【硕士论文】基于模糊控制的玻璃配料微机控制系统的设计与实现.pdf

河南理工大学 硕士学位论文 基于模糊控制的玻璃配料微机控制系统的设计与实现 姓名：李富国 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：许合利 20050601 河南理工大学硕士学位论文摘要 摘要 针对河南物华玻璃有限公司的实际需要，我们设计开发了一种新的玻璃配料 微机控制系统。它采用上下位机的结构模式，以p c 机作为上位机，p l c 作为下位 机。论文主要内容包括系统总体设计、硬件设计、模糊控制算法和软件设计。该 系统总体方案基于集散控制系统的思想，以集中控制和分散管理为指导原则，选 用计算机和p l c 构成上下位机的结构形式，从而实现系统控制目标。硬件部分包 括上位机设计选用、下位机设计选用和传感器选型。上位机设计选型本着经济使 用的原则选用个人电脑；下位机的通过对比分析选用日本三菱公司的f x 2 n 系列 的p l c ；传感器选用电阻应变式称重传感器，选用时主要考虑量程和精度两项指 标。针对双速法称量配料控制过程中存在的称量精度和和称量速度的矛盾，本文 引入模糊控制算法，对称量速度和时间加以控制，既提高了称量精度，又满足了 称量时间。最后，论述了玻璃配料微机控制系统的软件设计，着重讲述了我在软 件设计与开发中所做的工作，主要包括：系统功能、总体思路及流程图；主要的 类及其功能；系统主要运行参数设定；接着对现场调试中所遇到的常见干扰因素 进行了分析。 关键词： 玻璃，配料，微机，控制，p l c ，类 河南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e s i g na n dr e a liz a t i o no fg i a s sb a t c h i n g m ic r o c o m p u t e rc o n t r ol s y s t e mb a s e do nf u z z yc o n t r o o nb a s i co ft h ep r a c t i c a ln e e d so fh e n a l lw m l u ag l a s si i m i t e dc o r p o r a t i o n ，w e d e s i g na n dd e v e l o pan e wp a 仕e mo fc o i n p u t e fc o r r n _ 0 1s y s t e mo ng l a s sm a t e r i a l s m i x t i i r ew l l i c hu s e st h en e ws m l c t i l r em o d e io f1 1 i 曲l e v e la n dl o wl e v e lc o m p u t e r ， p c 城曲i e v e lc o m p u t e r p l c l o wl c v e lc o m p u t e lni n v o i v e sg e n e 删s ”t e md e s i 盟， l a r d 啪r e 锄df u z z yc o n 缸d l l e fa 1 1 ds o n w a r ed e s i g l l i ti sb a s e do nt o t a ld i s 仃i b u t e d c o n 仃0 1 也o u g ma n dd i r e c t e do nc o n c e n 拄a t e dc o n 缸d ia n dd i s p e r s e dm a n a g e m e n ta di s b ym u c 味em o d e lo fb j 豳l e v e la n dl o wl “e lc o 叫) u t e rt oa c c o m p l i s hs y s t e mc o 姐o l 9 0 a 1 h a r d 啪r ec h o i c ei r o l v e sc l l ec h o o s i n go f h i 曲l e v e la n dl o wl e v e lc o m p m e ra n d w e i g h ts e n s o r t h eh i g h1 e v e lc o m p u t e rm t l l i ss y s t e me m p h a s i z e so nm a n a g e m e n tn o t c o n t r o l ，p ci sr e a s o n a b l e ；t h el o wl e v e lc o m p u t e rc o n s i d e r 耵e a td i s t u r b a n c eo nm es p o t a 1 1 dm g h p r e c i s i o nm q u i n n e mc h o o s ef ) ( 2 ns e r i e sp l cm a d em j a p a i li s u s e db y c o m p a r e ；r e s i s t a n c es t r a i ns e n s o ri sc 1 1 0 0 s e da sw e i g h ts e n s o ra c c o r d i n gt om e a s u r e s c o p e sa i l dp r e c i s i o n i na l l u s i o nt od o u b l e - s p e e dm e t h o de x i s tc o n f l i c to fw e 谵h t p r e c i s i o na i l ds p e e d 埘i l gw e i g h tc o n 仃o i ，t h 主sp a p e ri n t r o d u c ea 如荭可c o n t r o lm e t h o d ， i tc o n ：吐o lw e i g h ts p e e da n d 伯n e ，n o to n l yb o o s tw e i g h tp r e c i s i o nb u t “s o 如l f i lw e i g h t t i m e f i n a l l y ，i td e s c r i b 部w 王l a tih a v ed o n ed 耐n g 也es o f t w a r ed e s i g na n dd e v e l o p m e n t i nl h i sp a 吨i td i s c u s s e sm es y s t e ：m 丘m c t i o n ，t h ea l l r 0 衄dc o i l s i d e r n o wc h a n ，m a i n c l a s s e sa i l d n l e i rf u n c t i o n ，也es 姐l c m r ea i l d 也ed e b u go f 恤ei m x t l i r es y s t e mi nm e s o f c a r ei 1 1d e t a i l t h e n ，i t 锄l a l y z e st h ec o m m o ni n t e r f b r ef a c t o ra t 廿l es t a g eo f d e b u gi n g l a s sf 犯t o r y - k e y w o r d s ： g 1 a s s ，b a t c h i n g ，m i c r o c o m p u t e r ，c o n 仃0 l ，p l c ，c i a s s 河南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行 的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谫j 的地 方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过咱勺研究成果。 其他同志对本研究的启发和所做的贡献均己在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责睡。 学位论文作者签名：受盏翅 伽口筝年手玛o b 河南理工大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于河南理工大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论 文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：礁墨! 目指导教师签名：淄 1 。r 年f 月，o 日( 纱秀年户月7 护日 河南理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 课题来源 河南物华玻璃有限公司原有的配料控制线，由6 台料斗配料称和运料皮带等 组成，8 0 年代后期实现了微机自动控制。自动控制系统采用的是单片机z 8 0 ，以 中断方式接受i o 信号，并通过操作面板实现参数的设定以及手动自动方式选择。 该系统投运后，控制功能和精度都达到了工艺要求，但是，系统目前已连续 运行十多年，单在人机接日方面逐渐暴露出以下问题： ( 1 ) 单色c r t 仅显示了实际重量配料比等参数，设备运行状态不明显、不直 观； ( 2 ) 工艺变动和设备扩展时，用汇编语一言编制的程序难于修改和调试； ( 3 ) z 一8 0 单片机属于淘汰产品，备件无法保证； ( 4 ) 用于参数设定的拨盘和设定开关故障率较高，用于产量计量的拨盘己老 化： ( 5 ) 系统没有联网能力； 由于上述原因，进入2 0 0 4 年以来，上述系统等设备故障率明显提高，己影响 到正常生产，特别是生产效率大大下降，为此，厂家要求对系统进行升级改造， 河南理工大学电气工程系承担了这一玻璃配料控制系统改造工程。 1 2 课题背景及意义 玻璃工业作为基础原材料产业，与我国国民经济的发展息息相关。根据国家 建材技术情报所玻璃室、国家建材局行管司资料和其他相关资料分析，1 9 9 0 一2 0 0 0 年l o 年间平板玻璃总量由8 2 9 3 万重箱增加到1 8 2 亿重箱，增幅为1 1 9 5 。总体 来看，玻璃年需求增长率为8 1 8 。从近两年情况看，需求增长较快。另外，我国 经济仍将保持较快增长的势头。根据“十五”规划，在未来5 年内我国g d p 增速 将在7 8 之间，增长率要大大高于世界平均水平。从国家统计局资料看，“八五” 期间我国g d p 平均增长速度为1 2 o ，“九五”期间为8 3 。总体看，玻璃工业增 速接近我国g d p 增速。自2 0 0 0 年起，我国城镇住宅平均每年新增3 3 5 亿平方米， 到2 0 l o 年将新增3 3 5 亿平方米。如果以每平米建筑需要0 3 5 平方米玻璃计算， 每年仅城镇新增住宅就需要1 7 2 5 亿平方米玻璃( 约合2 3 4 5 万重量箱) 。农村 随着小城镇数量的不断增加和扩大，建筑玻璃使用量也会有较大的增加。随着我 河南理工大学硕士学位论文 国宏观经济形式的好转，平板玻璃的需求量依然在大规模增长，这为玻璃行业的 发展带来了巨大的机遇。 原料配合料的制备是玻璃生产的第一道工序，成分均匀、稳定的配合料是生 产优质玻璃的首要条件，原料的质量决定了玻璃的工艺性能，还直接影响着产品 的质量、能耗、成本和熔窑寿命等各项经济技术指标。原料成分稳定、配合料组 分均匀是玻璃优质高产的基础，原料的采购、管理、加工和配合等工艺过程的微 小疏忽都可能酿成重大事故“j 。因为一个现代化的大、中型玻璃池窑里容纳着一 两千吨玻璃液，每昼夜要投入上百吨至数百吨配合料，而且在生产过程中各工序 之间是连续作业，环环相扣。彼此影响很大，尤其是配合料的制各，需要对七八 种原料进行精确称量、混合、输送和投料，一旦出现事故就会造成后道工序重大 质量事故，其影响在短时期内是难以清除的，造成的损失是以百万元来计算的， 由此可见原料的制各对玻璃生产线的重要性。 在整个玻璃生产中，可以说每一个生产环节都很重要，都能留影响到最终成 品玻璃的质量和产量，其中原料配料是很关键的一个环节。在玻璃实际生产中， 首先要求配料合格。配料的目的是根据对玻璃品种、质量的要求，确定各种原料 之间的台理配比，以求得到成分合乎要求的玻璃。河南物华玻璃有限公司原有的 玻璃配料系统不能适应当今市场经济的激烈竞争，因此研究开发新的、有效的玻 璃配料微机控制系统势在必行。 3 国内外发展现状 随着计算机技术和微电子技术的发展，微机配料控制系统的发展经历了人工 手动控制、机械电气控制、单片机控制、工业控制计算机集中控制等几个阶段【3 。 在第一阶段中，微机配料设备庞大，各设备之间互不联系，或联系甚少，由 现场的操作人员决定是否要调整控制器。一个操作人员只能监视和操作一个至两 个计量秤，并且手工记录配料的相关数据，在很大程度上产品的质量取决于操作 员的熟练程度。 在第二阶段，糖着电子管、晶体普技术的飞速发展，逐渐出现了各种小型化 的徽机配料电动组合仪表。但电动组台仪表也存在着两大问题，一是电噪声的问 题比较严重，为克服噪声，不得不采用极为复杂的电子线路 “；另一个问题由于 微机配料系统所控对象所处环境常常都很恶劣，电子元器件的老化严重，抗干扰 的能力和可靠性不高。 的能力和可靠性不高。 河南理工大学硕士学位论文 l 绪论 单片机配料系统是在大规模集成芯片技术成熟的基础上应运而生的。单片机 配料系统较之前两种配料系统设计电路复杂程度降低，可靠性大大的提高o 。而 且满足了用户实用性的要求。所以迄今为止，单片机配料系统仍然在一定程度上 占据了中小型企业配料生产的主控地位。 同时随着我国经济的发展，工业生产规模的扩大，计算机技术的迅猛发展， 基于s t d 总线或p c 总线的工业控制计算机提上了日程，并且迅速的在中国形成热 潮，主要是因为工业控制计算机可靠性高，组成系统功能灵活，组态方便，具有 小型化、模块化、组合化、标准化的特点j 。随着工业控制计算机的广泛应用， 基于工控机的配料系统也出现在工业场合。这种配料系统大多采用集中控制方式， 计算机除具有工艺流程控制、工况实时显示、提供数据存储、报表打印等功能外， 还要完成对各对象的直接控制和数据采集任务。 比较单片机配料系统和工控机集中式配料系统，工控机配料系统较单片机配 料系统整体结构简单，人机界面更加美观，交互功能更加强大，设计和调试难度 相对降低l _ 川。但是由于配料生产现场往往距控制室较远，强、弱模拟信号混杂， 必须采取较完善的屏蔽抗干扰措施才能保证系统的稳定运行。集中控制对主机及 其测控电路要求较高，整个系统的通用性和灵活性较差，成本较高，而且系统整 体风险大，一旦计算机出现故障，将造成整个系统瘫痪，影响生产正常进行。 基于上述情况，根据微处理器技术、网络技术、通信技术的发展情况。提出 了微机配料集散控制方式。它是由一台主机和多台从机组成，各个部分通过网络 联结起来，主机不参与被控对象的直接控制，而是将控制任务交给各个从机完成。 即每台配料称可视为个独立的生产单元，用单片机就地对一台秤实施测量与控 制。若干台控制器( 从机) 经数字通信接口联网，并且与工业控制计算机( 主机) 相连，从而组成集散式微机配料系统埘j 。这不仅大大简化线路结构，便于系统制 造与安装维护，显著提高系统的性能价格比和组成灵活性，同时使配料系统整体 故障风险分散，数据管理与过程控制分离，人机接口更加先善，满足了企业管理 人员远离控制现场实时监视整个配料系统工作情况的需求，进一步提高了配料系 统的可靠性。 随着我国电脑工业的发展，微机配料系统已逐步国产化，我国许多科研、生 产单位都投入到开发生产的行列。自动配料装置的核心设备是配料秤，配料秤性 能好坏将直接影响配料质量的优劣。用微机代替控制仪表进行称量配料，可以对 称量误差进行自动补偿，保证配料的准确性，通过微机的键盘和显示器方便地进 河南理工大学硕士学位论文 1 绪论 行人机对话，还可以调用管理完成参数设置、检查和修改工艺设定值，并监视称 量配料的生产过程，发现故障及时报警，通过打印机及时打印生产报表，自动完 成统计工作旧j 。这样，可以降低原料消耗，提高产品质量，实现生产过程的科学 管理。配料系统普遍存在的问题是：配料精度低，机电控制部分的可靠性差，缺 少数据库管理生产以及对生产过程的实时动态监视，配料精度低主要原因是电子 秤系统的动态性范围小，而可靠性差主要是中间继电器和微机控制系统的可靠性 低所致，针对实际问题，采用f x 2 n 型可编程序控制器来代替中间继电器和过程控 制的微型机，为了实现生产过程的动态监视，使用微型系统机与f x 2 n 通信，在彩 色屏幕上显示出动态生产和数据。 可靠性是重要的质量指标，由于机械工艺、电子元件等基础工业发展的滞后， 国内的电脑配料系统可靠性与国外产品相比尚有一定差距。 1 4 课题研究内容 ( 1 ) 配料系统总体方案设计 ( 2 ) 上位机选型 ( 3 ) 下位机p l c 的设计分析 ( 4 ) 传感器选型 ( 5 ) 基于模糊控制的配料算法确定 ( 6 ) 控制系统功能及软件编程 ( 7 ) 系统抗干扰措施及调试 1 5 本章小结 本章介绍了课题来源，阐述了玻璃工业在国民经济发展中的重要性，指出玻 璃工业具有广阔的发展前景，论述了本课题研究的目的和意义，对玻璃工业中使 用的配料系统的研究现状进行了分析。确定了课题研究内容，最后对参考文献作 了综合说明。 4 河南理工大学硕士学位论文2 系统总体方案 2 系统总体方案 2 1 玻璃配料控制系统的工作原理 上面章节已经提到现在在中小型玻璃生产线上，所用玻璃配料设备主要有两 种称体：一种是用料斗称，一种是用皮带称，这两种称体各有千秋。本人对这两 种称体都接触过，但最近一次所接触的是料斗称，故本课题着重于料斗称生产的 玻璃配料微机控制系统l l 。 2 1 1 料斗称的工作原理 料斗称是由下料电振机、装料用的料斗、称重用的压力传感器、用于开门的 开门电机等设备组成，与各种料仓相连接的是一个下料电振机，电振机下料口对 着一个物料斗，料斗下面放有压力传感器，料斗侧面有一个可以打开关闭的门， 该门可用电磁阀或者用液压机械控制其开关( 这里可以认为是由一个开门电机控 制其工作) u 。具体工作情况是：当电振机上电时，电振机振动，使物料下落到 料斗中：当料斗中料重达到一定值时，电振机停止振动，而开门电机上电启动液 压机械，使料斗侧门打开，物料放到下面传送带上；物料放空后，开门电机断电， 液压机械和料斗门靠自身重力关闭料斗侧门，电振机重新上电，重复以上工作过 程。当然，在具体工作时，要考虑到电振机和开门电机之间的步调问题和各台秤 之间的协调问题。这里它们之间的协调是根据厂家的要求而定的。玻璃厂要求， 当料斗中的料重达到设定值时( 实际上是达到“下料e b 例值x 设定值”。这里的“下 料比例”是通过菜单中的“参数设置”菜单，根据实际情况进行设置的) 。电振机 停止振动，停止下料：这时，等待其它工作称若所有工作称的料重都达到了设定 值，电报机都己停止工作，则给所有工作的料斗称的开门电机上电，使其同时下 料。另外，下料时间可以在现场根据具体情况进行设定。 2 1 2 玻璃配料控制系统的工作原理 所谓玻璃配料是指将玻璃生产中所用的各种原材料，这里有砂岩、石灰石、 白云石、长石、纯碱、芒硝等，通过一定的配比进行混合并送入溶制车间的生产 过程。 玻璃配料控制系统根据所用原料，如砂岩、石灰石、白云石、纯碱等分别组 成相应的控制回路。每种原料分别经各自的料仓、下料电振机以及检测变送和控 制器等组成回路，各回路的给定值按玻璃配比要求设定，使各种原料按比例配合 成混合原料，再进入溶制车间。河南物华玻璃配料微机控制系统工况模拟示意图 河南理工大学硕士学位论文 2 系统总体方案 如下图2 一l 所示。 图2 1 河南物华玻璃配料微机控制系统工况模拟示意图 f i g 2 - 1t l l e 、m r k i n gs k e t c hm 印o f h 0 n a nw u h u ag i a s s c o m p u t e rb 砒c h i n gc o n t r d ls y s t e m 工作过程情况可简述为：玻璃厂将己初加工好的各种原材料，分别放入各个 原料库中，料库下端出料口接电磁振动给料机( 即所谓的电振机) ：当需要喂料时， 由p l c 控制电振机的单向可控硅输出脉冲电流，使电振机振动喂料；喂料量的大 小可以通过调整可控硅触发导通角来改变。物料经电振机抖动，进入料斗，料斗 下面根据所装物料的多少，装有一只或两只精度为万分之三的传感器，通过该传 感器，可准确称出料斗内的物料重量和皮重。计算机根据检测到的传感器的电信 号，确定料斗内物料达到设定重量后，通过p l c 关断电振机电流，停止喂料。待 料斗稳定后，计算机称出此时物料的静态重量，随后打开料斗门并开始同步下料， 物料通过运输皮带送到熔制车间。下完料，计算机将自动关闭料斗门，准备进行 下一周期的配料。其中，每放完一斗物料，开始新一轮的配料时，要重新进行测 量皮重，并计算补偿值：上一称的偏差可通过下一称物料来修正，以进一步提高 控制精度。 2 2 系统总体方寨 河南物华玻璃配料微机控制系统原理框图如附录1 所示。此控制系统由p c 机 河南理工大学硕士学位论文 2 系统总体方案 和p l c 组成上下位机控制系统。其中，p c 机主要完成配方管理、监控、显示等操 作，p l c 进行过程控制。上下位机的通信联络，依靠串口通信来实现。生产管理软 件和控制软件通过自行开发完成，这样可以降低开发成本，同时，增加软件的实 用性和针对性。 这里的检测变送元件和控制器主要有：计算机、p l c 、l e d 显示器、压力传感 器、放大器等。其中，计算机是整个玻璃配料控制系统的核心，用于进行计算和 控制等：p l c 用于开关量、l e d 显示、模拟盘及控制等信号的输入输出；压力传感 器用于将压力信号转换为毫伏( m v ) 级的电压信号：放大器将压力传感器送来的信 号进行放大，以便于与p l c 接口。 本系统的运行过程是先由上位计算机将原料配方数据传到下位机p l c ，然后再 由p l c 进行控制。喂料器将各种原料按配方要求分别送到料斗秤，其结果通过重 量传感器检测后，经过称重放大器传回p l c ，配料完成后，p l c 依照控制程序打开 料门，原料进入混合机进行搅拌，达到要求后，在p l c 的控制下，料门开启出料。 2 3 控制系统的主要性雏要求 根据玻璃生产设备情况和有关玻璃配料的经验要求，对该玻璃配料控制系统 提出了如下几点基本要求： ( 1 ) 能准确测出各称的压力和实际料重量，它们的分辨值是0 1 k g 。 ( 2 ) 能够准确对各班产量和累计产量进行计量，累计产量计量误差不得超过 o 1 。 ( 3 ) 能够随时调节设定配比( 这里的配比是通过重量计算的) ，调节方法有两 种：可以调节总批量；也可以调节各称分流量。 ( 4 ) 具有暂停和全停功能。 ( 5 ) 具有数据查询功能。 ( 6 ) 要求配料合格率达到7 0 以上。 ( 7 ) 具有越限报警功能。 2 4 本章小结 本章着重讲述了玻璃配料微机控制系统的工作原理，确定了玻璃配料微机控 制系统的总体方案，介绍了控制系统的主要性能要求。 河南理工大学硕士学位论文 3 硬件设计 3 硬件设计 3 1 上位机设计选用 在系统中，上位机主要完成配方管理、报表显示、查询、打印等功能，基于 此，设计选型时，用p 品牌机代替工控机。品牌机价格适中，操作方便，内存大， 人机界面友好，带有标准的r s 一2 3 2 通信口、打印机接口，易于和外设相连。工控 机目前价位较高，工控机作控制用，可以根据控制要求，进行板卡的选型设计， 从而更好的满足设计要求。因此，在对控制要求高的系统中，选用工控机较为合 理，而本系统中上位机侧重于管理功能，用p 品牌机完全可以满足要求。 3 2 通信设计选用 系统的通信设计选用点对点结构，p c 机与p l c 可以采用通信适配器、通信功 能板及编程电缆相连。本系统为了经济适用，降低成本，选用s c 0 9 编程电缆作 为计算机与p l c 通信的连线。连接电缆的9 针端连接在计算机串口上，另一端连 接在p l c 的r s 一4 2 2 编程口。 3 3 下位机设计选用 下位机选用可编程序控制器p l c 。可编程序控制器是以微处理器为基础，综合 了计算机技术与自动控制技术为一体的工业控制产品，是在硬接线逻辑控制技术 和计算机技术的基础上发展起来的。通常把p l c 认为是由等效的继电器、定时器、 计数器等元件组成的装置 1 2 。 3 3 1 可编程序控制器的主要特点 ( 1 ) 可靠性高 p l c 的m t b f ( m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e s ) 平均故障间隔时间一般在4 0 0 0 0 5 0 0 0 0 h 以上，西门子、a 朗、松下、三菱等微小型p l c 可达1 0 万h 以上，而且均 有完善的自诊断功能，判断故障迅速，便于维护。 ( 2 ) 模块化组合灵活 可编程控制器是系列化产品，通常采用模块结构来完成不同的任务组合。i 0 点数从8 8 1 9 2 点，有多种机型、多种功能模板可灵活组合，结构形式也是多样 的。 ( 3 ) 功能强 河南理工大学硕士学位论文 3 硬件设计 p l c 应用微电子技术和微计算机，简单型式都具有逻辑、定时、计数等顺序控 制功能。基本型式再加上模拟i 0 、基本算术运算、通信能力等。复杂型式除了具 有基本型式的功能外，还具有扩展的计算能力、多级终端机制、智能i 0 ，p i d 调 节、过程监视、网络通信能力、远程i o 、多处理器和高速数据处理能力引。 ( 4 ) 编程方便 p l c 适用针对工业控制的梯形图、功能块图、指令表和顺序功能表图( s f c ) 编 程，不需要太多的计算机编程知识。新的编程工作站配有综合的软件工具包，并 可在任何兼容的个人计算机上编程。 ( 5 ) 适应工业环境 p l c 的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强 电磁干扰环境下可靠工作。 ( 6 ) 安装、维修简单 与计算机系统相比，p l c 安装不需要特殊机房和严格的屏蔽。使用时只要各种 器件连接无误，系统便可正常工作。各个模件上带有运行和故障指示装置，便于 查找故障，大多数模件可以带电插拔，模件可更换，使用户可以在最短的时间内 查出故障并排除，最大限度地压缩故障停机时间，使生产迅速恢复。 一些p l c 外壳由可在不良工作环境下工作的合金组成，结构简单，上面带有 散热槽，在高温下，该外壳不像塑料制品那样变形，还可抗无线电频率( r f 高频) 电磁干扰、防火等【1 4 。 ( 7 ) 运行速度快 随着微处理器的应用，p l c 的运行速度增快，使它更符合处理高速度复杂的控 制任务。 ( 8 ) 总价格低 p l c 的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所 增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。另外，采用p l c 还可以大大缩 短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。 3 3 2 可编程序控制器的工作原理 在继电器控制电路中，当某些梯级同时满足导通条件时，这些梯级中的继电 器线圈会同时通电，这是一种并行的工作方式。p l c 是采用循环扫描的工作方式， 在p l c 执行用户程序时，c p u 对梯形图自上而下、自左向右地逐次进行扫描，程序 河南理工大学硕士学位论文 3 硬件设计 的执行是按语句排列的先后顺序进行的，是一种串行的工作方式，不会出现多个 线圈同时改变状态的情况，这样有利于避免触点竞争和时序失配的问题【1 5 j 。 p l c 上电后首先进行初始化：i o 、内部辅助、特殊辅助、辅助记忆继电器区 域清零、定时器预置、识别扩展单元1 16 j 。然后进入循环扫描工作过程，扫描过程 如图3 1 所示。这个工作过程分为内部处理、外设端口服务、程序输入处理、程 序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。内部处 理阶段：c p u 都要进行复位监视定时器、硬件检查、用户内存检查等操作。通信操 作服务阶段；p l c 与一些智能模块通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显 示内容等。当p l c 处于停止( s t o p ) 状态时只进行内部处理和外设端口服务操作等 内容。在p l c 处于运行( r u n ) 状态时从内部处理、外设端口服务、程序输入、程序 执行、程序输出，一直循环扫描工作。 图3 一lp l c 扫描工作流程图 f i g 3 1t h en o wd i a g r 鼬o f p l cs c a n n 试g ( 1 ) 输入处理阶段 输入处理也叫输入采样。在此阶段，p l c 以扫描方式读入所有输入端子的通断 状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映像寄存器，在此输入映像寄存器被 刷新，接着进入程序执行阶段。自此输入映像寄存器就与外界隔离，即使输入信 河南理工大学硕士学位论文 3 硬件设计 号发生变化其映像寄存器的内容也不发生变化，只有在下个扫描周期的输入处 理阶段才能被读入信息，也就是说，各输入映像寄存器的状态要保持一个扫描周 期不变。 ( 2 ) 程序执行阶段 在程序执行阶段，根据梯形图程序先左后右、先上后下的扫描原则，p l c 逐句 扫描执行用户程序，遇到跳转指令，则根据转移条件来决定程序的走向。从用户 程序涉及到输入输出状态时，p l c 从输入映像寄存器中读出上一阶段采入的对应输 入端子状态，从输出映像寄存器中读出对应映像寄存器的当前状态，根据用户程 序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中 17 | 。对每个器件面言，器件 映像寄存器中所寄存的内容会随着程序执行过程而变化。 执行用户程序阶段的扫描时间是影响扫描周期时间长短的主要因素，而且不 是固定的，其原因主要取决于以下几方面因素： 用户程序中所用语句条数的多少。 每条指令的执行时间不同。 程序中有改变程序流向的指令。 ( 3 ) 输出刷新阶段 程序执行完以后，将所有输出继电器的元件映像寄存器的状态传送到相应的 输出锁存电路中，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控 制信号，形成p l c 的实际输出，驱动相应外设 18 】。 3 3 3 可编程序控制器的选型 在选择p l c 型号时一般从以下几个方面来考虑： ( 1 ) 功能要适当 p l c 选型的基本原则是满足控制系统功能要求。控制系统需要什么样的功能， 就选什么样功能的p l c 。当然要兼顾维修备件的通用性。在功能的选择性方面要着 重注意的是特殊功能的需要。这就是要选择所需功能的p l c 主机，还要根据需要 选择相应的模块，例如开关量的输入输出模块、模拟量的输入输出模块、高速计 数模块、通讯模块和人机界面等 1 9 。 ( 2 ) i o 点数是基础 准确统计出被控设备对输出输入点数的总需要量是p l c 选型的基础。把各输 出设备和被控设备详细列出，然后在实际统计出i o 点数的基础上加上1 5 一2 0 河南理工大学硕士学位论文3 硬件设计 的备用量，以便今后调整和扩充。 ( 3 ) 充分考虑输入输出信号的性质，注意输入输出信号的性质参数 例如输入信号电压的类型等级和变化率：信号源是电压输出型还是电流输出 型；是n p n 输出型还是p n p 输出型等等，还要注意输出端的负载特点，以选择、 匹配相应机型和模块l j 。 ( 4 ) 估算系统对p l c 响应时间的要求 响应时间包括输入波时间、输出波时间和扫描周期。p l c 的顺序扫描工作方式 使它不能可靠地接收持久时间小于扫描周期的输入信号。为此，需要选取扫描速 度高的p l c 。 ( 5 ) 根据程序存储器容量选型 用户程序所需存储量可以预先估算，对于开关控制系统，用户程序所需存储 器的字数等于i o 信号总数乘以8 ；对于有模拟量输入输出系统，每一路模拟量信 号大约需1 0 0 字的存储器容量。大多数p l c 的存储器采用模块式的存储器卡盒， 同一型号的p l c 可以选配不同容量的存储器卡盒，实现可选择的多种用户存储器 的容量l n j 。 ( 6 ) 编程器与外围设备的选择 小型p l c 控制系统通常都选用价格便宜的简易编程器。如果系统过大，选一 台功能强编程方便的图形编辑器也不错，如果有现成的个人计算机，也可以选用 能在个人计算机上运行的编程软件包。 现有可编程控制器产品种类很多，可分为大、中、小三类，各厂家生产的系 列一般不能与别的厂家通用。常见的p l c 系列有m i t s u b i s h 工公司的f 系列、叫r o n 公司的c 系列、s i 胍n s 公司的s 5 系列等。对于玻璃配料微机控制系统的p l c 的选 型应按技术经济指标进行综合考虑，从配料控制系统的功能要求出发，对p l c 的 c p u 运算速度、输入输出响应时间、特殊的功能语句等予以重视，若选型不当将导 致方案失败l 2 引。在此我们选用了三菱公司的f x 2 n 系列p l c ，f x 2 n 系列是f x 系列 p l c 家族中最先进的系列。f x 2 n 系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、 程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需 要的大量特殊功能模块，为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力c z 3 j 。 由于各个系列的p l c 都不仅配有不同的基本单元( 含c p u ) ，而且配有不同点数 不同类型的输入输出模块和专用模块，系统配置一方面要保证满足功能上的要求， 另一方面要着眼于不浪费资源以提高性价比【2 引。一般可先根据总体方案和功能要 河南理工大学硕士学位论文3 硬件设计 求确定输入输出点数和类型，并适当留有余地，在考虑输入输出的比例与类型是 否需调整，是否在基本单元外再附加模块，是否需要特殊模块，电源容量是否满 足驱动与外部传感器的要求等比5 j 。 根据河南物华玻璃有限公司玻璃配料微机系统的实际需要，这里我们选用日 本三菱公司的f x 2 n 系列产品，选用了一块f x 2 n 一1 2 8 m t ，两块f x 2 n 1 6 e y r ，两块 f x 4 a d 。f x 2 n 1 2 8 m t 负责各种开关量的输入、输出，以及操作台和现场的l e d 显示、 模拟盘等，f x 2 n 1 6 e y r 负责进料和放料控制等，f x 4 a d 负责处理称重传感器的信 号。 3 4 传感器设计选型 3 4 1 重量传感器的选用 重量传感器是一种测量装置，能感受或响应给定的被测量，并按照一定规律 转换成可用的输出，以满足信息的转换、处理、存储、记录、显示和控制等要求。 在这里重量传感器响应的是压力信号，它用于将压力信号转换为可被计算机接受 的电压信号l 趵j 。 这里我们先看一下传感器的重要性。传感器是实现自动检测和自动控制的首 要环节，若没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么无论是信号转换、 信息处理、或者最佳数据的显示与控制，都将成为一句空话。可以说，没有精确 可靠的传感器，就没有精确可靠的自动测量和控制系统。现代微电子技术和计算 机为信息的转换与处理提供了极其完善的手段，近代检测与控制系统正经历着重 大的变革，但是，若没有各种传感器去检测大量原始数据并提供信息，那么，电 子计算机也无法发挥其应有的作用。 传感器的分类方法很多，这里单就按变换原理来分，可分为变电阻式、变磁 阻式、变电容式、变谐振频率、变电荷和变电势等类别。而应变式压力传感器便 是利用变电阻的变换原理而制作的一种传感器。 应变式传感器是目前应用最广泛的传感器之一。将电阻应变片粘贴在各种弹 性敏感元件上，可构成测量力、压力、荷重、应变、位移等各种参数的电阻应变 式传感器。该种传感器在多种领域都有很广泛的应用。 根据需要，在河南物华玻璃有限公司玻璃配料微机控制中我选用了应变式压 力传感器。其量程根据不同原料的测量范围的不同要求，有不同的选择，可以从 5 k g 到4 0 0 k g 不等。 河南理工大学硕士学位论文 3 硬件设计 3 4 2 电阻应变传感器测量电路 压力传感器内部是一种电桥，根据电桥电源的不同，电桥可分为直流电桥和交流 电桥。玻璃配料微机控制系统中我采用的是直流电桥。电桥是由四个电阻组成， 其中任一个桥臂电阻都可用应变片代替。先讨论一下只有一个桥臂是应变片的情 况，电桥如下图3 2 所示。 图3 2 不平衡电桥 f i g - 3 2t h ei m b a l a n c ee l e c t r i c i t yb r i 起e 设输入电压是u ，输出电压是u s c ，r 1 是应变片，r 2 、r 3 、r 4 均为阻值固定 的电阻。电桥的初始平衡条件是r 2 r l = r 4 r 3 。即当应变片未承受应变时，电桥输 出电压为零。承受应变时，产生r l 变化，电桥的不平衡输出为： u s c = u l u 2 ：墨生竺! u 一墨! u 。糯u ( 1 + 塑+ 丝) ( 1 + 丝) 。 、 只1r l ，、r 3 令r 2 r 1 = n ，以及忽略分母中的微小项，上式经整理可得到： 因此，电桥的电压灵敏度是： ( 1 + 门1 2r l 醣。u k 塑 缸2 鲞= v 斋 r 1 河南理工大学硕士学位论文3 硬件设计 由上式可以看出，电桥电压灵敏度与输入电压和桥臂电阻比值n 二者有关。 桥臂端输入电压越高，电压灵敏度越高。当n = l 时，即在r 1 = r 2 ，r 3 = r 4 的对 称条件下，电压灵敏度最大，这种对称电路得到广泛的应用。 上面的分析是基于应变片的参数变化很小，即r l r 1 1 ，因此在分析电桥 输出电流或电压与各参数关系时，都忽略了分母中的r l r l 项，从而得到的是线 形关系，这是理想情况。当应变片承受很大应变时，r l r l 项就不能忽略，得到 的刻度特性里非线形，于是，实际的非线形特性与理想的线形特性之间就有偏差， 即非线形误差e ，。 设电桥是对称电桥，即r l = r 2 ，r 3 = r 4 ，可以算出非线形误差： 。，2 矿 c ，磅等，1 ：l - 一1 一i 百 式中：u s c 电桥的理想输出电压值； u s c 电桥的实际输出电压值。 对于一般的应变片，所受应变通常在5 0 0 0 微应变以下，若灵敏度系数k = 2 ， 则k 。= 0 0 1 ，按上式算出得到e ，为o 5 ，这不算太大。但是对其它要求精度较高 时，这种误差就不能忽视了。如对半导体应变片，其灵敏度系数k = 1 2 5 ，在承受 1 0 0 0 微应变时，电阻相对变化达到o 1 2 5 ，非线形误差达到6 ，这时，必须采取 措施来减小或消除非线形误差。 图3 3 差动电桥 f i g 3 - 3t h ed i 鼠r e n t i a le l e c t r i c i t yb r i d g e 河南理工大学硕士学位论文3 硬件设计 在玻璃配料微机控制系统我们所用的压力传感器采用差动电桥法来消除非线 形误差。它是根据被测部件的应变情况，在电桥的相邻两臂同时接入两工作应变 片，使一片受拉，一片受压，便成为差动电桥( 图3 3 ) 。 此时，电桥的输出电压是： 盼c ：u 墨! 塑 一u 塑 若r 1 = r 2 ，r l = r 2 ，r 3 = r 4 ，则得 盼c ：三u 塑 2r 1 由上式可知，差动电桥不仅没有非线形误差，而且电压灵敏度比单工作片提 高了一倍，同时还起到了温度补偿作用。在接有四片工作片的差动电桥中，其输 出比单工作片提高了4 倍，为 砧c ：u 竺 月l 由于差动电桥有上述优点，故此我在河南物华玻璃有限公司玻璃配料控制系 统的称重电路中采用了差动电桥。 压力传感器安装在料斗的支撑横杆和料斗之间( 这个位置是在机械设计安装 时定好的) ，它们采用单独的+ 5 v 工作电源供电。为了精确计量，我们在现场专门 对压力传感器进行标定测试。先通过加不同的砝码，来标定其线形度，后又通过 实物标定法对其进行标定，总起来说，其线形度还可以。但是，为了精确计量， 我们增设了传感器标定功能，这样，在不同的压力段，使用不同的比例系数，来 计算准确的物料重量。 3 5 本章小节 本章详细论述了系统硬件的设计选型，介绍了上位机的选用依据和原则，通 过分析指出本系统所选通信硬件的型号，阐述了可编程控制器的特点以及p l c 的 工作原理，综合考虑各种因素，最后确定系统所选p l c 型号，论述了电阻应变式 传感器的工作原理、内部结构和测量电路。 1 6 河南理工大学硕士学位论文4 基于模糊控制的玻璃配料控制算法 4 基于模糊控制的玻璃配料控制算法 在双速法称量配料控制过程中，存在着称量精度和和称量速度的矛盾。即为 了提高称量精度，希望慢速加料的速度值设定得越小越好。这是因为慢速加料的 速度设定得越低，提前量就越小，称量精度就越高：但是，与此同时由于慢速加 料的速度太低而会导致称量时间大大延长，不能满足生产要求，本文引入模糊控 制算法，对称量速度和时间加以控制，既提高了称量精度，又满足了称量时间。 4 1 引言 建立在被控对象精确数学模型( 微分方程、传递函数或状态方程) 基础上的经 典自动控制理论和现代控制理论己在许多领域中取得了辉煌的成就，但是在现代 工业控制和实际生产过程中，由于影响控制系统的因素很多，也十分复杂，因此 建立控制系统的数学模型特别困难，甚至是不可能的。美籍伊朗数学家扎德( l - a z a d d e h ) 子六十年代创建了模糊控制集合理论( f u z z y s e tt h e o r y ) ，七十年代英国 的马丹尼( e h d a n i ) 首次提出了f u z z y 控制思想，即采用模糊控制器应用模 糊集合理论进行统筹考虑的控制，根据实际系统的输入输出结果，参考现场操作 人员的运行经验，对系统进行实时控制，并将模糊控制理论应用于蒸汽机控制， 学者汤哥( r t o n g ) 在学术杂志上首次发表了模糊控制技术论文，标志着f u z z y 控制 己走向实用阶段幢。八十年代模糊控制技术的应用进入了一个全面、深入、硬件 专门化的阶段，模糊控制技术有了飞速发展。并拓展到