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DZ229
蒸馏水
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DZ229多效蒸馏水机控制系统的研究与实现,DZ229,蒸馏水,控制系统,研究,实现
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长春工业大学 第一章 绪论1.1 蒸馏水机现状随着我国医药行业的迅猛发展，其对基础生产设备-蒸馏水机的需求也在不断的扩大，传统的蒸馏水机完全靠手动操作，不仅工作人员工作环境差，而且调节精度不高，很难实现实时在线监控。当生产完毕采样检测产品质量时，若出现问题只能废掉，造成极大浪费，因而许多医药企业提出对蒸馏水机进行无人看管，由中央控制室遥控操作进行在线产品质量检测。目前，国外医药生产企业所使用的蒸馏水机大都实现了中央控制室控制在线产品质量监测，但国外产品价格昂贵，使国内医药企业望而却步。研制出一种高效多功能全自动的蒸馏水机将是医药生产行业保证产品质量的前提条件。就医药行业而言，保证其基本原料蒸馏水产品的质量，对人们的身体健康乃至生命至关重要，其社会效益不言而喻。 目前，蒸馏水机市场形成手动继电器，半自动控制和PLC半自动控制三大系列，国内许多制药设备生产企业的蒸馏水机多为手动操作和半自动控制方式。我们认为时至今日尚未实现全自动控制的主要原因有二：一是蒸馏水机的热交换回路与冷却水回路、纯气输出回路、质量保证回路耦合紧密且许多项呈非线形，其数学模型含有不确定项，因而难以建立精确的数学模型，故许多经典的控制算法无法使用。许多科研单位目前正在就此对象的模式识别方面进行研究。其二是实现蒸馏水的质量检测需要许多分析仪器并且价格较高，而且前应用的离线采样检测分析方法当发现问题时却为时已晚，造成大量浪费。因而研制出一种低成本又能适用于在线产品质量检测的分析仪器成为当前研究的另一方面。 就国外而言，蒸馏水机全自动测控系统已基本成熟，其控制方面采用模糊控制，因而基本不依赖于精确的系统建模，但成本较高，对于还在发展中的我国医药行业难以承受。而蒸馏水做为医药行业的基本原料保证其质量的意义不言而喻，故研制适于我国国情且有自主知识产权的全自动蒸馏水机控制系统势在必行。 1.2 控制技术在蒸馏水机中的应用 蒸馏水机的数学模型较为复杂，其热交换回路中主蒸汽压力、温度与原料水的压力、温度、流量之间耦合紧密，且呈非线形关系。另外纯气输出回路和冷却水回路都是热交换回路的强烈干扰源，难以建立精确的数学模型，研究设计出一种不依赖精确的数学模型有适合于耦合紧密的非线形系统的控制方法是本项目的技术关键。 在一个工业过程中，往往有两个以上的被控制变量，也需要由两个以上的操纵变量构成多变量控制系统，在多变量控制系统的设计中就不止一种可能的控制方案，因此，选定最合适的控制方案是解决问题的关键。所谓控制方案的设计就是在所有可能的测量变量即输出变量中应用哪些操纵变量来构成多回路控制。计算机作为控制工具进入控制系统使得许多性能更好的系统得以实现，对化工过程也是如此。在化工过程中使用计算机进行控制，一方面能实现人们对程控的要求，另一方面能发挥计算机快速计算的特点来实现一些较为复杂的控制以达到更好的控制效果。本设计的主要技术参数：1、 蒸馏水机产量：02000Kg/h;2、 主蒸汽压力：00.6Mpa 测量误差0.013、 入口导电率：020s/cm 误差0.01s/cm4、 出口电导率：010s/cm 误差0.05s/cm5、 IIV效、主蒸汽及储罐温度：0200误差0.056、 I效水位：020cm 误差0.1cm7、 储罐液位：06m随着我过的医药事业的迅猛发展，其对基础生产设备蒸馏水机的需求也在不断扩大。目前，国内许多制药设备生产企业的蒸馏水机多为手动操作和半自动控制方式，国外产品又价格昂贵，使国内医药企业望而却步，因而适时研制出一种全自动蒸馏水机控制系统具有十分重要的意义。第二章 方案论证本设计由于蒸馏水机的数学模型较为复杂，其热交换回路中主蒸汽压力、温度与原料水的压力、温度、流量之间耦合紧密，且呈非线形关系。另外纯气输出回路和冷却水回路都是热交换回路的强烈干扰源，难以建立精确的数学模型，研究设计出一种不依赖精确的数学模型的非线形系统的控制方法是本项目的技术关键。图2.1就是蒸馏水循环系统的框图。 图2.1 蒸馏水循环系统所以在整体回路设计中，我选择的专家控制系统。常规控制理论的发展为控制系统设计提供了许多方法，但是它们都建立在被控对象精确的数学模型基础之上，这对许多许多工程实际问题而言无疑是个难以满足的要求，因为实际的受控对象往往是复杂、具有非线性和不确定性的，建立其精确的数学模型是非常困难或是不可能的。人工智能中的专家系统技术为处理工程实际问题提供了有效的方法。通过专家系统技术，无论是文档式知识还是实际经验都能被成功加以应用。专家系统技术在控制系统设计、故障检测、仿真、建模和辨识，到实时性能监测、自适应和自整定，以及监督控制等自动控制领域得到成功的应用。在许多常规控制理论不能奏效的场合，例如化工、冶金和水泥等工业过程控制，专家控制显示了它的优越性。在原料水调节和主蒸汽调节的回路中，我选择PID控制。因为在工业控制中，PID控制稳定，可靠性高。PID调节是连续系统中技术最成熟的、应用最广泛的一种控制算方法。它结构灵活，不仅可以用常规的PID调节，而且可以根据系统的要求，采用各种PID的变型，如PI、PD控制及改进的PID控制等。它具有许多特点，如不需要求出数学模型、控制效果好等，特别是在微机控制系统中，对于时间常数比较大的被控制对象来说，数字PID完全可以代替模拟PID调节器，应用更加灵活，使用性更强。在控制工具及编程方面，我选用可编程控制器PLC。作为一种新型的工业自动控制装置，PLC有以下一些特点。1 高可靠性和强抗干扰能力；2 丰富的I/O接口模块；3 灵活性好；4 系统安装简单，维修方便2.1工艺过程 图2.2 蒸馏水机工艺过程流程根据检测蒸汽压力是否达到要求，来决定是否开机，开机后，原料泵开，检测原料水电导率是否合格，不合格循环水排出，更换原料水；检测一效水位，如一效水位高，关小原料水量；检测蒸馏水温度，如温度高，通过电动执行器加大冷却水量；检测蒸馏水温度和电导率，如温度低或电导率高，通过二位三通阀作为不合格水排出；实时检测蒸汽压力，利用PID控制把蒸汽压力控制在允许范围内。通过PLC与工控机的通讯，各种仪表和工控机的通讯，用计算机实现监测的功能、报表的功能和故障分析报警的功能等。第三章 PLC硬件系统的设计3.1 PLC-FP3的选择 由于蒸馏水的控制系统一般需要稳定的控制器。且外部输入继电器和外部输出继电器的I/O接口数都要足够。松下电工株式会社生产的中型PLC-FP3机，其外部输入继电器4096点，外部输出继电器4096点，内部继电器14016点，数据寄存器10240点，文件寄存器32765点。3.1.1 FP3的基本配置 FP3的机型大都采用模块化的结构设计，而不是采用小型机那种一体式结构。在原小型机的箱体内的各部分电路就被分开成一个个独立单元，如CPU单元、电源单元、输入单元、输出单元、高速计数单元等等。3.2 I/O分配 FP3采用自由编址方式。自由编址可给拥护提供灵活便利的使用条件。其编址可通过两种方式来实现：一种是根据各单元在底版上插放的位置确定该单元所占用的地址，另一种是使用变成工具设定各单元的地址。3.2.1由安装在底板上的位置确定地址分配地址时，所有主板和扩展板不管是3槽或5槽的，一律按8槽分配地址。对不存在的那些槽均作为空槽处理，空槽一律分配为16个I/O点。当有多个扩展板时，可用扩展板上的“板号设定开关”先设定板号，当分配扩展板地址时，再根据板号顺序依次编排，以避免地址重复。 图3.1 I/O地址分配图例由图3.1可见，主板和扩展板地址是统一编排的，且占用I/O点数不足16点的单元一律分配为16点，超过16点的则按实际占用点数分配。地址编号从紧挨CPU的单元开始编起，由小到大依次编排。应注意：输入单元和输出单元的地址也是统一编排的。如2号槽中插的是32点输入单元，3号槽中插的是8点输入单元。则输入单元占用地址为X20X3F（共32点），输出单元占用地址为Y40Y47，即输出单元地址应紧接输入单元编排（尽管该输出单元前面全是输入单元）。若某单元既占有输入点又占用输出点，则应按先输入后输出的原则分配地址。对于某些不需占用I/O点的单元（如LINK单元），在分配地址时一律按空槽处理，即自动分配为16点。3.2.2用编程工具设定地址FP3机型可用NPST-GR编程软件或手持编程器设定各单元地址。下面介绍如何用NPST-GR设定其地址。启动NPST-GR后先进入主菜单，选择“PLC设置”一项后进入该项子菜单，在子菜单中选定“I/O映射”一项，显示出下一级子菜单窗口。 “I/O映射”子菜单窗口的屏幕显示内容。用户可在该窗口内设定I/O地址或检查原有I/O地址分配情况。具体操作如下：1、分配I/O地址根据情况选定“在线”或“离线”方式。当进入“I/O映射”窗后，初始光标亮在“槽数”一栏。（1）输入要进行分配的槽的个数。如输入“6”，按回车键确认设置，且光标移至I/O表栏内第一个槽的位置（即0号槽处）。此时I/O表中原有的“”号均变为“OE”，即空槽。而下面的功能键提示均变为I/O点数，如：F1=16X；F2=16Y；F3=32X；F4=32Y；。CtrlF1（2）移动光标。按右、左、上、下键将光标移至欲分配I/O点的槽内，即可输入I/O点数。待所有欲分配的槽全都分配完毕后，按 + 键，可将I/O表记录存盘。若在“在线”方式下存盘，I/O表也将回同时传入PLC中。（3）若想在某槽处既分配输入点又分配输出点，则应先输入X点再输入Y点。若先输入Y再输入X，则当记录存盘时NPST会自动将顺序颠倒过来。注意不能连续输入X或Y，如在某槽先输入“16X”，又输入“32X”则显示出错信息。（4）若想在某槽处输入占用若干点的一个空槽，则可输入16E、32E、64E等等。F10Ctrl（5）若欲取消原设置，则按 + 键，将所有槽均设为“OE”。2、检查I/O地址F10F4若欲检查当前PLC的I/O分配情况，则将NPST设为“在线”方式，进入“I/O映射”窗后，按 或 键，则屏幕上将显示出当前PLC的I/O分配表，即在与所连接的PLC相对应的槽位上，显示出各单元实际占用的I/O点数或空槽所在位置。注意以上两种操作，当处于“在线”方式时，PLC均应置于“编程”方式。使用编程工具设定地址时应注意的事项：（1）每个槽所占的I/O点可分配为0、16、32、64或128点，但设定时应保证所设I/O范围与实际安装的单元所需I/O点数匹配。若分配的点数小于所需点数，则该单元所能使用的I/O点被减少。（2）有些不需占用I/O点的单元（如LINK单元），可将其I/O点数设为0。这样可减少“空点”，充分利用有效地址空间。还应注意的是，不管用什么方式编址，当地址确定后均应使用编程工具将该地址分配情况记录下来，这一工作称作记录I/O表。每当地址改变后，如单元在底板上的位置变更或重新设定各单元地址，则应重新记录I/O表，可使用OP-52操作命令，若用NPST记录I/O表，其操作步骤如下： 进入“I/O映射”窗后，按前面步骤完成I/O设定。F1Ctrl 按 + 键，显示： 存盘（Y/N）？ 装载PLC（Y/N）Y按 左 + 右 键，将光标移至“Y”，再按 键，即可显示出“传入PLC”，说明传送完成。接着便可按所设I/O地址进行编程。当编程工具失电后，此设置表在编程工具中会自动消失，但PLC工作不受影响。FP3机的I/O点数最大可扩至768点。3.3 CPU单元FP系列产品的CPU有多种版本，目前新开发出的CPU有以下几种版本：3.0版、3.1版、4.0版、4.3版、4.4版和4.5版。其中各版本与老产品相比，对新增加的功能说明如下：3.0版增加了“运行”方式的编辑程序功能。3.1版增加的新指令是：SET、RST、F70/P70F78/P78、F98/P98和F99/P99。4.0版增加的新指令是：NSTL、F64/P64、F138/P138、F139/P139、F157/P157和F158/P158。其他还有一些功能也相应加强了。4.3版增加了对MEWNET-H LINK单元的兼容性。4.4版在TM/CT指令方面做了一些改变，且增加了36个比较指令。其他还有一些性能上的改进。4.5版增加了对ET-LAN（以太网）的兼容性。总之，同一种型号的FP系列PLC，其CPU可能对应不同版本，故其支持的各种指令和功能也会略有差异。表3.1为CPU单元技术性能一览 项 目 说 明 控 制 方 法 循环式扫描 工 作 速 度循环控制指令：0.5s/条 OUT 、 KP指令：0.75s/条 TM、CT、SP指令：0.2s/条 其他指令：（几十s-几百s）条 程 序 容 量 AFP3210C、AFP3211C、AFP3212C：9727步（最大） AFP3220C ：15871步（最大） 指 令基本指令顺序控制17种 基本功能 8种 控制 19种高级指令 209种 输入/输出外部输入（X）2048点外部输出（Y）2048点内部继电器（R）1568点链接继电器（L）1024*2点特殊继电器（R）176点定时器/计数器（T/C）总共256点定时器：0.01-327.67点，0.1-3276.7S，1-32767S计数器：预置值1-32767辅助定时器点数无限（0.01327.67s）数据寄存器（DT）2048字链接寄存器（LD）128字*2文件寄存器（FL）AFP3210C、AFP3211C、AFP3212C：8189字（最大）AFP3220C ：22525字（最大）特殊数据寄存器（DT）256字索引寄存器 （IX、IY）2字表3.1 FP3-CPU单元技术性能一览表 3.3.1 FP3-CPU单元的特殊功能FP3-CPU单元增加了许多特殊功能，有些则是在FP1机的基础上进行了扩充和加强。下面对这些功能做一介绍：1、初始化功能INITIALZE/TEST（初始化/测试）开关，可以将PLC内部状态重新设定为初始化状态（即默认值）。这个开关只有当PLC处于“PROG.”方式时才有效（包括REMOTE方式下的“PROG.”方式），而在程序执行期间（即“RUN”方式）不起作用。当此开关置为“INITIALIZE”时，“PROG.”方式指示灯的亮度会变暗。以表示初始化工作正在进行。下列寄存器区可以通过“初始化”操作进行初始化：外部输入（X） 数据寄存器（DT）外部输出（Y） 文件寄存器（FL）内部继电器（R） 链接寄存器（LD）链接继电器（L） 特殊数据寄存器（DT）特殊继电器（R） 定时/计数预置值设定区（SV）定时/计数器（T/C） 定时/计数经过值存放区（EV）索引寄存器（IX，IY） 步进保持状态然而，如在自诊断时出现44号以内的错误代码时，则特殊继电器R9000到R9008和特殊数据寄存器DT9000不能被初始化。应注意的是，使用初始化/测试开关对PLC进行初始化时，只能对上面指定的寄存器（不包括系统寄存器，后者只能通过编程工具）进行初始化。2、测试运行功能这一功能便于用户对FP3系统进行程序模拟、试运行和过程调试。在使用该功能前应先进行设定。该功能下可设定三种运行测试条件：（1）连续运行/单步运行；（2）断点使能/不使能；（3）输出使能/不使能。这三种条件可按表3.2进行组合。 表3.2 测试运行功能工作方式 断 点 使 能 断 点 不 使 能输出方式 输出使能 输出不使能 输出使能 输出不使能连续运行(a) (c) (e) (f)单步运行 (b) (d) _ _对各种组合方式下的系统运行结果说明如下：（a）在断点使能方式下执行连续运行操作，并且处理的结果与正常运行时一样被输出。（b）每执行一条指令后都中止程序，且处理结果也与正常运行一样被送到输出单元。该方式也可通过对外设（如FP编程器）操作，转换为方式（a）。（c）该方式与上述（a）相同，只是处理结果不被送到输出单元（输出单元全处于“OFF”状态）。（d）该方式与上述（b）相同，只是处理结果不被送到输出单元（输出单元全处于“OFF”状态）。此方式也可通过对外设（如FP编程器）操作，转换为方式（d）。（e）这是正常运行方式，该运行方式不能作为测试运行来设置。（f）在此方式下，程序将连续运行，即使设置断点也不会中止程序运行，而且任何处理结果都不被送到输出单元。在执行测试运行功能时应注意以下几点：（1）当由于断点设置或单步运行而使系统处于中止状态期间，中断请求无效。（2）无论是由于设置断点还是由于单步运行而中止程序，一旦程序中止，输出将更新（在每次扫描开始时更新输出）。（3）只有在“PROG.”方式下才能将PLC设为测试运行状态。下面举例说明如何执行测试运行功能。如图3.2 图3.2操作步骤： 先将CPU单元上的工作方式选择开关设在“PROG.”方式，输入程序。 再将CPU单元上的初始化/测试开关设在“TEST”位置，并将方式开关置于“RUN”。 在手持编程器上依次按下各键：ACLROP40ACLR此时液晶显示器上显示：TEST RUN* * 说明已进入测试运行状态。此时可看到运行结果如下：READSRC当用 和 键监视程序时，可观察到Y40、Y51的通断状态：当X20断开时，显示器上显示：OT Y40口 OT Y51 Y40断开 Y51接通当X20接通时，显示器上显示：口 OT Y40 OT Y51 Y40接通 Y51断开上述结果说明程序运行正确。这里有一点应说明，由于手持编程器只能按默认方式执行测试运行，即“连续运行”、“输出不使能”“断点不使能”，此时运行结果不能送到输出端，故Y40和Y51的状态指示灯不亮，但其内部状态已在运行改变，所以可在显示器上显示：用NPST-GR实现测试运行功能的操作步骤如下： 启动NPST，在编程屏上输入或调入待监测程序，并设为“在线”方式。 先将CPU单元置于“PROG.”方式，再将“初始化/测试”开关置于“TEST”，此时各相应指示灯亮，且在计算机屏幕右上角出现“PC=T.R.编程”字样。 进入菜单屏，选择“监控”一项，并在监控子菜单中选“监控和测试运行”功能，此时即可出现“数据监控”窗口。另一种方法为在编程屏下，按 CTRL + F6 键，可直接调出“数据监控”窗口。ShiftF1 按 + （测试P）键进入“设测试运行”窗口。该窗口显示如下：输出禁止/允许 断点 无效/有效 测试模式 连续/单步 按前面介绍的测试运行组合方式，根据需要选择一种，将光标移至所需设置处，按回车键即完成设置，该窗口将自动关闭。F6Ctrl 按 + 键进入“测试运行”状态（屏幕右上角显示出“T.R.运行”字样）。F1F1 按 键启动测试运行，再按一下 键则停止运行。3、中断FP3机中有三种中断程序，即：定时中断，来自中断单元的中断和来自高级单元的中断。这些中断按中断序号由小到大排列，号越小中断优先权越高。表3.3中给出了各种中断的序号排列。 表3.3 FP3机中断优先权序号中断程序编号 中断源 中断程序编号 中断源01.中断单元：No.0中断单元：No.1.16. 高级单元：No.6 . 23 高级单元：No.7 15中断单元：No.15 24 定时中断（1）由表3.3可见，中断序号015分配给中断单元。每个中断单元可管理8个外部中断源，而每个CPU单元可连接两个中断单元，故一个CPU单元可处理16个外部中断源。靠近CPU单元的那个中断单元的中断序号小，远离CPU的中断序号大。（2）中断序号1623分配给高级单元。一个CPU单元最多可带8个带有中断的高级单元，靠近CPU单元的那个高级单元的中断序号最小，依次从小到大顺序排列。4、在运行方式下编辑程序大多数指令都可在运行方式下被写入、插入或删除。但在运行方式下编辑修改程序容易出危险。故在操作时应十分谨慎。下面介绍如何用手持编程器实现运行方式下的程序编辑。具体步骤如下：* * 按 ACLR 键，显示器清屏，FP编程器呈初始状态。ACLRR 依次按 OP 、 1 、4 和 ENT 键，以运行OP-14OP-14PLC EDIT MODE41（一）OPENT按 READ 键，PLC将显示出当前PLC的编辑方式：当PLC处于“编程编辑方式”时，将显示“PRG EDIT（0）”。当PLC处于“运行编辑方式”时，将显示“RUN EDIT（1）”。OP-14 PRG EDIT（0）READ 若要改为运行编辑方式，按 1 键，显示将变为“RUN EDIT（1）”。OP-14 RUN EDIT（1）1 若要改为编程编辑方式，按 0 键，显示将变为“PRG EDIT（0）”。OP-14 RRG EDIT（1） 0注意事项：（1）如果在PLC处于“PROG.”方式时用FP编程器将其设置为“运行编辑”方式，则PLC仍在“PROG.”方式下运行。即在“PROG.”方式下，“运行编辑”方式的设置不会影响PLC的其他运行。而在PLC处于“PUN”方式时，将其设置为“编程编辑”方式，则会出现错误信息“PLC MODE-ERROR（No.63）”，并且发出报警专。此时按 ACLR 键可中止报警声，而PLC却进入了“编程编辑”方式。（2）应确保MC和MCE指令合理配对使用，因为系统对于该指令是否配对不予检查。（3）应确保Fn和Pn类型的指令不混合使用，因为系统对于这两类指令的混合倩不予检查。（4）对TM/CT的预置值进行修改与重写。 修改：若使用外围设备（如FP编程器）选定PLC工作方式为“编程编辑”，通常在此方式下，PLC运行期间是不能进行写入的，而只有TM/CT指令的预置值可以修改。一旦修改，该操作数从运行之时起被确认。 重写：若使用外围设备选定PLC工作方式为“运行编辑”，则可对TM/CT指令的预置值进行重写。一旦重写，该操作数从运行之时起的下一个扫描周期后被确认。（5）步进、子程序调用、中断和ED等指令都不能在“RUN”方式下被写入、插入或删除。（6）在强制输入、输出或CPU单元处于“TEST”方式时，不能进行程序编辑。5、采样跟踪功能（1）定义及规定采样跟踪功能：按照预先设定的参数或指令对PLC内部的继电器和数据进行采样。可被采用的点：继电器触点：16点数据：3个字采样时刻：指令采样：在采样指令(SMPL)被执行的瞬间采样数据。定时采样：以固定的时间间隔进行采样。这一间隔可以设定在103000ms之内。采样数据存储量：最大4000个字（对1000个样本，16个接点加3个字/样本）。触发条件：指令触发：采样触发指令(STRG)执行时触发。编程设备触发：触发由NPST-GR发出。采样起始和停止：通过操作NPST-GR来执行。（2）如何用NPST实现跟踪采样启动NPST。在菜单屏上选择“监控”项，在“监控”子菜单中选“动态时序图”，进入时序图监控屏。设置采样参数。按 Shift + F2 (跟踪S)键，调“跟踪采样“窗口。窗口中显示如下内容： 采样点数 采样间隔 延时次数采样点数可设定为1001000以内的值。采样间隔可设定为13000ms以内的值。延时次数可设定为1999次以内的值。若想使用指令（SMPL）触发采样，则采样间隔必须设为0ms，否则采样指令无效。按回车键确认设置参数，“跟踪采样”窗口将自动关闭。按 F2 键启动采样，屏幕显示“跟踪采样”字样。若采用手动控制触发采样，则按 F3 键，屏幕显示“触发”字样。完成采样后，屏幕显示出“调入数据”字样，等待片刻屏幕上即显示出所采样的内线或图形。若在采样过程中按 F1 键，可中止采样，屏幕将显示出“正在读入”，等待片刻即显示出中止前所采样的曲线或图形。3.3.2 FP3-CPU单元的指令系统FP3机的指令系统中，“基本指令”部分基本与FP1机相同，只增加了个别新指令。其高级指令除FP1原有的“Fn”类型指令外，又增加了另一种类型的指令，即“Pn”类型指令和FP3特有指令，可称为特殊指令。下面将这部分指令作一介绍。1、Fn类型指令和Pn类型指令在FP3中有两类高级指令，即Fn类型和Pn类型。二者指令编号是一一对应的，即有一个Fn就对应一个Pn。前者是每次扫描均执行的扩展功能指令，而后者则是只执行一个扫描周期的扩展功能指令。Pn类型的指令相当于Fn类型加入微分指令。使用这类指令可以缩短程序执行时间，而又免除加入微分指令的麻烦。使用这类指令时应注意，一般情况下Fn和Pn这两类指令不允许混在一起用，否则易引起混乱。当把一个Fn指令放在一段两类指令混用的程序的开头时，则运行该程序段时所有指令均被当作Fn指令执行。2、断点指令（BRK）我们在前面介绍FP3-CPU单元的特殊功能时，提到了断点设置功能，这里结合断点指令介绍如何设置断点。该指令书写格式如下图3.3 图3.3该指令可用手持编程器或NPST软件输入，输入方法与一般指令相同。断点指令只能在“TEST”方式下使用。若不是在“TEST”方式下，程序运行时，该指令被当作“NOP”指令处理；而在“TEST”方式下，若设置为“断点不使能”，则该指令也被当作“NOP”指令处理。3、先入先出指令（FIFO）FIFO即First-In-First-Out。这类指令有：F115 FIFT：定义FIFO缓冲器。F116 FIFR：从FIFO缓冲器中读取数据。F117 FIFW：向FIFO缓冲器中写入数据。这里略去了与Fn类型相对应的Pn类型的先入先出指令。 指令书写格式如下图3.4 图3.4指令中各参数意义：n：FIFO缓冲区大小。D1：FIFO缓冲区首地址。S：写入FIFO缓冲区的16位数据或存放该数据的寄存器。D2：存放FIFO缓冲区读出数据的寄存器区首址。数据在FIFO缓冲区中的存放格式.（1）在FIFO缓冲区的首地址中，存放说明该缓冲区大小的数值“n”；在FIFO缓冲区的第二个地址中，存放已存入缓冲区中数据的个数“K”；在第三个地址中存放缓冲区中下一个待读出的数据所在的地址“PH”（占用高8位）和下一个将写入的数据应在的地址“PL”（点用低8位）。应注意的是PH和PL中存放的地址号是从D13开始计算的，即D13算作地址0，依次排列直到（n1），且最大地址为255。（2）在FIFO缓冲区中，数据的写入和读出均按从上到下的顺序进行（3）图中PH、PL和K值在指令开始执行时均被置为0。（3）PL的值每写入一个数据则加1；PH的值每读出一个数据则加1；而K值则每写入一个数据加1，每读出一个数据减1。4、采样指令采样指令包括：F155（SMPL）：采样开始。F156（STRG）：采样触发。采样指令只能用于FP3的采样跟踪功能中。在使用该指令前应先用NPST设定采样参数。应该指出，采样跟踪功能只能用于带跟踪功能的FP3型CPU单元。跟踪采样与一般采样不同的是，后者是每采样一个数据就用RS232口将数据传送到计算机显示，然后再采第二个数据。这样速度很慢，100ms采样一次。而前者是先用高速扫描电路将采样数据存入PLC，待采样结束后再一起送去显示。故采样速度大大提高，可达10ms采样一次，从而实现快速实时跟踪。3.3.3 存储区分配一、FP3-CPU单元中存储区的组织表3.4为FP3中程序存储区和系统寄存器区的分配表。表3.4 FP3存储区分配系统寄存器区512字（固定的）可变的2000-10000字10000字 顺序程序区 机器语言程序区0 8000字0-8000字 文件寄存器区由表3.4可知，FP3的程序和系统区总共为10000字。其中系统区占512字是固定不变的，其余可由顺序程序全部占用，也可由机器语言程序或文件寄存器占用其中一部分。但机器语言程序或文件寄存器最多只能占到8k字。总之存储区的分配可由用户根据需要灵活设定。设定可通过系统寄存器实现.二、FP3的继电器、寄存器表3.5为FP3继电器、寄存器的一览表。表3.5 FP3继电器、寄存器分配一览表 继电器寄存器符号 编 号 功 能 说 明 X 0127F 输入、输出继电器，功能用法。X和Y各占2048个I/O点，外部不用时可作内部继电器用 Y 0127F R 097F内部继电器 L 0127F链接继电器，用于PLC之间进行通信 R9000910F内部特殊继电器 T/C 0255定时器/计数器接点 DT 02074数据寄存器 FL 08188文件寄存器 LD 0255链接数据寄存器 DT90009255特殊数据寄存器 SV 0255预置值寄存器 EV 0255经过值寄存器表3.5的说明：（1）除表中所列寄存器还有系统寄存器、索引寄存器和常数寄存器等。索引寄存器与FP1相同；常数寄存器分为单字和双字，单字长度为16位，双字长度为32位（即数据长度大一倍）。（2）表中DT、FL、LD、SV、EV等寄存器均只能按字使用。（3）继电器X、Y和L未被使用时，均可作内部继电器用。（4）文件寄存器FL最大可到8188，这时顺序程序所占有的存储区设置为2k字。（5）表中各寄存器、继电器凡未加特别说明者，其用法均同于FP1。（6）在FP3中还有一种具有特殊用途的寄存器，即字符寄存器，用M表示（表中未列入）。该寄存器可用来存放待显示或需打印输出的字符。它最多可存放12个字符，这些字符可以是26个英文字母，也可以是数字或其他符号（包括空格在内），但“%”符号除外。当使用信息显示指令时即可用此寄存器。（7）各种特殊继电器和寄存器的用途。（8）定时器、计数器的序号与FP1机一样需统一分配。但计数器起始序号的默认值为200。3.3.4 蒸馏水机中I/O输入、输出回路设计 图3.5 I/O输入回路本蒸馏水机的I/O输入回路由16个开关回路，2个输入电源组成。具体的I/O输入分配如下：X10 自动运行 X18 入口电导率不合格 X11 原料泵过载 X19 出口电导率不合格 X12 汽源压力到 X1A 蒸馏水温度低 X13 I效水位高 X1B 蒸馏水温度高 X14 I效水位低 X1C 贮罐液位高 X15 蒸汽压力高 X1D 贮罐液位低 X16 蒸汽压力低 X1E 灭菌运行 X17 纯气输出 图3.6 I/O输出回路I/O输出回路由16个输出显示电路，8个开关电路以及电源组成。具体I/O输出分配如下：Y20 贮罐阀 Y28 入口电导率不合格Y21 原料泵 Y29 出口电导率不合格Y22 纯气输出阀 Y2A I效水位高Y23 非标准水排放阀 Y2B 压缩空气压力低Y24 浓缩水排放阀 Y2C 储罐液位高Y25 冷却水I阀 Y2D 储罐液位低Y26 冷却水II阀 Y2E 蒸汽压力高Y27 自动运行 Y2F 蒸汽压力低3.4 A/D单元 FP3的高级单元内部一般自带CPU和存储器。只要在初始化时，由FP3的CPU单元将控制字写入其内部存储器中，则这些高级单元即可独立运行。高级单元内部的存储器可由该单元与CPU单元共享，称为“共享存储器”。CPU单元只要用专用的读/写指令即可对其进行读或写。高级单元一般还要占用一定的I/O点，其占用的I/O地址随着该单元在底板上的位置而改变。有的I/O单元带有中断功能，可向CPU单元申请中断。其中断编号也依其在底板上的位置而改变。A/D单元有4个输入通道。其模拟输入范围和类型是由单元背面的开关进行设定的。3.4.1占用I/O点及I/O分配表3.6为FP3型A/D单元占用I/O点的情况（表中编号X是基于A/D单元安装在0号槽内）。表3.6 A/D单元占用I/O表输入点编号 说 明 X0A/D转换准备好标志（可作为CH0CH3四个通道数据输出的条件） X1A/D转换准备好标志（可作为CH0通道输出数据的条件） X2A/D转换准备好标志（可作为CH1通道输出数据的条件） X3A/D转换准备好标志（可作为CH2通道输出数据的条件） X4A/D转换准备好标志（可作为CH3通道输出数据的条件） X5X7未用 X8CH0标志位（当A/D转换值大于上限值时，该接点“ON”） X9CH0标志位（当A/D转换值小于上限值时，该接点“ON”） XACH1标志位（当A/D转换值大于上限值时，该接点“ON”） XBCH1标志位（当A/D转换值小于上限值时，该接点“ON”） XCCH2标志位（当A/D转换值大于上限值时，该接点“ON”） XDCH2标志位（当A/D转换值小于上限值时，该接点“ON”） XECH3标志位（当A/D转换值大于上限值时，该接点“ON”） XFCH3标志位（当A/D转换值小于上限值时，该接点“ON”）表3.6的说明：（1） 当某通道不工作时，则表中其相应的接点OFF。（2） 当A/D转换单元工作异常时，则所有接点均OFF。（3） A/D转换单元只占用输入接点不占用输出接点。3.4.2共享存储器表3.7为FP3型A/D单元的共享存储器表表3.7 A/D单元的共享存储器表地址号 说 明 K0“采样/平均”切换控制 K1CH0平均次数设定 K2CH1平均次数设定 K3CH2平均次数设定 K4CH3平均次数设定 K5报警控制，可分别设定各通道超限时是否报警 K6CH0上限设定（A/D转换输出值） K7CH0下限设定（A/D转换输出值） K8CH1上限设定（A/D转换输出值） K9CH1下限设定（A/D转换输出值） K10CH2上限设定（A/D转换输出值） K11CH2下限设定（A/D转换输出值） K12CH3上限设定（A/D转换输出值） K13CH3下限设定（A/D转换输出值） K14比例变换控制，可设定是否要进行比例变换 K15CH0偏移量设定 K16CH0满量程设定 K17CH1偏移量设定 K18CH1满量程设定 K19CH2偏移量设定 K20CH2满量程设定 K21CH3偏移量设定 K22CH3满量程设定 K23存放CH0已转换的数据 K24存放CH1已转换的数据 K25存放CH2已转换的数据 K26存放CH3已转换的数据K27存放错误代码表3.7的说明：（1）共享存储器K0K22为只写存储器，即CPU单元只能对其进行写入不能读出。K23K27为只读存储器。（2）对共享存储器读、写，要使用高级单元读写指令（F150、F151）来实现，而不能用一般数据传送指令进行。具体如何实现在后面介绍。（3）K0、K5、K14只用低四位。bit0bit3分别对应CH0CH3。当该位为1时，则设定其相应通道的相应功能有效，为0时则无效。如K0，当bit为0时，则通道0设定为采样而不求平均值；bit0为1时，则通道0设定为求平均值。而K5，bit0为1则设定通道0有报警，为0则该通道无报警。等等。3.4.3技术参数表3.8为A/D单元的技术参数 表3.8 A/D单元的技术参数 项目 说 明模拟输入电压：010V直流或15V直流电流：020mA或420mA数字输出-2000+2000或04000分辨率电压：010V为1/4000（5MV）电流：020mA为1/2000（20A）精度室温下为0.5%F.S转换速度每个通道2.5ms外部输入阻抗1M（电压输入） 250（电流输入）最大允许输入范围电压：010V电流：30mA模拟通道4平均次数34000内部电流消耗5V时0.5A表3.8的说明：（1） 电压和电流输入可通过使用不同的输入端子来选择。（2） 输入信号的范围可通过A/D单元后面的DIP开关来设定。但开关设定不能按通道分别设，只能四个通道一起设。3.4.4蒸馏水机A/D输入回路设计 蒸馏水机的A/D输入由2个输入回路组成。 图3.7 A/D输入回路（1） A/D输入回路（1）由7个检测元件组成，具体如下：100 主蒸汽压力102 蒸馏水温度103 储罐温度104 入口电导率105 出口电导率106 原料水流量107 储罐液位 图3.8 A/D输入回路（2） A/D输入回路（2）由6个检测元件组成，具体如下： 308 I效纯气温度 309 II效纯气温度 310 III效纯气温度 311 IV效纯气温度 312 V效纯气温度 313 预热温度 3.5 D/A单元D/A单元有两个输出通道。模拟量输出类型（电压还是电流）是由单元背后的DIP开关设定的。3.5.1占用I/O点及I/O分配表3.9为FP3型D/A单元占用I/O点的情况。表3.9 D/A单元占用I/O表输入点编号 说 明X0D/A转换准备好的标志（“ON”时有效） X1CH0输入数据有效标志（当CH0输入数据在设定范围内时，该接点“OFF”，反之“ON”） X2CH1输入数据有效标志（当CH0输入数据在设定范围内时，该接点“OFF”，反之“ON”） X3报警信号（当CH0输入数据大于上限时，该接点“ON”） X4报警信号（当CH0输入数据小于上限时，该接点“ON”） X5报警信号（当CH1输入数据大于上限时，该接点“ON”） X6报警信号（当CH1输入数据小于上限时，该接点“ON”）X7XF未用表3.9的说明：（1） X0和X3X6这几个接点，当模拟输出量限定被重新写入时“OFF”。（2） D/A转换单元只占用输入接点，不占用输出接点。3.5.2共享存储器表3.10 为FP3型D/A单元共享存储器表。表3.10 D/A单元共享存储器表地址号 说 明 K0可设定模拟输出量是否受限制（只写） K1CH0输出上限值设定（只写） K2CH0输出下限值设定（只写） K3CH1输出上限值设定（只写） K4CH1输出下限值设定（只写） K5存放CH0D/A转换后数据（只写） K6存放CH1D/A转换后数据（只写） K7存放错误代码（只写）3.5.3技术参数表3.11为D/A单元的技术参数。表3.11 D/A单元的技术参数 项目 说 明数字输入10V或20mA：K=2000；15V：K=04000模拟输出电压：15V， -10+10V电流：420mA， -20+20mA分辨率均为1/4000精度室温下为0.5%F.S转换速度每个通道4ms外部输出阻抗电压输出时为20mA最大外部输出电流最大电压输出时为20mA允许外部负载在电流输出时为0550通道数2内部电流消耗5V时0.7A表3.11的说明：（1） 电压输出还是电流输出可用D/A单元后面的DIP开关设定。而其输出信号范围可在共享存储器中设定。（2） 同一通道不能同时既作为电压输出又作为电流输出。3.5.4 蒸馏水机D/A输出回路设计 蒸馏水机的D/A输出回路如下图所示： 由I0原料水调节阀和I1主蒸汽调节阀构成 图3.9 D/A 输出回路3.6 PLC外接检测元件的选用3.6.1 温度传感器选用AI708型人工智能工业调节器（一）主要特点人性化设计的操作方法，易学易用，并且不同功能档次的仪表操作相互兼容。包含国际上同类仪表的几乎所有功能，通用性强，技术成熟可靠。提供多个型号，无论是要求功能强大，还是要求价格经济，都能获得满意的选择。输入采用数字校正系统，内置常用热电偶和热电阻非线性校正表格，测量精确稳定。采用先进的AI人工智能调节算法，无超调，具备自整定（AT）功能。采用先进的模块化结构，提供丰富的输出规格，能广泛满足各种应用场合的需要，交货迅速且维护方便。AI708型是应用广泛的普及型仪表，它具备0.2级精度，可编程输入，具备位式调节、AI人工智能调节、通讯、变送和多种报警功能，其模块化输出可支持时间比例（继电器触点开关、SSR电压、可控硅无触点开关及单相/三相可控硅过零触发信号等）、线性电流（包括010mA及420mA等）及可控硅移相触发等多种输出方式。其AI人工智能调节可实现极为理想的温度控制。二、技术规格输入规格（一台仪表即可兼容）：热电阻：Cu50、Pt100线性电压： 01V线性电流（需外接分流电阻）：020mA扩充规格：在保留上述输入规格基础上，允许用户指定一种额外输入规格。测量范围：K(-50+1300)、S(-50+1700)、R(-50+1650)、T(-200+350)E(0800)、J(01000)、B(01800)、N(01300)Cu50(-50+150) 、Pt100(-200+600)线性输入：-1999+9999由用户定义测量精度：0.2级（热电阻、线性电压、线性电流及热电偶输入且采用铜电阻补偿或冰点补偿冷端时）0.2%FS2.0（热电偶输入且采用仪表内部元件测温补偿冷端时）响应时间：0.5秒调节方式：位式调节方式（回差可调）AI人工智能调节，包含模糊逻辑PID调节及参数自整定功能的先进控制算法输出规格（模块化）：继电器触点开关输出（常开+常闭）：250VAC/1A 或30VDC/1A可控硅无触点开关输出（常开或常闭）：100240VAC/0.2A（持续）SSR电压输出：12VDC/30mA (用于驱动SSR固态继电器)可控硅触发输出：可触发5500A的双向可控硅、2个单向可控硅反并联连接或可控硅功率模块线性电流输出：010mA或420mA 报警功能：上限、下限、正偏差、负偏差等4种方式，最多可输出3路，有上电免除报警选择功能隔离耐压：电源端、继电器触点及信号端相互之间 2300V；相互隔离的弱电信号端之间 600V手动功能：自动手动双向无扰动切换（仅AI808/808P系列具备此功能)电源：100240VAC，-15%，+10% / 5060Hz；电源消耗：5W环境温度：0503.6.2压力传感器CYB36S压力变送器使用CYB-10S压力传感器为敏感元件，加上设计的电子线路，做成一体化结构，输出420mA、05V、标准信号,适合于远距离传输和工业自动化系统配套。技术特点：高温、高压高精度精度可达0.1%FS高稳定性每年优于0.1%FS温漂小由于取消了测量元件中的中介液,因而变送器不仅获得了很高的测量精度,且受温度的影响小。工作温度范围宽抗振动、冲击、抗强腐蚀（一）工作原理 被测介质的压力P直接作用于传感器的金属膜片，使膜片产生与介质压力成正比的变形，如工作原理图所示。组成电桥的R2、R4受压，R1、R3受拉，电桥输出对应于这一压力的电信号。由于膜片采用高性能的弹性材料使传感器具有很强的抗过载能力及很高的精度。CYB-36S中的电子电路，将电桥输出的信号放大，并转换成电压或电流信号输出。（二）技术规格：被测介质：气体，液体及蒸汽；供电电源：1236V精度：0.1使用温度：-20-80介质温度：-40-200桥臂电阻：2K位置影响：安装位置不受影响3.6.3 二位三通电控换向阀本设计选用8020750型号。 工作压力0.150.8MPa; 环境温度-540 有效面积40m 换向时间0.06S 寿命200万次 电压220V外型： 图3.10 二位三通电控阀外型3.6.4 液位传感器的选用使用光电法检测蒸馏水液位，随着水拥有量的日益增多, 对水质和水量精度的要求越来越高, 尤其是医用蒸馏水, 传统的应用漂浮和电极的测量方法已不能满足优质水的要求。为了防止水污染, 我们采用非接触测量光电耦合法接收位水信号; 为了精确地计算蒸馏水的体积, 控制蒸馏水的液面在某一种指定高度范围。 传感器结构与检测原理传感器部分是根据光在气体 液体界面发生反射的原理制成的, 如图3.11 所示。用一个直径10mm 玻璃管与蒸馏水容器联通。D1为红外发射二极管, 发射光信号;D2 为红外光敏二极管, 其作用是接受来自D1 被水面反射的光 2 。D1、D2 放在指定水位线上方、玻璃管两侧对称位置, 其发射管和接收管的轴线与玻璃管中心线夹角约为45, 为了防止过多的背景光进入D2, 将D1、D2 周围封装起来。 图3.11 发射接收示意图光敏二极管D2 的接收光与反射光源的距离有关,当水位高度低于H L 或高于H H 时,D2 接收的反射光几乎为零, 此时D2 产生的电流ID 只为背景光电流IO。水面高度H 的变化与D2 接收光产生的电流ID 的定性关系为图3.12 所示。H 1 为反射光最强时水面的高度; H 2 为最大给定误差高度, 给定误差是为了在水面波动时有稳定的电压输出; IO 为背景光产生的光电流。 图3.12 光电流随水面高度变化的关系曲线该装置的特点由于光在空气 水界面反射强度较小, 检测的电流信号为弱信号, 所以外界的干扰信号对系统的影响非常强烈, 且放在水中的检测装置又造成了极大的污染, 采用该光电检测装置已解决了如下问题: 消除了阳光、灯光等背景光的干扰。 消除了传感器和电路之间导线传输中的电磁干扰。 解决了在蒸馏水到达指定液面高度时, 水面上的波动对电压输出的影响。所以, 该装置的特点是: 光接触液体控制精度高, 指定液位高度设置灵活, 抗干扰能力强。故此检测装置是一种非常实用液位测控装置。3.6.5电动调节阀的选用选用ZKZP型调节阀。主要技术参数：输入信号0-10mA，输入电阻200，输入通道：5个，基本误差2.5%，电源电压：220V 5060Hz，调节阀流通能力偏差10%。主要功能(1) 符合现场总线协议: 具有HART 协议功能。(2) 具有控制功能:可实现PID 调节及伺服放大功能,与变送器可直接构成控制回路,具有上、下限位,上、下限幅,报警功能,执行机构正作用、反作用控制功能。(3) 具有机械限位和电气限位双重保护功能。(4) 带温度报警功能。(5) 安全性能选择:通信切断或出现故障时,阀的开度有全开、全闭、原位三种形式供选择。(6) 通信功能:通过通信可对仪表的参数、工作状态进行远程设置及监控,借助手持终端,可实现现场设置,修改工作参数。(7) 可互操作性:与同类型HART 协议的任何产品可互换,不影响其通信功能。(8) 运算功能:对输入信号可进行开方、滤波运算。(9) 阀门流量特性补偿功能。(10) 自诊断保护功能:能诊断输入信号或反馈信号断线、驱动电机异常、电气控制腔内温度超温等故障,并能根据不同的故障原因,采取相应的保护措施。(11) 记忆功能:仪表掉电后,其内部所有资料保存不变,电源恢复后,仪表能正常工作。3 特点分析(1) 仪表的性能由于采用了先进的计算机及现场总线技术,使仪表的性能大大提高,同时对仪表进行了隔爆设计,使其适用范围扩大到化工、石油、医药等领域。基本误差: 1. 5 %回差: 1 %死区:0. 5 %1. 5 %防护性:户外型为IP65 ,隔爆型为d BT4以上数据显示,现有调节阀比以前的产品提高了14 个百分点,特别是死区由原来的2 %6 %提高到0. 5 %1. 5 %。由于死区是衡量调节阀性能的关键指标,死区的减小,调节阀响应时间变短,控制对象可调范围变小,大大减小控制的过程偏离度,使控制对象参数始终限制在平均值上下最小范围内而不产生振荡。(2) 一体化设计一体化设计大大减少了控制系统的中间环节,可直接与变送器配用,组成各种调节系统。取消调节器、放大器等中间环节,降低了成本,减少仪表间复杂的配线电缆,只需寥寥无几的现场总线电缆。从电源角度看,原有系统每一台仪表需配一个电源,能耗大,而一体化调节阀只需一个电源,功耗又低,大大降低了能源。 第四章 专家控制算法常规控制理论的迅速发展为控制系统设计提供了许多方法，但是它们都建立在被控对象精确的数学模型基础之上，这对许多许多工程实际问题而言无疑是个难以满足的要求，因为实际的受控对象往往是复杂、具有非线性和不确定性的，建立其精确的数学模型是非常困难或是不可能的。其中，常规的先进控制方法，例如鲁棒控制和自适应控制，通过在建模时事先考虑到不确定性或者不断在线辨识对象模型，能够在某些情况下解决一定程度的不确定性问题，但是由于方法复杂，计算量大，它们的应用受到限制。人工智能中的专家系统技术为处理工程实际问题提供了有效的方法。通过专家系统技术，无论是文档式知识还是实际经验都能被成功加以应用。专家系统技术在控制系统设计、故障检测、仿真、建模和辨识，到实时性能监测、自适应和自整定，以及监督控制等自动控制领域得到成功的应用。在许多常规控制理论不能奏效的场合，例如化工、冶金等工业过程控制，专家控制显示了它的优越性。4.1专家控制系统的概念和特征专家系统是一种计算机程序，它通过模拟人类专家的推理过程和知识，能以人类专家的水平解决问题。专家系统技术使我们能够把数学算法和控制工程师的操作经验融合到一起，可以最大限度地利用已有知识达到传统控制方式难以取得的控制效果。在过程控制中应用专家系统技术的一个主要目标是扩展常规控制系统的功能，例如自动整定和自适应，减少传统控制系统的计算负担，处理大量的传感器数据和不确定性信息，从而使常规系统变得简单而且具有自适应能力。专家控制系统的关键是通过基于知识结构的启发式逻辑的应用，使其比常规控制系统更灵活，更容易适应情况的变化。不能将专家控制系统简单地看作是带有实时功能的常规专家系统应用于动态控制环境。几乎所有现有的专家系统，包括设计、诊断、规划以及修复专家系统，其主要任务是完成一种咨询工作被询问时提供适当的信息。专家系统通常运行在非实时环境下，而专家控制系统则运行在连续的实时环境之中，它使用实时信息处理方式监控系统的动态性能，并给出适当的控制作用，使系统保持良好的运行状态。由于其实时性的要求，专家控制系统的结构和推理机制不可能像常规专家系统那样复杂。专家系统为了实现对复杂问题的求解，通常有庞大的知识库、强力的符号推理机制和解释机构；而专家控制系统通常只有一个较小的知识库。一个简单而有效的推理机构，既运用符号推理，也使用数学计算来完成实时控制。专家控制系统的响应时间必须足够快，以对工业过程进行控制和监督，当然，响应也只需足够快而不是尽量快，只要满足系统控制的实时需要就可，以免造成对推理机制和数值算法的速度的苛求和对实施硬件的过高投人。另外，专家系统的知识主要来自于经验和先验知识而专家控制系统对在线信息的学习和支配能力有着非常重要的作用。在实现方面，专家系统通常使用人工智能编程技术和语言，例如LISP和PROLOG，而专家控制系统为了加快执行速度，通常使用常规高级编程语言例如C、FORTRAN等。再之，专家系统通常具有较好的解释说明机构来说明系统的推理过程；相反，专家控制系统更多地注重实时操作、推理和决策，只给出少量的解释说明。在很多场合下专家控制系统只是引入了专家系统的思想，不必包含所有的专家系统的持征，例如透明性，但是它们必须体现先进控制系统的主要特性，例如实时控制和监督、可靠性和适应性等。更确切地说，专家控制系统是基于知识的智能控制系统。专家控制系统和专家系统之间的区别如表4.11所示。 表4.1 专家控制系统和专家系统的比较比较内容 专家控制系统 专家系统执行速度高速、实时操作低速，咨询为主知识库小巧而简单庞大而复杂知识来源专家经验和在线学习专门知识推理方式符号或数值推理，速度很快主要是启发式推理，功能强大但耗时长解释说明非常简略非常详尽实现方法常规语言人工智能语言与传统的先进控制系统相比，专家控制系统的基本特性是其基于知识的结构和处理不确定性问题的能力。尽管已经有许多方法来提高传统先进控制系统处理不确定性问题的能力、例如鲁棒控制、自适应控制等，但是它们仍然难以应用到工业过程中，这是因为传统先进控制系统采用的是纯粹的分析结构、线性和时不变约束，而且难以被用户理解。通过引入专家系统技术，专家控制系统具备了灵活性、可靠性和处理不完整或不确定信息的能力，可以进行预测、诊断错误、给出补救方案，并且监视其执行，以保证控制性能。传统先进控制方式和专家控制系统之间的主要区别如表4.2所示。 表4.2 专家控制系统和常规先进控制的比较比较内容专家控制系统 常规先进控制系统结构基于知识基于模型信息处理符号推理和数值计算数值计算知识来源文档或经验知识文档知识外界输入可以是不完整的必须是完整的搜索方式启发式或算术式算术式过程模型可以是不完整或定型的必须很准确维护与升级相当简单通常很困难解释说明可以提供一般没有执行方式启发式、逻辑式和算法式纯算法式用户感受使用简单使用困难 与传统控制相比，专家控制利用先验知识和在线信息，具备实时推理和决策的能力，能对时变系统、非线性系统和易受到各种干扰的受控过程给出有效的控制决策，并通过增加知识量来不断改善控制系统的性能，它能够取代熟练操作工人完成程序性任务，运行方便可靠。专家控制系统特别适合操作环境频繁或剧烈变化、在有限时间间隔内必须做出决策结果、需要专家经验或采用符号逻辑解决问题的场合，或者数学模型不存在或不充分的、结构不清楚的过程，以及用常规算法实现需很大计算量和高昂代价的复杂问题。 总之，可尝试性地给出以下定义： （1）专家控制(或基于知识的控制)是一类智能控制方法，它将专家系统技术同传统控制理论相结合，以实现对复杂、具有不确定性或病态过程的控制。 （2）专家控制系统是一类智能控制系统，它使用专家系统技术来解决解析模型不存在或不充分的困难的控制问题。 4.2 专家控制系统的分类尽管专家控制的发展时间不长，但是各种各样的专家控制系统已经在控制工程中得到了广泛应用。根据系统的结构和功能实现方法，专家控制系统可以被粗略地分为以下几类。4.2.1基于规则的专家整定和自适应控制器 基于规则的自整定控制器在过程控制中越来越常见。常规控制器的参数，例如PID，由控制工程师和装置操作员来确定，以IFTHENELSE规则形式储存在知识库中。当系统运行时，通过一个模式分类和辨识器获取过程的特征行为。推理机构根据调整规则和分类模式自动地调整控制器的参数，使系统的性能得到提高。基于规则的自整定控制器的结构如图4.1所示。 图4.1 基于规划的自整定控制器框图专家整定控制器提供了一个将实时控制算法(从简单的PID控制到自适应控制)和逻辑运算结合在一起的结构。给出了一种智能PID控制器，其中各种不同的控制算法，例如P、PI、PD和PID，控制参数都可以根据数据库和过程的分类进行选择和调整，例如根据死区时间和过程增益。基于规则的专家整定和自适应控制器已经被广泛地应用在过程控制工程中，它们可以很容易地用微处理器实现。算法和启发式推理的综合可以使编程和修改变得非常简单。这是实现智能过程控制的一种简单而有效的方式。4.2.2专家监督控制系统 把专家系统技术引入到控制系统的监督层是另外一种实现专家控制的常见方法。专家监督控制系统主要关心在线辨识、过程监测、故障校测和诊断。专家监督控制系统的结构通常包括个含有信号处理和常规控制算法的直接控制层，和一个含有知识库和推理机构的监督层，用来在线进行性能检测、故障检测和诊断。监督控制更注重于对系统的监督、目标优化、故障分析和诊断、紧急情况处理和决策。图4.2展示了一个专家监督控制系统的典型结构。 监督控制系统的决策是与主要扰动、技术故障、不合适的人工介入等情况相联系的。很多任务可以由监督控制规划来完成，例如开机、关机、过程优化、故障诊断、误操作行为、始止时刻参数估计程序和报警操作等。 图4.2 专家监督控制系统框图专家监督控制系统是一种重要的基于知识的控制系统。他们通常被应用在流程工业和加工制造系统中，以获得高质量、低消耗，井进行故障诊断、紧急情况处理和危险预报等。4.2.3实时专家智能控制系统。 另一种实现专家控制的方法是使用知识工程方法，应用专家系统的设计规则和实理形式来构建一个实时专家智能控制系统(REICS)。REICS是一个具备了所有专家系统特性的典型实时专家系统例如它具备专家系统的模块化(灵活性)、启发式推理和透明性等。它还具备了一个控制系统所具备的特性，例如实时操作、可靠性和自适应等。REICS通常具有复杂的结构，拥有强力的推理能力和相对完备的功能。开发一个实时专家智能控制系统是一项非常困难的任务，因为必须满足闭环控制的苛刻要求，例如在线信息的处理、动态推理、在线自学习和知识提炼、过程监督以及用户的交互界面和解释说明。它由知识获取、知识库、知识库管理系统、系统参数数据库、实时推理机、信息预处理器、解释机制、控制算法集、数据通讯接口软件、人机接口、动态知识获取模块组成。REICS可用于一些难以获得精确数学模型的复杂工业过程的控制。4.3专家控制系统的基本思想和结构4.3.1专家控制的基本思想实际控制系统中存在的启发式逻辑本质上是实现控制目标的各种规律性的经验知识。这些经验知识难以用一般的数值形式表达，而适宜于用符号形式加以描述；再者，这些经验知识既不能简单地罗列，又难以用解析的方法综合，也必须给予恰当的组织，并且能够自动地进行推理。因此，专家控制系统必须建立起数学模型与知识模型相结合的广义知识模型，它的运行机制必须是包含数值算法在内的知识推理。人工智能中的专家系统技术为此类经验知识的表达和处理提供了有效的方法。4.3.2 专家控制的知识表示专家控制系统是基于知识的系统，可以把其涉及到的知识分为两类：一类是对象知识，其中一部分同于先验知识，例如控制问题类型、受控变量等，另一部分是属于系统运行时的动态知识，如参数变化和中间控制结果等；另一类是控制知识，其中一部分属于定量知识，即各种有关的解析算法，另一部分属于定性知识，即各种有关的经验原则等。知识表示方法有以下几种。(1) 产生式规则表示法 以此法为基础的知识库出大量的产生式规则组成，其规则的一般形式为： if条件1 and条件2and条件Nthen结论或动作 其中条件、动作或结论可以用自然语言或数学式表达。对于一些与时间无关的静态知识，可直接使用上述形式的规则表达。为了表达随时间变化的动态知识，可引入一个时间因子嵌入到规则的条件或结论部分中。带有时间因子的规则，可具有如下形式： 给定误差限then结论或操作用规则表示知识的优点是表达方式简单，与人类思维过程比较接近，容易理解。规则具有独立性，切含的知识量少，容易修改扩充。(2) 框架表示法 框架本身是一种表示定型状态的数据结构，其顶层是固 定的，表示某个固定的概念、对象或事件，其下层由一些称为槽的结构组成。每个槽可以按实际情况被定类型的实例或数据所填充(赋值)，所填写的内容称为槽值；每个槽可有若干个侧面；相互关联的若干个框架可以连接起来组成框架系统，以表示一个完整的知识。为了表示与时间相关的知识，利用框架的槽值可以是一个过程的特点，用附加的过程(一段程序)来描述时序性的知识，也可以在框架中设几个槽来定义与时间有关的属性，如时间格式、时间区间标记和时间值等。在基于框架的专家系统中可方便地进行默认推理，即在对框架的槽填值或接索时，如无特别说明，则默认框架的槽继承了父框架的相应槽值，并在此基础上作进一步的处理和推理，这样可以处理动态变化和干扰环境下不完整的数据输入。3)状态空间表示法 这是一种过程式知识表示法，它利用状态变量和操作来表示系统或问题的有关知识。状态空间可表示为三元组： 其中Ss表示初始状态集合，F表示操作集合，表示目标状态集合。由于状态空间表示中隐含了时间关系，即状态转移对应动作的执行顺序，可直接用来表示实时控制知识。利用状态空间表不法可较好地表达与时序有关的控制知识，利用图的存储及搜索技术进行问题的求解，提高系统的精度和灵活性。但随着知识量的增大，状态空间急剧增大，可能出现组合爆炸，需与其他方式共同使用。(4)混合表示法 混合表示法包括两种结合。框架与规则相结合。在规则中包含框架或框架中的槽值，即允许规则的项，如条件、结论等，是框架或框架的糟值，当以某种方式使这些框架匹配成功时，就认为该规则成立其规则的形式可表示为： if框架实例1 and 框架实例2then框架实例N 数学模型与基于规则的技术相结合。实时控制专家系统在知识库中不仅要存贮以规则形式表达的经验性知识，还必须吸收大量已成熟的数学模型和方法，在推理过程中把它们有机地结合起来。 (5)其他知识表达形式 人工智能技术所提供的其他知识表达形式，例如语义网络、谓词逻辑等等，都可以被应用到专家控制中的知识库的构建上，而人工智能技术也相应地提供了针对上述知识表达方式的推理方法。总的来说，把有关控制的知识分类组织，可以将专家控制的知识库分为数据库和规则库分别加以构造。数据库中包括静态数据和动态数据、系统的性能指标以及推导的中间过程的结论等等，这些知识通常用框架表示法来进行组织。而各种启发式推理逻辑构成规则库，其中的知识通常用产生式规则表示法加以描述。对知识的这种分类组织形式比较简单，被绝大多数的现有的专家控制系统所采用，能够满足基本的工程需要。4.3.2.1 专家控制的推理与控制策略专家控制的推理机制可以表示为如下模型： 其中，为控制器的输出作用集，为控制器的输入集，为系统的数据项集，为具体推理机构的输出集。依照产生式规则表达形式，f可被看作是一种智能算子，其基本形式为 If E and K then（if I then U)即根据输入信息和系统中的知识进行推理，然后根据推理结果输出相应的控制行为。这个智能算子可以根据不同的知识表达方法，选择不同的推理方式，应用不同的推理策略，有不同的具体表示形式。专家控制往往带有模糊性、不确定性和不完全性，因此专家控制的推理计算过程也要具备某种不确定性。通过将知识库中的知识赋予相应的可传度，在推理过程中完成可信度的转移和计算，可以得到带有可信度的推理结果。从这一意义上讲，推理的方式可以分为以下几种。(1)演绎推理 演绎推理是把前提所具备的可信度完全转移到结论上去。如果把领域知识表示成必然的因果关系，则按逻辑关系进行的推理所得的结论是肯定的。前提与结论具有相同的可信度。(2)归纳推理 归纳推理把前提所具有的可信度部分地转移到结论上去，从而推出一个比前提可信度低的结论。应用归纳推理可以从个别的事物和现象推出普遍性规律。(3)不确定性推理 针对不确定的事实，根据不充分的论据和不完全的知识进行推理，是在条件检索和执行推理的基础上加入对不确定性知识的处理。此外，由于实时性要求，实时控制专家系统往往还应同时具有时序推理、并行推理、非单调推理等其他推理功能。专家控制的推理策略主要有以下几种：（1）数据驱动控制策略，也称前向链控制，基于此策略的推理称为正向推理；（2）目标驱动控制策略，也称后向链控制，基于此策略的推理称为反向推理；（3）双向推理控制策略，正向推理与反向推理的综合。正向推理和反向推理是两种极端的推理方法，各有优缺点。正向推理可以充分利用用户已知的信息，但推理目的不明确；反向推理的目的性较强，但却不能充分利用用户已知的信息；双向推理则结合了两者的优点，先通过数据驱动帮助选择初始目标，然后用目标驱动求解这个目标。目前大多数实时控制专家系统采用正向推理策略，也有的采用了双向推理策略。4.3.3 专家控制系统的组织结构专家控制系统的一般结构如图4.3所示。 图4.3 专家控制系统的一般结构在这个结构图中，知识库独立于知识处理机构。由于其模块化结构，它非常灵活，很容易被扩展和修改。知识库存放着关于过程的特殊领域的知识、控制工程原理、控制专家与操作员的经验和各种解析算法，它是整个系统的基础。推理机构的任务是根据一系列推理规则，使用知识和在线信息推理得到问题解答。信息处理器的主要功能是处理在线信息，提出或识别信息特征，从而获得动态过程的当时状态和未来趋势，并且为知识库和推理机构的决策过程提供有用信息。学习子系统根据在线信息特征提取知识，从而提高解决问题的能力。知识获取于系统自动或半自动获得专家知识。解释机构向操作者提供推理的过程和结果。装置操作员可以通过使用界面向知识库输入指令，可以监测系统的操作状态。这种系统的组织结构有两个显著特点。（1）知识库可以由定量知识与定性知识分离构造。数值算法位于知识库的底层，直接与控制器相连接，以便得到快速的控制响应。而作为推理机制规则来源的各种定性知识处于较高的智能层次，实现以启发式逻辑推理为主的控制功能。（2）用户可以通过知识获取系统直接地与内部规则，进而间接地与数值算法进行交互，以便操作人员可以对控制系统进行离线的修改和在线的监督干预。以上是专家控制系统应具备的几大特征，而实际使用的专家控制系统只需在一定程度上具备这些功能。4.4专家系统结构设计与实现专家系统应用于蒸发领域，在国内尚处于起步阶段。随着医药用蒸馏水在国民经济各部门和人民生活中占据越来越重要发地位，如何提高蒸馏水生产系统的可靠性，系统发生故障时如何尽快找出并排除故障，已经成为目前的一大研究课题，因此将专家系统应用于蒸馏水机系统的程控具有重大的意义。蒸馏水机系统是一个比较复杂的系统，一般由蒸发器、冷凝器、节流装置、储罐系统等多个子系统组成。循环中含有水、蒸汽、杂质等几种物质，前两种物质是必需的，后面的物质是有害的，但又不可能绝对消除。整个热交换过程中还有汽相、液相、汽液混合这三种状态。一旦发生故障，其症兆、原因等就较复杂，概括起来具有如下几个特征：（1） 故障症兆复杂；（2） 故障原因复杂；（3） 故障症兆和原因之间关系复杂；（4） 系统的部分资料间无严格的逻辑和定量关系；（5） 系统内部不少参数不可测，且一般也不予测量；本节在研究人工智能、专家系统的基础上，结合蒸发过程领域的实际，开发设计了适用于蒸馏水程控的专家系统。 4.4.1 软件的设计与实现专家控制一般由知识库、推理机、人机接口这三部分组成，下面将分别介绍该专家系统在这三部分的实现。 图4.4 专家系统的结构4.4.2建立专家系统的知识库知识库是专家系统的核心部分，它包含有描述关系、现象、方法的规则以及在专家系统知识范围内解决问题的知识。知识库建立的完善程度直接影响到一个专家系统的质量及其能够发挥专家作用的能力。下面将对蒸发系统的控制规律进行具体的分析。蒸馏水机的专家系统的知识库就是要求给出各种情况下，系统需要进行怎样的控制。（1） 资料来源：通过收集蒸馏水机专家的现场经验，以及蒸馏水机系统的预算资料作为主要的资料来源。（2） 表达方式：本知识库使用产生式规则表达方式，也就是典型的IFTHEN形式，具有模块性，易于编写和从系统增删知识，便于知识库的维护，同时知识间联系较强，便于推理机检索。 例如： 规则 1 IF 入口主蒸汽压力低于0Mpa THEN 系统不工作； 规则 2 IF 入口主蒸汽压力高于0.6Mpa THEN 报警关机； 规则 3 IF 入口原料水的电导率大于20s/cm THEN关闭原料水阀门； 规则 4 IF 出口蒸馏水电导率低于0s/cm THEN作为不合格水排出； 规则 5 IF 出口蒸馏水的温度低于C THEN作为不合格水排出； 规则 6 IF 出口蒸馏水的温度高于C THEN作为不合格水排出； 规则 7 IF 一效水位过高 THEN 关小原料水阀门，加大蒸汽； 规则 8 IF一效水位过低 THEN 开大原料水阀门；知识库的建立过程是一个非常繁琐、复杂的过程。 4.4.3专家系统推理机的设计推理机是专家系统设计中的一个关键部分，它类似于人类专家解决实际问题的思维过程，推理机控制整个专家系统的运行。推理的控制策略主要是指推理方向的选择、推理时所使用的搜索策略及冲突解决策略等。推理方向用于确定推理的驱动方式。常用的推理方向主要有三种：a 正向推理，优点是拥护可主动提供信息； b 反向推理，优点是推理目的明确，便于推理过程的解释；c 双向推理，主要有正反向同时推理，单步正向全局反向推理等，但推理过程复杂。无论按哪种方式进行推理，一般都要求系统具有一个存放知识的知识库（KB）、一个存放事实的数据库和一个用于推理的推理机。在应用专家系统进行生产程控时，要求系统在发生经验情况时，能够迅速分析并推断出相应的解决方法，从而使生产顺利进行，为了实现这一目标，我们对本系统采用正向推理进行设计。正向推理机的工作流程如图5-2所示。推理时要反复用到知识库中的规则，而知识库中的规则有很多，这样就存在着如何在知识库中寻找可用规则的问题，即如何确定推理路线，使其付出的代价尽可能的少，而问题又能得到较好的解决。为了有效的控制规则的选取，可以采用适当的搜索策略。常用的搜索策略有状态控制搜索（宽度优先搜索、深度优先搜索、有界度优先搜索等）和启发式搜索。这里我们采用启发式搜索。 图4.5 正向推理工作流程图4.4.4人机接口设计人机借口是用户与专家系统交互的接口，专家系统从用户处获取推理过程中应知的信息，并且通过用户接口将结论提供给用户。该专家系统的人机接口方式采用了多窗口、汉化的方式，非常简洁明了，适用于不同层次的用户。 图4.6 人机接口结构 专家系统是目前人工智能领域中一个最活跃且最有成效的研究领域，随着医药用蒸馏水在国民经济各部门和人民生活中占据越来越重要的地位，将专家系统应用于蒸馏水机生产系统的程控具有十分重大的意义。 第五章 PID控制算法数字PID的控制算法PID控制是按比例（P）、积分（I）、微分（D）进行的控制，是多年来在工业中应用最为广泛的一种控制规律。它具有原理简单、易与实践、鲁棒性强和不需要精确知道数学模型等优点，能适应相当多的工业对象的控制要求。在用计算机实现PID控制时，不仅仅是简单的把PID控制规律数字化，而是与计算机的编程灵活性以及逻辑功能结合起来，使PID控制得到改进和发展，更加有效方便、灵活多样。PID控制是微型机控制系统中一种最常用的控制算法。5.1控制算法的确定5.1.1数学模型的建立该系统可以近似一个一阶惯性加纯滞后环节。其数学模型可表示为： （3-1）5.1.2控制算法PID调节是连续系统中技术最成熟的、应用最广泛的一种控制算方法。它结构灵活，不仅可以用常规的PID调节，而且可以根据系统的要求，采用各种PID的变型，如PI、PD控制及改进的PID控制等。它具有许多特点，如不需要求出数学模型、控制效果好等，特别是在微机控制系统中，对于时间常数比较大的被控制对象来说，数字PID完全可以代替模拟PID调节器，应用更加灵活，使用性更强。模拟PID控制规律为：（3-2）式中：称为偏差值，可作为温度调节器的输入信号，其中为给定值，为被测变量值：为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数；为调节器的输出控制电压信号。 因计算机只能处理数字信号，故上述数学方程式必须加以变换。设采样周期为T，第n此采样得到的输入偏差为en，调节器输出为un，则有： （微分用差分代替） （积分用求和代替） 这样，式（32）便可改写为： （3-3） 其中，为调节器第n次输出值；、分别为第n次和第n1次采样时刻的偏差值。由式可知，是全量值输出，每次的输出值都与执行机构的位置一一对应，所以称之为位置型PID算法。在这种位置型控制算法中，由于算式中存在累加项，因为输出的控制量不仅与本次偏差有关，还与过去历次采样偏差有关，使得产生大幅度变化，这样会引起系统冲击，甚至造成事故。所以在实际中当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是其增量时，可采用增量型PID算法。 （3-4） 当控制系统中的执行器为步进电机、电动调节阀、多圈电位器等具有保持历史位置的功能的这类装置时，一般均采用增量型PID控制算法。与位置算法相比，增量型PID算法有如下优点：位置型算式每次输出与整个过程状态字有关，计算式中要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累积计算误差；而在增量型算式中由于消去了积分项，从而可消除调节器的积分饱和，在精度不足时，计算误差对控制量的影响较小，容易取得较好的控制效果。为实现手动自动无忧切换，在切换瞬时，计算机的输出值应设置为原始阀门开度，若采用增量型算法，其输出对应与阀门位置的变化部分，即算式中不出现项，所以易于实现从手动到自动得的无忧动切换。采用增量型算法时所用的执行器本身都具有寄存作用，所以即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原位，不会对生产造成恶劣影响。正因为具有上述优点，在实际控制中，增量型算法要比位置算法应用更加广泛。利用增量型PID控制算法，可得到位置型PID控制算法的递推形式，即（3-5）5.1.3 PID参数的整定由于连续生产过程一般都有较大的时间常数，而微机控制系统的采样周期远远小于过程对象的时间常数，一次PID调节器参数的整定，完全可以参照模拟调节器的参数整定方法进行，最后在实践中加以调整，以得到比较理想的参数。模拟PID调节器参数的整定是按照工艺对过程性能的要求，确定调节器的参数、；而数学PID调节器参数的整定，除了需要确定、外，还需要确定系统的采样周期T。整定PID的方法有临界比例度法、扩充响应曲线法和试凑法整定PID法。本系统的参数整定采用扩充响应曲线法和试凑法相结合的方法，即先用扩充响应曲线法整定参数初值，再用试凑法微调，使系统的输出后达到控制要求。 扩充临界比例度法整定PID参数扩充临界比例度法是在模拟PID调节器中使用的临界比例度为基础的一种数字PID调节器参数的整定方法。整定步骤如下：选择一个足够短的周期T，例如被控制过程有纯滞后时，采样周期T取滞后时间的1/10以下，此时调节器只作纯比例控制，给定值r作阶跃输入。逐渐加大比例系数、使控制系统出现临界振荡。由临界振荡过程求得相应的临界振荡周期Ts，并记下此时的比例系数，将
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