【正文】 S7200系列是一種可編程 序邏輯 控制 器 (Micro PLC)。 PLC 在每次掃描中，對輸入信號采樣一次，對輸出刷新一次。 南京工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 PLC 程序執(zhí)行過程 在程序執(zhí)行階段， PLC 對程序按順序進行掃描。 順序掃描的工作方式簡單直觀，它簡化了程序的設(shè)計，并為 PLC 的可靠運行提供了非常有理的保證。 PLC 的基本工作原理 掃描 PLC 是一種存貯程序控制器，用戶根據(jù)某一具體的控制要求，編制好程序后，用編程器鍵入到 PLC 的用戶程序存貯器中寄存。 2) 位置控制 大多數(shù)的 PLC 制造商，目前都提供拖動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊，這一功能可廣泛用于各種機械。由 一臺計算機和若干臺 PLC 可以構(gòu)成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統(tǒng)，以完成較大規(guī)模的復(fù)雜控制。計數(shù)器的計數(shù)值可以由用戶在編 程時設(shè)定，也可以用撥盤開關(guān)來設(shè)定。 近年來， PLC 把自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)融為一體。智能電耳傳感器檢測的磨音信號、提升機智能功率變送器檢測的電機功率信號以及沖板沖量計檢測粗粉的回流量，送入 PLC ，并上傳到計算機，由計算機調(diào)節(jié)總喂料量，使提升機功率保持設(shè)定值；電耳信號作為監(jiān)控 輔助信號，修正提升機功率的設(shè)定值，并控制各喂料控制裝置，用以保證總喂料量在一定范圍內(nèi)變化時，使喂料比率不變?？刂茀?shù)可由計算機設(shè)定，也可由系統(tǒng)自動校正。 3）傳感器和信號配電器 本系統(tǒng)所使用的傳感器不多，有溫度傳感器、壓力傳感器、速度傳感器、音量傳感器。選用的模塊有： SM321 DI 32*DC24V， SM322 DI 16*DC24V， SM332 AO 4*12BIT， SM331 AI 8*12BIT ， SM314 CPU。 2) 配料稱重系統(tǒng)：將現(xiàn)有斗式配料稱重系統(tǒng)更換為高性能、靜音式變頻調(diào)速皮帶秤，以實現(xiàn)給料的精確計量，為磨機負(fù)荷最優(yōu)控制提供可信度較高的數(shù)據(jù)，又可實現(xiàn)工人勞動環(huán)境的改善。預(yù)警后方可執(zhí)行起車、停車等工藝流程操作。流程結(jié)束發(fā)出停止命令后，設(shè)備按順物流方向停機。 關(guān)鍵技術(shù)路線 建立集散式計算機控制系統(tǒng) 水泥磨生產(chǎn)線采用以西門子 PLC、工業(yè)控制計算機等為主 ,構(gòu)成具有高可靠性、當(dāng)今較先進的集散式計算機控制系統(tǒng)實現(xiàn)生產(chǎn)過程控制。 控制設(shè)計思路 鑒于以上控制要求，我們對系統(tǒng)的控制設(shè)計思路如下：就一臺設(shè)備而言，每臺設(shè)備的電機設(shè)有兩種啟動方式：機旁就地控制（手動 a）和中控室集中控制（自動 c），個別重要設(shè)備還設(shè)置了控制柜手動停止按鈕，如磨機等。要實現(xiàn)磨機負(fù)荷自動控制，一般采用提升機功率、磨音、粗粉（或細(xì)粉）回粉量等能反映磨機負(fù)荷狀態(tài)的控制方法。正是在這個背景下，我們引用計算機技術(shù)完成了水泥廠水泥磨系統(tǒng)的設(shè)計和安裝調(diào)試運行。將模糊控制用于PLC 水泥廠磨機自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)磨料的自動配比，以更好的完成水泥生產(chǎn)任務(wù)，提高生產(chǎn)質(zhì)量。 S7200 系列小型 PLC (Micro PLC)可應(yīng)用于各種自動化系統(tǒng)。然而，除一些大型水泥廠投資額充足外，大多數(shù)中小型水泥廠在建廠初期或改造時資金都很緊缺。 水泥粉磨是水泥生產(chǎn)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，水泥配料與磨機負(fù)荷控制效果是影響水泥產(chǎn)量質(zhì)量的關(guān)鍵，由于該生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣，工人操作勞動強度大，一般控制手段難以達到要求，容易造成水泥質(zhì)量不穩(wěn)定，設(shè)備運行安全系數(shù)小，水泥產(chǎn)量低。 [8] 南京工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 水泥磨改造原因 老式的控制系統(tǒng)由于入磨物料配比不穩(wěn)定和磨機負(fù)荷控制力度不夠，設(shè)備臺時產(chǎn)量偏低 ,不能有效實現(xiàn)產(chǎn)量質(zhì)量達標(biāo)。 現(xiàn)場的模擬量 (如溫度、流量等 )信號通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，經(jīng)信號變送 器接入 PLC 的模擬量輸入模塊，模擬量輸出模塊用來控制變頻器的頻率輸出信號，以控制電機的轉(zhuǎn)速。設(shè)備間啟動間隔應(yīng)略大于設(shè)備單機啟動時間，避免因兩臺大功率設(shè)備同時啟動，對電網(wǎng)產(chǎn)生過大沖擊。集中聯(lián)鎖邏輯控制為主要控制方式，現(xiàn)場就地手動控制為輔助控制方式。考慮到生產(chǎn)管理的要求，上位機控制系統(tǒng)可通過以太網(wǎng) (TCP/IP 協(xié)議 )向上傳送南京工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 生產(chǎn)數(shù)據(jù)，包括設(shè)備運行情況、故障情況、水泥儲存庫情況、產(chǎn)品產(chǎn)量等數(shù)據(jù)。 自動化控制系統(tǒng)組成 該系統(tǒng)硬件由上位機、控制柜、配電柜、檢測傳感器、現(xiàn)場操作開關(guān)等構(gòu)成分布式計算機控制系統(tǒng) (稱為 DCS 系統(tǒng) )。 現(xiàn)場控制柜室內(nèi)放置了 4 個機柜，兩個低壓柜和 PLC 柜、變頻柜。 [1] 系統(tǒng)主要功能 南京工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 機電設(shè)備啟停、儲庫料位信息采集顯示 機電 設(shè)備啟停均通過計算機，由 PLC 控制實現(xiàn)；儲庫料位使用雷達料位計，輸出 420mA 電流信號 ,并通過 PLC 接入計算機動態(tài)顯示其料位信息。 料位檢測、指示、報警回路。 PLC 的功能和應(yīng)用 PLC 功能介紹 PLC 可用于單臺機電設(shè)備的控制，也可用于生產(chǎn)流水線的控制。計時器的計時值可以在運行中被讀出，也可以在運行中被修改，使用靈活，操作方便。 5. A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換 有些 PLC 還具有 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換功能， 完成對模擬量的控制和調(diào)節(jié)。為調(diào)試和維護提供了方便。 6) 在計算機集成制造系統(tǒng)中的應(yīng)用 近年來，計算機集成制造系統(tǒng) CIMS 廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程中，一般的 CIMS 系統(tǒng)可劃分為六級子系統(tǒng)：現(xiàn)場級，包括各種設(shè)備；設(shè)備控制級，接受各種參數(shù)的檢測信號，按照要求的控制規(guī)律實現(xiàn)各種操作控制；過程控 制級，完成各種數(shù)學(xué)模型的建立，過程數(shù)據(jù)的采集處理；以上三級屬于生產(chǎn)控制級，也稱為 EIC 綜合控制系統(tǒng)，由此向上的四、五、六級分別為在線作業(yè)管理、計算和業(yè)務(wù)管理及長期經(jīng)營規(guī)劃管理，通稱為管理信息系統(tǒng)。掃描 是一種形象化的術(shù)語，用作描述CPU 是如何完成分配給它的各種任務(wù)的方式。 在輸入采樣階段， PLC 以掃描方式按順序?qū)⑺休斎攵说妮斎胄盘枲顟B(tài)讀入到輸入映象寄存器中寄存起來，稱為對輸入信號的采樣，或稱輸入刷新。此時，將 元素映像寄南京工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)轉(zhuǎn)存到輸出鎖存電路，再去驅(qū)動用戶輸出設(shè)備，這就是 PLC 的實際輸出。 ，由上一個工作周期的輸出刷新階段存入到輸出鎖存電路中的數(shù)據(jù)來確定。在下 載 了程 序之 后， S7200將保 留 所 需 的邏輯 ，用于 監(jiān) 控應(yīng)用程 序 中的輸入輸出設(shè)備。在所有 存儲區(qū) 中，只有 V、 M、定 時器 和 計數(shù)器存儲區(qū) 能被 組 態(tài)為保 持存儲區(qū) 。 3) 通訊處理器（ CP） 用于連接網(wǎng)絡(luò)和點對點連接。 1) DIN 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝 只需簡單地將模塊鉤在 DIN 標(biāo)準(zhǔn) 的安裝導(dǎo)軌上，轉(zhuǎn)動到位，然后用螺栓鎖緊。 6) 確定的安裝深度 所有的端子和連接器都在模塊上的凹 槽內(nèi)，并有端蓋保護，因此所有的模塊都有相同的安裝深度。 S7200 操作系統(tǒng)自動地處理數(shù)據(jù)的傳送。 南京工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 模糊自動控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模 糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機數(shù)字控制。然而，在許多情況下被控對象（或生產(chǎn)過程）的精確數(shù)學(xué)模型很難建立。在這樣的事實面前，人們又重新研究和考慮人的控制行為有什么特點，能否對于無法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型的對象讓計算機模擬人的思維方式，進行控制決策。因此，模糊控制系統(tǒng)的組成類同于一般的數(shù)字控制系統(tǒng)，其方框圖如圖 31 所示。傳感器在模糊控制系統(tǒng)中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影響整個控制系統(tǒng)的精度。 圖 模糊控制系統(tǒng)框圖 為了對被控對象施加精確的控制，還需要將模糊量 u 轉(zhuǎn)化為精確量，這一步驟在圖 32 框圖中稱為非模糊化處理（亦稱清晰化）。 2) 模糊真值，如“相當(dāng)真”，“很真”，“幾乎是假的”。在傳統(tǒng)專家系統(tǒng)中，觀察事實與規(guī)南京工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 35 則前件只允許精確匹配，不允許部分匹配，而在專家系統(tǒng)中則允許部分匹配，這就使得它與傳統(tǒng)邏輯系統(tǒng)有本質(zhì)的不同，即模糊邏輯可以提供一種近似和相似的推理機制，而前者僅提供了一種精確推理機制。它的基本思想是： 先求出規(guī)則“ IF X is A THEN Y is B”中 A 和 B 的確定關(guān)系，然后再 將這個關(guān)系（是一個二元關(guān)系）與觀察事實“ X is A’ ”中 的 A’ （為一元關(guān)系）進行合成： A and B are R A’ B’ =A’ ? R 由于 A 和 B 的關(guān)系 R 可有多種不同的表示方法（即有多種不同的模糊蘊 含算子），以及 A’ 和 R 之間的合成也可以采用不同的方法來計算，所以上式的 推導(dǎo)結(jié)果會有多種不同的形式。 5. 采用區(qū)間值模糊集來處理模糊推理問題。因此，從節(jié)能角度出發(fā)，對水泥粉磨負(fù)荷由人工操作實現(xiàn)自動控制，是提高水泥產(chǎn)量質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、增強產(chǎn)品競爭力以及取得良好經(jīng)濟效益的有效途徑。 南京工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 40 當(dāng)筒體旋轉(zhuǎn)時，裝在筒體內(nèi)的研磨介質(zhì)在摩擦力和離心力作用下，隨著筒體旋轉(zhuǎn)而被提升到一定高度，然后按一定線速度拋落，從而產(chǎn)生對筒內(nèi)被粉磨物料的沖擊、磨削和擠壓，使其粉碎磨細(xì)?？梢?，最佳工作點 F0 便是填充量 F 控制的期望值。由于回磨粗粉特性與提升機功率特性相似，故常以回磨粗粉特性近似代替提升機功率特性。另外，每臺磨機在相同測定條件下，都有自己的特征頻率，在該頻率上的聲強隨磨內(nèi)填充量變化最明顯，因此對不同的磨機都應(yīng)預(yù)先進行頻譜分析，確定出對磨內(nèi)填充量反應(yīng)最靈敏的特征頻率；背景噪音對磨音頻率的低頻段有明顯的影響，頻率越高影響越小，因此為了抑制鄰近磨機的干擾，宜選用較高頻率的聲強作為反映磨機負(fù)荷的信號。當(dāng)磨機內(nèi)的填充量較大而出磨水泥流量大時，提升機的功南京工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 45 率相應(yīng)就會加大，反之就會減小，而且這種關(guān)系比較穩(wěn)定。 模糊控制器的控制對象是皮帶秤，通過控制變頻器的頻率輸出來調(diào)節(jié)給料系統(tǒng)皮帶秤的電機，這樣便達到了控制入磨物料流量的目的。 控制效果 水泥磨在應(yīng)用了模糊自適應(yīng)控制改造方案后，試運行階段效果顯著，不僅使水泥的配料精度大大增加，提高了水泥的質(zhì)南京工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 48 量，而且使“空磨”和“飽磨”現(xiàn)象的發(fā)生減少了許多，這樣便降低了設(shè)備的維護費用，降低了水泥的生產(chǎn) 成本，使水泥的產(chǎn)量達到了一個新的水平。 高精度 Fuzzy 控制器的設(shè)計 基于 Fuzzy 控制器相當(dāng)于一種具有 PD 控制規(guī)律的控制器，由于其缺少積分作用，有時往往存在較大的穩(wěn)態(tài)誤差，甚至其輸出在設(shè)定點附近出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，故不易 滿足其在控制精度方面的要求。 控制思想 在水泥粉磨生產(chǎn)過程中，根據(jù)生產(chǎn)控制要求，磨尾提升機功率是一個重要的參數(shù)，一般的水泥粉磨控制都是引用此參數(shù)。 南京工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 44 我們選用的檢測磨音信號的設(shè)備是唐山生產(chǎn)的 MDEA 型磨音測量儀（俗稱電耳）。一般，硬度與濕度變大， 時滯 ? 與時間常數(shù) T 的量值將增加。這是因為在無自動控制條件下，當(dāng)填充量 F 一旦達到 FKR，由于特性M（ F）處在過極值點 FKR隨著 F 增加 M 反倒減少的不穩(wěn)定區(qū)段，磨機填充量會隨時間的推移自動增加，直到出現(xiàn)磨機完全堵塞為止。 圖 水泥粉末過程原理示意圖 水泥粉磨過程原理示意圖如圖 所示。例如，丹麥?zhǔn)访芩构緸樗鄰S提供的生料磨、水泥磨自動控制系統(tǒng)，德國伯力鳩斯公司研制的球磨機填充量電子控制裝置，日本三協(xié)電業(yè)株式會社生產(chǎn)的帶微處理機的自動修正式磨機 控制裝置，我國合肥水泥研究院基于磨音、提升機功率和粗粉回粉量三個參數(shù)設(shè)計的磨機負(fù)荷控制系統(tǒng)，就是這一時期國內(nèi)外開發(fā)研制的具有代表意義的水泥粉磨負(fù)荷控制設(shè)備。而對模糊集給出它的一個 區(qū)間值隸屬度與前者相比，則要相對容易得多。目前，國內(nèi)外許多人工智能學(xué)者和知識工程師都在研究和尋找在各種演繹推理形式下，什么樣的模 糊蘊含算子和合成方法在不同的匹配事實情況下（例如 X is A’ ， X is very A’ , X is more or less A’ , X is not A’ ,X is not very A’ , X is not more or less A’ 等），都能推導(dǎo)出滿足我們的直覺要求的結(jié)果。例如，在模糊專 家系統(tǒng)中有如下規(guī)則： IF X is kA ， THEN Y is kB k=1， 2， ? ， n 其中 kA 和 kB 是語言變量的語言值，它由屬于隸書函數(shù)的程度來表示： )(iA xk?和 )( jB yk? ]1,0[?， i=1,2,?,N, j=1,2,? ， M。 4) 模糊概率，如“可能”，“不可能”，“不大可能”。然后，中斷等待第二次采樣，進行第二步控制??。 模糊控制的基本原