（控制理论与控制工程专业论文）工业风干系统的研究与设计.pdf

摘要 摘要 本课题来源于中国一拖集团第二铁厂铸造车间砂芯风干系统的工程项目。课 题主要内容是风干系统中自动传输线的设计和温度控制系统的设计。其中，自动 传输线和温度控制在电气上是相互独立的。在自动传输线的设计中，论文对事件 驱动系统进行了深入的研究，根据事件驱动系统的特征抽象出了一种简易的建模 力涮、：状态转移网。状态转移网的拓扑结构是山状态集和转移集以及它们之间的 有向近线组成。这种简易的网络适合描述那些复杂、并发、异步的系统。文章也 简单讨沦了网络的行为特性和结构特性，比如可达性分析和活性分析。文章第三 章h 体讨论了在传输线中所用的丰要设备的特性和具体使用方法，并给出了基于 状态转移网的自动传输系统的建模与编程实现。温度控制系统分为三部分，燃烧 系统、传热系统和温度控制系统。在温度控制系统中，由于项目要求不能直接加 热工f j | 二，需要问接热风加热来风干。论文在第四章对传热系统进行简单的分析之 后，较为详尽的论述了燃烧系统的基本原理，并仔细研究了温度控制系统的控制 回路的啦计。在文章的最后对整个炉体内部的温度场进行了考察，得出炉体内部 的热 。嘣体处于紊流状态，从而得出炉体内部空间温度场分布均匀的结论。 火键字：事件驱动系统，状态转移网，表面干燥，自动传输线，温度控制 摘要 a b s t r a c t t h i ss u b j e c to r i g i n a t e sf r o mc h i n ay i t u og r o u pc o r p o r a t i o nl i m i t e ds e c o n d i r o n w o r k se n g i n e e r i n gp r o j e c to fs a n dp a t t e r nh o t - a i r d r i e ss y s t e m t h es u b j e c tm a i n l y s t u d i e da u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nl i n ea n dc o n t r o ls y s t e mo ft e m p e r a t u r ei nt h es a n d p a t t e r nh o t - a i r - d r i e ss y s t e m a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nl i n ea n dt h et e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e ma r em u t u a l l yi n d e p e n d e n ta b o u tt h ee l e c t r i c i t y i nt h ew o r ko fd e s i g na u t o m a t i c t r a n s m i s s i o nl i n e ，t h i sp a p e rd o e sl o t so fr e s e a r c ha b o u te v e n t d r i v e ns y s t e m ，a n d a b s t r a c t sa s i m p l em o d e l i n gm e t h o da c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i co fi t s e l f ： c o n d i t i o n - s h i f tn e t w o r k t h et o p o l o g ys t r u c t u r eo fc o n d i t i o n - s h i f tn e t w o r ki s c o m p o s e db yc o n d i t i o ns e ts h i f ts e ta n dd i r e c t e da r c t h i sk i n dn e t w o r ki ss u i t a b l ef o r d e s c r i b i n gt h o s ec o m p l i c a t e d ，c o m p l i c a t e d ，a s y n c h r o n o u ss y s t e m t h ea r t i c l eh a s d i s c u s s e dt h eb e h a v i o rc h a r a c t e r i s t i ca n ds t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co ft h i sn e t w o r k ，s u c h a sr e a c h a b i l i t ya n da c t i v a t i o na n a l y s i sb r i e f l y i nt h et h i r dc h a p t e ra f t e rc a r e f u l l y a n a l y s i sp r o j e c td e m a n d ，p a p e rd i s c u s s e dt h eu s a g eo fm a i ne q u i p m e n t sa n dw h i c h c o n n e c te a c ho t h e r t h i sa r t i c l ea l s oo f f e r e dt h em o d e lo fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n s y s t e ma n dt h er e a l i z a t i o no fp r o g r a m m i n g i nt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ，t h es t o v e t a k e st h ei n d i r e c th o tb l a s tt oh e a ts a n dp a t t e r nb e c a u s ep r o j e c td i s a l l o wh e a tw o r k p i e c ed i r e c t l y t h et e m p e r a t u r eo fs t o v es y s t e md i v i d e si n t ot h r e ep a r t s ：t h e c o m b u s t i o ns y s t e m ，t h eh e a t t r a n s f e rs y s t e ma n dt h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m i n t h el a s tc h a p t e r , p a p e rd i s c u s s e dt h eb a s i cp r i n c i p l eo fh e a te x c h a n g es y s t e ma n d c o m b u s t i o ns y s t e m ，t h e n ，d i s c u s s e dt h e d e s i g no ft h e c o n t r o l l o o po fs y s t e mo f t e m p e r a t u r ei nd e t a i l a f t e ra n a l y z e dt h et e m p e r a t u r ef i e l dw i t h i nt h ew h o l es t o v e b o d ya tt h ee n do ft h ep a p e r , a r t i c l eo b t a i n st h ec o n c l u s i o no ft h eh o tb l a s tf l u i di nt h e s t o v eb o d yt ob ea tt h et u r b u l e n ts t a t e ，s ot h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h es t o v e b o d yi su n i f o r m k e yw o r d s ：e v e n t - d r i v e ns y s t e m ，c o n d i t i o n s h i f tn e t w o r k ，s u r f a c ed r y i n g ，a u t o t r a n s f e rl i n e ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞攫王些盔堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一网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。 学位论文作者签名：桶p 增睹签字日期：? 年月肜曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞注王些去堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：枷角暗 签字日期：国。年) 月赡e ：i 翱签办揪 签字日期：) 以年月哕日 学位论文的主要创新点 一、提出一种事件驱动系统的建模方法：状态转移网 二、将工作流的思想应用于自动传输线 篝一章绪论 1 1 课题背景和意义 第一章绪论 本课题来源于中国一拖集团第二铁厂的工程项目。第二铁厂主要从事铸件的 生产，该项目就是针对其铸造模具的烘干而设计的自动风干系统。 命属铸造模具的材料一般是树脂砂。树脂砂是浸涂了树脂的原砂，主要用于 电子产品，热固塑料制品及橡胶制品的去飞边，清洁模具、敏感元件及镀金零件。 也可用作脱漆剂，粘合剂，增强剂，防水剂，阻燃剂等，广泛应用于建筑装饰业， 交通运输业，广告业，农业，电子电器，铸造业等各种领域。 原砂被制芯机器制造成型后，浸涂上树脂溶液，在干燥温度( 2 0 0 - - 3 0 09 c ) 的要求下烘干一定时间( 3 0 分钟左右) 即可具备较高的机械强度。砂芯烘干后 供铸造生产使用。在项目实施之前，烘干是采用抽屉窑的形式进行，由人工掌握 时间和温度，因此质量和性能很不可靠。 该项目在分析了以前所采用方案的缺点后，采用循环式自动传输线来进行物 料传递。托盘载着砂芯在辊道上缓慢运行，传输线很长，砂芯从一端运行到另一 端后即可满足烘干时间的要求。传输线循环生产，有自动空盘回盘功能。温度控 制系统采用智能温度控制仪表来控制。炉体内部设有若干风嘴，经过换热器的热 风从炉体内部的风嘴吹向砂芯。热风以很高的速度吹向砂芯，使炉体内部热风流 体呈紊流状态，从而保证了炉体内部温度的分布的均匀。在电气上，传输线运行 和温度控制是相互独立的。本文的研究不涉及风干系统的热能部分和机械设计， 主要研究传输线的设计和温度控制。 这种表面风干系统在工程上又经常叫表千炉。表干炉是一种重要的重工业基 础设施，所有的重工业工厂都有若干个表干炉。本文所研究的风干系统采用p l c 和智能仪表控制，这对厂方提高经济和社会效益，稳定和改善质量、提高生产、 提高企业竞争力等都有着重要的意义；同时，该课题又能为柔性制造，工业工作 流管理、事件驱动系统建模、大延迟系统、非线性系统、智能控制等方面提供研 究和实践的课题。 1 2 本文主要内容 第一章：对课题来源的项目背景进行简要介绍。 第一章结论 第二章：本章是传输线设计的理论基础，主要分析了离散事件驱动系统的建 模方法和柔性设计，并给出了一个简单的离散事件驱动系统建模工具：状态转移 网。 第三章：具体分析了自动传输线的运行方式，并应用状态转移网建立了自动 传输线的数学模型，最后给出了传输线的编程实现。 第四章：本章是关于热工测控部分，具体分析了热工的几个系统：传热系统、 燃烧系统、测控系统。最后分析了温度场的均恒性。 2 第二章离散事件驱动系统理论研究 第二章离散事件驱动系统理论研究 2 1 离散事件动态系统 2 1 1 系统及系统建模 关于“系统”的概念，众说纷纭，很难给出一个统一的定义。但是从下面这 三个具有代表性的定义中我们可以看出一些共同点： “系统是一个由单元构成的集合，这些单元共同作用，以实现任何一个单独 的部分都无法实现的功能。”( 国际电工协会电气与电子术语标准词典) “系统是由单元构成的一个聚合或者集合，这些单元通过自然方式或者人为 地组合，以形成一个复杂的整体。”( a m e r i c a n a 百科全书) “系统是一个由单元构成的群体，这些单元有序地相互作用或者依存，以形 成一个统一的整体。”( w e b s t e r 词典) 上述定义各异，但是其中要表达的关键两点是相同的。一是系统由相互作用 的单元构成；二是任何系统都有特定的目的。例如，一般的工业制造系统由各个 部分( 如流水线上的各个组成部分) 组成，这些设备、流程及调度方案等相互依 存，以实现特定的产品或者提供特定的服务。 为了设计、测试和应用系统的特性，必须建立系统的模型，以定量的描述系 统。为此，首先要定义系统的可测变量，比如一个简单振荡电路中的电压与电流， 或者一个弹簧构成的谐振系统的质点的位移与速度。 对于一般的人为设计的系统，总可以简单的区分其输入和输出。对于可以测 量的变量，其输入可以用数学描述为： u 1 ( t ) ，”p ( t ) ) 系统的输入可以视为系统的激励，当系统有激励时，有些变量随之变化，并 可以被直接测量或者间接测量，则称这些变量构成的系统为输出变量： y l ( t ) ，y m ( t ) 1 为简便起见，用列向量1 1 ( t ) 与y ( t ) 分别表示输入和输出变量，即 u ( t ) = i u l ( t ) ，u p ( t ) 】t y ( t ) = 【y l ( t ) ，y 。( t ) 】1 假设系统的输入和输出之间存在一定的关系，那么系统建模正是采用一定的 方法来描述这一关系。一般地，从数学上这一关系可以表示为 第二章离散事件驱动系统理论研究 y 1 ( t ) = g l ( u l ( t ) ，”p ( t ) ) y m ( t ) 2 9 m ( u l ( t ) ，“p ( t ) ) 系统往往是真实存在的事物，比如一个电路、一辆汽车、一台机床、或者一 个人体，而模型则是抽象的，当用数学方法描述系统时系统的模型为一组数学方 程。一般来说，模型仅仅是对实际系统特性的近似。然而，当确认已经获得了系 统好的模型或者模型对于实际系统的近似程度已经满足要求的时候，二者之间的 区别往往可以忽略。 粗略的说，系统在某一时刻的状态描述着系统在该时刻的性能。从系统的角 度，状态的概念具有更精确的意义，它是许多系统建模与分析的基础。 定义2 1系统在某一时刻t o 的状态是在系统输入u ( 1 ) ( t t o ) 已知的条件 下，唯一确定所有t t 0 时系统输出y ( t ) 所需要的系统信息n 系统的状念也用一组向量x ( i ) 表示，称其为状态向量： x ( t ) = 【x 1 ( t ) ，x n ( t ) 】7 定义2 2 给定系统某一状态x ( t 0 ) 以及系统输入u ( t o ) ，用于确定t ，t o 时系统状态x ( t ) 的方程称为系统的状态方程【1 】。 上面考虑的状态变量均为实数。实数状态变量对于连续系统的建模是方便 的。但是系统并不仅仅局限于连续的，很多系统是离散系统，它们对应的状态变 量为整数，或者如 开、关) 、 冷、暖、热) 以及 红、绿、黄，等等。 根据状态变量的类型，可以将系统分为连续状态系统与离散状态系统。在连 续状态系统，状念空间x 是由n 维实数向量构成的连续集。在离散状态模型中， 状态空间为离散集。由于状态变量只能在离散的时间点上从一个离散状态跳跃到 另一个值，其状态轨迹是分段常数函数。离散系统的动态特性很容易观察。这是 由于状态转移的机理通常采用简单的逻辑表达式的方式，例如，设当前状态为x ， 若某些特别的事情发生导致下个状态x + 。然而，对于连续系统，其状态方程可 以归结为微分方程。对于离散系统，用数学方法正规的描述和求解离散状态方程 是极其复杂的。比如对于一个简单的货运中转站，u 。定义为有货物送入中转站， u 2 被定义为有货物送出中转站，用x ( t ) 表示站内货物的状态。但是，由于这是 一个离散系统，没法定义状态变量x ( t ) 的导函数算( t ) 。只能用t + 表示正好在 t 时刻以后的瞬间。按照这种定义，中转站的离散状态系统方程： 卜o ) + 1 ，若u ，o ) ；1 ，u ：0 ) = 0 x ( t 十) = 扛( f ) - 1 ，若u ，0 ) = o ，u ：( f ) 一1 【x o ) 可以看出，这种方程虽然可以捕捉中转站货存的动态特性，但是它在数学上 4 第二章离散事件驱动系统理论研究 是不严格的。由于输入函数u 1 ( t ) 与u 2 ( t ) 的非正规性，导致瞬间状态转移出 现了一个很别扭的t + 符号。这种描述方法非常的繁琐，原因是在大多数时问上没 有感兴趣的状态发生变化。只有在为数不多的时间点上，“货物入站”与“货物 出站”发生，从而导致状态的变化。 在实际的系统中，虽然系统运行是时问连续的，但是，我们只关一f l , 在离散瞬 间系统的输入与输出变量，从而引入了离散时间系统。之所以研究离散时间系统， 原因在于： ( 1 ) 作为系统的一个单元的数字计算机都是基于离散时间模式工作的，它 内置离散时钟。计算机所辨认或者控制的变量都只能在与由时钟频率确定的时间 间隔成倍数关系的时刻取值。 ( 2 ) 许多令人感兴趣的连续时间系统模型的微分方程只能用计算机得到数 值解。这一由计算机产生的解实际上是连续时间函数的离散化。如果最终得到的 解只能通过计算机获得数值解，那么从一开始就采用离散时间模型是更为合理 的。 ( 3 ) 得益于数字计算机技术的发展，基于离散时间模型的数字控制技术具 有高度灵活和快速及成本低的优点。 在离散时间模型中，时间轴为一个由时间点t o z t l m ，+ ，若m ，+ = m 。，则答案是肯定的；若 m ，+ m ，在答案是否定的。第二个问题可以描述为：给定m o 与m ，寻找s ，使 得m o s ， m ，成立。其中s r 可能不是唯一的，通常都在一定的准则下选取优化的 第二章离散事件驱动系统理论研究 2 4 2s n 网的活性 定义2 1 2 对于个转移t t ，在任一标识m r 下，若存在某一转移序列 s ，该转移序列的激发使得此转移t 使能，则称该转移是活的。若一个s n 的所 有转移都是活的，则该s n 是活的。 死转移与从反面描述s n 的活性。若存在m e r ，不存在从m 丌始的转移序 列，该序列的激发使得t 使能，则转移t 为死转移。若存在m r ，在此m 下无 任何转移使能，则称s n 包含一死锁，该标识为死标识。 在资源共享系统中，下列4 个情况可能同时满足，从而导致死锁： ( 1 ) 互斥：一个资源不可以为2 个以上过程同时使用，一个过程排斥其它 过程对于该资源的占用。 ( 2 ) 占用且等待：一个过程已被许可占用某一或某些资源，同时又在请求 占用其它资源。 ( 3 ) 无抢占：已分配给某一过程的资源不能从该过程中抢走，除非该过程 使用该资源完毕后释放。 ( 4 ) 循环等待：2 个或更多过程排成一个链，链上每一过程都在等待一个 正在被链上的下一个过程占用的资源。 s n 活性意味着在任意从初始标识m o 可达的标识m 下，总可以通过逐步激 发某转移序列来激发任意转移。因此，若s n 是活的，则其不存在死锁。 2 4 3s n 网性能的数学分析 在s n 中，弧描述状态与转移之间的关系，它可以用0 与i 的差o - i ，关 联矩阵c 来描述。若用m + k 表示第k 次运行( j 【0 ) 后s n 的标识( 一次运行 就会激发一个转移序列，它可能包括若干转移的激发，一个转移可能在一次运行 中激发多次) ，则第k + 1 次运行后s n 的标识为 m + k + l = m 。k + cx k ，k 0 这里x k 是一个激发数向量，其第i 个元素表示在第k + 1 次运行中转移t i 激 发了的次数。上式称为s n 的状态方程。 状态方程m k = m + cx k 为部分解决可达性i 1 题提供了依据。若m + k 从m 可达，则方程c x k = m k - - m 必然存在一个非负整数解x ，该解即为引发数向 量。若无这样的解，m + k 就不能从m 到达。如图2 3 。 1 4 第= 章离散事件驱动系统理论研究 p 2 图2 3 可达性分析例图 m o = ，c = o00 120 111 011 启动序列o = t 3 、t 2 、t 3 、t 2 、t l 即x = 【l22 】t ，由式 m + 1u * k + cx k 得新标识： m ；+ o 00 120 111 011 1 2 2 唯 考察标识【18 01 】7 ，它是否可从标识m o 到达。状态方程 = + 0 1 1 0 o 2 l 一1 0 0 1 1 x 有解x = 【0 4 5 】t ，它对应于启动序列o = t 3 、t 3 、t 3 、t 2 、t 2 、t 3 、t 3 、t 2 、t 2 。 实际上对于引发数向量x = 【o45 】t ，对应很多启动序列，这里仅取其中一个来说 明。 而对于标识f 190 1 】t ，状态方程 + o00 12 o 一111 o 一11 无解。所以标识【1901 】7 为不可达标识。 1 5 x 第三重传输系统的柔性设计 第三章传输系统的柔性设计 3 1 传输系统工艺概述 一拖第二铁广主要从事铸造生产，其模具触干系统的工件传输示意图如图3 1 、3 2 所示。 l j i3 1 传输系统的前、r 部分 圈3 2 传输系统的后、h 部分 由于传输线比较长( 4 0 r e ) ，整个传输线的示意图无法在同一个图中显示， 所以分前、后两部分表示。传输线的主要部件为：液压升降台( 两个) 、托盘、 辊道、接近开关、链条、电机、电磁离合器、气动阻挡器、钢架结构。 传输线的上半部分穿过炉体，图中红色的辊道为炉内辊道，灰色表示辊道在 炉体外部。下层辊道用来快速回盘，前后两个升降台来完成托盘的上f 层转运。 系统运行流程为： 时升降台值丁下位，等待空盘回盘，当有空盘到来时升降台上升，等待 放料( 机械手往空盘上放砂芯) ，砂芯放置完成后升降台负责把托盘送 至进料口的缓冲区，然后升降台下降到下位，等待下个空托盘的到来。 至进料口的缓冲区，然后升降台下降到下位，等待下个空托盘的到来。 第三章传输系统的柔性设计 进口缓冲区的辊道在电磁离合器的配合下有两种速度，当与升降台辊道 同步时是快速运行，当于炉内辊道同步的时候是慢速运行。缓冲区快速 运行等待送盘，当托盘将要离开缓冲区准备迸炉内时，缓冲区慢速和炉 内辊道同步以完成送盘。当托盘完全离开缓冲区时，缓冲区又和升降台 同步快速运行等待送盘。 炉内辊道一直以恒定速度运行( 可以设定，一旦设好在一个烘干周期内 不再更改) 来维持固定的烘干时间，对烘干时间的调节( 速度的调节) 在下文中有详细的讨论。 出口缓冲区的功能和运行方式与进口缓冲区的功能类似。 后升降台在空闲时位于上位，等待托盘出料。当烘干后的砂芯被取走后， 升降台下降，然后与下层辊道同步快速运行来把空盘送回。送盘完成后 升降台回到上方，等待下个托盘的到来。 为了增加系统的灵活性，下层辊道分为四段。比如，当进口升降台忙时， 而下层辊道的最前端已经有空盘来到，等待升降台的服务。如果下层只 有一段辊道，则由于进口空盘的堵塞( 等待) ，后面所有的空盘都不能 运行。当下层分开时，如果出现前端堵塞，后面的可以继续回盘，增加 了系统传递的灵活性。 当空盘回到升降台上时，如果升降台位于下位，则升降台和下层辊道同 步回盘。完成一个循环。 传输线在电气上和温度控制部分是独立的，现场设有必要的指示灯和急停按 钮。系统运行的逻辑全部由p l c 来完成，其点数为1 1 0 点。 3 2 传输系统的硬件结构与设计 3 2 1p l c 通过对系统控制对象和控制任务进行分析和统计，确定系统需要如下不同性 质的i 0 点【7 】： 1 个模拟量输入 1 个模拟量输出 5 5 个开关量输入 4 0 个继电器输出 根据上述控制任务的分析，本系统选用s i e m e n s 的模块化小型p l c 系列 s 7 2 0 0 ，它能够满足中等性能要求的应用，应用领域相当广泛。其模块化、无 风扇结构、易于实现分布易于用户掌握等特点使得s 7 - - 2 0 0 成为中小规模系统既 1 7 第三章传输系统的柔性设计 方便又经济的方案。$ 7 - - 2 0 0 系列所具有的多种性能递增的c p u 和丰富的且带 有许多功能强大的f o 扩展模块，使得用户完全可以根据实际应用来选择。当任 务发生变化，可以随时增加扩展模块来对p l c 进行扩展。s i m a t i c $ 7 - - 2 0 0 所 具备的高电磁兼容性和抗振动、抗冲击性，更使其能够适应复杂严酷的工业环境。 此外$ 7 - - 2 0 0 系列的p l c 还具有模块点数密度高、结构紧凑、性价比高、拆卸 方便等优点。 图3 3p l c 主模块e m 2 2 6 根据系统任务需求，配置了如下模块： c p u 模块，e m 2 2 6 ，2 4 1 6 继电器输入输出。 2 个数字扩展模块e m 2 2 3 ，1 6 1 6 继电器输入输出 1 个模拟量扩展模块e m 2 3 5 ，4 输入，1 输出； 受到篇幅的限制，下面仅对前端升降台所对应的p l c 点数进行列举。( 由于 输出的简写字母o 与数字0 易于混淆，在s i m a t i c 的监控编程软件s t c p 一7 中用q 来代替o ，表示系统输出。本文继承这一做法。) 输出点数分配： 升降台上升 q 0 0 升降台下降q 0 1 升降台进料q 0 2 升降台回盘q 0 3 通知机械手放料q 5 3 输入点数分配： 自动1 4 o 手动1 4 1 急停 1 5 0 机械手装料完成 1 4 2 1 8 第三章传输系统的柔性设计 升降台到上位 1 5 1 升降台到下位 1 5 2 升降台回盘1 5 3 升降台进料 1 5 4 手动放行1 6 6 机械手放行1 6 7 根捌项目的技术协议，客户要求在控制柜上能直接调节烘干时间，假设烘干 叫m 为k ，炉体长度s 1 是+ 定的，则烘干时间 t 。一鱼：k 鱼 6 vf ，叫，v 表示辊道( 托盘) 运行速度，k 为比例常数，f 为辊道动力电机的 频；礼5 a 然，当直接线性调节变频器的控制电压( 或者电流) 来调节频率时，无 法实现宥：户要求。为此，我们采用一种奇特的做法来实现这一需求： 图3 4 时间调：铃器与变频器的连接图 j 。手动操作器比较不常用且价格昂贵，我们用通用的a i 控制仪表( 与后 丈。 ，的溢度控制仪表同属一个系列) 来代替手操器。实际上要实现直接的时间调 节只： j 要开环的一个调节器。宇光a i 系列控制仪表属于高级的人工智能型控制 仪嵌，1 、能开环使用，不能随便设置p i d 参数。为了实现开环输出，把触仪表 f i , j 4 | i t5 f 接又反馈给仪表本身，设置控制参数如下： c t r l = 1 ：采用a 1 人工智能调节p i d 调节 m 5 = 一o ：关闭仪表的积分作用 c t l = 0 5 ：输出周期为0 5 s f 一0 ：使滞后时间为0 ，小于输出周期，取消仪表微分功能 p 一1 0 ：速率参数 此时，仪表只相当于一个比例调节器。调节器的输出信号与设定成正比。输 出的0 - - 5 v 信号经过p l c 处理后变成与设定成反比的控制信号施加给变频器。 举l j o i ；解决了设定时间信号与频率成反比的问题。 第三章传输系统的柔性设计 3 2 2 变频器 本系统两处用到变频器，一是升降台上面的辊道，当空托盘回盘时，由于是 快速回盘，且升降台只留出一个工位，缓冲空间很少。当托盘到达合适的位置时， 靠惯性来使托盘自然停下非常困难，而且托盘重量大约为1 5 0 k g ，因此需要控制 升降台辊道的运行速度。二是对于炉内辊道，需要连续调节其烘干时闻时机械的 减速器已经不能满足要求，因此对炉内辊道的动力电机采用变频凋速。对于这两 处变频器的控制方式都采用开环方式。变频器选用小功率三菱f r - - 5 0 0 系列f r 一$ 5 4 0 3 7 k c h ( r ) 型。接线圈如3 5 所示： o 圭固醛鲻子。控翱回踌输入端子控制拦龉继逮女驾子 图3 5 变频器f r - - $ 5 4 0 接线图 出 缡出 ) 对于升降台辊道的变频器，由于只是减少缓冲避免托盘直接碰撞升降台的挡 板，采用多段速度运行模式。通过多段速度选择端子r e x 、r h 、r m 、r l - - s d 之问的短路组合，外部指令正转启动信号最大能够1 5 段速度运行。当外部指令 反转时，最大可选择7 速运行。通过启动信号端子s t f - - s d 之问短路可实现下 图所示的多段速运行。用操作面板或者参数单元可设定。多段速度选择的接线图 第三章传输系统的柔性设计 如图3 6 所示： 图3 6f r - - s 5 4 0 多段速运行接线图 对于需要连续调节速度的炉内辊道变频器，采用外部电流控制模式。当需要 对速度温度等进行一定的控制时，把调节器的输出4 - - 2 0 m a 信号输入到端子4 5 之间可实现自动运行。用d c4 - - 2 0 m a 信号运行时，必须把a u 信号短路。 划盎线图如3 7 所示： 自 d c 3 2 3 接近开关 图3 7f r - - s 5 4 0 外部电流控制模式接线图 在各类开关中，有一种对接近它物件有“感知”能力的元件位移传感器。 利用位移传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的，这就是接近 开关a 当有物体移向接近丌关，并接近到一定距离时，位移传感器才有r 感知”， 开关才会动作。通常把这个距离叫“检出距离”。不同的接近开关检出距离也不 第三章传输系统的柔性设计 同。有时被检测验物体是按一定的时间间隔，一个接一个地移向接近丌关，又一 个一个地离丌，这样不断地重复。 因为位移传感器可以根据不同的原理和不同的方法做成，而不同的位移传感 器对物体的“感知”方法也不同，工业上常用的接近开关有电感式和电容式接近 开关。电感式接近开关是利用导电物体在接近这个能产生电磁场接近开关时，使 物体内部产生涡流。这个涡流反作用到接近丌关，使开关内部电路参数发生变化， 由此识别出有无导电物体移近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测 的物体必须是导电体。电容式接近开关的测量通常是构成电容器的一个极板，而 另一个极板是开关的外壳。这个外壳在测量过程中通常是接地或与设备的机壳相 连接。当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体，由于它的接近，总要使电 容的介电常数发生变化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态 也随之发生变化，由此便可控制开关的接通或断开。这种接近丌关检测的对象， 不限于导体，可以绝缘的液体或粉状物等。 根据系统的需求和物理结构，本系统采用电感式j b f k 2 l 型二位接近开关。 接近开关安装在炉体钢架的合适的位置上，比如需要判断是否有盘到来的位置上 和需要进行状态检测的位置上。接近开关就是整个传输系统的“眼睛”，为了对 维护系统有序、正确、安全的完成工件传输任务，在整个系统中共安装了2 0 只 这样的“眼睛”。是这些眼睛告诉整个系统的“大脑”p l c ，系统现在处于什么 状态，由“大脑”进行分析，然后统一指挥和调度。 f 0 表示 3 3 图3 8 接近开关的位置分布局部图 ；蔓 t _ | ； ； m “ l 收到页面大小的限制，图3 8 是截取电气施工图的一部分，图中，符号“t ” 接近开关。k 1 、k 0 、k 2 等是接近开关的名字。 系统分析与系统建模 i 一擐 ，_ 藏。 ：； -。：。爹 强；：| | 蕊 | | 基一 窭 ， 譬嚣一 i擎竺 譬。i竺鍪一一 熬t 。叠 一 0 、 | | 嚣篡_ _ | | 第三章传输系统的柔性设计 3 3 1 系统运行分析 整个传输系统中最有代表性和最复杂的就是进料口升降台，对于系统其它部 分的运彳亍机制都要简单许多而且分析方法类似，因此本节仅对进口升降台的运行 进行分析和建模。 图3 9 升降台原理图 如图3 9 所示，升降台有两个动力源，一个是负责升降的液压动力，一个 是升降台辊道证反转动的辊道电机。升降台的作用就是负责把空盘从下层辊道送 到上层辊道，等待装料，然后把工件送进炉体。 升降台状态信息集：升降台命令集： 升降台有盘 去下方 无盘去上方 右有盘回盘 在上方 进料 在下方定位装置夹紧 前面阻挡 机械手放行 人工放行 请求放料 “在上方”的上升沿 “右有盘”的下降沿 下面对上述部分信息集和命令集的含义进行解释： 右有盘：当托盘一半在升降台山一半尚在过渡辊道时的状态； 前面阻挡：当升降台准备送料时，前面辊道尚有托盘存在； 机械手放行：机械手装料完成，下达放行指令； “在上方”的上升沿：升降台刚从下方运行到上方( 而不是本束就在上方) ； “右有盘”的下降沿：托盘剐从下层辊道回盘( 而不是本来就一半在) ： 定位装置夹紧：机械手放料时要求放料托盘位置不能变化，夹紧装置来固定 托盘位置。 第三章传输系统的柔性设计 3 3 2 系统的s n ( 状态一转移) 网模型 传输系统运行实际上是以工作流的形式在运行，工作流技术起源于7 0 年代 术8 0 年代初的办公自动化运动。但是随着计算机技术、网络技术、通信技术的 迅速发展和成熟，人们越来越意识到工作流管理是一种能够有效控制和协调复杂 活动的执行，实现人与应用软件之间交互的信息技术手段。因此工作流管理技术 的应用范围不断拓展，目前已经成功运用于工业制造、自动传输线、医院、银行 等多种行业。工作流利用“流”的概念将以往企业中独立分散的企业业务流程互 相联系，从而极大的提高了过程管理的效率，实现并行工程、敏捷制造等先进工 业管理理念。 为了描述工作流，必须提出一种模式或者模型对工作流进行抽象和表示。 1 9 9 3 年8 月成立了工作流管理联盟( w o r k f l o wm a n a g e m e n tc o a l i t i o n ) 。工作流管 理联盟是致力于工作流技术标准化的国际组织，它提出了有关工作流管理系统的 一些规范，定义了工作流管理系统的结构及其应用编程接口，从而实现了工作流 技术的标准化和开放性。w f m c 提出一个工作流模型必须要实现的六种工作流 原语。这六种原语用s n 网可以描述如下： 或琏豫 礅” 淝羌拳 图3 1 0t 作流原语的s l q 网表示 根据3 3 1 小节对升降台的运行分析，升降台的运行过程可以用基于s n 网 的工作流描述如下： 图3 1 1 中状态集s = s l 、s 2 、s 3 、s 4 、s 5 、s 6 、s 7 、s 8 、s 9 、s 1 0 、s 1 1 ， 的含义如下： s 1 ：升降台位于下方 s 2 ；升降台快速回盘 s 3 ：升降台慢速回盘 s 4 ：升降台上升 s 5 ；升降台位于上方 s 6 ：升降台进料 第三章传输系统的柔性设计 s 7 ：升降台无盘 s 8 ：升降台下降 s 9 ：升降台右半边有盘 s 1 0 ：升降台有盘 s l l ：升降台| 方无阻挡 图3 1 1 基于s n 网的升降台运行的_ 1 ：作流模型 图3 1 0 中转移集t = t 1 、t 2 、t 3 、t 4 、t 5 、t 6 、t 7 ，的含义如下： t i ：升降台位于下方，无盘时保持快速回盘运动 t 2 ：升降台右半侧有盘时，慢速回盘以避免撞击 t 3 ：升降台有盘时上升 t 4 ：升降台到上方 t 5 ：前方无阻挡时则进料 t 6 ：进料完成升降台变成无盘状态 t 7 ：升降台无盘时，开始下降 t 8 ：升降台到达下方 由图3 1 1 所描述的升降台的工作流图可以看出，在外层的大回路上，升降 台从一个状态转移到下一个状态，而内层的分支则是外界调节的变化对升降台的 刺激，决定着升降台是否转到下一个状态，下一节具体分析系统的编程实现。 3 4 系统的编程实现 态。 系统程序分为3 个独立的部分( 子程序) ：手动状态、自动状态、非正常状 第三章传输系统的柔性设计 图3 1 2 系统程序箍体结构 本节重点讨论自动运行状态时的程序。程序按照图3 1 1 的规则运行，编程 只不过是把图3 1 1 的状态转移逻辑用p t , c 编程语言重新实现一下。由于本系 统绝大部分都是位逻辑判断，所以采用通常的梯形图语言来编程1 6 l 【7 】： i 匝墨亟亚匦厦委= = 二= = 二二二= = 二王= = 王三二二二= 二二二习 i n e t w m k1n e t w o & t i ! l e l 圈匦殛噩噩匿= = = 三三二= 王互互蚕薹互蚕霾= = = = = = = 互习 l 1 0o1 0 11 0 3i 0 1 h ，卜一，卜一，卜一) l i n e t w m k2 i 匿墨受震匝翌蟹盈壅噩二二= 二三王显要要兰显互二二二二二二二l i 吼3 1 001 0 1q 03 h 卜一，卜一，卜叫) - i n e t w o r k3 i 匝匝曩塑垂盔壅匿匿二二二三王薹要要三二二= 至王二二二二二二二= i l d o 1 0 11 0 2 q 0 1 h 卜一卜一，卜一) i ih e t w 。i k4 l 匿题亟妥巫匪塑霆西墅噩銎 王王要薹薹二兰至王二= 二= = 二互习 l 1 0 2 q 53 h 卜一r 卜叫) 第三章传输系统的柔性设计 第四章热工测量与控制 第四章热工测量与控制 4 1 砂芯烘干工艺描述 系统在电气上分为两个独立的部分：温度控制部分和工件传送部分。本章针 对温度控制部分展开探讨。 铸造模具原料一般采用树脂砂或者粘土砂。树脂砂芯表面干燥工艺与粘土砂 干燥工艺有所不同。粘土砂芯含水量比较高，一般为4 7 ，为提高铸件质量， 需要对整体砂芯进行干燥，其干燥深度较大，温度也较高，一般为3 5 04 5 0 度 左右。干燥时间较长，大约6 小时以上。而树脂砂芯本身含水量较低( o 2 o 3 ) ，对铸件质量影响不大，也就是说，采用水基涂料表干工艺所需要干燥的主 要是砂芯表面水基涂料渗入的水分；同时，由于树脂砂1 ：艺的限制，干燥温度一 般不超过3 0 0 度，在这种较低温度限制的情况下，只有提高风速彳能增大换热系 数，提高换热效率。 该项目所设计研究的风干系统，用于柴油机缸体砂芯组合后整体浸涂水基材 料后的表面干燥。考虑砂芯组合后的复杂性和干燥特点，需采用强制热风对流换 热的原理。炉内气流组织合理，保证足够的循环风量和风速，使得炉内热风呈紊 流状态，砂芯受热均匀，提高换热效率，达到最佳干燥效果。 砂芯的表面干燥过程可简单的划分成三个阶段：( 1 ) 砂芯表面水分受热后蒸 发汽化( 2 ) 表层蒸汽通过紊流状态的热风快速向四周扩散( 3 ) 在扩散动力作用 下砂芯内部的水分向表层迁移。因树脂砂工艺的限制，热风温度一般不超过3 0 0 度，在此种条件下，只有提高循环风速才，加快砂芯表面升温和加快水分蒸发和 砂芯内部的水分迁移速度。并通过炉内呈现紊流状态的热风快速将蒸汽带走从而 缩短干燥时间，提高烘干效率。 4 2 热工系统物理结构 热工系统在结构上分为三部分，传热系统，燃烧系统和温度控制系统，下面 分别对这三部分逐一介绍，图4 1 是热工系统物理结构的示意图( 不包括控制 系统) 。 第四章热工测置与控制 4 2 1 传热系统 图4 1 热1 ：系统的组成结构 传热，即热交换或者热传递，是工业生产中的一种最普遍的传递过程。热力 学第二定律指出，只要有温差存在，热量总是自发的从高温物体转移向低温物体。 由于温差是普遍存在的，所以传热也是普遍存在于自然环境中和工业生产中。在 传统工业生产中，几乎所有的生产过程都涉及换热设备，有近3 0 - - 4 0 的设备 是换热器。传热理论主要研究两方面的内容，一是研究增强或者削弱传热的技术 以满足各种换热设备的需要；二是确定温度分布和控制所需要的温度以满足生产 工艺的需要。传热有三种基本方式，这三种方式对应三种不同的物理过程。 ( 一) 热传导【4 】1 3 】 不同温度的物体相互接触时热量会由高温物体传递到低温物体，这种热量传 递过程称为传热。固体或者壁面存在温度梯度发生的传热是最典