【正文】 上的電磁鐵 10— 驅(qū)動(dòng)軸上的分度盤(pán) 11— 測(cè)量軸上的分度盤(pán) 12— 測(cè)量軸上的電磁鐵 13— 反饋線(xiàn)圈 14— 光電傳感器 15— 電機(jī) 16— 齒形帶傳動(dòng)副 變送器正常工作時(shí)，紙漿流體的濃度變化即其粘度的變化通過(guò)敏感元件轉(zhuǎn)換成剪切力矩的變化；測(cè)量力矩作用在測(cè)量軸的左邊，電磁鐵產(chǎn)生的反饋力矩作用在測(cè)量軸的右邊；測(cè)量力矩的變化引起力矩不平衡就破壞了測(cè)量軸與驅(qū)動(dòng)軸之間的同步運(yùn)動(dòng)關(guān)系，測(cè)量軸相對(duì)驅(qū)動(dòng)軸產(chǎn)生角位移；光電分度變送器將角位移轉(zhuǎn)換成相位差并送給 儀表中的單片機(jī)，微機(jī)只要檢測(cè)到相位差變化就會(huì)按一定規(guī)律控制反饋電流增加或減少，使反饋力矩緊緊跟隨測(cè)量力矩變化，最終兩軸恢復(fù)原來(lái)的同步關(guān)系 (相位關(guān)系 )。 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)。按照等效折算原理，可以將多處形成的作用集中在一起進(jìn)行等效處理，使系統(tǒng)成為由一個(gè)等效慣性圓盤(pán)、一個(gè)等效阻尼器和一個(gè)等效彈簧構(gòu)成的簡(jiǎn)單形式，如圖 34。故系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)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。 執(zhí)行器的工作原理 電動(dòng)執(zhí)行器的基本原理 本設(shè)計(jì)中執(zhí)行器選擇的是電動(dòng)執(zhí)行器，電動(dòng)執(zhí)行器由電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組成。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(hào)時(shí)，放大器沒(méi)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。由于這兩個(gè)信號(hào)的極性相反，兩者不相等，就會(huì)有偏差磁勢(shì)出現(xiàn)，伺服放大器就有相應(yīng)的輸出，出發(fā)可控硅驅(qū)動(dòng) 電機(jī)。圖中電動(dòng)操作器是利用手動(dòng)開(kāi)關(guān)直接控制電機(jī)，使之正、反轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門(mén)的手動(dòng)控制。為滿(mǎn)足組成復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求，伺服放大器有三個(gè)輸入信號(hào)通道和一個(gè)位置反饋通道，可以同時(shí)輸入三個(gè)輸入信號(hào)和一 個(gè)位置反饋信號(hào)。當(dāng)有信號(hào)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(hào)。主回路采用一個(gè)可控硅整流元件和四個(gè)整流二極管組成的交流無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，共有兩組，可使電機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)。位置發(fā)送器三部分組成。由于伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高且力矩小，既不能滿(mǎn)足低調(diào)節(jié)速度的要求，又 不能帶動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，故需要經(jīng)減速器將高速度，小力矩轉(zhuǎn)化成低轉(zhuǎn)速、大力矩輸出。 差動(dòng)變送器原理圖如圖 38。當(dāng)鐵芯在中間時(shí) ~1U = ~2U，由于兩線(xiàn)圈是反串相連接產(chǎn)生電壓相抵消，故 scU~ =0，當(dāng)鐵芯自中間位置有一向上位移時(shí)，使磁路兩繞組不對(duì)稱(chēng)，這 時(shí)上邊繞組中交變磁通將大于下面繞組中交變磁通的幅值，此時(shí)， ~1U ~2U,因而有輸出電壓 scU~ =~1U ~2U,反之亦然。 圖 38 差動(dòng)變送器的原理圖 調(diào)節(jié)閥門(mén)的選擇及閥門(mén)流量特性 閥門(mén)的選擇：在本設(shè)計(jì)中調(diào)節(jié)閥門(mén)選用的是蝶閥，具有流阻小，流量系數(shù)大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chǎng)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)。 閥門(mén)流量特性：閥門(mén)流量特性是指被調(diào)介質(zhì)流過(guò)閥門(mén)的相對(duì)流量與閥門(mén)的相對(duì)開(kāi)度（相對(duì)位移）之間的關(guān)系，表示為： )(ma x LlfqqVV ? (式 31） 式中 max/ VV qq —— 相對(duì)流量； Vq —— 閥在某一開(kāi)度的流量； maxVq —— 閥在全開(kāi)時(shí)候的流量； l —— 閥在某一開(kāi)度時(shí)閥芯的行程； L —— 閥全開(kāi)時(shí)閥芯的行程。 11 再次選擇為等百分比流量特性的閥門(mén)。 閥門(mén)公稱(chēng)直徑 DN 與閥門(mén)的流量系數(shù) C 有關(guān)。 對(duì)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(guó)內(nèi)外尚未統(tǒng)一。 流體類(lèi)型 阻塞流判別式 計(jì)算公式（國(guó)際單位制） 公式中各量的物理意義 液 體 )( 12 VFL pFpFp ??? )/(10 21 ppqC VL ?? ? VLq 液體體積流量 hm/3 ， 21,pp 閥前后的絕對(duì)壓力， kPa； Vp 閥入口溫度下的液體飽和蒸汽壓， kPa； L? 液體密度， 3/cmg ； LF 壓力恢復(fù)系數(shù)（可查表）； F 液體臨界壓力比系數(shù) 。 )( 12 VFL pFpFp ??? )(/10 12 VFLVL pFpFqC ?? ? 計(jì)算出閥門(mén)流量系數(shù)后，即可通過(guò)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(guò)流通面積 A即可計(jì)算出閥口直徑 ]5[ 。 20 世紀(jì) 60 年代末期，美國(guó)的汽車(chē)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，各生產(chǎn)廠(chǎng)家的汽車(chē)型號(hào)不斷更新，必然要求生產(chǎn)線(xiàn)的控制系統(tǒng)亦隨之改變，以及對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)重新配置。 1969 年美國(guó)數(shù)據(jù)設(shè)備公司 (DEC)根據(jù)上述要求，研制開(kāi)發(fā)出世界上第一臺(tái)可編程控制器，并在 GM 公司汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)上首次應(yīng)用成功。進(jìn)入 20世紀(jì) 80 年底啊以來(lái)隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以 16 位和 32位微處理器構(gòu)成的微機(jī)化 PLC 得到了驚人的發(fā)展，使 PLC 在概念、設(shè)計(jì)、性能價(jià)格比及應(yīng)用等方面都有了新的突破。 PLC 的定義：可編程控制器，簡(jiǎn)稱(chēng) 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。它采用了可編程徐的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯看運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型機(jī)械的生產(chǎn)過(guò)程。 PLC 的特點(diǎn)： 1，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。而 PLC 在電子線(xiàn)路、機(jī)械結(jié)構(gòu)以及軟件結(jié)構(gòu)上都吸取了生產(chǎn)廠(chǎng)家長(zhǎng)期積累的生產(chǎn)控制經(jīng)驗(yàn)，主要模塊均采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路， I/O 系統(tǒng)設(shè)計(jì)有完善的通道保護(hù)與信號(hào)調(diào)理電路；在結(jié)構(gòu)上對(duì)耐熱、防潮、抗震等都有周到的考慮；在硬件上采用隔離、屏蔽、濾波、接地等抗干擾措施；在軟件上采用數(shù)字濾波等抗干擾和故障診斷措施。 2，配套齊全， 通用性強(qiáng)，功能完善?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。近年來(lái) 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。 PLC 作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。梯形圖語(yǔ)言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用 PLC 少量開(kāi)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。 4， 設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試周期短。更 13 重要的是，它使同一設(shè)備依靠改變程序來(lái)改變生產(chǎn)過(guò)程成為可能。 5， 體積小，質(zhì)量輕，維護(hù)操作方便。 PLC 的輸入/輸出 系統(tǒng)能夠直觀(guān)地反映現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的變化狀態(tài)，還能通過(guò)各種方式直觀(guān)地反映控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。 PLC 的系統(tǒng)組成 PLC 實(shí)質(zhì)上是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，專(zhuān)為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要由 CPU，電源，存儲(chǔ)器和專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的輸入 /輸出接口電路等組成。 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(guó)西門(mén)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。同時(shí)它具有功能齊全的編程和工業(yè)控制組態(tài)軟件，使得在完成控制系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)時(shí)更加簡(jiǎn)單，幾乎可以完成任何功能的控制任務(wù)。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。其元器件包括： 1，輸入繼 電器（ I） 2，輸出繼電器（ Q) 3，通用輔助繼電器（ M） 4，特殊繼電器（ SM） 5，變量存儲(chǔ)器（ V） 6，局部變量存儲(chǔ)器（ L） 7，順序控制繼電器（ S）8，定時(shí)器（ T） 計(jì)數(shù)器（ C） 10，模擬量輸入映像寄存器（ AI）和模擬量輸出映像寄存器（ AQ） 11，高速計(jì)數(shù)器（ HC） 12，累加器（ AC）。 S7200 CPU 224XP CN 的 I/O 口分配 表 31 PLC 的 I/O 分配 地址 名稱(chēng) 功能 啟動(dòng)按扭 按下開(kāi)關(guān)，設(shè)備開(kāi)始運(yùn)行 開(kāi)關(guān)按鈕 按下開(kāi)關(guān)，設(shè)備停止運(yùn)行 保護(hù)按鈕 按下開(kāi)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(guò)高 固態(tài)繼電器 用來(lái)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。 比例控制 (P)是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其特點(diǎn)是具有快速反應(yīng)，控制及時(shí)，但不能消除余差。積分控制可以消除余差，但具有滯后特點(diǎn)，不能快速對(duì)誤差進(jìn)行有效的控制。微分控制具有超前作用，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)。 PID 控制， P、 I、 D 各有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，它們一起使用的時(shí)候又和互相制約，但只有合理地選取 PID值，就可以獲得較高的控制質(zhì)量。 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 。 iT —— 積分系數(shù) I。 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(duì)偏差周期采樣后，計(jì)算機(jī)輸出值。計(jì)算中，沒(méi)有必要保留所有的采樣周期的誤差項(xiàng)，只需要保留積分項(xiàng)前值，計(jì)算機(jī)的處理就是按照這種思想。 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