【正文】 故可利用 PLC中的 PID指令實現(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)過離散化后，它的輸出方程為 : ? ?000)()()()1()()()()(unununuuneneTTieTTneKnudiPnidiP??????????? ????? ?? （式 43） 式中， )()( neKnu PP ? 稱為比例項； ???niipi ieTTKnu0 )()( 稱為積分項； ? ?)1()()( ??? neneTTKnu dpd 稱為微分項； 上式中，積分 項 ??ni e1 i)( 是包括第一個采樣周期到當(dāng)前采樣周期的所有誤差的累積值。 dT —— 微分系數(shù) D。 Kp —— 比例系數(shù) P。 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。避免較大的誤差出現(xiàn)，微分控制不能消除余差。 在微分控制 (D)中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 在積分控制 (I)中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分 成正比關(guān)系。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。人們在應(yīng)用的過程中積累了許多的經(jīng)驗， PID 的研究已經(jīng)到達(dá)一個比較高的程度。 在本設(shè)計中采用的是 CPU 224 XP CN，它具有 14 個數(shù)字量輸入， 10 個數(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 I/O 模塊。 編程器等外部設(shè)備 中央處理單元（ CPU） 輸 輸 入 出 接 用戶程序存儲器 接 口 口 系統(tǒng)程序存儲器 電源部件 14 圖 310 PLC的配置 內(nèi)部資源： PLC 內(nèi)部元器件是相互獨立的，在數(shù)據(jù)存儲區(qū)為每一種元器件分配一個存儲區(qū)域。 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，同時還可以擴(kuò)展 I/O 模塊和各種功能模塊。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)。 PLC 的結(jié)構(gòu)框圖如圖 39所示。如內(nèi)部工作狀態(tài)、通訊狀態(tài)、 I/O 點狀態(tài)、異常狀態(tài)和電源狀態(tài)等，對此均有醒目的指示，非常有利于運行和維護(hù)人員對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視。 PLC 體積小質(zhì)量輕，便于安裝。并且具有強(qiáng)制和仿真的功能，故程序的設(shè)計、修改和調(diào)試都很方便。 PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護(hù)也變得容易起來。這些都為不熟悉電子電路、不定計算機(jī)原理和匯編語言的人使用計算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。他接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員所接受。 3，變成方便，易于使用。除了邏輯處理能力外，現(xiàn)在PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。 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。所以 PLC 具有較高的抗干擾能力。工業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾、電源波動、機(jī)械振動、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。而有關(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)系統(tǒng)連成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則 設(shè)計。它是一種專為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)。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)的過程控制系統(tǒng)，使之稱為今天自動化技術(shù)的三大支柱之一。當(dāng)時人們把它稱為可編程邏輯控制器 PLC（ Programmable Logic Controller），主要用來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，計時和計數(shù)等。為拋棄傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)的束縛，適應(yīng)白熱化的市場競爭要求， 1968 年美國通用汽車公司（ GM）要求制造商為其裝配線提供一種新型的通用程序控制器并提出了十項招標(biāo)指標(biāo)。 12 PLC 以及 Simens 公司的 S7200 簡介 PLC 的產(chǎn)生、定義和特點 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，動作速度慢，功能少，難以實現(xiàn)較復(fù)雜的控制，特別由于它是靠硬件連線邏輯構(gòu)成的系統(tǒng)，接線復(fù)雜，當(dāng) 生產(chǎn)工藝或?qū)ο笮枰淖儠r，原有的接線和控制盤（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。 F = cppV / 。本設(shè)計中采用流量系數(shù) C值的計算公式計算。因此可以根據(jù)流量系數(shù) C 值可以確定調(diào)節(jié)閥的公稱直徑 DN。 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的材質(zhì)選擇。 調(diào)節(jié)閥的理想流量特性主要由直線，等百分比，拋物線，及快開四種理想流量特性。根據(jù)工藝選擇的是常溫蝶閥。 信號 scU~ 經(jīng)過整流、濾波電路可以得到 0~10mA 或著（ 4~20mA ）的直流信號，它的大小與執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出位移相對應(yīng)，這個信號被反饋到伺服放大器的輸入端，以與輸入信號相比較 ]5[ 。 左邊加上交流穩(wěn)壓電源，則右邊會感應(yīng)出 ~1U 、 ~2U。 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）反饋信號的裝置，它的主要部分是差動變送器。伺服電動機(jī)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動力裝置，它將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能以對調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)做功。執(zhí)行器由電動機(jī)、減速器。兩個觸發(fā)器是將前置級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。再簡單調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，只用一個輸入通道和一個反饋通道。 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，由前置級磁放大器 FC01，觸發(fā)器 FC02，交流可控硅開關(guān) FC03，校正回路 FC04等部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出軸就朝著減少這個偏差磁勢的方向運轉(zhuǎn)，直到位置反饋信號和輸出信號相等為止，此時輸出軸就穩(wěn)定在與輸入信號相對應(yīng)的位置上。當(dāng)輸出端加入某一數(shù)值的輸入信號時，此輸入信號與來自執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置反饋信號在伺服放大器的前置級磁放大器中進(jìn)行磁勢的綜合與比較。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以將來自調(diào)節(jié)器的標(biāo)準(zhǔn)電流信號轉(zhuǎn)換成位移輸出信號，去控制閥門的開度，以實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。由于未知變送器葉輪的具體尺寸，故模型只能做到此處。 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)械可動部分（即測量軸和驅(qū)動軸等）為一振蕩環(huán)節(jié) ；敏感元件部分，光電分度盤部分及二次儀表的檢測部分，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。顯然，它是一個由圓盤、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；支持測量軸運動的滾動軸承有阻尼器作用，敏感元件與多相流介質(zhì)之間的相對運動將產(chǎn)生很強(qiáng)的阻尼作用。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)系計算出被測濃度 ]9[ 。 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 (測量軸，驅(qū)動軸 )、光電分度盤、反饋機(jī)構(gòu)、電機(jī)、二次儀表等組成。紙漿是水中懸 浮紙纖維等固體物質(zhì)的兩相流體，表觀粘度μ主要跟隨紙漿中纖維百分比率（即濃度）變化而變化，且在大范圍內(nèi)有線性關(guān)系，如圖 31 所示。在用力學(xué)法測濃度時，希望測量元件的阻力能反映出粘性動力系數(shù)，因而設(shè)計測量元件時應(yīng)盡量減小元件在流體中運動時產(chǎn)生的尾流，從而減小壓強(qiáng)阻力。 兩者分別取決于作用在物體與流體之間的剪切力和作用在物體上的壓力 綜上所述，在外部流動情況下，固件在流體中運動阻力主要由粘性摩擦阻力和壓強(qiáng)阻力組成。我們討論的力學(xué)法測量濃度的測量元件和流體之間構(gòu)成的便是外部流動。 在雷諾數(shù)很大的情況下，粘性的作用主要局限在繞流物體或其他流動邊界的固體壁面附近很薄的一層流動中，通常把這個薄層稱為邊界層。 6 第 3章 系統(tǒng)硬件選擇與設(shè)計 濃度變送器的原理 力學(xué)法濃度測量原理 內(nèi)旋式濃度變送器是基于力學(xué)法濃 度測量原理而制造出來的變送器。 方案二：采用內(nèi)旋式紙漿濃度變送器在線檢測出紙漿濃度，將標(biāo)準(zhǔn)的 4~20mA 信號并聯(lián)一個 500歐姆的電阻，把信號轉(zhuǎn)化成電壓信號，直接送至西門子 PLC S7200 224 XP CN的模擬量輸入端，經(jīng)與給定值比較后，經(jīng)過一定算法直接從模擬量輸出端輸出一個4~20mA 的信號到電動執(zhí)行器，通過電動執(zhí)行器來控制與之相連的閥門的開度，從而來控制白水的進(jìn)水量，繼而控制紙漿的濃度。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：檢測變送器，控制器，執(zhí)行器。造紙過程一般指紙漿經(jīng)過濃度、流量調(diào)節(jié)后被送入流漿箱，再通過流漿箱將紙漿均勻地噴射到網(wǎng)上，網(wǎng)將大部分水濾掉，經(jīng)壓榨進(jìn)一步去水，再經(jīng)多段高溫烘缸將之烘干，在此過程中，根據(jù)紙種不 同，還要對紙張進(jìn)行表面施膠及涂布、壓光等，最后在卷紙機(jī)上卷成紙圈。 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)是一個十分復(fù)雜的工業(yè)過程系統(tǒng)，也是當(dāng)前我國自動化程度較高的制造行業(yè)之一，其大體由制漿和造紙兩個過程組成。 熟悉了 MCGS 工控組態(tài)軟件的基本使用方法，并建立出了紙漿濃度控制系統(tǒng)的人機(jī)監(jiān)控界面。 對紙漿濃度控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件選型，并完成了硬件電路的連接。 研究工作與成果 在本次畢業(yè)設(shè)計中，主要做了以下工作： 查找了大量關(guān)于紙漿濃度控制的資料，對當(dāng)前紙漿濃度控制的發(fā)展有了一個認(rèn)識。對得到的偏差按 PID 算法進(jìn)行計算，以此調(diào)節(jié)白水入口電動閥的開度，從而實現(xiàn)對紙漿濃度的調(diào)節(jié)。本設(shè)計就是基于這樣一種目的設(shè)計出了一種能自動調(diào)節(jié)穩(wěn)定紙漿濃度的控制系統(tǒng)。