【文章內容簡介】 制要求及難點原有的氧化鋅晶須生產過程沒有引入計算機控制系統(tǒng)（如利用MCGS組態(tài)軟件進行實時監(jiān)控），所有參數(shù)變量的監(jiān)測和調節(jié)都是人工手動完成，這大大降低了控制精度，并且很多情況下無法讓工藝參數(shù)穩(wěn)定在生產工藝所要求的條件下，使得氧化鋅晶須的生產過程難以連續(xù)進行，產品質量達不到要求。因此，氧化鋅晶須自動控制系統(tǒng)主要解決的問題就是穩(wěn)定生產過程中各個工藝參數(shù)值(氧化爐的進氣流量和氧含量等)和提高控制精度，從而提高氧化鋅晶須的產品品質，獲得較好的經濟效益。(1)控制要求通過上節(jié)對氧化鋅晶須生長機理過程的分析可以看出，較高的轉化率和較快的轉化速度是實際工藝生產過程所希望得到的。%(體積分數(shù))的氧化氣氛下有較快的轉化速度和轉化率；溫度控制在950℃左右時，鋅蒸氣的轉化率和轉化速度都能達到比較理想的狀態(tài)。因此在實際生產過程中，將工藝參數(shù)中的溫度控制在960℃，誤差范圍在10℃以內；混合氣體的氧含量控制在13%(體積分數(shù))，誤差范圍在一個百分點以內；， m3/h，儲氣罐的壓力控制在5個大氣壓左右。(2)控制難點在氧化鋅晶須生產過程自動控制系統(tǒng)中，氧化爐用氣的氧含量和流量的穩(wěn)定是控制系統(tǒng)的難點所在。氧化爐用氣的配置過程實質是空氣和尾氣(尾氣的氧含量還是不斷變化而且不確定的)的兩者的相互混合的過程，是一個雙輸入雙輸出系統(tǒng)，氧含量回路和流量回路之間互相關聯(lián)，存在嚴重的耦合，需要對被控對象進行分析，根據已知的數(shù)學模型，設計解耦控制器，這樣才能消除回路之間的相互影響，使得控制效果達到要求。 系統(tǒng)設計思想及方法對于氧化鋅晶須生產過程這樣的滯后、敏感系統(tǒng)，減小氧含量的波動、保持流量的穩(wěn)定對提高氧化鋅晶須的質量、獲得最大經濟效益、實現(xiàn)企業(yè)綜合自動化具有深遠的意義。在氧化鋅晶須的生產過程中，工藝參數(shù)一般都是恒定不變的，工況不會有很大的變化。因此，采用前饋補償解耦控制算法來消除配氣過程中系統(tǒng)的耦合，主回路采用帶死區(qū)的增量式PID控制算法。(1)帶死區(qū)的增量式PID算法隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展和各種先進技術的廣泛應用，工業(yè)過程的自動控制理論和技術已有了很大發(fā)展。PID(proportionalIntegralDiffereniial)控制作為一種傳統(tǒng)的控制方法，由于簡單、易于實現(xiàn)，并且具有很好的魯棒性，現(xiàn)場應用效果明顯，所以在冶金、機械、化工等行業(yè)中得到了廣泛應用，尤其適用于可建立精確數(shù)學模型的線性定參數(shù)系統(tǒng)。PID控制技術是基于反饋控制原理的技術之一，它通過測量被控對象的輸出與期望值相比較得到的偏差，經過比例環(huán)節(jié)(P)、積分環(huán)節(jié)(I)和微分環(huán)節(jié)(D)進行線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。離散PID的增量算式相對于位置算式來說，有著不需要給定初始值、可以防止積分飽和等優(yōu)點。同時，本系統(tǒng)中對于流量的控制在工業(yè)生產過程中屬于快速變化的系統(tǒng)。為了讓系統(tǒng)盡快的穩(wěn)定而不至于導致振蕩狀態(tài)，同時也防止因電動調節(jié)閥過于頻繁的調節(jié)導致而系統(tǒng)硬件設備使用壽命變短，所以，按照工藝要求的控制精度設置了一個死區(qū)。(2)前饋補償解耦控制算法 解耦控制是控制理論中最早的問題之一，它的設計思想幾乎與控制學科同時產生，解耦控制思想最初狹義的提法是不相干控制原則。它是由Roksenbom和Hoodifol提出來的，他們最先將矩陣分析法應用于多變量控制系統(tǒng)分析，分析了有關飛行器控制的問題，即如何通過分別控制燃料與推進器葉片角度來控制飛行器發(fā)動機的速度與功率，并使這兩個控制系統(tǒng)互不干涉。1964年Morgan在現(xiàn)代控制理論的框架下正式提出了多輸入多輸出線性系統(tǒng)(MIMO)的輸入輸出解耦問題，即無交互系統(tǒng)的設計問題。在多變量控制理論和實踐中，人們提出了解耦控制問題，即如何通過外部控制手段(如狀態(tài)反饋)將多變量系統(tǒng)解耦，變成若干個互相獨立的單輸入單輸出(SISO)系統(tǒng)，從而可用單變量控制的各種成熟技術來完成系統(tǒng)的設計。多變量系統(tǒng)的解耦控制可分為四大類：(1)經典解耦控制方法；(2)自適應解耦控制方法；(3)模糊解耦控制方法；(4)反饋線性化解耦控制方法。前饋補償解耦法屬于經典解耦控制方法的一種，它具有系統(tǒng)結構簡單、動態(tài)偏差小、響應速度快、過渡時間短、容易在計算機上實現(xiàn)等特點，應用于工藝參數(shù)基本恒定、變化不大的氧化鋅晶須生產過程來說是適合的。 控制系統(tǒng)設計 兩級計算機控制系統(tǒng)遵循“集中監(jiān)視，分散控制”的原則，本設計采用兩級計算機控制系統(tǒng)。裝有MCGS監(jiān)控軟件的PC機為上位機，完成工藝流程的在線監(jiān)測和控制參數(shù)設置以及報警等功能。Siemens S7300可編程控制器（PLC）為現(xiàn)場控制級，直接與現(xiàn)場設備相連，完成流量、壓力和氧含量的采樣、操作命令接收和發(fā)送、控制算法實現(xiàn)功能。PLC與PC機通過PLC專用的適配器連接，從而實現(xiàn)兩者的通訊。PLC（Programmable Logical Controller）稱為可編程邏輯控制器，是一種以微處理器為基礎，綜合了現(xiàn)代計算機技術、自動控制技術和通訊技術發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置，由于它擁有體積小、功能能強大、程序設計簡單、維護方便等優(yōu)點，特別是它適應惡劣工業(yè)環(huán)境的能力和高可靠性，使它的應用越來越廣泛，稱為現(xiàn)代工業(yè)的三大支柱之一（即PLC、機器人和CAD/CAM）。MCGS（Monitor and Control Generated System）的全名為“監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)”。MCGS是一套基于Windows平臺的，用于快速構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，可運行于Microsoft Windows95/98/NT/2000等操作系統(tǒng)。MCGS組態(tài)軟件所建立的工程由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據庫和運行策略五部分構成，每一部分進行組態(tài)操作，完成不同的工作，具有不同的特性。 MCGS組成結構它為用戶提供了解決實際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺，能夠完成現(xiàn)場數(shù)據采集、實時和歷史曲線處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網絡等功能，具有操作簡單、可視性好、可維護性強、高性能、高可靠性能等突出特點，已成功應用于石油化工、鋼鐵行業(yè)、水處理、航空航天等領域，經過各種現(xiàn)場的長期實際運行，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠[19]。 硬件選型及特點PLC(Programmble Logic Controller)是近年來迅速發(fā)展并得到廣泛應用的新一代工業(yè)自動化控制裝置。由于具有靈活通用、安全可靠、抗干擾性強、使用方便、維護簡單等特點被廣泛應用。隨著技術的進步，微處理器(Microprocessor Unit，即MPU)獲得廣泛應用，一些PLC生產廠家開始采用微處理器作為PLC的中央處理單元，大大加強了PLC的功能，不僅具有邏輯控制功能，而且具有算術運算功能和對模擬量的控制功能。SIMATIC S7300 PLC作為西門子公司的新一代產品，具有以下特點：S7300 PLC采用模塊化結構，具備高速（~）的指令運算速度；用浮點數(shù)運算比較有效地實現(xiàn)了更為復雜的算術運算；一個帶標準用戶接口的軟件工具方便用戶給所有模塊進行參數(shù)賦值；方便的人機界面服務已經集成在S7300操作系統(tǒng)內，人機對話的編程要求大大減少。SIMATIC人機界面（HMI）從S7300中取得數(shù)據，S7300按用戶指定的刷新速度傳送這些數(shù)據。S7300操作系統(tǒng)自動地處理數(shù)據的傳送；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、記錄錯誤和特殊系統(tǒng)事件（例如：超時，模塊更換，等等）；多級口令保護可以使用戶高度、有效地保護其技術機密，防止未經允許的復制和修改；S7300 PLC設有操作方式選擇開關，操作方式選擇開關像鑰匙一樣可以拔出，當鑰匙拔出時，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。具備強大的通信功能，S7300 PLC可通過編程軟件Step 7的用戶界面提供通信組態(tài)功能，這使得組態(tài)非常容易、簡單。S7300 PLC具有多種不同的通信接口，并通過多種通信處理器來連接ASI總線接口和工業(yè)以太網總線系統(tǒng)；串行通信處理器用來連接點到點的通信系統(tǒng)；多點接口（MPI）集成在CPU中，用于同時連接編程器、PC機、人機界面系統(tǒng)及其他SIMATIC S7/M7/C7等自動化控制系統(tǒng)[27]。流量計的選擇在本系統(tǒng)顯得尤為重要，不論是氧含量的控制還是氧化爐的進氣量的控制，都要用到流量計。因此，能否選擇出適合氣體測量、精度及量程滿足要求、安裝方便的流量計直接影響整個控制系統(tǒng)的控制效果。流量測量方法和儀表的種類繁多，分類方法也很多。至今為止，可供工業(yè)用的流量儀表種類達60種之多。品種如此之多的原因就在于至今還沒找到一種對任何流體、任何量程、任何流動狀態(tài)以及任何使用條件都適用的流量儀表。這60多種流量儀表，每種產品都有它特定的適用性，也都有它的局限性。按測量對象劃分就有封閉管道和明渠兩大類；按測量目的又可分為總量測量和流量測量，其儀表分別稱作總量表和流量計；按測量原理分有力學原理、熱學原理、聲學原理、電學原理、光學原理、原子物理學原理等。目前最流行、最廣泛的分類法，即分為：容積式流量計、差壓式流量計、轉子流量計、渦輪流量計、電磁流量計、流體振蕩流量計中的渦輪流量計、質量流量計等。由于通過空氣壓縮機出來的氣體流量較小(不超過)、壓力較低(不超過6個大氣壓)，再結合現(xiàn)場設備的安裝情況，采用金屬管電遠傳型轉子流量計。轉子流量計，又稱浮子流量計，是變面積式流量計的一種，在一根由下向上擴大的垂直錐管中，圓形橫截面的浮子的重力是由液體動力承受的，從而使浮子可以在錐管內自由地上升和下降。浮子流量計是僅次于差壓式流量計應用范圍最寬廣的一類流量計，特別在小、微流量方面有舉足輕重的作用，具有以下特點：(1)玻璃錐管浮子流量計結構簡單，使用方便，缺點是耐壓力低，有玻璃易碎的較大風險；(2)適用于小管徑和低流速；(3)壓力損失較低。該型號流量計不僅能滿足控制精度，而且安裝方便，采用金屬管制造，持久耐用，不易破損，而且能耐一定壓力。同時，輸出標準的420mA的電流信號，可以輸入到PLC中轉換成數(shù)字信號進行控制。壓力變送器的作用是將現(xiàn)場檢測到的壓力信號轉換為相應的統(tǒng)一標準信號(電壓15V、電流420mA)，它是基于負反饋原理工作的。常用的差壓變送器有力平衡式差壓變送器、電容式差壓變送器和擴散硅式差壓變送器。三種變送器各用所長，其中擴散硅式差壓變送器是無杠桿變送器，它采用硅杯壓阻傳感器為敏感元件，具有體積小、重量輕、結構簡單和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，精度也較高。綜合上述優(yōu)點和實際情況，采用濺射薄膜壓力變送器，它是基于擴散硅式差壓變送 變送器構成原理圖器的原理制造的，能滿足實際檢測的需要。執(zhí)行器由執(zhí)行機構和調節(jié)機構組成。執(zhí)行機構是指產生推力或位移的裝置，調節(jié)機構是指直接改變能量或物料輸送量的裝置，通常稱調節(jié)閥。 電動執(zhí)行機構方框圖電動執(zhí)行機構有角行程和直行程兩種，它將輸入的直流電流信號線性地轉換成位移量。這兩種執(zhí)行機構均是以兩相交流電機為動力的位置伺服機構，兩者電氣原理完全相同，只是減速器不一樣。調節(jié)機構又稱調節(jié)閥，它和普通閥門一樣是一個局部阻力可以變化的節(jié)流元件。由于閥芯在閥體內移動，改變了閥芯與閥座之間的流通面積，即改變了閥的阻力系數(shù)，被控介質的流量相應地改變，從而達到調節(jié)工藝變量的目的。由于調節(jié)機構直接與被控介質接觸，為適應各種使用要求，閥芯、閥體有不同的結構，使用的材料各不相同。常見的閥芯型式有平板型閥芯、柱塞型閥芯、窗口型閥芯和多級閥芯；常見的閥體有直通單座調節(jié)閥、直通雙座調節(jié)閥、角形閥、三通閥、蝶閥、套筒型調節(jié)閥、偏心旋轉閥和高壓調節(jié)閥等。本系統(tǒng)的實際工況是小流量的氣體，采用V型球閥閥體比較合適，它的內置式電子伺服控制器和執(zhí)行器為一體化結構，具有精度高、結構緊湊和動作可靠等優(yōu)點。 控制系統(tǒng)組成 控制系統(tǒng)采用兩級計算機控制系統(tǒng)結構。上位機為裝有MCGS組態(tài)軟件的PC機，下位機采用西門子公司S7300系列的PLC。CPU模塊為CPU312，主要對各個輸入模塊傳輸來的指令、信號和數(shù)據進行運算處理，然后通過輸出模塊，輸出給執(zhí)行機構，實現(xiàn)需要的動作；數(shù)字量輸入模塊和模擬量輸入分別采集現(xiàn)場的數(shù)字量信號和模擬量信號，送入CPU進行處理，數(shù)字量輸出模塊和模擬量輸出模塊對繼電器、接觸器、電磁閥和電動調節(jié)閥等執(zhí)行機構進行控制。 PLC控制系統(tǒng)結構框圖PLC各模塊型號和具體功能如下：(1)電源模塊：型號為PS307,為PLC的CPU模塊、功能模塊和擴展模塊提供直流24V電源。它將220V交流電壓轉變?yōu)樗璧?4V直流工作電壓,輸出電流為5A。(2)CPU模塊：型號為CPU312，是PLC的中央處理單元，適用于要求高速處理和中等I/O規(guī)模的系統(tǒng)，能夠裝載較大規(guī)模的程序，且指令執(zhí)行速度也比較快，適合于本系統(tǒng)的控制要求。(3)數(shù)字量輸入輸出模塊：型號為SM323，實現(xiàn)數(shù)字信號的采集和控制信號的輸出。在本系統(tǒng)中有電磁閥的控制等。(4)模擬量輸入輸出模塊：型號為SM334，實現(xiàn)模擬信號的采集和控制信號的輸出。在本系統(tǒng)中輸入有流量、氧含量和壓力的數(shù)據采集，輸出為對電動調節(jié)閥的控制。第三章 氧化鋅晶須生產控制系統(tǒng)控制器設計在氧化鋅晶須加工的過程中，產品的品質會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程變量的影響而變得不穩(wěn)定。在這些變量中，以氧化爐用氣的氧