【正文】 ）變化而變化，且在大范圍內(nèi)有線(xiàn)性關(guān)系，如圖 31 所示。這樣，微機(jī)根據(jù)變化后的反饋控制輸出數(shù)據(jù)即可按一定關(guān)系計(jì)算出被測(cè)濃度 ]9[ 。 圖 33 內(nèi)旋式變送器的轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu) 8 圖 34等效慣量，阻尼系統(tǒng)和彈簧系統(tǒng) 經(jīng)以上分析可知，內(nèi)旋式濃度變送器的機(jī)械可動(dòng)部分（即測(cè)量軸和驅(qū)動(dòng)軸等）為一振蕩環(huán)節(jié) ；敏感元件部分，光電分度盤(pán)部分及二次儀表的檢測(cè)部分，電磁鐵反饋部分均為比例環(huán)節(jié)；而二次儀表部分的微機(jī)控制方式可按照 P， I， PI， PID 等幾種方式進(jìn)行，根據(jù)仿真結(jié)果分析，便可確定一種最佳控制方式。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以將來(lái)自調(diào)節(jié)器的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成位移輸出信號(hào)，去控制閥門(mén)的開(kāi)度，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出軸就朝著減少這個(gè)偏差磁勢(shì)的方向運(yùn)轉(zhuǎn)，直到位置反饋信號(hào)和輸出信號(hào)相等為止，此時(shí)輸出軸就穩(wěn)定在與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)的位置上。再簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，只用一個(gè)輸入通道和一個(gè)反饋通道。執(zhí)行器由電動(dòng)機(jī)、減速器。 圖 37 伺服放大器的原理圖 10 位置發(fā)送器是將執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸的位移轉(zhuǎn)變成 0~10mA DC 或著（ 4~20mA DC）或著（ 4~20mA DC）反饋信號(hào)的裝置，它的主要部分是差動(dòng)變送器。 信號(hào) scU~ 經(jīng)過(guò)整流、濾波電路可以得到 0~10mA 或著（ 4~20mA ）的直流信號(hào)，它的大小與執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出位移相對(duì)應(yīng)，這個(gè)信號(hào)被反饋到伺服放大器的輸入端，以與輸入信號(hào)相比較 ]5[ 。 調(diào)節(jié)閥的理想流量特性主要由直線(xiàn)，等百分比，拋物線(xiàn)，及快開(kāi)四種理想流量特性。因此可以根據(jù)流量系數(shù) C 值可以確定調(diào)節(jié)閥的公稱(chēng)直徑 DN。 F = cppV / 。為拋棄傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)的束縛，適應(yīng)白熱化的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)要求， 1968 年美國(guó)通用汽車(chē)公司（ GM）要求制造商為其裝配線(xiàn)提供一種新型的通用程序控制器并提出了十項(xiàng)招標(biāo)指標(biāo)。不僅控制功能增強(qiáng)，功耗、體積減少，成本下降，可靠性提高，編程和故障檢測(cè)更為靈活方便，而且遠(yuǎn)程 I/O 和通 訊網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)處理以及圖像顯示也有了長(zhǎng)足的發(fā)展，所有這些已經(jīng)使 PLC 應(yīng)用于連續(xù)生產(chǎn)的過(guò)程控制系統(tǒng)，使之稱(chēng)為今天自動(dòng)化技術(shù)的三大支柱之一。而有關(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)系統(tǒng)連成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則 設(shè)計(jì)。所以 PLC 具有較高的抗干擾能力。除了邏輯處理能力外，現(xiàn)在PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。他接口容易，編程語(yǔ)言易于為工程技術(shù)人員所接受。 PLC 用存儲(chǔ)邏輯代替接線(xiàn)邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線(xiàn)，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來(lái)。 PLC 體積小質(zhì)量輕，便于安裝。 PLC 的結(jié)構(gòu)框圖如圖 39所示。 S7200 PLC 硬件系統(tǒng)的配置方式采用整體式加積木式，即主機(jī)中包含一定數(shù)量的I/O點(diǎn)，同時(shí)還可以擴(kuò)展 I/O 模塊和各種功能模塊。 在本設(shè)計(jì)中采用的是 CPU 224 XP CN，它具有 14 個(gè)數(shù)字量輸入， 10 個(gè)數(shù)字量輸出，2路模擬量輸入， 1 路模擬量輸出，最大可以擴(kuò)展 7 個(gè) I/O 模塊。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。 在微分控制 (D)中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 在紙漿濃度控制系統(tǒng)中由于具有滯后性，故選用比例積分微分（ PID）調(diào)節(jié)規(guī)律。 dT —— 微分系數(shù) D。故可利用 PLC中的 PID指令實(shí)現(xiàn)位置式 PID 控制算法量。其離散化的規(guī)律如表 41所示： 16 表 41 模擬與離散形式 模擬形式 離散化形式 )()()( tctrte ?? )()()( nrne ?? dTtde)( T nene )1()( ?? ?t dtte0 )( ?? ?? ? nini ieTTie 00 )()( 所以 PID輸出經(jīng)過(guò)離散化后，它的輸出方程為 : ? ?000)()()()1()()()()(unununuuneneTTieTTneKnudiPnidiP??????????? ????? ?? （式 43） 式中， )()( neKnu PP ? 稱(chēng)為比例項(xiàng)； ???niipi ieTTKnu0 )()( 稱(chēng)為積分項(xiàng)； ? ?)1()()( ??? neneTTKnu dpd 稱(chēng)為微分項(xiàng)； 上式中，積分 項(xiàng) ??ni e1 i)( 是包括第一個(gè)采樣周期到當(dāng)前采樣周期的所有誤差的累積值。 Kp —— 比例系數(shù) P。避免較大的誤差出現(xiàn)，微分控制不能消除余差。 在積分控制 (I)中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分 成正比關(guān)系。人們?cè)趹?yīng)用的過(guò)程中積累了許多的經(jīng)驗(yàn)， PID 的研究已經(jīng)到達(dá)一個(gè)比較高的程度。 編程器等外部設(shè)備 中央處理單元（ CPU） 輸 輸 入 出 接 用戶(hù)程序存儲(chǔ)器 接 口 口 系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器 電源部件 14 圖 310 PLC的配置 內(nèi)部資源： PLC 內(nèi)部元器件是相互獨(dú)立的，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)為每一種元器件分配一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域。特別是S7200 CPU 22* 系列 PLC，由于它具有多種功能模塊和人機(jī)界面（ HMI）可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，并且很容易地組成 PLC 網(wǎng)絡(luò)。如內(nèi)部工作狀態(tài)、通訊狀態(tài)、 I/O 點(diǎn)狀態(tài)、異常狀態(tài)和電源狀態(tài)等，對(duì)此均有醒目的指示，非常有利于運(yùn)行和維護(hù)人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視。并且具有強(qiáng)制和仿真的功能，故程序的設(shè)計(jì)、修改和調(diào)試都很方便。這些都為不熟悉電子電路、不定計(jì)算機(jī)原理和匯編語(yǔ)言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開(kāi)了方便之門(mén)。 3，變成方便，易于使用。 PLC 發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾、電源波動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)、溫度和濕度的變化，都可以導(dǎo)致一般通用微機(jī)不能正常工作。它是一種專(zhuān)為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)。當(dāng)時(shí)人們把它稱(chēng)為可編程邏輯控制器 PLC（ Programmable Logic Controller），主要用來(lái)取代繼電接觸器邏輯控制，系統(tǒng)功能僅限于執(zhí)行繼電器邏輯，計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)等。 12 PLC 以及 Simens 公司的 S7200 簡(jiǎn)介 PLC 的產(chǎn)生、定義和特點(diǎn) PLC 的產(chǎn)生：由于傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)設(shè)備體積大，可靠性差，動(dòng)作速度慢，功能少，難以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制，特別由于它是靠硬件連線(xiàn)邏輯構(gòu)成的系統(tǒng)，接線(xiàn)復(fù)雜，當(dāng) 生產(chǎn)工藝或?qū)ο笮枰淖儠r(shí)，原有的接線(xiàn)和控制盤(pán)（柜）就要更換，所以通用性和靈活性較差，因而不能完成復(fù)雜的控制方式。本設(shè)計(jì)中采用流量系數(shù) C值的計(jì)算公式計(jì)算。 調(diào)節(jié)閥的選型主要包括閥的口徑選擇、形式選擇、閥的固有流量特性的選擇以及閥門(mén)的材質(zhì)選擇。根據(jù)工藝選擇的是常溫蝶閥。 左邊加上交流穩(wěn)壓電源，則右邊會(huì)感應(yīng)出 ~1U 、 ~2U。伺服電動(dòng)機(jī)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力裝置，它將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能以對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)做功。兩個(gè)觸發(fā)器是將前置級(jí)的輸出不同極性的電壓變成觸發(fā)脈沖，分別觸發(fā) SCR1 和 SCR2。 伺服放大器的原理如圖 37 所示，伺服放大器接受 4~20mA 直流電流信號(hào)，由前置級(jí)磁放大器 FC01，觸發(fā)器 FC02，交流可控硅開(kāi)關(guān) FC03，校正回路 FC04等部分組成。當(dāng)輸出端加入某一數(shù)值的輸入信號(hào)時(shí)，此輸入信號(hào)與來(lái)自執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置反饋信號(hào)在伺服放大器的前置級(jí)磁放大器中進(jìn)行磁勢(shì)的綜合與比較。由于未知變送器葉輪的具體尺寸，故模型只能做到此處。顯然，它是一個(gè)由圓盤(pán)、阻尼器和彈簧構(gòu)成的單自由度機(jī)械系統(tǒng)，其中敏感元件、轉(zhuǎn)軸和電磁鐵都有轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量；兩軸之間起密封連接作用的橡膠圈將產(chǎn)生彈簧的作用；支持測(cè)量軸運(yùn)動(dòng)的滾動(dòng)軸承有阻尼器作用，敏感元件與多相流介質(zhì)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生很強(qiáng)的阻尼作用。 圖 31 紙漿粘度與濃 度的關(guān)系 內(nèi)旋式濃度變送器的結(jié)構(gòu) 內(nèi)旋式濃度變送器主要由敏感元件、機(jī)械部分 (測(cè)量軸，驅(qū)動(dòng)軸 )、光電分度盤(pán)、反饋機(jī)構(gòu)、電機(jī)、二次儀表等組成。在用力學(xué)法測(cè)濃度時(shí)，希望測(cè)量元件的阻力能反映出粘性動(dòng)力系數(shù)，因而設(shè)計(jì)測(cè)量元件時(shí)應(yīng)盡量減小元件在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的尾流，從而減小壓強(qiáng)阻力。我們討論的力學(xué)法測(cè)量濃度的測(cè)量元件和流體之間構(gòu)成的便是外部流動(dòng)。 6 第 3章 系統(tǒng)硬件選擇與設(shè)計(jì) 濃度變送器的原理 力學(xué)法濃度測(cè)量原理 內(nèi)旋式濃度變送器是基于力學(xué)法濃 度測(cè)量原理而制造出來(lái)的變送器。以下圖 21為紙漿濃度控制系統(tǒng)工藝流程圖： 圖 21 紙漿濃度控制工藝流程圖 系統(tǒng)各組成模塊及控制方框圖 紙漿濃度控制系統(tǒng)包括：檢測(cè)變送器，控制器，執(zhí)行器。 4 第 2 章 總體技術(shù)方案 紙漿濃度工藝描述及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 制漿造紙生產(chǎn)是一個(gè)十分復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程系統(tǒng)，也是當(dāng)前我國(guó)自動(dòng)化程度較高的制造行業(yè)之一，其大體由制漿和造紙兩個(gè)過(guò)程組成。 對(duì)紙漿濃度控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件選型，并完成了硬件電路的連接。對(duì)得到的偏差按 PID 算法進(jìn)行計(jì)算，以此調(diào)節(jié)白水入口電動(dòng)閥的開(kāi)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)紙漿濃度的調(diào)節(jié)。 研究的意義 在制漿造紙生產(chǎn)過(guò)程中，穩(wěn)定地調(diào)節(jié)紙漿濃度是實(shí)現(xiàn)工藝目 標(biāo)，達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，減少污染和能耗的一個(gè)重要因素。 第三章主要確定了系統(tǒng)各個(gè)硬件的選型，硬件的使用，以及硬件的連接電路圖。因此，近年來(lái)控制專(zhuān)家提出了專(zhuān)家 PID 控制，人工神經(jīng)網(wǎng)路 PID 控制等等。 增強(qiáng)外部故障的檢測(cè)與處理能力。內(nèi)旋式紙漿濃度變送器是一種閉環(huán)儀表，雖然結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜造價(jià)成本高，但其測(cè)量精度、靈敏度、穩(wěn)定性都很高，適合用于計(jì)量等需要高精度的場(chǎng)合。 這其中力學(xué)法（也叫機(jī)械法）是目前能很好的應(yīng)用在工程中的在線(xiàn)測(cè)量?jī)上嗔鳚舛鹊姆椒?。因此，無(wú)論紙機(jī)車(chē)速、干燥等其余指標(biāo)控制的再好，也會(huì)造成紙定量不斷波動(dòng)，質(zhì)量大幅度下降。造紙生產(chǎn)工藝一般包括三個(gè)工序：備料、制漿和抄紙，其中在制漿和抄紙過(guò)程中都需要用水稀釋原漿。此外，本設(shè)計(jì)中還采用了工控組態(tài)軟件 MCGS 建立了人機(jī)界面用來(lái)對(duì)紙漿濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。 在本設(shè)計(jì)中控制器采用的是西門(mén)子公司的 S7200系列產(chǎn)品。在造紙行業(yè)中，紙漿濃度是一項(xiàng)重要的參數(shù)，對(duì)紙張的質(zhì)量有著很大的影響。 目前， PLC 在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵，石油，化工，電 力，建材，機(jī)械制造，汽車(chē)，輕紡，交通運(yùn)輸，環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)。 本設(shè)計(jì)方案是使用內(nèi) 旋式紙漿濃度變送器測(cè)量實(shí)際紙漿濃度，將濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換成420mA 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，然后通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換后反饋到控制器，與給定值進(jìn)行比較，得到偏差。為此本人設(shè)計(jì)了一基于 S7200PLC 的紙漿濃度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)紙漿濃度，并與