【正文】 ................................. 31 第四章 氧化鋅晶須生產(chǎn)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ........................................................................ 33 上位機(jī)監(jiān)控管理 ....................................................................................................... 33 MCGS 組態(tài)軟件的整體結(jié)構(gòu) ......................................................................... 33 監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)及功能 .................................................................................... 34 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） PLC 編程及算法實(shí)現(xiàn) ............................................................................................... 35 Siemens STEP7 標(biāo)準(zhǔn)軟件包 ......................................................................... 35 STEP7 編程 ..................................................................................................... 35 控制邏輯分析 ................................................................................................ 36 前饋解耦控制算法 ........................................................................................ 38 增量式 PID 算法實(shí)現(xiàn) .................................................................................... 39 第五章 控制系統(tǒng)的運(yùn)行效果與性能評(píng)價(jià) ............................................................................ 40 系統(tǒng)運(yùn)行效果 ........................................................................................................... 40 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià) ........................................................................................................... 40 第六章 結(jié)束語(yǔ) ........................................................................................................................ 42 結(jié)論 ........................................................................................................................... 42 展望 ........................................................................................................................... 42 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 44 附錄 A 氧化鋅晶須的生產(chǎn)工藝圖 ...................................................................................... 46 附錄 B 數(shù)據(jù)顯示圖 .............................................................................................................. 47 附錄 C PID 算法在 PLC 中的具體實(shí)現(xiàn) .............................................................................. 48 致 謝 .................................................................................................................................... 51 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） 第一章 引 言 晶須是指具有一定長(zhǎng)徑比 (一般大于 10)和界面積小于 cm?? 的單晶纖維材料。 本 文首先提出了該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架，并總結(jié)了其功能特點(diǎn) ；并根據(jù)給定的數(shù)學(xué)模型 ，采 用前饋解耦 控制算法和增量式 PID 算法 ，對(duì)氧化鋅晶須生產(chǎn)過(guò)程中的氧含量和流量進(jìn)行了 控制。為此，迫切地需要設(shè)計(jì)氧化鋅晶須的生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)提高其產(chǎn)品的質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程綜合自動(dòng)化。 PID algorithm uses Siemens PLC S7300 series of the STEP 7 software development. This implementation of the production of zinc oxide whisker valve automatic 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） control system for the process of monitoring important parameters, oxygen content and the stability of flow control and alarm functions. Key words: Zinc Oxide Whisker。因此，有關(guān)晶須的研究成為材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一 [1][2][3][5]。 TZnow 為白色松軟狀物質(zhì)， 呈立體四針狀，即晶須有一核心，從核心徑向方向伸展出四根針狀晶體，每根針狀體均為單晶體微纖維，任兩個(gè)針狀體的夾角為 109176。比如 :輕質(zhì)多頻譜吸波隱身材料、氧化鋅晶須復(fù)合抗菌劑、氧化鋅晶須復(fù)合抗菌母粒 (塑料、纖維 )、氧化鋅晶須抗菌防霉后處理劑、氧化鋅晶須抗靜電劑、氧化鋅晶須耐磨劑、氧化鋅晶須增強(qiáng)改性劑等等。在此研究領(lǐng)域，日本松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社 走在內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） 了世界的最前沿，他們最早掌握了氧化鋅晶須的制備方法 ，并實(shí)現(xiàn)了氧化鋅晶須的廣泛應(yīng)用。 最近兩年國(guó)內(nèi)制備 ZnO 晶須的報(bào)道 ： (1)周柞萬(wàn)等發(fā)明的碳還原劑控制 ZnO 晶須生產(chǎn)工藝，利用碳的還原特性，消 耗一部分 Zn周圍空氣中的氧氣來(lái)保證晶須生長(zhǎng)所要求的條件。 氧化鋅晶須的應(yīng)用前景 四腳狀氧化鋅晶須的研究工作起步較晚，但由于 氧化鋅晶須獨(dú)特的空間三維立體結(jié)構(gòu)、良好的單晶性，賦于了它許多獨(dú)特的功能，如導(dǎo)熱、壓電、壓敏、吸波、吸聲、減振、抗菌、防藻、催化等，這使它 可在國(guó)防、 電子、化工、交通等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用 [2,17]。 由于氧化鋅晶須本身是無(wú)色透明的，不具有發(fā)色性，因此它可與其他顏料等組合，制成純白色或其它各種顏色的復(fù)合材料制品。氧化鋅晶須及其復(fù)合材料具有優(yōu)異的電波吸收性能，可用于電波吸收體和微波發(fā)熱體。這類應(yīng)用目前處于試驗(yàn)階段。如用于空氣清新除臭劑，除去空氣中的 H2S、 NH3 等有害氣體 ； 作為氧化還原反應(yīng)的催化劑或載體 ； 與樹脂或玻璃料混合用內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） 作濾料 ； 作為水處理中活性污泥的 沉降劑 ；也可用作濕度傳感器， 具有高的靈敏性、穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度 ； 還可用于制造軟磁性材料、高強(qiáng)度陰極電池等。該方法 考慮了耦 合 的影響，調(diào)節(jié)的精度有了很大的提高，但該方法實(shí)際上也是一種靜態(tài)解耦的方式，只能對(duì)系統(tǒng)的耦 合進(jìn)行一定程度的補(bǔ)償，對(duì)于工況的劇烈變化，也就是擾動(dòng)的大幅波動(dòng)，效果有限 [22]。 為此，本設(shè)計(jì) 運(yùn)用了前饋補(bǔ)償解耦 控制和增量式 PID 調(diào)節(jié)相結(jié)合的先進(jìn)控制技術(shù)。 第四章詳細(xì)提出了系統(tǒng)軟件的總體框架，介紹了軟件的功能模塊 ： 包括 MCGS 實(shí)時(shí)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)和 PLC 編程及算法實(shí)現(xiàn) ；完成了前饋補(bǔ)償解耦 算法、帶死區(qū)的增量式PID 算法和在 PLC 中的實(shí)現(xiàn)。鋅片被切成規(guī)整的小片狀放入鍋中，再將鍋 (氧化爐中一共有 18個(gè)鍋 )放入氧化爐中進(jìn)行加熱。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） 配氣過(guò)程耦合分析 通過(guò)工藝介紹可以看出，氧化爐用氣的配氣過(guò)程實(shí)質(zhì)就是兩種組分不同的氣體相互混合 的調(diào)合過(guò)程，即 ： 流量為 Q 氧含量為 C1 的空氣與流量為 Q氧含量為 C2(其中尾氣的氧含量 C2 是不斷變化和不確定的 )的尾氣相互混合，得到實(shí)際生產(chǎn)所需要的流量為 Q、氧含量為 C 的混合氣體。氧化爐氣體壓力過(guò)大還會(huì)導(dǎo)致操作工人在加入新的一鍋鋅片或者取出已經(jīng)氧化好的晶須時(shí)爐內(nèi)大量高溫氣體涌出，危害操作工人的安全，影響整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)。 因此在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，將工藝參數(shù)中的溫度控制 在 960℃ ，誤差范圍在 10℃ 以內(nèi) ；混合氣體的氧含量控制在 13%(體積分?jǐn)?shù) )，誤差范圍在一個(gè)百分點(diǎn)以內(nèi) ； 流量穩(wěn)定控制在 ，最大偏差不能低于或超過(guò) m3/h，儲(chǔ)氣罐的壓力控制在 5 個(gè)大氣壓 左右 。 PID控制技術(shù)是基于反饋控制原理的技術(shù)之一，它通過(guò)測(cè)量被控對(duì)象的輸出與期望值相比較得到的偏差，經(jīng)過(guò)比例環(huán)節(jié) (P)、積分環(huán)節(jié) (I)和微分環(huán)節(jié) (D)進(jìn)行線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。 多變量系統(tǒng)的解耦 控制 可分為四大類 ： (1)經(jīng)典解耦 控制方法 ； (2)自適應(yīng)解 耦 控制方法 ； (3)模糊解耦 控制方法 ； (4)反饋線性化解耦 控制方法。MCGS 是一套基于 Windows 平臺(tái)的，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，可運(yùn)行于 Microsoft Windows95/98/NT/20xx 等操作系統(tǒng)。 S7300 操作系統(tǒng)自動(dòng)地處理數(shù)據(jù)的傳送； CPU 的智能化的診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常、記錄錯(cuò)誤和特殊系統(tǒng)事件（例如：超時(shí)，模塊更 換，等等）；多級(jí)口令保護(hù)可以使用戶高度、有效地保護(hù)其技術(shù)機(jī)密，防止未經(jīng)允許的復(fù)制和修改；S7300 PLC 設(shè)有操作方式選擇開(kāi)關(guān)，操作方式選擇開(kāi)關(guān)像鑰匙一樣可以拔出，當(dāng)鑰匙拔出時(shí)，就不能改變操作方式，這樣就可防止非法刪除或改寫用戶程序。 這 60 多種流量?jī)x表，每種產(chǎn)品都有它特定的適用性，也都有它的局限性。 壓力變送器 壓力變送器的作用是將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) (電壓15V、電流 420mA)，它是基于負(fù)反饋原理工作的，如圖 所示。這兩種執(zhí)行機(jī)構(gòu)均是以兩相交流電機(jī)為動(dòng)力的位置伺服機(jī)構(gòu)，兩者電氣原理完全相同，只是減速器不一樣。 CPU 模塊為 CPU312，主要對(duì) 各個(gè)輸入模塊傳輸來(lái)的指令、信號(hào)和數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，然后通過(guò)輸出模塊，輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)需要的動(dòng)作 ； 數(shù)字量輸入模塊和模擬量輸入分別采集現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字量信號(hào)和模擬量信號(hào)，送入 CPU 進(jìn)行處理，數(shù)字量輸出模塊和模擬量輸出模塊對(duì)繼電器、接觸器、電磁閥和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） 第三章 氧化鋅晶須生 產(chǎn)控制系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì) 在氧化鋅晶須加工的過(guò)程中 ， 產(chǎn)品的品質(zhì)會(huì)受到通入氧 化爐的氣體氧含量、流量和氧化爐溫度等工藝過(guò)程變量的影響而變得不穩(wěn)定。 解耦控制器的設(shè)計(jì) 多輸入多輸出（ MIMO）系統(tǒng)建模方法 對(duì)于 MIMO 系統(tǒng)解耦控制器的設(shè)計(jì)，就是要求在充分了解被控系統(tǒng)耦合特性的基礎(chǔ)上， 確定期望性能指標(biāo)和控制器類型和參數(shù)，消除耦合或者弱化耦合的影響，其基本思路是： (1)對(duì)實(shí)際被控系統(tǒng)進(jìn)行輸入輸出特性分析 ,得到被控系統(tǒng)所固有的物理特性，即建立內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） 對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。對(duì)角矩陣解耦的一個(gè)重要特性是解耦目標(biāo)矩陣 GA（ s）保留了原耦合矩陣的主對(duì)角線上的元素，而非主對(duì)角線上的元素為零。例如， U1 會(huì)影響 Y2，對(duì)第二個(gè)回路來(lái)說(shuō)是一個(gè)擾動(dòng)因素，通過(guò)解耦 裝置的 Df2(s)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的控制作用 U2 來(lái)補(bǔ)償 U1對(duì) Y2 的影響。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書