（机械电子工程专业论文）配料车间自控系统的研究与应用.pdf

摘要 摘要 随着电子技术、控制理论以及通讯技术的发展，传统的配料控制系统无法适应 控制系统的智能化、信息化的趋势。结合某大型p v c 手套生产厂家的配料自动化项 目，针对传统p v c 配料控制系统存在的配比精度低、控制系统鲁棒性差的不足，本 文就提高配料控制系统的自动化程度和提高配料质量的关键技术进行了较为深入的 研究。 首先，本文分析了p v c 配料的工艺流程和现在常用配料控制系统的一些特点， 并针对影响配料质量的关键技术问题进行了研究，设计了合理的解决方案以提高原 料配比的精度、固体称量的精度和反应温度自动控制精度，并根据实际的工程应用 的需求对配料控制系统中的重要硬件设备如流量计、变频器等进行了选型、安装方 式及控制方法进行了研究。 其次，由于传统的p l c 控制系统的所有控制柜都放置于主控室，现场受控设备 与p l c 控制系统的i o 模块通过控制电缆进行点对点硬接线连接，通过控制电缆传 输4 2 0 m a 的模拟量或2 4 v d c 开关量来进行现场设备的监控。而主控室大多远离设 备现场，长距离的信号传输不仅需要耗费大量的电缆而且在信号传输过程中容易将 干扰信号引入p l c 控制系统。本文针对模拟量信号传输的弊端，提出了p r o f m u s 现场总线控制方案，并拟用总线通讯协议构建分布式控制系统，将i o 模块置于设备 附近以克服模拟量信号不适于远距离传输的缺点同时减小了布线与施工的工作量。 再次，随着工业的控制精度要求越来越高，过程对象的控制越来越复杂，大多 具有时变性、大滞后、非线性的特点，难以建立精确的数学模型，经典控制与现代 控制理论很难满足控制要求，而先进的控制策略在解决这类系统的控制问题时显现 出了强大的优势。所以，将先进控制策略与现在流行的p l c 控制系统相结合，在p l c 中嵌入先进控制成为当前工控行业的一个研究热点。本文通过对模糊控制策略的研 究，将模糊控制策略引入到反应罐的温度控制，结合经典控制理论中的p i d 控制策 略，实现模糊p i d 控制器的设计并应用于反应温度的控制。实际运行结果表明了模 糊p d 控制器的有效性和可靠性。 最后，本文完成了配料控制系统的软硬件的设计，阐述了控制系统硬件配置和 软件的设计，完成了控制程序的编制和监控界面的设计。 关键词配料；现场总线；模糊控制；p r o f i b u s ：p l c 河北科技大学硕学伊论文 a b s t r a c t a s 也ed e v e l o p m e n to fc o n 仃0 ls c i e n c e ，e l e 咖na n dt e l e c o 删c a t i o nt e c h n o l o g y ， m e 仃a d i 石o n mi n g r e d i e n tc o m r 0 1s y 双e mc a nn o tg ow e l l 、j l ，i 也吐l e 仃e n do f 缸e l l 逗e n d z a t i o n a n di r 墒m l a t i o n i z 撕o n t oi 】：n p r o v e 也ep r e c i s i o n 趾dr o b u s 协e s so f 仃a d i t i o n a lp v c p r o d u c t i o na n dc o r l 仃o ls ) ，s t e m 台o m 吐l eu p d a t eo fp r o c e s s e so fam a i np r o d u c e ro fp v c g l o v e s ，h e r e ，i ti sd e e p l ys n l d i e dm a th o wt 0a d v 锄c e 吐1 ea u 砌m z 撕o n1 e v e lo f 吐l e i 1 1 舒e d i e n t c 0 m r o l s y g t e ma n d s o m ek e yt e c h n o l o g yo n h 1 1 p r o v i n gt h eq u a l i 哆o f i 1 1 铲e d i e n t f i r s t l y ，s 0 m ef e a ：c u r e so np r o c e s sn o wa n dc o n _ n - 0 ls y s t e mo fp v c 缸留e d i e n tw 弱 a i l a l y z e d ，m e a n 、v b i l e ，s o m ek e yp o i n t sd e t e 玎血n i n g 吐l eq u a l i 妙o fi n f e d i e m 、嬲s t i l d i e d s on o to n l yar c 硒o m l b l es 0 1 u t i o ni sd e s i 四e dt 0 缸1 p r 0 v en l ep r e c i s i o no fi i l g r e d i e n t ，s o l i d w e 追k n ga i l dt 既n p e r a m r ea u t o c o n t r o l ，b u ta l s o 吐1 et y p es e l e c t i o 玛m e 吐l o d so fi i l s t a l l a = c i o n a n dw a y so fc o n t r 0 1o fs o m ei m p o n a ml l a r d w a r ew e r em e n t i o n e da c c o r d i n gt 0 也e r e q u i r e m e m so f 删a p p l i c a t i o ni np r o j e c t s e c o n d l y ，t r a d i t i o n a lp l cc o 曲的ls y s t 锄i i lw 址c ht l l em a 瑚ye l e c t r i c a lc p i l 仃o l c a b i n c ti 1 1 s t a 】l e di nc o n _ 廿o lr o o ma r ea w a yf b mt l l e1 0 c a t i o ne q u i p m e n ti si n s t a l l e d1 l s u 础l y n e e d sam a s so f c a b l e 也a ti s1 i n k e db 咖e e n 恤m o d u l e so f p l cc o n 仃0 1s y s t e ma n d r e m o t ed e v i c e si n s t a l l e di i lm ew o r kl o c 撕o n i i la d d i t i o n ，i i l 也e 仃a d i t i o n 甜p l cc o n 仃o l s y s t e m 吐l es i g n a l sb e t w e e n 吐l em a i l lc o i 内r o l l e r 锄dt l l ed i s t r i b u t e dd e v i c e sa r ed i g i t a l o n o 行o f2 4v o l t a g e0 ra n 础o go f4 2 0 m as e n s i t i v et 0d i s t u r b a i l c e g i v e n 也es h o r c a 瞽 a b o v e ，h e r ead i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mu s i i l gb u sc o m m u l l i c a ：d o np r o t o c 0 1 i sc o i l s 扪比t e d a t 也et i m eo fac o n t r 0 1m e m o db r o u g h tf o n ) 吼r db 硒e do np r o f i b u s b yp 戚洫g 也ei om o d u l e sn e a rb y 也el o c a ld e v i c e sm es h o r t a g e so fa n a j o gr e l n o t e 缸删s s i o na r eg e 位e do v e r ，也ew o f 心o a do f1 a 姐n go u tc a b l ei sr e d u c e do b v i o u s l y 1 r d l y ，吐l er e q u i r e m e mo fc o n 仃0 lp r e c i s i o ni sb e c o m i n g 址曲e r 锄d 场曲e r m o r e a n dm o r ec o m p l e x 也ec o n t r 0 1o fp r o c e s si sb e c o m i i l g m o s to ff h ec o m r 0 1s y s t e n l s c h a r a c t e r i z et i m ev a 叫i 1 1 9p r o p e r t i e s ，l a r g et i i n ed e l a v 锄dn o m i n e a r i 够i ti sd i f ! f i c u l tf o r 也e s es y s t c 撇st od e s i 弘也e ：i rm a ：吐1m o d e l s c 1 a l s s i c a 】c y b e m e t i c sa n dm o d e m c v b e m e t i c s i sm f ! f i c u l tt om e a t 也ec o m r o lr e q u i r e m e n t si np r a c d c e a p p l i c a t i o l l s ， b u tm ea d v a n c e dc o n t r o l ls 眦e g i e ss h o wo u r 黟e a ta d v a 工l t a g e 、) l ，! h e nw en yt oc o m r o l 吐l e a _ b 0 v ec o m p l e xs y 鼬e i 啮s oi tk 峪b e c o m eah o ts p o tt 0r e s e a r c ht oc o m b i n e 也ep l c c o m r o ls y s t e m s 谢也a d v a j l c e dc o n t r o ls 臼a t e g i e s t h i sp a p e rr e s e a r c h 也ef e a t u r e so ff 泣刃 t t 摘要 c o n 口o ls 订a t e 勖，也e ni i l 口o d u c ei tm t ot l l e t e m p e r a m r ec o n t r o lo fr e a c t i o nj u g b y c o m b i 矗n g 也ec l a s s i c a 】c o i l 仃o ls n 越e g y - p i d 州血f h z z yc o n t r o lt 1 1 e o r y af 1 - 嵫y p i d c o n n d l l e ri sd e s i g n e dt ot e m p e r a n 聆c o l l 仃0 1 f i n a l l v ，i t se 位c t i v e n e s sa n dr e l i a b i l 时a r e p r o v e d a tt h ee n d ，m i sp a p e rd e s c r i b e s 也ei n g r e d i e n ts y s t e m sh a r d w a r ec o 蚯删i o na n d i t ss o 盘w 鹏d e s i 卸w i n la 衔e n d l yh 2 咀 k e yw o r d sb a t c h i n g ；f i e l d b u s ；f u z z yc o n n 0 1 ；p r o 矗b u s d p ；p l c i i i 第】耄绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 在化工生产现场，常常依据某种化工配方将几种化学原料均匀混合，再将配制 的混合物料按照一定的工艺进行生产加工进而得到特定产品的过程叫做配料【l 】。在 p v c 胶乳的生产过程中，原料是否能够依照配方中规定的比例进行混合，直接影响 到p v c 胶乳的质量；同时胶乳质量的优劣还会影响到后续生产的手套的质量【2 1 。在 p v c 连续配料过程中，如果配比的胶乳质量达不到工艺要求，则既造成生产材料、 能源的损耗，又影响到手套的质量和产量【3 】，配料失误会给整个生产造成严重事故。 因此，为了提高胶乳产品质量以及确保后续生产的顺利进行，需要精确控制p v c 配 料过程的原料配比精度【4 】，避免配料失误。 p v c 胶乳是生产p v c 手套的原料，它是一种化学成分既定而又均质化的产品， 由多种原料混合加工而成【5 1 。在p v c 手套的连续化生产中，生产优质手套的先决条 件是准确、均匀和稳定的配比p v c 胶乳。在对多种原料进行精确称量、均匀混合、 原料输送和投料的生产过程中，一旦配料中的某个环节出现差错势必给工厂的整个 生产带来严重的经济损失【6 】由此可见p v c 胶乳的配制对手套生产的重要性。原料 的准确称量是配料工艺的核心之一，在以前，p v c 配料基本由人工完成，即工人将 各种原材料依次进行人工计量，然后加入到搅拌罐进行搅拌，使各种原料混合。因 此，各种原料的质量比能否符合预设定的比例在很大程度上取决于操作人员的技能 和工作责任心。这种人工配料的做法明显存在精度不高和效率低等缺点。另外，由 于生产原料挥发的气体严重刺激工人的呼吸道，人工投粉时p v c 粉尘污染较为严重， 这些很容易对人的身体造成损害。为了降低现场环境对工人健康的损害，在配料现 场应尽量避免人工配料。所以，实现配料自动化对提高p v c 配料的控制精度发展精 细化工、降低工人劳动强度、改善工人工作环境有着重要的现实意义。正因为这样， 实现自动配料也就成为现代化p v c 配料发展的必然趋势【7 1 。 如今，随着计算机( c o i n p m 神、通讯( c o n l i i l u l l i c 撕o n ) 和控制( c o n t r 0 ，1 ) 技术飞速发 展，信息自动化迅速应用到工厂的现场设备层、控制层、管理层各个层次，为配料 生产自动化控制水平的提高提供了可行性【1 1 1 。伴随着3 c 技术的飞速发展，人们开始 对生产过程自动化控制系统提出更高的控制要求，同时，在工业配料领域人们对配 料过程提出了“精确、快速、自动、连续”的生产要求1 1 2 1 。为此，选择和设计可靠 的、合理的、先进的配料控制系统对促进整个配料工业的发展至关重要。当今随着 市场经济的需求，针对配料控制系统的应用研究广泛开展，并在许多工业配料领域 河北科技大学硕士学位论文 取得了成功【1 3 4 1 。 此外，医药、食品、饲料、水泥、玻璃等行业也离不开配料生产过程【1 5 】，也要 通过自动配料控制系统实现生产自动化【1 6 】。虽然这些行业所用的原料以及生产加工 工艺有所不同，但其配料自控系统的控制理念是相同的。因此，设计与应用这套p v c 配料自控系统具有一定的现实意义【1 7 1 。 本文的设计目的是设计合理的控制方案使整个胶乳配料控制系统可靠、稳定的 运行，使配料车间设备及控制系统满足配料生产的工艺要求，并使整个控制系统达 到较高的自动化水平。 1 2p v c 配料工业现状 从9 0 年代初开始，从事p v c 手套加工贸易的企业在国内快速发展。p v c 手套 用途广泛，主要销往发达国家及地区，拥有广阔的消费市场，具有很好的经济和社 会效益。 近年来，随着手套生产企业不断增多，手套生产行业的竞争也日趋激烈。提高 手套质量、降低手套的生产成本已成为手套生产商增强企业竞争力赢得市场的的主 要策略。而生产优质、低廉的手套的关键在于p v c 胶乳的质量，所以手套生产厂家 纷纷将提高p v c 配料质量作为今后的生存战略。结合改进的配料工艺，对手套生产 的配料控制系统也提出了高精度、高效率、高可靠性和高稳定性等控制要求，以适 应现代化生产的需求【1 8 】。 目前，我国手套配料工业存在的主要问题表现在：资源利用率低、能源消耗较 高；企业自主开发和科研创新能力比较差，缺乏具有鼓励生产技术创新的管理机制； 整体装备技术和综合管理水平相比国际先进水平仍存在较大差距。 在手套配料生产技术方面，还存在着生产工艺落后、设备搭配不够合理和生产 线自动化水平低等缺点，难以满足现代工业快速发展的需求。 p v c 配料控制系统普遍存在的问题是：原料计量精度低，自动控制系统的可靠 性差；缺少对生产数据的管理以及对配料过程的实时监控。计量精度低的主要是用 于计量的控制策略不合理或计量系统的动态特性范围小；而可靠性差主要是由于国 内的电子元件、机械制造工艺等基础工业发展滞后导致国产中间继电器和微机控制 系统的可靠性低【1 9 1 。 1 3 配料控制系统的发展 在配料生产中，控制系统必须具有高度的可靠性以保证配料系统连续、稳定生 产，可以实现全自动、半自动和手动的不同工作模式间的人工切换，能够及时的检 测设备故障并报警通知工作人员以避免生产系统出现重大事故。目前应用于我国配 料领域的控制系统归纳起来有以下几种。 第1 量绪论 1 3 1直接数字控制系统 直接数字控制系统f d n c td i g i t a lc o n 乜o l 简称d d c ) ，计算机通过开关量输入通 道( d i ) 和模拟量输入通道( a i ) 实时采集现场数据，然后按照一定的原则进行计算，最 后通过开关量输出通道o ) 和模拟量输出通道( a o ) 发出控制信号直接作用于生产设 备。因此，d d c 系统是一个闭环控制系统，其系统结构组成如图1 1 所示，是工业 计算机在生产过程中最普遍的一种应用方式。d d c 系统中的计算机直接承担控制任 务，因而要求实时性好、可靠性高和适应性强。 控 ( 二蚤五h 输入通道卜( 二乎 叫 设定值 制 计 对 算 象 机 亟 叫输出通道卜匹互卜_ 叫显示记录 图1 1亘接数孚控制系统框图 f i 昌l - ld i a 鲫no f 廿l es 咖c n l r co f d d c d d c 系统属于集中控制型系统即采用集中控制、集中管理的工作模式。计算机 系统集成了很多的控制回路【2 0 1 ，这就必然会出现“风险高度集中”的问题。d d c 系 统对计算机的可靠度要求高，一旦计算机出现故障，整个控制系统将无法正常运行， 进而大为降低该系统的可靠性。如何提高控制系统的可靠性，这就要求控制系统由 集中型向分散型转移，于是出现了“信息集中，控制分散”的集散型控制系统。 1 3 2 集散型控制系统 集散型控制系统( d i s t r i b u t e dc o 曲的ls y s t e m ，简称d c s ) 又称分散式综合控制系 统。其控制理念的核心是将管理与控制相分离即集中管理、分散控制，以提高控制 系统的可靠性【2 l 】。在d c s 系统中，上位机对生产过程进行集中监视、管理，下位机 实现分散式控制，上位机与下位机之间通过网络连接进行信息的交换和传递陋2 3 】。 这种分散式控制结构克服了集中型控制系统对控制器可靠性要求高的缺陷。 d c s 控制系统结构如图1 2 所示，通常采用多个控制器对工业生产过程中的多 个受控对象进行监控，各个控制器之间可以进行数据交换。计算机操作站通过网络 与各个控制器连接，传达操作命令，收集生产数据。现场执行级主要由控制站、i o 执行器和现场仪表组成，主要实施d c s 系统的控制功能。控制程亭是由控制站执行 的，由控帝4 站完成d c s 的控制决策。 j 河北科技大学硕士学伊论文 信息管理层 控制层 现场设备层 且圩无嗍 网 路田器 关 服务器操作员站工程师站 ll i 控制器li 控制器i 、 l 现场仪表执行器现场仪表执行器 图1 2 集散控制系统组成框图 f 嘻1 2d i a f 锄o f t l l es 廿1 j c t i i r co f d c s 基于网络技术的集散控制系统在形成和发展过程中，不同的d c s 生产厂商对其 通讯网络的研发采用各自专用的封闭形式，以达到垄断经营的目的。这也造成各个 厂商d c s 系统无法与不同厂商d c s 系统进行通信，也就无法实现不同d c s 厂商设 备的互联，使得d c s 系统开放性大为降低 2 4 】。 1 3 3 现场总线控制系统 2 0 世纪8 0 年代出现了现场总线控制系统( f i e l d b u sc o 曲的ls y s t e m ，简称f c s ) ， f c s 是由p l c 与d c s 发展而来，f c s 不仅兼容了p l c 与d c s 的特点，而且对控制 系统而言是革命性的跨越。f c s 系统是基于具有互操作性、开放的现场总线网络将 现场设备级各个控制器和智能仪表设备互联，同时将控制功能彻底下放到现场设备 实现控制的分散【2 5 2 6 】。因此，f c s 实质上是一种具有互操作性的、开放的、控制彻 底分散的分布式控制系统。f c s 控制系统结构如图1 3 所示，通过现场通讯网络将现 场智能仪表串联在一起。 随着控制理念的不断提升，新型的d c s 系统、新型的p l c 系统及新型f c s 系 统，都在不断改善自身系统的不足，借鉴彼此的先进设计理念，都有向彼此靠拢的 趋势。新型的d c s 已有很强的顺序控制功能；而新型的p l c 在处理闭环控制方面也 不差，并且都能组成大型网络控制系统，f c s 、d c s 、p l c 的适用范围已有很大的交 叉，彼此之间的界限越来越不明显。 4 第1 童绪论 信息管理屡 控制层 现场设备层 图卜3f c s 控制系统结构 f i g l 3 f c s 戤h i t e c t u l 他 f c s 的关键特点如下： 1 ) f c s 系统的基础是现场设备数字智能化 _ 2 ) f c s 系统的核心是总线协议，即总线标准化 3 ) f c s 系统的本质是信息处理现场化 通过使用现场总线系统，用户可以减少大量的现场布线、接线等工作，单个现 场仪表可实现多个变量的通信，不同制造厂商生产的设备之间可以进行互操作，增 强了现场设备级的控制功能，系统集成得到简化，并且维护方便【2 7 2 引。 1 4 课题的主要工作 本课题结合某大型p v c 手套生产厂家的配料自动化项目，在分析了p v c 胶乳 配料的工艺要求和控制系统发展现状的基础上，就提高配料控制系统的自动化程度 和提高配料质量的关键技术进行了较为深入的研究。主要工作包括以下几个方面： 1 1 查阅与配料自动化控制相关的资料文献，对我国配料自动控制系统特点及现 状进行了分析，根据课题中配料的工艺需求及特点，结合目前自控系统的发展趋势 提出了配料系统总体设计方案和技术路线，并进行了可行性论证。 2 ) 分析了液体原料采用体积配比方式时，介质温度的改变对配比准确度的影 响，采用稳定介质温度的恒温配比方式解决了体积式配比系统中密度随温度变化造 成配比误差的问题 3 ) 分析了液体配料过程中过冲量的产生原因，采取变频双速供料方式既控制了 过冲量提高了配料精度又提高了自动配料的速度。 5 河北科技j ，y = 1 7 5 ，2 4 5 ，3 8 1 ，4 8 0 ，7 0 0 ，8 6 0 】。 m a t ia b 程序如： x = 【o 5 ，1 0 ，1 5 ，2 0 ，2 5 ，3 0 】 y = 1 7 5 ，2 4 5 ，3 8 1 ，4 8 0 ，7 0 0 ，8 6 0 】 p = p o l 妒t ( x ，y ，2 ) x 1 = 0 5 ：0 0 5 ：3 o y l = p 0 1 ) ，v a l ( p ，x 1 ) p l o t ( x ，y ，书r ，x 1 ，y 1 ，- b ) 计算结果为：p = 0 5 6 1 4 ，o 8 2 8 7 ，1 1 5 6 即所得函数y = 0 5 6 1 4 x “2 + 0 8 2 8 7 x + 1 1 5 5 6 0 3 3 2 恒温配比方案 采用流量配比方式时，液体原料的密度随温度变化发生改变进而影响配比精 度例。如何消除这种由于温度变化带来的计算误差，从根本上考虑如果介质温度 稳定在一个值，则介质的密度也就不再变化即稳定被测介质温度使体积配比成为 单值函数，当质量配比转化成体积配比时只需考虑体积的计算精度，这样体积配 1 8 第3 章液体原料配比控制系统总体设计 比的整体精度必然会得到提高。 从图( 3 3 ) d o p 温度与密度的函数关系曲线可以看出，d o p 的密度值在1 0 以下的位置时，温度变化对其密度影响的比重较大，在3 0 附近温度变化对比 其密度的影响的比重小。试想将被测介质温度固定在某个特定的温度点附近，即 使介质温度有轻微变动，其温度的微小变化对密度的影响也几乎可以忽略，因为 在介质温度控制中无法达到温度不波动，但可以经过温度控制将其波动的幅度减 小。 保持经过流量计的介质的温度恒定，可以考虑采取对原料储罐进行温度控制 的办法稳定原料的温度，对储料罐到流量计之间的管线进行保温措施。储料罐的 容积在1 5 0 立方米左右，原料的存储量不是固定的，原料每天都在消耗，原料供 给却是不定时的，这也造成对储料罐进行温度控制的难度大，因为任何一种温度 控制策略能够控温平稳的前提是工况的稳定，储料罐的工况是在变化剧烈，对于 这种大容量的罐的温度控制，其本身滞后性就非常大，加上工况的不断改变，对 储料罐进行温度控制的方案无法实现。 如何将储料罐的工况变得稳定以利于温度控制呢? 假想可以将储料罐的液 体体积保持不变或减小储料罐的体积，使其工况稳定、滞后性减小到可以对其进 行温度控制。采取在储料罐与流量计之间设置中间罐，借助调整配料工艺来解决 配料精度的控制问题。选择容积为4 5 立方米的罐作为周转罐，每种原料各添 置一个周转罐，工艺流程如图3 3 所示。 图3 3 恒温配比工艺流程图 f i g 3 3 c o i l s t 姐t 饱t i oo fn o wc h a n 储料罐原料通过管道泵进入中间罐，在中间罐中进行温度控制使温度稳定在 某一固定温度，具有恒定温度的介质经过流量计计量进行体积配比进入初混罐。 1 9 河北科技大学硕士学位论文 在周转罐设有高液位报警，目的是保证在每次进行计量时，周转罐内的原理足够 满足当次配料计量的需求。每次计量完毕周转罐出料阀门关闭的信号发出后延时 一段时间其进料阀门打开的信号，同时打开对应的管道泵使中间罐原料顺【利的得 到补给。 3 3 3 方案的确定 被测介质温度变化引发温度测量元件输出信号的改变，根据热平衡理论，带 有护套的温度测量元件的温度变化规律如公式( 3 3 ) 2 一_ 五( 1 + 口，j 一口， ) ( 3 - 3 ) 式中：t 1 被测介质的温度变化量 t 量元件温度变化量 a 1 温度计的传热常量 a 2 温度计护套的传热常熟 a l 、a 2 分别为温度计、护套的时间常数大约在1 0 秒到2 0 0 秒之间 根据公式( 3 3 ) 可以得到不同时间常数的带有护套的温度计的响应曲线如图 3 4 所示( 曲线1 为时间常数较小的响应曲线) 。 t ， 5 01 0 0 图3 - 4 温度测量元件时间响应曲线 f i g 3 4豇m c 佗s p o n s c r v eo ft h ct c m p c n t l l 他m c a 期r i i 唱e l e m c n t 由图可见这种温度测量元件的响应至少在1 分钟以上，而方案一中的密度计 第3 童液体原料配比控制系统总体设计 算是实时的，这就造成当储料罐周围环境温度剧烈变化造成储料罐内液体温度变 化时，由于温度测量元件的动态响应滞后造成体积配料中密度计算的误差进而影 响整个配料的精度。根据上述原因以及与工艺人员的协商，最终决定采用方案二 的恒温配比方案以提高原料配比的精度。 3 4 过冲量影响配料精度的解决方案 3 4 1 过冲量的产生 在配料生产过程中原料计量结束后向关料阀门发出关阀停止指令，在关阀过 程中和其后一段时间内管道中的原料由于惯性仍会有部分物料落入初混罐中，关 阀信号发出后落入初混罐中的物料称为过冲量或者飞料。 计量控制的一般过程是这样的，例如某种原料的配比任务要求计量3 0 0 0 k g 物 料，那么在计量时如果流量计显示的重量正好是3 0 0 0 k g 物料时，控制系统发出停止 计量的指令，不用考虑信号的传输时间，那么在关闭计量料门过程中和关闭后在空 中的未落下的原料一起都要落到初混罐里面，那肯定就计量多了。所以要在达到配 比任务要求的计量值( 3 0 0 0 k 毫) 以前的某一个质量时( 如在2 9 8 0 k g ) 发出关阀停止计量 指令，这就有可能将以后落下的料一起合计起来的结果更接近配比要求的质量 ( 3 0 0 0 k 曲，那么3 0 0 0 2 9 8 0 = 2 0 ，这个2 0 k g 就是过冲量。这里要说其实就是控制过冲 量才能提高配料的计量精度。 3 4 2 恒流量稳定过冲量值 那么怎么样才能有效的控制过冲量呢，首先希望过冲量在每次计量时是稳定 不变的，这样就会好控制。原料在计量后进入初混罐，由于每次液体的流速不同 造成在关阀过程中无法预知流过阀门的液体体积。即使在关阀过程保持一致的情 况下，落下的物料的体积也是变化的，也就是说每次计量时的落差都不相同，这 样在控制过冲量时控制系统不知道下一次计量情况会是什么样，也就只能靠人为 估算，由于许多不确定的因素存在，这种办法就很难估算准确。这样就造成计量 的不精确，原料在配比时无法达到工艺上要求的精确配比。如果将介质流速控制 在一个稳定的值，则过冲量会基本不变，保持在一个固定的波动范围。 稳定过冲量的方式是将介质的流速控制在一个稳定的值，根据落差计算公式( 3 4 ) 可知在假定阀门关闭时间一定时，落差的大小与被测介质的流速成正比。 m = p 石，- 2 u f( 3 - 4 ) 式中：m 一落差质量； 瑚测介质密度； 卜管道半径： 2 1 河北科技大学硕士学位论文 似测介质流速 t - 阀门关闭所需时间 由公式( 3 4 ) 可以得到稳定落差的办法是保持被测介质流速恒定即采用恒流速稳 定落差法，也就是需要对配料系统的供料速度进行控制。 3 4 - 3减小过冲量提高配料精度 其次我们希望过冲量尽可能的小，最后能使过冲量在一个较小的范围内波 动，也以上面的原料计量为例，如果配比要求是3 0 0 0 公斤，精度要求是0 2 ， 那么计量结果能够在2 9 9 4 3 0 0 6 之间都是合格产品。因此过冲量最好能在正负 6 公斤内变化，那么保证精度就很容易了。解决办法是尽量调整液体流速，关阀 门前流速越小，关阀过程中的过冲量也就越小。但要这种减小液体流速的方法会 延长计量时间以至降低配料的效率。那么在有限的配料时间下，怎样才能尽可能 小的减小过冲量呢? 采用变频调速方案稳定了介质的流速，可以确定每次的原料进料时的过冲量。 采用双速给料控制，可以解决计量精度与计量速度的矛盾关系。将两者结合，完成 变频双速供料控制方案的设计与控制。 减小过冲量的办法还有一点很重要，前面说过了，控制系统发出停止计量指令 后，在关闭阀门的过程中还在物料从管道流下来。想象：如果阀门一接到关阀指令 能立即就关闭，这样过冲量会很小。可事实不是这样，关阀门再快也是要有一定时 间的，无论如何也不能达到象光速一样，这边一发出指令那边立刻就关上。能做的 也只是近可能快速的关闭阀门，以减小关阀过程中的原料下卸。这也就从执行器的 机械特性考虑，在选择阀门是尽量选择关断时间短的阀门。还有就是阀门的关断的 动力来源于压缩空气，将压缩空气的压力加大也会对缩短关阀时间有一定帮助。 3 4 4 过冲量修正 通过实验得到的过冲量估计值可能会由于受到来自生产过程中的随机干扰的影 响而发生变化，所以在实际的生产过程中要对过冲量进行自动的实时的修正。过冲 量的修正原理：首先根据反复试验得到一个过冲量的初始值书w ，然后根据该值计算 出第一批次供料的停止质量即初次预关断质量值，等到完成配料计量后再由配料设 定值w s 与最终配料计量结果w ”( 1 ) 得到偏差m = w s w ”( 1 ) 。 对偏差m 的大小进行判断，以此为依据进行过冲量下一批次的估算。 如果m o ，表示由于预估值w ( 1 ) 估计的过大造成计算的预关断值太小，供料 关断时刻过早，没有达到设定值，下一批次的预估值w ( 2 ) = w ( 1 ) m ； 如果m = o ，说明预估值w ( 1 ) 刚好等于过冲量，保持预关断值不变，下一批次 的预估值w ( 2 ) = w ( 1 ) m ： 2 2 第3 章液体原料配比控制系统总体设计 如果m ，共7 个量化等级，得偏差e 、偏差变化率e c 、控制量u 的赋值表如表5 1 ，5 2 ， 5 3 所示。 表5 1 偏差语言变量e 赋值表 1 i 曲5 l d e v i 越i o f l i n g u i s 此v a r i a b l e sea s s i 扣m e mt a b l e 淤 6- 5432 1 01 23 4 56 n blo 5oo0oooooo0o n m0o 51o 5o o 0 0 o oo0o n soooo 51o 5ooooo o o z eoo o o0o 5lo 5oo00o p soooo0 o 0 0 5 l 0 5ooo p m0o00ooo0oo 5lo 5o p booooo o o o o 0 0 0 51 第5 章配料系统温度控制算法研究 j ? + 、一= 目l _ _ = j = = = _ - e _ _ _ i 目= 目4 目j 自_ _ = = = = = 目= = 2 # = = = l = = = j = = = = = l = ；= = = = = = ；= = i i _ _ 目目= = = 目 自_ _ 目目| ；= = 目l 目一+ 一一 表5 2 偏差变化率语言变量e c 赋值表 t a b 5 - 2e cd 鲥a l i 伽c h 龃g cr 砒eo f 1 i i l g u i s t i cv 鲥a b l ea 黯i 鲫ts t a t 锄e m 裁 - 6- 543210l23 4 56 n blo 500 o00oooooo n moo 5l o 5 000o0oooo n so0o0 51o 5ooo000o z eo o 000o 51o 5oo o o0 p so00o0ooo 51o 5ooo - p moo0oo00o0o 5lo 50 ， p b o0oo0000o0o0 5l 表5 3 控制量语言变量u 赋值表 t 曲5 3c 廿o lm e 面。皿to f1 i n g u 砌cv a r i a b l cu 鹞s i 鲫c n t 劬1 e 裁 - 65432- 1o123456 n bl 0 5 0oo000ooo 0 o n moo 51 o 5oooo o0ooo n s，00oo 51o 5o0ooooo z e0 ooo 0 0 5lo 5 o 一 0oo o p s 0 o oooooo 51o 5ooo p m0ooooooooo 5l0 50 p bo0ooo0o0o0oo 51 在赋值表中语言变量值个数选择为7 个，因为它的个数与编制控制规则有直接 关系。若选择更多的语言变量值，虽然控制规则会变得比较细微，但同时这种变化 会造成控制规则更加复杂，制定起来也就变得更加困难。所以选择语言变量值时既 要兼顾到控制的细致性与灵活性还要考虑到控制的简单、易行的要求。 5 4 2 2 模糊规则和模糊推理 在反应罐温度控制中建立模糊控制规则，即利用语言来对手动控制过程中的控 制策略进行归纳，一般采用“i 轴b e n ”条件语句的形式来描述手动控制策略。但要注 意，一条模糊条件语句只是一种特定情况的一种对策。实际上操作者在实际操作过 程中可能碰到很多种情况，所以，手动控制策略的完整的控制规则一般需要一系列 结构相同、语言值不同的模糊条件语句组成，如i f e - p b 觚de c = p b 也e 1 1 u 琦m 。 4 9 根据反应罐温度控制的实际经验得到的模糊控制规则共计4 9 条，控制规则如下： r 】：i f e l 兰n ba n de c l _ - n b 也e n u 兰n b r 2 ：订e 1 = ：n ba n de c 2 = n mt 1 1 e n u = - n b r 4 8 ：i f e 7 = p ba 工l de c 6 = p m 也e n u = p b r 4 9 ：i fe 7 = p ba n de c 7 = p bt h e n u = p b 利用m a t l a b 软件的模糊工具箱的模糊规则编辑器得到相关的控制规则语句， 如图5 8 所示。由这些模糊控制规则生成的模糊控制规则表，见表5 - 4 。 图5 8 模糊规则编辑器 f 培5 - 8f u z 巧r u l ee d i t o r 表5 4 模糊控制规则表 m 5 4f u z 巧c o n n 0 lr u l et a b l e 惑 n bn mn sz ep sp mp b n bn bn mn mn mn sn sz e n m n mn mn mn sn sz ep s n s n bn s n sn sz ep sp s z en mn sn s z e p s p mp m p sn mn sz ep sp mp mp m p m n mz ep sp sp sp mp b p bz ep sp sp sp m p mp b 由于计算出的每条模糊条件语句的模糊关系m 存在“或 的关系，可以此计算 5 0 第5 章配料系统温度控制算法研究 出整个模糊控制规则的总的模糊关系，即 脚 r = 蜀vr ：v 如= v r f ( 5 2 ) 有了描述整个系统的手动控制策略总的模糊关系r ，在给定模糊控制器的输入 语言偏差变量论域e 和偏差变化率论域e c 后，可根据模糊推理合成规则计算出输出 语言变量论域u ，即 u = ( e e c ) 。r f 5 3 、 5 4 2 3 模糊判决 根据公式( 5 3 ) 求出的模糊控制输出量是模糊量，不能用于控制执行器，需要通 过模糊判决的方法将模糊量转换成精确量。常用到的模糊判决方法有加权平均法、 中位法和最大隶属度法等。本文采用最大隶属度法进行非模糊处理，即选取模糊子 集中隶属度最大的元素作为控制量。按上述规则，可得模糊控制查询表。 表5 5 模糊控制查询表 t a b 。5 5 f u z z yc o n 仃0 】q u 吖t a b l e 、 4 。 f6- 5 4 32l0123456 j - 6- 655- 5 4- 4 - 4- 3- 2221o 5- 655 - 4 4333- 2ilo+ 1 4655 - 4- 4 3- 22210+ l+ 2 35 44 3332 110+ l+ 2+ 2 2 4 43322110+ l+ 1+ 2+ 2 1 - 4 33221o0+ l+ 】+ 2+ 2+ 3 o 4 33 - 2 - 2- 10+ l+ l+ 2+ 3+ 3 “ 1- 3 22- loo+ 1+ l+ 2+ 2+ 3+ 3“ 222- 1100+ l+ 2+ 2+ 3 + 4+ 4 + 5 3 2 - 11oo+ 1+ 2 + 3+ 3“ + 5+ 5 421oo1+ 2+ 3+ 3+ 3+ 4 + 4 + 5“ 5o0+ l+ l+ 2心 3+ 3 + 4“ + 5+ 5粕 6o+ 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4+ 4 上4 十5 一_ 5+ 6“ 值得注意的是，通过模糊判决计算得出的精确量也仅仅是一个档数，不是最终 控制执行器的实际精确量，还要将得到的变量进一步进行尺度变换。变换方法可以 是非线性变换也可以采用线性变换。例如，判决方法计算的档数为z 0 ，z o 的论域为 5 1 河北科技大学硕士学位论文 妣z m a ) 【 ，实际控制量的变化范围是 u m i n ，u m a x ，选择线性变换，得 rrj rr7l7 u = 兰避二h 卫+ k rr ( z n 一刍监二红吐) 2 。 2 ( 5 - 4 ) 式中：k u 为量化因子，u 为控制执行器的实际控制量。 5 4 3 模糊p d 控制器的实现 5 4 3 1 使用s t e p 7 实现模糊控制器设计 。目前，随着工业生产的控制精度要求越来越高以及p l c 在工业控制中的广泛应 用，基于p l c 的模糊控制的研究与应用成为了热点，并在生产应用中取得了一定的 成果。p l c 集成模糊控制的方法有p l c 硬件专用模块控制器、查表法和软件模糊推 理三种。三种方法的区别在于实现模糊推理的方式不同。而现在大多数基于p l c 的 模糊控制器的设计采用查表法实现。模糊控制中的数