术的发展，而硬件设备的组网能力是决定控制系统网络技术能否 得到实际应用的重要因素。工业自动化控制系统的发展与应用在工业现场的仪器仪表 设备的技术发展水平密切相关，根据工业现场仪器仪表技术发展的不同阶段，工业自 动化控制系统的发展也相应经历了以下四个阶段：模拟仪表控制系统、集中式数字控 制系统、集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 和现场总线控制系统【1 1 1 4 】。 现场总线是应用于生产现场的在测量设备与控制设备之间实现双向、串行、多点 通信的数字通信系统，基于现场总线通信网络的控制系统被称为现场总线控制系统。 f c s 利用现场总线开放的、具有互操作性的通信网络，将现场各控制器和仪表设备互 连，构成了开放的、数字化、分布式控制系统，其控制功能彻底下放到现场，进一步 降低了控制系统的风险和系统的安装与维护费用。现场总线作为智能设备联系的纽 带，把挂接在总线上作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并与操作员站、工程 师站等一起构成自动化系统，实现生产过程基本控制、工艺及控制参数修改、显示、 报警、监控、优化及管控一体化的综合自动化功能。与集中式数字控制系统、集散控 制系统相比，f c s 具有开放性、互操作性、互换性、数字化通信、总线式网络结构、 分布式控制以及现场设备的智能化等优点，逐渐成为工业测控领域发展的新热点。同 时，f c s 的发展又推动了工业自动化测控系统结构与设备的深刻变革，已经成为工业 自动化监控系统的发展趋势。 ( 1 ) f c s 的发展历史 现场总线协议是连接现场仪表与控制器之间的接口规范，而智能仪表设备是实现 f c s 的基础，现场总线协议与智能仪表技术一起成为f c s 的两大关键支撑技术。网 络通信技术与智能仪表技术的发展为f c s 的实现提供了技术与设备保障，要实现f c s 的开放性、互操作性与互换性，制订统一的、国际通用的现场总线标准显得尤为重要， 其将作为现场总线应用企业、设备制造商与系统集成工程师共同遵守的准则。 现场总线的标准化工作于1 9 8 5 年由国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a l c o m m i s s i o n ，i e c ) 与美国仪表学会( i n s t r u m e n ts o c i e t yo f a m e r i c a ，i s a ) 着手制订，该 标准被称为i e c 6 1 1 5 8 。制订i e c 6 1 1 5 8 的初衷是建立一种统一的、适合于所有工业应 用环境的现场总线标准，在1 9 9 8 年以前，i e c 6 11 5 8 只推荐一种类型的现场总线，该 总线主要采纳f o u n d a t i o nf i e l d b u s 总线和w o r l d f i p 总线基本技术，并严格按照i e c 定义制订现场总线标准。由于政治、经济、技术、市场等因素的影响，i e c 6 1 1 5 8 一 直难以获得统一通过。i e c 6 1 1 5 8 从着手制订到2 0 0 0 年1 月首次通过经历了1 6 年的 时间，而就在其问，世界上各大著名的自动化设备生产厂家纷纷联合各自的利益群体， 9 第1 章绪论 博上论文 制订了各自的适合于其行业应用的现场总线标准，由于其拥有设备制造商的设备支 持，并在各行业拥有广泛的用户群体，因此市场因素决定了它们成为了事实上的总线 标准，而i e c 6 1 1 5 8 推荐的现场总线标准由于缺少设备制造商的设备支持，导致成为 一种名不副实的国际标准。在此情况下，最后参与制订i e c 6 1 1 5 8 的各方互相妥协， 决定放弃采用一种总线类型作为国际标准的做法，在i e c 6 1 1 5 8 第一版中共将8 种类 型的现场总线作为现场总线国际标准，它们分别是：t s 6 11 5 8 、c o n t r o l n e t 、p r o f i b u s 、 p n e t 、f fh s e 、s w i f f n e t 、w o r l d f i p 、i n t e r b u s 。2 0 0 3 年4 月，i e c 6 11 5 8 现场总线标 准的第三版正式成为国际标准，为了反映工业网络通信技术的最新发展，新标准规定 了1 0 种类型现场总线，它们是：t s 6 1 1 5 8 、c o n t r o l n e t + e t h e r n e t i p 、p r o f i b u s 、p n e t 、 f fh s e 、s w i f f n e t 、w o f l d f i p 、i n t e r b u s 、f fh 1 和p r o f i n e t t b j 。除了被纳入i e c 6 1 1 5 8 第三版国际标准的现场总线类型外，还有其它一些类型的现场总线在许多行业取得了 广泛应用，如m o d b u s 在电力设备行业的应用、c a n 在汽车装配线上的应用、l o n w o r k s 在轨道交通及智能楼字中的应用、以及作为从模拟仪表向数字仪表转型过渡阶 段的h a r t 在当前的过程控制应用领域仍然广泛采用等【1 6 2 1 j 。 ( 2 ) f c s 的发展现状 f c s 的发展现状可以概括为如下几点： 多总线标准共存【2 2 也6 1 。在f c s 的发展过程中，现场总线协议种类最多时曾达 到数百种，当前市场上存留下来的现场总线经历了技术和市场的考验，都有其各自擅 长的应用领域，由于没有一种现场总线类型可以满足所有的工业自动化应用，因此形 成了当前各种现场总线共存的局面。例如f f 现场总线可以实现总线供电及具有本质 安全特征，非常适合化工流程行业具有易燃易爆危险场合，尽管f fh 1 总线速度较低， 由于化工生产过程多为缓变过程，因此并不影