【正文】 圖 53 SIMULINK 中紙漿濃度控制系統(tǒng)的系統(tǒng)模 型 .......................................................23 圖 54 階躍響應(yīng)曲線 ............................................................................................................24 圖 61 系統(tǒng)人機(jī)界面 ............................................................................................................26 圖 62 定義數(shù)據(jù)變量 ............................................................................................................26 圖 63 動(dòng)畫組態(tài)屬性設(shè)置 ....................................................................................................27 圖 64 定義通道的類型與地址 ............................................................................................28 圖 65 通道連接 ....................................................................................................................28 VI 表格清單 表 31 PLC 的 I/O 分配 ........................................................................................................14 表 41 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律的模擬與離散形式 ............................................................................16 表 42 內(nèi)存地址分配 ...........................................................................................................18 表 43 PID 指 令回路表 ........................................................................................................19 1 引 言 現(xiàn)今，中國已成為世界造紙產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國和主要消費(fèi)國，同時(shí)也是世界造紙產(chǎn)品的主要進(jìn)口國。本文正是基于以上問題，設(shè)計(jì)了一種基于西門子 PLC S7200 的自動(dòng)控制系統(tǒng)用來控制和穩(wěn)定紙漿的濃度。執(zhí)行器采用的是電動(dòng)執(zhí)行器來控制閥門的開度，以調(diào)節(jié)稀釋白水的進(jìn)水量，進(jìn)而用以控制紙漿濃度。紙漿濃度是指在一定重量 (或體積 )纖維的懸浮液中，絕干纖維的百分比含量。例如：在造紙機(jī)抄前成漿池內(nèi)，紙漿濃度總是在不 斷變化。 紙漿濃度變送器的發(fā)展趨勢 目前，國內(nèi)外有些廠家和院校針對不同兩相流的在線濃度測量對象研究出了多種不同的測量方法，主要有：用γ射線法、用阻抗法、密度法、電容法、流動(dòng)成像法、超聲波法、光學(xué)法和力學(xué)法。這其中又以動(dòng)刀式產(chǎn)品的性價(jià)比最高，但其只是中檔產(chǎn)品，不適合用于生產(chǎn)過程中的計(jì)量和要求精度很高的場合。 PLC 大力開發(fā)智能模塊，加強(qiáng)聯(lián)網(wǎng)通訊能力。間單地說，也就是調(diào)節(jié)緩慢、抗干擾能力弱、穩(wěn)定性差等。 第二章主要確定了系統(tǒng)的總體技術(shù)方案，介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，控制方框圖，介紹了各模塊的功能。 第六章對全文進(jìn)行了總結(jié)。 設(shè)計(jì)思路 本設(shè)計(jì)使用內(nèi)旋式紙漿濃度變送器測量實(shí)際紙漿濃度，將濃度信號轉(zhuǎn)換成 420mA標(biāo)準(zhǔn)信號，然后通過 A/D 轉(zhuǎn)換后反饋到 PLC 控制器，與給定值進(jìn)行比較，得到偏差。 熟悉西門子 PLC S7200 系列的基本構(gòu)成，工作原理。 完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）正文的編寫，對自 己的設(shè)計(jì)進(jìn)行了完整的闡述。在本文中我們只關(guān)注紙漿濃度調(diào)節(jié)部分。 由于第一種方案中存在動(dòng)刀式變送器的檢測精度不高，單片機(jī)的可靠性不高，容易出現(xiàn)故障，編程復(fù)雜等缺點(diǎn)，故本設(shè)計(jì)中采用了第二種方案，及使用精度較高的內(nèi)旋式濃度變送器和可靠性較高并且使用方便的 PLC 來控制。當(dāng)固體在流體中相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體經(jīng)過固體表面之間的流體邊界層，集中了全部的阻力，這種情況是流體圍繞固體流動(dòng)，通常稱為外部流動(dòng)。粘性摩擦阻力主要由粘性剪切力產(chǎn)生，與流體的粘性動(dòng)力系數(shù)相關(guān)，而壓強(qiáng)阻力主要與固件的外形和流體的流態(tài)相關(guān)。由紙漿粘度與濃度的關(guān)系可以確定：紙漿濃度在 ％ 5％之間變化時(shí)，其粘度與濃度成線性變化關(guān)系，在此范圍內(nèi)只要能測量得到其粘度，即可求得濃度 ]9[ 。 內(nèi)旋式變送器的數(shù)學(xué)模型 將其機(jī)械部分的可動(dòng)部分從變送器中分離，即可得圖 33 所示形式的機(jī)構(gòu)。故系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可簡化為如圖 所示： 圖 35 內(nèi)旋式變送器的結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算主要集中在振蕩環(huán)節(jié)，主要包括等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 sJ ，彈性剛度 sk ，等效阻尼系數(shù) sD 的求取和一些比例系數(shù)的計(jì)算。圖 36為電動(dòng)執(zhí)行器原理方 框圖： sss KSDSJ ??21 1k 2k 微機(jī) 控制 方式 3k fk 9 圖 36電動(dòng)執(zhí)行器的原理圖 當(dāng)伺服放大器輸入為 4mA直流電流信號時(shí)，放大器沒有輸出，電機(jī)停轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出抽穩(wěn)定在預(yù)選好的零位。圖中電動(dòng)操作器是利用手動(dòng)開關(guān)直接控制電機(jī)，使之正、反轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)對閥門的手動(dòng)控制。當(dāng)有信號輸入時(shí)，在磁放大器內(nèi)進(jìn)行綜合，比較，放大，然后輸出具有“正”或“負(fù)”極性的電壓信號。位置發(fā)送器三部分組成。 差動(dòng)變送器原理圖如圖 38。 圖 38 差動(dòng)變送器的原理圖 調(diào)節(jié)閥門的選擇及閥門流量特性 閥門的選擇：在本設(shè)計(jì)中調(diào)節(jié)閥門選用的是蝶閥，具有流阻小，流量系數(shù)大，結(jié)構(gòu)簡單，成本低等特點(diǎn)，但泄漏量大，適用于大口徑，大流量，低壓差的場合，也可以用于含少量纖維或懸浮顆粒介質(zhì)的流量調(diào)節(jié)。 11 再次選擇為等百分比流量特性的閥門。 對于流量系數(shù)的計(jì)算是選定調(diào)節(jié)閥的最主要的理論依據(jù)，但是其計(jì)算方法目前國內(nèi)外尚未統(tǒng)一。 )( 12 VFL pFpFp ??? )(/10 12 VFLVL pFpFqC ?? ? 計(jì)算出閥門流量系數(shù)后，即可通過以下公式計(jì)算出調(diào)節(jié)閥的流通面積； ??AC? (式 32） 式中 ? 為與單位制有關(guān)的常數(shù)； ? 為阻力系數(shù)； 通過流通面積 A即可計(jì)算出閥口直徑 ]5[ 。 1969 年美國數(shù)據(jù)設(shè)備公司 (DEC)根據(jù)上述要求，研制開發(fā)出世界上第一臺(tái)可編程控制器，并在 GM 公司汽車生產(chǎn)線上首次應(yīng)用成功。 PLC 的定義：可編程控制器，簡稱 PLC，是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。 PLC 的特點(diǎn)： 1，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。 2，配套齊全， 通用性強(qiáng)，功能完善。近年來 PLC 的功能單元大量涌現(xiàn)，使 PLC通訊能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用 PLC 組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。梯形圖語言的圖形符號與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用 PLC 少量開關(guān) 量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。更 13 重要的是，它使同一設(shè)備依靠改變程序來改變生產(chǎn)過程成為可能。 PLC 的輸入/輸出 系統(tǒng)能夠直觀地反映現(xiàn)場信號的變化狀態(tài)，還能通過各種方式直觀地反映控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。 圖 39 PLC的系統(tǒng)組成 S7200 系列 PLC 的硬件系統(tǒng)及內(nèi)部資源 硬件系統(tǒng)： S7200 PLC 是德國西門子公司生產(chǎn)的一種小型 PLC，其許多功能達(dá)到大、中型 PLC的水平，而價(jià)格卻和小型 PLC 一樣，因此，它已經(jīng)推出，即受到了廣泛的關(guān)注。一個(gè)實(shí)際的 S7200 控制系統(tǒng)可由多個(gè)模塊化的組件和設(shè)備組成，系統(tǒng)組成如圖 310所示。 S7200 CPU 224XP CN 的 I/O 口分配 表 31 PLC 的 I/O 分配 地址 名稱 功能 啟動(dòng)按扭 按下開關(guān)，設(shè)備開始運(yùn)行 開關(guān)按鈕 按下開關(guān)，設(shè)備停止運(yùn)行 保護(hù)按鈕 按下開關(guān)，終止所有設(shè)備 運(yùn)行燈 燈亮表示設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài) 停止燈 燈亮表示設(shè)備處于停止?fàn)顟B(tài) 濃度狀態(tài)指示燈（正常） 燈亮表示濃度在正常范圍內(nèi) 濃度狀態(tài)指示燈（超限） 燈兩表示濃度過高 固態(tài)繼電器 用來控制紙漿泵的啟停 編程工具 CPU 主機(jī) 人機(jī)界面 通訊設(shè)備 擴(kuò)展 模塊 功能 模塊 15 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 控制算法描述 模擬量閉環(huán)控制較好的方法之一是 PID控制， PID在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有 60多年，現(xiàn)在依然廣泛地被應(yīng)用。其特點(diǎn)是具有快速反應(yīng)，控制及時(shí)，但不能消除余差。微分控制具有超前作用，它能預(yù)測誤差變化的趨勢。 其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下： ?????? ??? ? tdiP dttdeTdtteTteKtu0)()(1)()( （式 41） 上式中 , )(tu —— PID 回路的輸出 。 PID 調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù)為： ?????? ???? STSTKSE SUSDdiP 11)( )()( （式 42） 數(shù)字計(jì)算機(jī)處理這個(gè)函數(shù)關(guān)系式，必須將連續(xù)函數(shù)離散化，對偏差周期采樣后，計(jì)算機(jī)輸出值。 17 程序設(shè)計(jì) 程序流程圖 主程序 子程序 0 , 粗調(diào) 返回 細(xì)調(diào) 濃度 =？ 初始化 調(diào)節(jié)電動(dòng)閥 調(diào)用子程序 0 調(diào)用子程序 1 每 10S 調(diào)用一次子程序 2 初始化運(yùn)行指示燈 =？ 初始化高低限指示燈 運(yùn)行 PLC 18 子程序 1 子程序 2