（控制理论与控制工程专业论文）气力输送控制系统及其智能控制方法的研究.pdf

青岛科技人学研究生学位论文 气力输送控制系统及其智能控制方法的研究 摘要 气力输送技术广泛应用于橡胶、冶金、电力、化工、食品等行业中，其特点 是粉状物料在管道内运送不受天气变化影响，对环境无污染，而且能够进行垂直 输送。本课题所涉及的气力输送系统主耍面向橡胶、轮胎行业的重要原料炭黑的 运送环节。随着企业信息化发展的需要，气力输送控制系统总体结构采用了两级 计算机控制方案。而用户对炭黑输送质量与输送效率的要求也1 益提高，这就使 得对气源压力、流量系统和终端压力系统这两个气力输送系统的子系统进行有效 的控制变得非常必要。 首先，本文对气力输送技术作了一个综述，简要介绍了气力输送技术的发展 历史及各种不同输送技术的特点，重点介绍了橡胶、轮胎行业应用最多的双管密 相气力输送技术的工艺，及关键部件。 其次，阐述了控制系统的总体设计方案。根据分级管理、分而自治、综合调 节和丌放系统的设计原则，设计了两级计算机控制的方案，系统由上而下分为管 理级和控制级，形成分级控制，同时除了系统内级间通讯的接口外，各级均预留 有通讯接口，以备与其它设备的控制系统或工厂局域网进行连接。 然后，系统的论述了两级计算机控制的实现。控制级是整个系统的控制核心， 使用性能可靠的工业可编程控制器( p l c ) ，实现对系统整体运行的控制。管理级 采用通用个人计算机，解决了与西门子s 73 0 0 4 0 0 p l c 的通讯接口问题，实现了 管理级与控制级p l c 的对接。利用强大的数据库功能对工业生产数据进行记录和 管理，实现了系统管理功能。 最后，提出了新的气源压力、流量系统控制方案，建立了对气源压缩空气压 力、流量系统的基于神经网络整定的p i d 解耦控制算法。由于控制过程具有非线 性，压力、流量又相互耦合，神经网络辨识是解决这问题的有效途径，运用 d r n n 神经网络，实现了对p i d 参数的在线优化调整，从而对气源压力、流量进 行有效的控制。提出对终端压力系统进行连续量控制，建立了终端压力系统数学 模型，由于系统参数的时变性，提出了基于b p 网络整定的p i d 控制算法，并进 行了仿真研究。 气力输送两级计算机控制系统在橡胶、轮胎行业的应用，提高了生产率，减 轻了劳动强度，改善了工作环境。本方案对其它行业的气力输送控制系统亦有一 定的借鉴作用。 气力输送控制系统及其智能控制方法的研究 关键词：气力输送，两级计算机控制，基于d r n n 网络的气源控制，基于b p 网 络的终端压力控制 重量型垫丛兰婴塑生堂垡堡塞 s t u d ya n di m p r o v e m e n to fp n e u m a t i c c o n v e y i n gc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y ，p n e u m a t i cc o n v e y i n gs y s t e mi s p u ti n t ou s e w i d e l yi nt h ei n d u s t r yo fr u b b e r , m e t a l l u r g y , p o w e r , c h e m i s t r ya n df o o d i th a s f o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：m a t e r i a lc o n v e y e dt h r o u g hp i p ei sn o ti n f l u e n c e db yw e a t h e r n op o l l u t i o nt oe n v i r o n m e n t m a t e r i a lc a l lb ec o n v e y e dv e r t i c a l l y t h ep n e u m a t i c c o n v e y i n gs y s t e mw ed i s c u s s e di sm a i n l yu s e df o rc o n v e y i n gc a r b o nb l a c ki nr u b b e r a n dt i r ei n d u s t r y w ea p p l yt w ol e v e lc o m p u t e rc o n t r o ls c h e m et ot h es t r u c t u r eo f p n e u m a t i cc o n v e y i n gc o n t r o ls y s t e m t h eu s e r sh a v em o r er e q u e s t st oc o n v e y i n g q u a l i t ya n de f f i c i e n c y , s oi tb e c o m e sn e c e s s a r yt oc o n t r o lt h ea i rp r e s s u r ea n df l o w s y s t e ma n dt h et e r m i n a lp r e s s u r es y s t e m ， f i r s to fa l l ，w eg i v eas u m m a r i z eo fp n e u m a t i cc o n v e y i n gt e c h n o l o g y , i n t r o d u c e d e v e l o p m e n th i s t o r ya n da s s o r t m e n to fp n e u m a t i cc o n v e y i n g ，e l a b o r a t et w op i p ed e n s e p h a s ep n e u m a t i cc o n v e y i n gt e c h n o l o g ya n di t sk e yc o m p o n e n t si nr u b b e ra n dt i r e i n d u s t r y s e c o n d l y , w ei n t r o d u c ed e s i g ns c h e m eo fp n e u m a t i cc o n v e y i n gc o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt h ep r i n c i p l eo fr e l a t i v ei n d e p e n d e n ta n do p e ns y s t e m ，w ed e s i g nt w ol e v e l c o m p u t e rc o n t r o ls c h e m e t h ec o n t r o ls y s t e mi n c l u d e sm a n a g e m e n t1 e v e la n dc o n t r 0 1 l e v e l t h em a n a g e m e n tl e v e la n dc o n t r o ll e v e le x c h a n g ed a t at h r o u g hc o m m u n i c a t i o n i na d d i t i o n ，t h em a n a g e m e n tl e v e lc a nb el i n k e dt oe n t e r p r i s el a n t h i r d l y , w ee l a b o r a t er e a l i z eo ft w ol e v e lc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m t h ec o n t r o l l e v e lw h a ti sm a d eu po fp l ci sc o r eo ft h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m ，a n dc o n t r o lt h e f u n c t i o no fw h o l es y s t e m t h em a n a g e m e n tl e v e lw h a ti sm a d eu po fp cc a nb el i n k e d t os i e m e n ss 73 0 0 4 0 0p l c a n dm a n a g ep r o d u c t i o nd a t at h r o u g hm a n a g e m e n ts y s t e m s o f t w a r e f i n a l l y , w ep r e s e n tan e wc o n t r o ls c h e m eo fa i rp r e s s u r ea n df l o wa n db u i l dp i d d e c o u p l i n gc o n t r o la r i t h m e t i cb a s e dd r n no fa i rc o n t r o ls y s t e m b e c a u s eo ft h e n o n l i n e a ra n du n c e r t a i n t y , w ea d o p tn ni d e n t i f i c a t i o na n dr e a l i z ep i dp a r a m e t e r o n l i n er e g u l a t i n g w ea l s op r e s e n tac o n t r o ls y s t e mo ft e r m i n a lp r e s s u r es y s t e ma n d b u i l dm a t h e m a t i cm o d e lb e c a u s et h es y s t e mp a r a m e t e rc h a n g ew i t ht i m e ，w eg i v ea p i dc o n t r o la r i t h m e t i cb a s e db pa n ds i m u l a t eb vm a t l a b t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft i l i s s y s t e mh a v ei n c r e a s e dp r o d u c t i o n 气力输送控制系统及其智能控制方法的研究 e f f i c i e n c y , d e c r e a s e dl a b o ri n t e n s i t ya n di m p r o v e dw o r kc o n d i t i o n i tc a na l s ob ep u t i n t ou s ei np n e u m a t i cc o n v e y i n gs y s t e mo f o t h e ri n d u s t r y k e yw o r d s ：p n e u m a t i cc o n v e y i n g ，t w o - l e v e lc o m p u t e rc o n t r o l ，a i rc o n t r o lb a s e d d r n n ，t e r m i n a lp r e s s u r ec o n t r o lb a s e db p 青岛科技人学研究生学位论文 r f 胛 v o u t e r r o r k p ，k j , k d “ w ” ，7 a 口 m y q ，q 符号说明 输入信号 输出信号 误差 p i d 控制器的比例、积分、微分系数 控制器输出 神经网络权值 学习速率 惯性系数 压力( p a ) 密度( 堙m3 ) 质量( k g ) 体积( m3 ) 输入、输出流量( 堙j ) v i i 青岛科技人学研究生学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 本课题来源于青岛高校软控股份有限公司“智能化气力输送系统”项目的 控制部分。该系统属机电一体化产品。 在橡胶、冶金、电力、化工、粮食、水泥等诸多行业中，往往需要对大量粉 状物料进行处理。粉状物料具有很多自身的特性，如不易保存( 很多物料易受潮 或与空气发生反应，一般需要存放在特制的密闭容器中) ；露天放置易产生扬尘 污染环境；甚至有很多粉状物料有一定毒性，会对人的身体健康产生不利影晌等 等。因此，对粉状物料来说对其进行保存和运送有很多特殊的要求。 气力输送是以压缩空气为载体，与粉状物料在一定混合比的情况下，在密闭 管道内通过气力由一处送往另一处的输送方式。气力输送技术以其自身的特性很 好的适应了对粉料进行环保、高效输送的需求。在某些情况下粉料在通过罐车运 输进入厂区以后，通过气力输送系统便可以完全在一个密闭系统内储存和运送， 极大的方便了粉料的处理，因此各种形式的气力输送系统已经广泛应用于诸多行 、i p 并已产生了良好的经济和社会效益。 橡胶、轮胎行业是我国化学工业重要组成部分之一，橡胶产品与制品是重要 的战备物资，其发展历来受到国家的关注，深入研究中国橡胶、轮胎工业的发展 是摆在我们面前的一项重要任务。由于我国国民经济的快速发展，特别是高速公 路通车里程已达到两万公里，居世界第二，这对轮胎的性能提出了新的更高的要 求。为适应新的需要，加快我国轮胎的更新换代，“九五”、“十五”期间，国家 在政策上给予一定的扶持，重点生产企业从国外引进了先进技术和设备，并在消 化吸收的基础上实现了国产化，使我国子午线轮胎生产在技术和装备上有了很大 的提高，这无疑促进了我国轮胎工业技术水平的提高，缩小了与国际水平的差距。 炭黑是橡胶、轮胎行业中一种重要的原料，炭黑的特性和质量对橡胶产品的 质量和性能有很大的影响。炭黑是一种典型的粉状物料，而且在橡胶工业中炭黑 是用量最大的一种粉料，在一个中等规模的轮胎企业的炼胶车间各种炭黑的同用 量均以吨计。由于炭黑比重轻易漂浮在空气中，如不采用密闭输送会对环境造成 污染。因此炭黑的存储、运送和分配需要一种专用的设备来进行。目前各大轮胎 企业均采用气力输送系统进行炭黑的大量运送。 由于炭黑种类繁多物性复杂，这就需要运送炭黑的气力输送系统应该可以灵 活的改变各种相关的输送参数，以适应不同炭黑的需要，尽量使炭黑在输送过程 气力输送控制系统及其智能控制方法的研究 中不发生各种理化特性的改变。另外，现代企业的运作需要第一手的数据以支持 经营者做出正确的决策。这样客观上产生了对管理计算机加控制计算机的两级计 算机控制系统的需要。 针对橡胶、轮胎行业的现状，通过认真的分析和总结，研制的”智能化气力输 送系统”是集工艺、环保、自动控制、计算机监控和管理等技术综合应用的高科技 数字化产品。解决了橡胶、轮胎行业粉状物料品种多、物性复杂、环境污染严重 等难题。该系统具有”机电一体、软硬结合、管控兼备”的特点。同时也是实现生 产过程自动化和智能化、企业的科学管理、安全稳定生产和节能降耗的重要手段。 该系统的成功应用改变了橡胶、轮胎行业生产装备的水平，创造了民族工业的品 牌，为橡胶、轮胎行业作出了重要的贡献。 1 2 国内外相关领域的研究和应用状况 1 2 1 国外的研究和应用状况 国外由于气力输送技术发展较早且工业发达国家对环保非常重视和其人工 费用的昂贵，气力输送装置在西方国家得到了大量的充分的应用，其控制系统业 已发展的比较成熟。普遍采用了工业可编程控制器( p l c ) 加通用个人计算机的 两缎引算机控制方式，软件上也实现了很多智能化的应用。 如美国空气动力公司( d y n a m i ca i ri n c ) 的气力输送控制系统就采用了p l c 系统加s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统的两级结构。并 采用了专用的s c a d a 软件( w o n d e r w a r e i n t o u c h ，i n t e l | u t i o n i f i x 等) 进行系统 的组态。 另外，国外研究机构对气力输送系统的设计和控制的研究已经向智能化的方 向发展。人工智能在气力输送领域的应用主要有三个方面【9 o 一方面利用专家系统的方法从专家或文献资料中获得信息从而发展一系列 的可以解决以下问题的规则：对于某一个应用什么样的气力输送系统是最好的? 使用正压还是负压输送? 是否要使用密相输送? k l i n z i n g 和他的助手们制作了一 个专家系统软件包n u s e l e c t 专门来解决这些问题。 _ 方面神经网络有巨大的潜力应用于气力输送系统。神经网络模拟了人脑并 行处理信息的方式，可以解决诸如气力输送不同流动类型的辨识问题，还可以结 合控制技术在线修正操作参数使控制系统性能更加优越。 人工智能在气力输送中的另一方面应用是模糊逻辑，模糊逻辑发展了一种数 学方法来描述诸如“好”、“较好”、“最好”等表示程度的不确定语言，而这种类 型的词语经常出现在对气力输送的描述中，例如在根据试验得到的相图确定流动 青岛科技大学研究生学位论文 类型的过程中一般会画出几种不同流动类型的分界线，而实际上并不存在确定的 界限，只能说越接近这条分界线流型越模糊越不确定，这就给模糊逻辑在气力输 送中的应用创造了条件。另外模糊逻辑也可作为气力输送的一种控制策略。 1 2 2 国内的研究和应用状况 目前国内在橡胶轮胎行业己投入工业应用的气力输送控制系统绝大多数采 用p l c 控制，由于可编程控制器可以长期稳定的工作在工业现场的各种复杂环境 中因此采用可编程控制器作为控制系统核心的气力输送系统得到了国内用户的 认可。但是p l c 不具备可视化的人机接口，也不具备大量数据的存储和处理能力， 因此无法实现管理功能只能实现对系统的控制功能，人机交互也只能通过简单的 按钮和指示灯实现，软件的灵活性和可扩展性也显不足。 有文章介绍了从工程设计方法和计算机模拟方法两个方面进行综合考虑以 丌发气力输送系统计算机设计软件。工程设计方法是已知输送物料的特征参数和 具体要求，结合工程设计经验，进行输送系统的整体设计。计算机模拟方法通过模 拟来预测系统工况点的参数以及流场中单个管道部件对输送的影响。将以上两者 有机地结合，从而建立气力输送的计算机设计计算系统。 也已经有研究机构将人工智能理论应用于气力输送的研究中【l o 】，主要是将 神经网络技术用于气力输送各种参数的预测，取得了较好的结果。但是还没有形 成实际的软件或产品投入应用。在气力输送系统的智能控制方面相关的研究较 少。 总的来说国内对于气力输送控制系统无论在应用层面还是前沿性的研究层 而与发达国家还是有一定的差距，但是我们也能看到这个差距并不是很大，无论 在理论研究领域还是在应用领域差距都在逐渐缩小。 1 3 本课题的主要研究内容 1 3 1 研制内容 根据用户对气力输送控制系统的控制功能及管理功能的功能划分确定控制 系统的系统结构。 进行西门子p l c 系统的硬件组态及控制程序的编写。 开发p c 与西门子s 73 0 0 4 0 0p l c 的通讯程序。 研究气力输送气源压力、流量系统的智能控制算法，并进行智能控制功能程 气力输送控制系统及其智能控制方法的研究 序的开发。 研究气力输送终端压力控制系统智能控制算法，建立终端压力系统的数学模 型并进行仿真。 1 3 2 研制目标 新的气力输送控制系统，不但有对系统可靠的控制能力而且具有各种管理功 能，可以对系统运行的各种数据进行采集分析和处理。为企业的管理和决策提供 高效可靠的数据支持。 两级控制系统相对独立，在级间通讯中断或上位机故障的情况下，控制级仍 能够独立的完成基本的控制功能，以保证维持正常生产不致中断这一最低要求。 研制的气力输送气源压力、流量智能控制系统作为气力输送控制系统的一个 了系统实现了对气力输送的关键参数气源压力、流量的有效控制。这使得工艺人 员可以有更灵活的选择余地进行输送参数的设置，达到最优的料气混合比及各参 数的最佳控制点，提高输送效率、节省能源，以实现最佳的输送状态。 对气力输送终端压力智能控制系统所作的仿真研究为进一步实现对终端压 力系统的自动控制打下基础。 1 4 本文中所作的主要工作 本文在总结国内外现有气力输送控制系统成功经验的基础上，针对橡胶和轮 胎工业的现状和未来的需要研制了新型气力输送控制系统。新系统的主要特点是 采用了相对独立的管理级加控制级的两级计算机控制方案，在对作为气力输送技 术核心技术的气源压缩空气的控制上采用了智能控制的方法，并对气力输送终端 压力智能控制系统进行仿真研究。为此，论文作了如下的主要工作： 第二章简单介绍了气力输送技术的发展概况，和气力输送的基本原理及其 分类，详细讲解了广泛应用于橡胶轮胎行业的双管密相气力输送技术的工艺，及 其关键的技术参数。 第三章控制系统的体系结构方案的设计对控制系统来说是至关重要的，本 章介绍了国内普遍采用的两种气力输送控制方案并分析了其优缺点，设计了新的 两级计算机控制结构，并论述了其优越性。 第四章 利用西门子可编程控制器系统进行气力输送系统的硬件组态和程 序设计。介绍了输送管理系统软件的基本功能，实现了上位机与西门子p l c 的通 讯。 第五章 气力输送系统气源压缩空气的控制是气力输送控制系统的核心技 青岛科技人学研究生学何论文 术，由于控制过程具有非线性及不确定性，因此设计了基于神经网络整定的p i d 控制算法，以实现对气源压力、流量系统的有效控制。对气力输送终端压力控制 系统给出数学模型，由于终端压力系统是一个时变系统，提出基于神经网络整定 p i d 参数的自适应控制算法，并对终端压力系统进行仿真研究。 本文结论部分，总结了本文取得的研究成果，并指出了进一步丌展研究工作 的方向。 1 5 本章小结 本章首先对课题的背景及意义进行了介绍，无论从国外还是国内的发展现状 来看，气力输送控制系统都在向着智能化、集成化、信息综合化的方向发展。随 后在课题的相关领域，包括气力输送控制系统的应用状况和人工智能在气力输送 技术中的应用等方面，对国内和国外研究状况进行了分析。最后简要阐述了本课 题的主要研究内容和作者在本文中完成的主要研究工作。 气力输送控制系统及其智能控制方法的研究 第2 章文献综述 2 1 气力输送技术发展概况 现代气力输送技术从产生至今已有百余年的历史，早在1 8 1 0 年m e d h u r s t 就 提出了稀相气力输送方案；1 8 2 4 年v a l l a n c e 建立了气力输送的实验装置： 1 8 6 6 年利用气力输送输送棉花和沙子等物体的纪录可能是以知的最早的有记录的气 力输送技术的应用。18 9 1 年英国的多克哈姆经过多年的改造工作，从根本上改造 了原来的装置，成功制造出了负压气力输送装置，广泛应用于港口等处粮食的装 运，当时这种气力输送装置在英国、德国、荷兰的应用相当普及，这是气力输送 技术的第一次大规模应用。二十世纪二十年代中期，正压和负压的输送均己广泛 的应用于粮食的输送，而且从那时起气力输送技术得到了巨大的发展，并且应用 领域扩大到其它各个行业【i 。 气力输送技术曾在相当长的一段时间罩研究和应用停留在对稀相悬浮气力 输送的基础研究和主要装置部件的构造改进上。由于散状粉粒料在管道中由高速 气流带走，粒子相互间及其同管壁的碰撞使粒子破碎和管道磨损不可避免；加之输 送空气量大使能耗也大，虽然降低输送气速可以有所改善，但又极易引起堵塞，这种 情况曾经阻碍了这门技术的应用。在2 0 世纪后期，低速密相气力输送技术的研 究丌发的成功，是气力输送技术从机理、应用上均有一个新的质的突破。出于计 算机技术的飞速发展，使以往感到困难的气力输送过程中的复杂流态可以通过数 值统计进行计算，使研究不断深化和定量化：同时，由于制造技术和材料工程的 飞跃发展，控制技术和传感技术的长足进步，使低速密相气力输送技术在众多的 产业领域成功的被应用，从而解决了以往物料破碎、管道磨损、高耗能等问题， 并提高了系统的可靠性和工程的经济性 1 5 1 一【2 0 1 。 2 2 气力输送定义分类及特点 气力输送是以压缩空气( 或其它气体) 为载体，与粉粒状物料在一定混合比 的情况下，在密闭管道内通过气力由处送往另一处的输送方式。 气力输送技术根据不同的划分标准有很多种分类方法1 2 1 1 ，根据输送方式可分 为低真空吸送、低压压送、高真空吸送、高压压送、中高压压送。其中前两种属 于稀相输送，后三种属于密相输送。 低真空吸送的输送机理为动压输送，管内流型为悬浮流，压强为负0 0 2 m p a 青岛科技人学研究生学位论文 左右，输送动力一般由离心风机产生，料气比在l 到5 之间，气速一般为l o 至 4 0 m s ，最大水平输送距离可达1 0 0 米，对管道磨损严重。 低压压送的输送机理也为动压输送，管内流型为悬浮流，压强一般小于 o 0 5 m p a 输送动力一般由罗茨风机产生，料气比在5 到1 0 之间，气速般为1 0 至4 0 m s ，最大水平输送距离可达1 0 0 米，对管道磨损严重。 高真空吸送的输送机理为动压输送，管内流型为团状流，压强为负o 0 5 m p a 左右，输送动力一般由罗茨风机产生，料气比在1 0 到3 0 之间，气速一般为8 至 1 5 m s ，最大水平输送距离可达1 0 0 0 米，对管道磨损一般。 高压压送的输送机理为静压输送，管内流型为团状流，压强为o 3 至0 7 m p a 左右，输送动力一般由空气压缩机产生，料气比在3 0 到6 0 之脚，气速一般为8 至1 5 m s ，最大水平输送距离可达1 0 0 0 米，对管道磨损一般。 中高压压送的输送机理为静压输送，管内流型为栓流，压强为0 1 5 至o 7 m p a 左右，输送动力一般由空气压缩机产生，料气比在3 0 到3 0 0 之间，气速一般为1 至9 m s ，最大水平输送距离可达l0 0 0 米，对管道磨损较小。 气力输送技术具有很多固有的优点，它的输送效率较高，输送管道的布置灵 活，可以进行水平或垂直输送，一套系统可以输送多种不同的物料，安全性好， 可以用来输送很多高价值的产品，当输送介质为惰性气体时可以用来输送很多易 和空气发生反应的化学品，受环境影响小同时对环境的污染少，易于实现自动化 控制和监控，相对来说需要的维护费用和人工费用较少。但是气力输送系统也存 在着能耗高，受物料特性影响大。输送距离有限对设计要求高等缺点【捌啦5 1 。 2 3 双管密相气力输送技术 橡胶轮胎行业广泛使用的原料炭黑，具有粘性大输送过程中易产生静电等 特点，采用单管进行输送经常发生堵管现象，而双管密相输送技术采用流态化的 输送原理加上主管内部安装防静电橡胶层避免了静电的产生，因此国内绝大多数 橡胶轮胎企业选择了双管密相气力输送技术进行炭黑的输送【2 ”。本文所讨论的气 力输送控制系统如无特别说明即指双管密相气力输送系统的控制系统。 2 3 。1 双管密相气力输送系统工艺 现有的在橡胶和轮胎行业普遍采用的双管气力输送系统工艺如图2 - 1 所示， 采用正压压送式双管密相输送技术。输送系统启动后先进行目标罐的选取和相应 管路岔道阀的动作；之后炭黑由解包装置加入，在压送罐进行加压流态化；最后 以设定压力的空气进入输送管与炭黑在输送管内形成具有一定混合比的料气混 气力输送控制系统及其智能控制方法的研究 合物。在输送过程中副管根据压力传感器的压力变化，和预先设定的压力值，判 断是否的向主输送管内补充压缩空气。补气使物料被切成一段段料柱在管道内向 前运动，最后进入储料仓。料气混合物在储料仓和除尘器构成的空间内分离，气 体通过滤袋由风机排出。流态化的输送原理使系统在输送过程中达到低压、高载 倚( 物料质量空气质量) 密相输送的效果。输送完一种物料后下一次若要输送不同 的物料还需对输送系统进行清洗处理。以免仓内混入不同的物料。 1 解包装重2 - 气动馨翔 3 一篷遂罐压力传礴器5 气赞藏血藤6 旁通誉 7 - 疆送警8 - 压力开关 9 一二位夯兜 |1 0 一除尘暮1 1 一料位计 1 2 一储罐1 3 一风机 图2 - 1双管气力输送系统 f i g 2 1 p n e u m a t i cc o n v e y i n gs y s t e m 2 3 2 关键部件介绍 2 3 2l 输送双管 双管气力输送管具有物料在柔性弹性内衬中低速输送，输送柔和，防静电弹 性橡胶内衬能有效避免由于物料的粘壁引起的堵塞等优点。其区别于单管输送的 关键部件输送双管如图2 2 所示。 气力输送管的组成包括防锈铝镁合金管及防静电、高强度的橡胶内衬，辅管平 j ：配置于主输送管旁，他们之间的联接由过滤喷嘴、单向阀、p u 管等组成。 防锈铝合金管与橡胶内衬之间存在着一定的间隙，在输送过程中由于输送管 道中输送压力的波动和胶管的弹性作用该空间可产生变化，防止输送物料在管道 内壁的粘附，并有利于物料的输送和堵塞后的输通。间隙内的空气通过设置于每 个输送管上的检漏器自由进出，起呼吸作用。该检漏器由透明的p u 管及过滤器 组成，这样即使有微小的裂缝也能通过检漏器及时观察到。 青岛科技人学研究生学位论文 通过辅管上单向阀和过滤喷嘴的压缩空气必须干燥、无水、无油、无杂质， 否则极易造成由于单向阀、过滤喷嘴的堵塞而引起的设备故障。 单向阀的作用是防止在输送管中由于空气的可压缩性而产生的压力瞬间变化 引起不同位置的“串气”使料塞长度发生变化，造成输送不稳定。同时可保护过 滤喷嘴免受反向混合气流通过喷嘴，造成其透气性能迅速下降。 过滤喷嘴是气力输送能否正常、长时间运行的管见元件，它防止空气管路上 各气动执行元件免受混合气流的堵塞而发生故障。 图2 - 2 气力输送双管 f i g 2 - 2t w o p i p eo fp n e u m a t i cc o n v e y i n g 推荐操作压力：主管：0 2 - - 0 3 5 m p a 副管：高于主管压力0 0 3 0 0 5 m p a 推荐操作温度( 环境温度) ：3 0 6 0 。c 物料温度：3 0 8 0 过滤喷嘴：烧结、铜质粉末冶会 单向阀：铜质 输送胶管：6 r a m 壁厚，两层纤维， 内部光滑，带纤维层的橡胶管 2 3 2 ，2 压送罐 作为双管f 压密相气力输送系统的供料器，压送罐是系统的关键设备之， 在输送过程丌始之前物料必须在压送罐内加压流态化这样才能使系统在输送过 气力输送控制系统及其智能控制方法的研究 程中达到低压、高载荷( 物料质量空气质量) 密相输送的效果。压送罐是高压密相 气力输送系统广泛采用的供料设备。它密封性能好，故障少；可以增加自动称量器； 可减少物料颗粒的降级及磨损；操作时无噪音。但压送罐造价较高，耗气量大，需要 大的空压机配套。压送罐作为容积式供料器多数属于间歇输送，出现的最大问题是 密相所具有的低速、磨损小、尾气过滤量少等优点在一次输送循环即将完毕的时 间内是不存在的。因为最后的物料与大量压缩空气在经输送管排空时，可能出现比 稀相输送更高的速度，更大的管道磨损和料粒破碎，而且料气比降低。非输送时间 越长，这种情况越严重。通常是用减少输送循环次数来弥补这种缺点，此时最好采 用双罐串联或并联的连续输送方式。 图2 - 3 压送罐系统配置图 f i g 2 - 3 p r e s s u r ev e s s e lc o n f i g u r m i o nc h a r t 2 3 2 3 拉瓦尔管 在密相气力输送系统中，经常采用拉瓦尔管( 缩放管) 对气源流量进行控制，它 i j 以保证输送用的压缩空气流量恒定、稳定”1 。对气源流量的波动进行控制主要 是利用拉瓦尔管的扼流作用，即当拉瓦尔管出口的压缩空气气流速度达到超音速 时，出 _ 压力扰动对进口压力没有任何影响；当出f _ i 压力小于其临界压力p 时。质 青岛科技人学研究生学位论文 量流量仅与气源贮罐中的参数有关。当气源压力、温度稳定时，其质量流量保持不 变。当需要对输送管进行清扫时，开启清扫拉瓦尔管路，两个拉瓦尔管同时供气，增 大气流速度对输送管壁进行彻底清扫，保证物料间不发生交叉污染。根据物料物 性、输送管道布置、输送能力、料气比，配置不同喉部直径的拉瓦尔管组合。 2 3 2 4 除尘器 在料气混合物进入储料仓后必须实现料气的分离，空气排出仓外，物料留在 仓内，在这里除尘器实际上是用于料气的分离，除尘器的除尘能力对输送系统有 很大的影响，如果过滤装置长时间使用后，微孔堵塞，透气性能下降，这可能使仓内 压力上升，输送空气流量减小，引起输送管道堵塞，严重时除尘器变形。 2 4 本章小结 本章简要介绍了气力输送技术的发展概况及其分类和各种类型气力输送技 术的特点。然后比较详细的介绍了本文所讨论的在橡胶轮胎行业广泛应用的双管 密相炭黑气力输送系统的工艺及组成系统的各个关键部件。其中，重点介绍了本 系统区别于其它系统的输送双管的结构、组成及部分技术参数。 气力输送控制系统及其智能控制方法的研究 第3 章气力输送系统控制方案的设计 3 1 国内应用的气力输送系统控制方案 国内应用的气力输送系统控制方案主要有p l c 控制和工控机控制两种，在工 业现场应用的气力输送系统多以p l c 作为控制系统的核心，因为p l c 作为一种 专用的工业控制计算机最大的优点就是它可以长期稳定的工作在工业现场的恶 劣环境中，而且p l c 的硬件可扩展性较强，可以满足工业大系统的输入输出点数 的需要。工控机作为一种在工业领域应用的通用个人计算机，它的优点是软件的 可扩展性强，由于p c 可利用的软件资源极其丰富，作为一种工业p c 的工控机 可以利用的软件资源是p l c 所无法比拟的。就目前的利用情况来看，很多在实验 室运行的小型的气力输送控制系统采用了工控机直接控制的方式。 3 1 1p l g 控制方案 p l c 控制方案如图3 1 所示，是指控制系统只以可编程控制器( p l c ) 作为 控制器部分，包括系统的人机接口也是通过p l c 的输入输出点驱动按钮和指示灯 来完成。为了有效的监控系统的运行状况，系统采用了在控制柜上布置模拟盘的 方式利用指示灯束进行系统各个部件运行状态的指示。目前已在橡胶轮胎行业应 用的气力输送控制系统绝大多数是采用的这种控制方案。 p l c 控制方案具有结构简单，可靠性高等特点，还可以利用现场总线通讯技 术连接分布式输入输出模块，节约大量的现场布线，基本上可以满足工厂的需要， 因此，得到了广泛的工业应用。但是随着现代化生产管理对设备要求的提高p l c 控制方案本身的劣势也逐渐暴露出来，由于p l c 自身不具备大量数据的存储和显 示功能，所以无法满足对系统信息进行更进一步处理的要求，系统运行状态的监 视画面也不够生动，且不具备报警信息的详细提示等功能。 图3 1p l c 控制方案结构图 f i g3 - 1 p l cc o n t r o ls c h e m e 1 2 中控室 现场 青岛科技大学研究生学位论文 3 1 2 工控机控制方案 工控机控制方案是指控制系统以工业控制计算机作为控制器对气力输送系 统进行控制。工控机通过在主板插槽上加装数字量或模拟量输入输出板卡对现场 信号进行采集，由于主板插槽的数量非常有限，其输入输出量的点数也就比较少， 这就决定了工控机只能用于中小型的控制系统中。另外，工控机的抗干扰能力也 较弱，由于一般的工控机均使用微软的视窗操作系统，其运行方式决定了它的平 均无故障工作时间与p l c 的扫描工作方式相比还有不少差距，这也使工控机在 ： 业现场的应用受到了一定限制。但是，也正是由于工控机一般采用视窗操作系统， 所以其可以利用的各种软件资源十分丰富，再加上工控机本身具有大容量的硬盘 作为存储设备，有高分辨率的显示器作为显示设备，十分有利于进行大量的数据 处理工作。这些特点决定了目前工控机很少单独应用于橡胶轮胎行业的气力输送 控制系统中，而较多的应用于实验室运行的气力输送控制系统中。 3 2 输送系统两级计算机控制方案的设计 气力输送系统本身作为一个输送装置，由其自身的用途决定了它具有整个车 间级甚至工厂级的分布，由压送罐至储料仓其物理距离常常达到数百米，这就需 要控制系统适应机械部分的分布情况，采用分布式的结构，而为了进行集中管理 与监控，在中央控制室设立管理上位机，因此形成了如图3 2 所示的两级计算机 管理控制方案，即系统总体上分为管理级与控制级，级问通过通讯线路相连。控 制级又采用分布式i o 将下位机通过现场总线与现场的i o 设备连接，节约了大 量的安装、电缆费用。而且，两级之间相对独立，即使管理计算机( p c ) 由于某 种原因停机，控制计算机( p l c ) 仍然能够正常工作实现基本的控制功能，保证 生产的正常进行。这样，新的两级计算级控制系统既具备了p l c 的高可靠性，可 以适应工业现场的恶劣环境和连续生产的要求，又具备了工控机强大的数据处理 能力与良好的图形界面。 中控室 现场 图3 - 2两级计算级控制方案结构图 f i g3 - 2t w ol e v e lc o m p u t e rc o n t r o ls c h e m e 气力输送控制系统及其智能控制方法的研究 3 2 1 控制级 控制级是气力输送管控系统的控制核心，是系统各级指令的具体执行者，采 用专用的工业控制计算机( 即可编程逻辑控制器p l c ) 作为核心控制计算机，通 过现场总线技术与现场i 0 设备做可靠的通讯连接，保证系统的可靠性。 由于管理上位机的存在，蕤个控制可分为，配方、本控和遥控三种方式。在 配方方式下，p l c 根据上位机下传的输送配方程序自动进行管路的选择，输送参 数的设定等步骤，准备完成后向解包房操作人员发出指令通知对某一种物料进行 解包。由于可同时下传多个配方，且一个配方输送完成后可无间歇的自动进行下 一个输送配方，这种方式可以使设备的使用效率达到最大。而在本控及遥控方式 下操作人员必须在中控室或解包房按下输送按钮来发出输送指令，效率不如配方 方式下高。而且管路的动作和参数的设置也需手动设置，这样增加了许多重复劳 动，且若操作人员精力不集中则易出错，但是在本控和遥控方式下系统具有较强 的灵活性，因此系统采用了三种控制方式。 3 2 2 管理级 管理级采用通用个人计算机( p c ) ，向下与控制级通过通讯线路连接，向上 通过交换机连入企业局域网。管理计算机主要完成输送管理( 含输送安排、配方 重传j 输送终止等功能) ，配方参数( 含目标罐设定、工艺参数、原材料管理等 功能) ，生产监控( 含工艺流程画面、和参数曲线) ，报表分析( 含输送纪录、报 警纪录、操作日志) ，另外p l c 参数设置、监控画面组态、数据显示设置、报警 与提示信息设置、用户管理等系统设置功能也在管理级完成。通过管理计算机， 操作人员对系统所作的各种操作及其产生的结果都会有监控和记录，实现了系统 运行的透明化。 3 3 本章小结 本章首先介绍了国内常用的两种气力输送系统控制方案，p l c 控制方案和 工控机控制方案，并分析了这两种方案的优缺点。然后提出了两级计算级控制方 案，两级计算级控制系统由管理级和控制级组成，整个方案的制定体现了分级管 理，实时监控的思想，集控制和管理功能于一体。级问通过m p i 通讯技术连接， 通过高速的数据采集和级间通讯使对气力输送系统进行实时的控制和管理成为 可能。 童璺型丝查堂婴壅生兰垡笙苎 第4 章两级计算机控制方案的实现 4 1 控制级的实现 4 ，1 1p r o f i b u s 现场总线 p r o f i b u s 利用了现有的国家标准和国际标准。其协议以国际i s o ( 国际标 准组织) 标准o s i ( 开放系统互连) 参考模型为基础1 2 8 j _ 【3 3 j 。如图4 一l 所示， p r o f i b u s 协议采用了i s o o s i 模型中的第1 层、第2 层以及必要时还采用了第 7 层。第1 层和第2 层的导线和传输协议依据美国标准e i a r s 4 8 5 、国际标准i e c 8 7 0 5 1 和欧洲标准e n6 0 8 7 0 5 1 。总线存耿程序、数据传输和管理服务基于 d 1 n 1 9 2 4 1 标准的第1 到3 部分和 e c9 5 5 标准。管理功能( f m a 7 ) 采用i s od i s 7 4 9 8 ，4 ( 管理框架) 的概念。从用户的角度看。p r o f i b u s 提供了三种通信协议 类型：d p ，f m s 和p a 。 d p 设备行规 p _ a 设备行规 f m s 设备行规 用户接口层 基本功能基本功能 ：( 泽者注) 扩展功能扩展功能 d p 用户接口 应用层接口 d p 用户接口 直接数据链路映 ( a l i ) 直接数据链路 象程序映象程序 ( d d l m )( d d l 】) 第7 层应用层 ( 应用层) 现场总线报文规范( f m s ) 第3 - 6 层未使用 第2 层 数据链路层 数据键路层 ( 数据链路现场总线数据链 现场总线数据链路( f d l ) i e c 揞口 层1路( f d l ) 第l 层 物理层 物理层 ( r s4 8 5 n m q )i e c l l 5 8 2 1 ( 物理层) ( r s4 8 5 n 胍h ，) 囤4 - 1p r o f i b u s 的协议结构 f i g 4 1 p r o t o c o ls t r u c t u r eo f p r o f i b u s p r o f i b u s - d p 使用了第l 层、第2 层和用户接口层。第3 到7 层未使用 气力输送控制系统及其智能控制方法的研究 这种精简的结构确保高速数据传输。直接数据链