毕业设计（论文）-纸张质量生产过程的PLC控制系统

目录第一章绪论 41.1纸张质量生产国内外概况 41．2纸张质量生产过程课题概述 51.2.1纸张质量生产过程课题的提出 51.2.2纸张质量生产过程课题的目的和意义 61.3造纸工艺过程及特点 61.3.1造纸工艺过程 61.3.2造纸工艺过程的特点 71.4本文主要研究工作 7第二章纸张质量生产过程控制系统总体设计方案 82.1纸张质量生产过程工艺介绍 82.2纸张质量生产过程水分检测控制方案 92.2.1纸张质量生产过程水分检测控制系统组成 92.2.2纸张质量生产过程水分控制方案、原理 10第三章纸张质量生产过程控制原理及设计方法 123.1模糊控制简介 12根本模糊控制原理 123.1.2精确量的模糊化 12(1)模糊控制器的语言变量 123.1.3模糊控制规那么 143.1.4模糊判决 143.2模糊控制设计 153.2.1模糊控制器的设计 153．2．2模糊控制器的在线实现 16控制流程图 183.2.4MATLAB仿真结果图 193.3专家控制简介 20知识库 20控制规那么集 21推理机构 21信息获取与处理 213.4专家决策控制设计 21定量和水分的解耦控制设计 21蒸汽压力的自动设定值设计 22第四章纸张质量生产过程水分设计的硬件与软件设计 244.1PLC与S7-200简介 244.1.1PLC的产生与开展 244.1.2PLC的特点 25PLC控制系统的总体结构 254.1.4SIMATICS7-200简介 264.1.5S7-200系列CPU226(概述) 264.2纸张质量生产过程水分设计硬件概述 274.3纸张质量生产过程水分设计硬件各局部详细情况 294.3.1滚筒电动机回路设计 29S7-226型PLC与上位机的接线 304.3.3控制接口与执行机构 314.3.4水分检测 314.3.5压力检测与变送 324.3.6模拟量输入模块〔A/D〕 334.4硬件系统设计原那么 344.5软件设计 34滚筒电动机回路程序设计： 344.5.2造纸过程主程序流程图 37造纸过程水分检测流程图 384.6设计中的一些措施 38结论 415.1全文总结 415.2尚可改良的方面 415.3后续工作展望 41致谢 43参考文献及资料 44摘要纸是日常生活中不可缺少的重要消费品，也是工业生产的重要原料。随着社会生产和人们物质文化生活水平的提高，对纸产品的产量和质量要求越来越高.人们正在不断采用新的造纸工艺和设备，扩大纸机规模，提高纸机车速，提高纸的产量和质量。而计算机自动控制在生产过程中己成为必然的手段。纸张水分是纸张最重要的质量指标，实现对它的严格控制，已成为纸品生产的首要目标。在全面深入总结国内外相关文献的根底上，本文针对水分的测量原理，测量方法，测控软件等假设干理论和技术进行了深入的探讨。本设计方案结合西门子PLC平台设计了纸张水分检测的局部编程。对测控对象的特性，水分测量原理的关键技术进行了分析，提出了测控系统总体框架组成。对纸张水分过程进行了深入重点研究，介绍其过程传递函数模型。应用模糊控制和专家控制原理，实现了水分的自动调节过程，并实现了MATLAB仿真。设计了上位机与下位机的通信方式。设计了水分数据的实时采集、处理和显示以及自动调节的方法。关键词:纸机测控水分模糊控制自适应模糊控制专家控制AbstractPaperisnotonlytheveryimportantconsumable,butalsotheimportantrawmaterialinourdailylife.Withtheimprovementofthesocialproducelevelandpeoplelivingstandardofsubstanceandculture,thedemandingofoutputandqualityofpaperproductionisatahighpitch.Forthesakeoftheincreasingoutputandqualityofpaperproduction,peopleareadoptingnewtechnicsandequipmentofpapermaking,enlargingpapermachinedimensions,andenhancingthespeedofpapermachine.Thecomputerautocontrolsystemwillexertimportanteffectintheprocessofpaperproduction.Themoistureofpaperisthemostimportantqualityguideline,strictlycontrolofitisturnintotheimportantmarkinpaperproduce.Theresearchesonthepapermoisturemeasurecontrolsystemisbasedonwhollystudyingthecorrelationdocumentofnativeandoutercountry.Thetheoryandtechnologyofmeasuringprincipleofmoisture,methodcontrolofthem,andmeasurecontrolsoftwareandsoonarein-depthinvestigation.ThenewcontrolprogramwasdesignedintheSiemensPLCplatform.Thisthesishasanalysedthekeytechnologyofthecharacteristicofthecontrolobject.measureonmoisturearediscussed.Iputforwordthestructureofmeasureandcontrolsystem.Thisthesishasstudiedthetransferfunctionmodeloftheprocessofmoisture.Deepnessaffectstheprocessofthemoistureisanaysed.Thisthesishasbroughtforwardusingtheprincipleoffuzzycontrolandexpertcontrolprincipletorealizetheprocessofmoistureself-regulation，andrealizedMATLABimitate.Idesignedthemethodofcommunicationbetweenupcomputeranddowncomputer.Ihavedesignedrealtimepick,dealwithanddisplayofmoisturedata,anddesignedself-adjustingmethodofmoisture。Keywords:PaperMachineMeasureAndControlMoistureFuzzyControlExpertControlAutomaticFuzzyControl 第一章绪论1.1纸张质量生产国内外概况造纸起源于我国，是我国古代的四大创造之一。我国东汉时期的蔡伦制成了人类历史上的第一张纸，开创了人类社会文明进步的新纪元，对世界文明的开展与进步，作出了无与伦比的奉献。约200年前，机制纸技术首先在欧洲出现，后逐渐传播到世界各地.至今只有少数几个国家不能造纸，绝大多数国家都拥有自己的造纸工业。随着文化和信息产业的飞速开展，造纸业在全世界产业中的地位已经变得越来越重要，被列为国民经济十大支柱制造产业之一。纸与纸板的消费水平己经成为衡量一个国家现代化水平的重要标志之一。1995年，全球造纸工业的总销售额为2600亿美元，总资产为4000亿美元。根据联合国粮农组织(FAO)的统计，全球纸和纸板产量己由1950年的4300多万吨开展到1998年的3.01亿吨。建国以来，特别是改革开放以来，我国造纸工业得到了快速开展.使纸和纸板的产量己跃居世界第二位。随着控制理论和计算机技术的开展，制浆造纸工业的自动化也得到了较快开展。国外对抄纸过程计算机控制的研究始于五十年代末。美国于1960年最早实现了造纸过程计算机控制。美国的Measurex公司和AccuRay公司，以及德国的Lippika公司，是当今世界造纸机定量、水分计算机控制系统最先进的三家公司，这三家公司已有商品化的计算机控制系统，它们的定量仪、水分仪、灰份仪、浓度仪、流量计、控制阀、扫描架和工业控制机都代表了当今世界的最高水平。它们的成套技术和实施技术也是最高水平的，模型和控制算法比拟简单。纵观国内外自控技术的开展情况，我国自动控制技术的研究和应用水平还很欠缺，造纸过程控制更是如此。在国外被广泛重视和应用的单片机控制技术，模糊控制技术，神经元网络自动化技术在我国还处于刚起步阶段.我国造纸企业中,1978年之前还没有一套造纸机定量、水分计算机控制系统。当时全国造纸工业中只有一些常规仪表控制系统，用于锅炉、蒸煮、打浆等工段的单回路控制，而且多在一些新建的大型纸厂，许多老厂和小厂的生产还是人工操作。1978年，我国开始引进了几套定量水分计算机控制系统，用于大型纸机的控制，取得了经验。后又陆续引进了多套计算机控制系统，全国各大纸厂根本都有了计算机控制设备。引进的控制系统多用于生产牛皮纸、新闻纸的大型高速纸机上，产量高，效益显著。我国造纸企业多为年产0.5万吨以下小厂，采用的造纸原料多为草浆，对于这样的小厂，引进设备的投资往往超过其固定资产投资，而经济效益却并不显著.使用进口设备的弊端是国外公司的技术保密，引进后只能使用，而对其内部硬、软件原理都不能了解。设备维修和零配件更换仍需花费大量外汇。对于大规模提高我国造纸工业自动化水平极为不利。1983年浙江大学造纸自动化研究推广中心进行了纸机定量、水分控制系统的研制工作。1984年7月，国内第一套纸机定量、水分计算机控制系统在浙江嘉兴民丰造纸厂的1号纸机上运行成功，取得了重大得经济效益，打破了外国垄断造纸机计算机控制系统的局面。这套系统自1984年7月开始运行，至今仍保持良好的性能，证明了国产系统的可靠性。西安力源光电科技，从1999年成立公司开始，经过几年的不懈努力，在西安市科技基金的资助下，在近红外物料检测方面有重大技术突破，研制成功了纸张定量水分控制系统，并己形成规模销售及为纸张定量水分测量仪器配套的系列产品:全自动“0”型扫描架，全自动“1．2纸张质量生产过程课题概述1.2.1纸张质量生产过程课题的提出造纸工业是许多国民经济配套的、必要的重要原材料工业。随着人们生活水平的提高，纸和纸板所需的品种和数量日益增长，在国民经济中占有越来越重要的地位。我国造纸工业的开展前景十分乐观，但与国外造纸工业相比，还有一定差距。我国造纸工业技术落后，自动化程度很低，绝大局部生产流程还是人工操作，限制了我国造纸工业的开展。另一方面，人们对纸的质量和产量要求越来越高，但是日益严重的世界性能源紧张和工业污染问题，迫使能量消耗多、污染影响大的纸浆造纸业采用各种措施来减少污染，降低能耗。整个制浆造纸生产过程变得越来越复杂，人工操作难以保证到达产品质量，对造纸过程进行自动控制迫在眉睫。1.2.2纸张质量生产过程课题的目的和意义纸张的水分是纸张最重要的质量指标。水分是纸张含水的百分数。实现对他的严格控制，能显著提高产品质量，减少断纸，稳定生产，增加产量，降低能源和原料消耗，获得明显的经济效益。采用自动控制可以提高水分1-3%,减少纤维用量2%,提高车速5%,增加产量5-15%，还可以节约蒸汽10%，使水分的波动减少。水分控制的效益来自水分偏差的减小。假设生产10%的含水量纸张，允许水分偏差为士5%，假设实现下偏差卡边控制后，使水分稳定在5%，生产同样长度的纸，可多用蒸汽压力5%。相反，实现上偏差卡边控制后，使水分稳定在15%.生产同样长度的纸，就少用蒸汽5%。1.3造纸工艺过程及特点造纸工艺过程纸机按结构(主要是网部结构)的不同，有长网纸机，圆网纸机，夹网纸机和复合纸机几种类型。它们的根本组成相同，都是由网部、压榨部、枯燥部和卷纸机等组成。长网造纸机与其他三种的不同之处，主要是网部由网笼和网槽组成。长网造纸机是造纸工业中使用最广泛的一种造纸机。典型长网造纸机可以看作由多台设备组成的联动机，通常分为湿部和干部两局部。湿部包括浆料流送设备、网部和压榨部;干部包括枯燥部、压光机和卷纸机(切纸机)。经过配浆、施胶、加填和净化以后，具有适合抄纸性能的浆料(常称为纸料)，在一定浓度下进入造纸机的浆料流送设备。纸料经浆流分布器和流浆箱对浆流分布和匀整后，均匀而稳定地流送到运动着的成形网(通常是铜网)的网面上。浆流在网案的胸辊中心线附近上网后，逐渐过渡、脱水，形成连续的湿纸幅。网案上通常设有案辊、真空吸水箱、伏辊等成形一脱水元件。当湿纸幅脱水到一定干度(通常是40%左右)，便可以从网面剥离，送至压榨部继续脱水。造纸机的压榨部由假设干级辊式压榨组成。湿纸幅是由压榨毛毯支托着，在压辊间用机械挤压的方法脱水的。为了保持压榨毛毯的良好脱水性能，压榨辊上配有毛毯吸涤装置。经压榨部后，湿纸幅的干度一般可达20%左右。湿纸幅在纸机上的进一步脱水，通常是用加热蒸发枯燥的方法。造纸机的千燥部通常由许多用蒸汽从内部加热的烘缸组成。烘缸上包覆着干毯(或帆布、干网)，目的是将纸压紧到缸面上，提高传热效率和增进纸幅的外表质量。千燥后，通常使用由6-8辊组成的压光机来提高纸幅外表质量。最后用卷纸机卷成纸筒，供整饰工段进一步加工使用。造纸工艺过程的特点造纸过程工艺复杂，可概括其特点：对象的不确定性；状态的不完全性；对象的强耦合性；对象的纯滞后特性；对象的非线性特性。1.4本文主要研究工作本文针对1760/350长网纸机(具体技术参数见表1.1)，进行了纸张水分计算机测控系统假设干关键技术的研究。这些关键技术包括研究了生产纸种含水量〔克/㎡〕幅宽〔cm〕车速〔m/min〕文化用纸3%-8%1760350表1.1纸机1760/350纸机技术参数水分的测量原理;实现了对水分数据的实时采集、储存、处理与显示等;并对水分进行自适应模糊解耦控制:设计出纸张质量检测的硬件，。通过PLC设计出纸张水分检测的软件电路。木文主要论述以下内容:=1\*GB3①对水分的特性进行分析，提出了测控系统总体框架组成。介绍了几个重要设备:水分传感器等器件。同时对水分的测量原理的关键技术和特点也进行了论述。=2\*GB3②对水分过程进行深入研究。为自适应模糊控制的参数设计积累坚实的知识。=3\*GB3③应用模糊控制原理，设计水分模糊解耦控制器，实现了定量水分自适应模糊控制。=4\*GB3④应用PLC原理,实现检测纸张水分的目的。第二章纸张质量生产过程控制系统总体设计方案2.1纸张质量生产过程工艺介绍此工艺是以长网1760纸机为例，工艺过程是:打浆车间送来的浓纸浆在调浆箱与白水混合稀释后形成低浓纸浆(0.7%左右);经过除砂装置去除浆料中尘埃和浆团，通过网前流浆箱流布在铜网上。纸浆在铜网上经自然滤水形成湿纸页，经压榨部脱水后，经过烘缸进行烘干，形成含水量为3%-8%的纸页进入胶辊，进行外表施胶，最后经压光作为成品纸，上卷筒卷取。其工艺流程图如图2.10所示：图2.1造纸机抄造工段工艺流程图成纸的水分含量是纸业最重要的质量指标之一。水分过高，会导致出现气泡，水斑等纸病,而过低那么会导致纸页发脆，易断，同时还会多用蒸汽，使耗能增加。在长达数十米的纸机流程中，影响成纸水分的因素很多，其中最主要的是湿纸页在烘缸的热传递情况和成纸定量水分的耦合。由于蒸汽压力是可测的，一般将它视为纸张水分的控制变量。烘干部有3组共20多只直径1m左右的烘缸，要以定量关系式准确地描述纸页在烘干过程中的机理是十分困难的，因此，采用模糊控制器控制成纸水分较为适宜可行。在长达数十米的纸机流程中，影响水分的因素很多，根据实际情况采样点少且不同的造纸厂各有特点。要研制出通用设备，就需要找出系统的共同的特性，研究出调整参数的方法，以适应不同的纸机控制.通过调研实践、分析，我们得出纸机流程被控对象的特点为:造纸过程的数学模型难以确定且时常变化；系统受到众多因素的干扰；纸张的定量和水分相互影响，形成一个耦合的多变量系统；过程的动态特性时间常数大、纯滞后时间长。由以上被控对象的特点可以看出，造纸过程是一个典型的多变量、非线性、强耦合、多干扰、时变的复杂系统。要想快速、准确的控制纸张的水分、定量用经典的控制方法是难以做到的，只有采取适宜的控制方法，才能到达满意的效果。2.2纸张质量生产过程水分检测控制方案纸张质量生产过程水分检测控制系统组成水分系统组成框图如图2.2所示.图2.2系统组成框图定量,水分是密不可分的。定量、水分控制系统由三局部组成。分别由一台上位机和两台下位机构成，完成系统的控制。其控制系统结构如图2.3所示.2.3控制系统结构图此系统是个复杂的控制系统。定量和水分的控制分别由两台下位机完成，它们相对独立。纸张的定量控制系统是一个反应加前馈的串级系统。定量控制是通过改变纸浆上网的流量来实现的，由于影响纸张定量的主要干扰是上网流量，而上网流量是可控的。因此，把流量作为副回路，排除来自流量方面的干扰，于是就构成了以纸张定量为主被控变量，以上网流量作为副被控变量的串级控制系统。又由于纸厂纸浆的浓度经常变化，这对纸张的定量影响也很大，对纸张水分也有影响。为了保证纸张浓度的稳定，在流量控制系统前参加了浓度控制的前馈环节。从而构成了前馈加反应的串级定量控制系统。纸张的水分控制系统是一个串级的反应系统。由于纸张定量和水分的控制是一个强耦合系统，为了消除或减小控制系统间的关联现象，使各控制系统的输出尽量只影响它所控制的变量。为此，采用定量和水分的解耦控制，即增加了解耦运算局部，这是由上位机根据纸张定量和水分的变化情况进行的。纸张质量生产过程水分控制方案、原理根据生产过程的特点和现场实际情况，其中最主要的是湿纸页在烘干部的热传递情况和成纸定量水分的耦合。水分控制结构图，如图2.4所示。图2.4水分控制结构图此系统是串级反应的双闭环控制结构。水分控制是通过改变烘干部的蒸汽压力来实现的，由于影响纸张水分的主要因素为烘干部的蒸汽压力，而它是可测可调的。因此，把蒸汽压力作为副回路，排除来自干扰部的蒸汽压力方面的干扰，于是就构成了以纸张水分为主被控变量，以蒸汽压力作为副被控变量的串级控制系统。控制过程:(1)当测量水分值在设定值的范围内，那么保持当时的蒸汽的压力设定值。压力控制环按照此时的压力设定值进行调节来稳定蒸汽压力。调节方法采用模糊控制，分为离线和在线两个局部，离线是确定模糊规那么到生成模糊控制查询表的过程。在线是指从模糊控制表得到的控制量经过运算得到适宜的输出量。(2)当水分值超出设定范围时，由控制决策模块根据专家经验库和模糊表得出改变压力设定值，从而使压力控制环按新的压力设定值调节到所需的压力，从而保证水分在设定范围内。水分控制系统的控制方法是由模糊控制和专家控制相结合的控制方法。第三章纸张质量生产过程控制原理及设计方法把纸张质量生产过程水分设计分为两大局部:模糊控制局部和专家控制决策局部。3.1模糊控制简介3.1.1根本模糊控制原理随着模糊控制理论的研究和技术的应用，模糊控制器的设计也在不断的开展和改良。并在实际中得到了较好的应用。模糊控制通过模糊逻辑和近似推理方法，把人的经验形式化、模式化，变成计算机可以接受的控制模式，让计算机代替人来进行有效的实时控制，为实现模糊控制，语言变量的概念可作为描述手动控制策略的根底，并在此根底上开展为一种新型的控制器—模糊控制器。设计模糊控制必须解决以下三个问题:(1)输入量、输出量的模糊量化:(2)建立模糊控制规那么或模糊控制表(模糊算法器);(3)输出信息的模糊判决。模糊控制原理框图如图3.1所示:虚线局部是模糊控制器。图3.1模糊控制原理框图3.1.2精确量的模糊化(1)模糊控制器的语言变量模糊控制器的输入变量(常取偏差，偏差变化率)和输出变量(常取控制量)均用自然语言形式给出，而不是以数值形式给出，因此，它们不是数值变量，而是语言变量。在应用中常取语言变量的词集(即语言变量的语言值)为如下7个模糊子集组成的集合:如{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}或{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}有时零(ZO)还要细分为正零(PO)和负零(NO)，此时词集由8个模糊子集组成.(2)模糊化一般采用两种方法:a.连续变量的离散化把模糊控制器的输入变量偏差、偏差变化率的实际范围及输出变量的实际变化范围称为这些变量的根本论域。设偏差e的根本论域为X[-Xe,Xe]其内的量是精确量。偏差的量化论域为X=(-n,n+1,...,0,...,n-l,n)式(3.1)正整数n为将0--Xe范围内连续变化的偏差离散化(或量化)后分成的级数。假设偏差的精确量x的实际变化范围为[a,b]，将[a,b]区间的精确变盘转换为[-n,n]区间变化的变量X，采用如下公式：X=2n[x-(a+b)/2]/(b-a)式〔3.2)上式计算出的X值假设不是整数，可以把它归入最接近于X的整数。输入语言变量偏差的语言值常取中{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，每个语言值便成为其量化论域x={一n，一n+1，…，0，…，n-1,n}上的模糊子集。如取n=6,量化论域上的模糊子集常取如下取法:El负大(NB)—取-6附近E2负中(NM)—取-4附近E3负小(NS)—取-2附近E4负零(NO)—取比零稍小点附近E5正零(PO)—取比零稍大点附近E6正小(PS)—取+2附近E7正中(PM)—取+4附近ES正大(PB)—取十6附近每个模糊子集的赋值可根据统计资料建立，也可以分析定义，在分析定义中，常用三角形函数(或者正态函数，梯形函数等)作为隶属函数。b.第二种方法比拟简单，它是将在某区间的精确量x模糊化成这样的一个模糊子集，它在点x处的隶属度为1，除x点外其余各点的隶属度均取0。此种模糊化方法相对粗略。3.1.3模糊控制规那么模糊控制器的控制规那么是以手动控制策略为根底的。它利用模糊集合理论将手动控制策略上升为具体的数值运算，根据推理运算的结果做出相应的控制动作，使执行机构控制被控对象的运行。要建立模糊控制器的控制规那么，就是要利用语言来归纳手动控制过程中所使用的控制策略。手动控制策略一般都可以用"IF-THEN〞形式的条件语句来加以描述。常见的模糊条件语句及其对应的模糊关系有:(1)ifAthenB(假设A那么B)R=A×B(2)ifAandBthenC(假设A且B那么C)R=A×B×C(3)ifAorBandCorDthenE(假设A或B且C或D那么E)R=[(A+B)×E]×[(C+D)×E](4)ifAthenBandifAthenC(假设A那么B且假设A那么C)R=(A×B)×(A×C)(5)ifAthenBorifCthenD(假设A那么B或假设C那么D)R=A×B+C×D为了使人们对控制规那么全体的了解能一目了然，并且，能简单地表达控制规那么全体，故采用控制规那么表来表示，它既简单又明确。3.1.4模糊判决由模糊控制算法得出的是模糊集，但被控对象只能接受精确控制量，这就需要进行输出信息的模糊判决，也就是要把模糊量转化为精确量。设输出为:U=式(3.3)常用的方法有如下三种：=1\*GB3①最大隶属度法=2\*GB3②权平均法方法=3\*GB3③加权平均法。常用的是最大隶属度法.最大隶属度法应用最大隶属度原那么的思想，选取隶属度最大的元素作为控制量Um,即假设ui=max[]式(3.4)为控制量，如果上式中的i不唯一，即假设式(3.5)那么取为控制量式(3.6)最大隶属度法的明显优点是简单易行，使用方便，算法实时性好，但其利用了最大隶属度的信息，忽略了较小隶属度元素的影响和作用。3.2模糊控制设计在定量、水分控制系统中，以下几局部使用了模糊控制模块:纸浆浓度的模糊控制;纸浆上网流量的模糊控制;烘缸蒸汽压力的模糊控制。由于三个模糊控制器的设计原理相似，在此仅以烘缸蒸汽压力的模糊控制器的设计为例。模糊控制器的设计模糊控制器的设计通常可分为离线设计和在线设计，离线设计就是根据操作人员的先验知识，确定模糊控制规那么到生成模糊控制查询表的完整过程。它包括输入量量化，确定模糊子集和模糊关系矩阵，进行模糊判决，并建立控制输出查询表等内容关于成纸水分控制的先验知识可定性归纳为：1如果水分低于给定值，就减少进入烘缸的蒸汽，降低烘缸温度，使水分值升高，反之，那么增加蒸汽量，使水分值降低。2如果水分偏离给定值较小，只需调节2段蒸汽量，但在偏离较大时应同时调节1,2两段的蒸汽量3由于烘缸升温快而降温较慢，故在调节时关汽应快些模糊控制器的设计1.量化设e和ec分别代表偏差和偏差变化率，其根本论域为将其根本论域量化为2.确定模糊子集得到量化论域后，对各变量定义模糊子集。令式中，和分别为X，Y的模糊子集，可用语言变量PB,PM,…NM,NB等表示。对各模糊子集确定量化论域中各元素的隶属函数可得到隶属函数表。设,分别为1，2段蒸汽的控制量，相应的论域为 3.确定模糊关系与控制输出模糊子集根据操作经验，设定一组模糊控制规那么为Ifandthenand其模糊关系为 当给定x=,y=时，那么由模糊合成规那么推理得到 4.进行模糊判决，并生成控制输出查询表3．2．2模糊控制器的在线实现在系统设计时，令表3.1对{}的隶属函数并根据给出的合成推理规那么进行推理运算，最后由最大隶属度函数判决原那么，可得到供模糊控制器动态控制时控制表如下表所示这是假设只有2段蒸汽的情况下得到的，要将它用于有两段蒸汽的情况，必须经过变换。责取 表3.2模糊控制表在小偏差时，为消除余差，应考虑积分作用。水分模糊控制系统结构如图3.2所示图3.2成纸水分模糊控制系统结构图硬件实现：其实现有多种形式，在此我们仅讨论模糊控制如何在PLC上实现的。首先将求得的量化因子，比例因子等参数置入PLC中，采集到的变量误差e误差变化率ec置入数据存储区,先经过限辐处理,再按给定量化因子量化,并对应到模糊集论域中的相应元素,由此查询模糊控制表根据离线计算好的模糊控制表可得到控制输出量u,再乘以相应量化因子即可得到当前控制量的实际值3.2.3控制流程图如右图3.3所示：图3.3成纸水分模糊控制流程图3.2.4MATLAB仿真结果图1仿真结果图图3.4仿真结果图2仿真结果图：图3.5仿真结果图结论当水分偏差较小时，模糊控制和PID控制，在上升阶段控制性能相当，但到达稳态的时间明显是模糊控制的短。随着水分偏差的增大，在控制精度和到达稳态的时间上，模糊控制均优于PID控制。在有扰动的影响下，模糊控制恢复到稳态的性能好于PID控制。在没有采用模糊控制时，有超调量，而且误差也比拟大。由结果可以看出模糊控制上升时间较短，没有超调，而且积分局部有效地消除了系统偏差，拥有较好的控制性能。3.3专家控制简介由于工业控制对专家控制系统提出了可靠性、实时性及灵活性等特殊要求，所以专家控制系统中知识表示，通常采用生产式规那么，于是知识库就变为规那么库。一般生产式专家控制系统由数据库、规那么库、推理机、人一机接口、规划环节等组成。工业生产所遇到的被控制对象千变万化，其复杂程度也不尽相同，考虑到专用性，可将知识库规模减少，规那么集也被压缩，推理机就变得简单。这样的专家控制系统实际上变为一个专家控制器.其中一种结构如图3.5所示：专家控制器通常由知识库、控制规那么集、推理结构及信息获取与处理四个局部组成。图3.5专家器的一种结构知识库由事实集和经验数据库、经验公式等构成。事实集主要包括被控对象有关知识，如结构、类型及特征，还包括控制规那么的自适应及参数自调整方面的规那么。经验数据库中的经验数据包括被控对象的参数变化范围，被控参数的调整范围及其限幅值，传感器得静、动态特性，系统误差等。控制规那么集专家根据被控对象的特点及操作、控制的经验。可以采用生产式规那么模糊关系及解析形式等多种方法来描述被控对象的特征，这样可以处理各种定性的、模糊的、定量的、精确的信息，从而总结出假设干条行之有效的控规那么，即控制规那么集，它集中地反映了专家及其熟练的操作者在某领域控过程中的专门知识及经验。一般常用生产式规那么表示为:IF(控制局势)THEN(操作结论)。推理机构推理机构就是根据知识库中的知识和已有数据，按一定推理方法去解决当前的问题。它分为正向推理，反向推理和不精确推理等。推理模型可以表示为:U=f(E,K,I)其中：U={}为控制器的输出作用集;E={}为控制器的输入集;K={}为知识库中的数据与事实集;I={}为具体推理机构的输出集;F为一种智能算子，它可以一般地表示为:IFEANDKTHEN(IFITHENU)。即根据输入信息E和系统中的知识信息K进行推理，然后根据推理结果I确定相应的控制行为U。信息获取与处理专家控制器的信息获取主要是通过其闭环控制系统的反应信息及系统的输入信息，对于这些信息的处理可以获得控制系统的误差及其变化量等对控制有用的信息。此外，信息的处理也包括必要的滤波措施等。3.4专家决策控制设计定量和水分的解耦控制设计定量、水分的解耦控制设计原理框图如图3.6所示。图3.6定量、水分解耦原理框图设计原理是以测量的定量、水分值根据专家的经验知识推理库，得出纸浆流量(定量)输出控制的修正系数和蒸汽压力(水分)的设定值修正系数。知识库的建立:事实(输入参数):定量和水分的测量值。由此得出定量差和水分差.推理规那么:采用生产式规那么。通常为:IF(控制条件)THEN(输出变化)推理机:采用正向推理过程。即IF定量差AND水分差THENAND。知识库建立原那么:因定量、水分的变化相互影响(强耦合)，但定量对水分的影响更大。所以在建立知识库解耦系数时，定量的解耦系数相对大(以定量为主).具体参数值由专家经验而定。利用知识库中的事实和规那么，通过逻辑推理找出最正确控制策略(定量，水分解耦系数,).如IF=〔10g～15g〕AND〈0.2%THEN=0.95AND=0.95IF=(20g～25g)AND〈0.2%THEN=0.85AND=1.00IF=(10g～15g)AND=(0.25%～0.4%)THEN=0.95AND=1.00IF=(10g～15g)AND=(-0.25～-0.4%)THEN=0.95AND=1.05：IF=(-10g～-15g)AND=(-0.25～-0.4%)THEN=1.05AND=0.95IF<5gAND=(-0.25～-0.4%)THEN=1.00AND=0.90：蒸汽压力的自动设定值设计根据控制方案，要根据水分的变化而改变蒸汽压力设定值。就是当水分超出变化范围时，根据专家的经验来决策蒸汽压力的设定值。设计原理与上相似。事实参数为:测量水分与设定水分的差及变化趋势、原蒸汽压力设定值、纸张的定量值(解耦系数)、压力的变化趋势等因素。据专家规那么、知识库综合分析给出适宜的压力设定值。规那么、知识库是由本行业专家提供的专门知识和经验，按一定的格式和形式存放，使机器能够识别。如:IF水分值小AND变化趋势增大(负)AND压力变化趋势不大THEN增加蒸汽压力设定值;…….IF水分值小AND变化趋势不大AND压力变化趋势增大THEN蒸汽压力设定值根本不变；由此方法建立规那么、知识库表，通过规那么判断、查表，即可实现压力设定值。最后的压力设定值P还要乘以定量、水分解耦系数.即P=×注:压力设定值的增加不能超过上限，否那么纸机烘缸及管路不能承受而发生事故。第四章纸张质量生产过程水分设计的硬件与软件设计4.1PLC与S7-200简介PLC的产生与开展PLC作为现代工业四大支柱之一，在工业控制的各个领域广泛应用，是衡量一个国家工业开展水平的重要标志之一。可编程控制器(PLC)是20世纪60年代开展起来的一种新型自动化控制装置。PLC英文原名为‘ProgrammableLogicController",简称PLC，中文称“可编程逻辑控制器〞。PLC是以微处理器为根底，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术开展而来的一种新型工业控制装置。由于PLC吸取了微电子技术和计算机技术的最新成果，因此开展十分迅速，从单机自动化到整条生产线的自动化、乃至整个工厂的生产自动化，从柔性制造系统、工业机器人到大型分散控制系统，PLC均担当重要角色。PLC技术代表了当今电气程序控制的世界先进水平，PLC与CAD/CAM和工业机器人已成为机械工业自动化的三大支柱。上世纪90年代至90年代中期，是PLC开展最快的时期，年增长率一直保持在30一40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力方面得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。据不完全统计，目前，世界上有200多个厂家生产300多品种的PLC产品，主要应用在汽车(23%)、粮食加工(16.4%)、化钩制药(14.6%)、金属矿山(11.5%)、造纸(11.3%)等行业。目前国际上主要的PLC厂家有西门子公司以及日本的欧姆龙、三菱等。虽然我国在PLC生产方面比拟薄弱，但在PLC应用方面，我国是很活泼的。据统计，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30亿人民币，应用的行业也越来越广。而且随着我国经济的快速开展，工业技术的逐渐改良，PLC技术会得到越来越广泛的应用。PLC的特点随着PLC性能价格比的不断提高，它已经广泛地应用在所有的工业部门中。在工业控制领域中，PLC的以下特点十分显著：控制程序可变，具有很好的柔性；具有高度可靠性，适用于工业环境；功能完善；易于掌握、便于维修；体积小、省电PLC控制系统的总体结构PLC控制系统的总体结构图如图4.1所示图4.1PLC控制系统的总体结构以PLC为控制核心，以外围电器、驱动单元、传动机构、驱动对象为主线，由传感器构成反应回路。从广义上讲人也是重要的组成局部，控制系统中的各种开关调节器、指示器和各模块中的手动操作功能实质上是人一机接口，通过它们使人可以参与整个控制系统。图4.2PLC的结构及系统CPU:在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。CPU模块主要由CPU芯片和存储器组成。I/O模块:输入模块用来接收和采集输入信号。数字量输入模块用来接收从按钮、选择开关、等来的数字量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀等输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。编程装置：编程装置用来生成用户程序，并对它进行编辑、检查和修改。电源:PLC使用220V交流电源或24V直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC5V、±l2V、24V等直流电源。小型PLC一般都可以为输入电路和外部的电子传感器〔如接近开关〕提供24V直流电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。SIMATICS7-200简介SIMATICS7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比.S7-200系列出色表现在以下几个方面：

*极高的可靠性*极丰富的指令集-*易于掌握*便捷的操作-*强劲的通讯能力--*实时特性*丰富的内置集成功能*丰富的扩展模块---S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统等。基于S7-200系列PLC以上的特点，作为一个小型的控制应用，我们选用S7-200系列PLC组成控制器系统。S7-200系列CPU226(概述) 本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。表4.1CPU226系列一些参数型号主机输出类型可扩展模块最大扩展电流(ma)CPU226D/C继电器71000表4.2输入输出点数表24VDC电源,24VDC输入,24VDC输出,100～230VAC电源,继电器输出〔24入〕:I0.0、I0.1、I0.2、I0.3、I0.4、I0.5、I0.6、I0.7、I1.0、I1.1、I1.2、I1.3、I1.4、I1.5、I1.6、I1.7、I2.0、I2.1、I2.2、I2.3、I2.4、I2.5、I2.6、I2.7〔16出〕:Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4、Q0.5、Q0.6、Q0.7、Q1.0、Q1.1、Q1.2、Q1.3、Q1.4、Q1.5、Q1.6、Q1.74.2纸张质量生产过程水分设计硬件概述此系统采用上位机和下位组成。上位机是工控机，完成总的管理、设定、实时图形显示、历史数据显示及打印报表等功能。下位机由S7-200(CPU226)为主的硬件系统及传感器、变送器、调节阀等组成，完成数据采集处理、显示、控制及设定等功能。控制过程：PLC定时对水分和蒸汽压力进行检测变换。检测结果在本机和送到上位机实时显示，同时在PLC内进行判断、运算得到控制量，通过执行机构作用于控制对象。其控制框图如图4.3所示。图4.3水分控制框图上下位机以采用RS232串行接口，以双全工方式完成通讯工作。其中，下位机可以脱离上位机单独工作。PLC选择S7-200CPU226。集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。包括两个模拟量输入模块。控制接口完成信号的转换、驱动放大及保护功能。执行器为电动执行器，电动调节阀的流量特性为对数流量特性，其开度是由通电时间长短决定。压力的检测变送是由压阻式力传感器和压力变送器结合而完成的。水分检测采用红外测量的原理，对纸张所含的水分进行测量。水分检测根据测量信号强弱自动调节量程，适应各种纸张厚度，能方便地接入其控制系统。测量范围:20-300g/m2、纸张含水率1-12%.各种检测信号都是以4-20mA经转换变为1-5V信号传送给PLC的，再经PLC的模拟输入模块，变成数字量，从而完成数据采集。其水分结构检测结构如图4.4所示。图4.4水分检测原理结构框图4.3纸张质量生产过程水分设计硬件各局部详细情况4.3.1滚筒电动机回路设计=1\*GB3①当按下电动机正转按钮时，电动机正向启动运转。并带动烘缸，使烘缸蒸汽流量变大。当检测水分小于规定值时，压下正向限位开关，电动机那么反转，并带动烘缸，使烘缸蒸汽流量减小，当检测到水分小于规定值时，压下反向限位开关，电动机又开始正转。=2\*GB3②烘缸蒸汽流量的变大，减小均能实现点动。=3\*GB3③能实现单循环运行，即烘缸转一圈后停止在原位。同时可ｎ次循环计数，循环ｎ次后停止在原位，能无限次循环，知道按下停止按钮。图4.5滚筒电动机控制回路图4.3.2S7-226型PLC与上位机的接线下位机可以脱离上位机单独工作。上下位机采用RS232串行接口,以双全工方式完成通讯工作。西门子S7-226型PLC是一种模块化结构的小型PLC，具有较高的性能价格比，它带有两个RS485通讯口，而上位机即工控机的串行口是RS232，所以采用西门子公司专用的PC/PPI编程电缆作为上下位机的连接电缆，它实现了RS232和RS485的转换，并且具有隔离抗干扰功能。整个系统原理图如图4.6所示。图4.6S7-226型PLC与上位机的接线西门子CPU226PLC可以利用PC/PPI电缆和自由接口通讯功能把它和RS-232标准兼容设备相连。PC/PPI电缆支持波特率设置：600bps～38400bps。可以利用PC/PPI电缆盒上的DIP开关相互转换。当数据从RS-232传送到RS-485口时，PC/PPI电缆是发送模式，当数据从RS-485传送到RS-232口时，PC/PPI电缆是接受模式。当系统检测到RS-232的发送线有字符时，电缆立即从接收模式转换到发送模式。当RS-232发送线处于闲置的时间超过电缆切换时间时，电缆又切换到接收模式，这个时间与电缆上的DIP开关设定的波特率选择有关。控制接口与执行机构控制接口完成转换、驱动放大功能。执行器为电动执行器，其调节阀的流量特性为对数流量特性，电动阀的开度是由通电时长短决定。执行器为电动执行器，电动调节阀的流量特性为对数流量特性，其开度是由通电时间长短决定。水分检测水分检测过程要用到水分检测仪，本方案采用红外水分仪。=1\*GB3①工作原理：其测量是利用红外测量的原理，对纸张所含的水分进行测量。红外测量的原理是当物体被红外光照射时，任何物质仅吸收一定波长的辐射光，允许其它波长的辐射光通过.基于在近红外光谱区(波长由0.78微米至2.5微米)有某些波长的红外辐射能量被水分子选择性地吸收，在此中心波长外的辐射能量几乎不被水分子吸收，即照射水时能f衰减也很小。所以，纸张水分测量选用对水不吸收的1.81微米近红外光作为参比波长和处于吸收峰中心的1.94微米近红外光作为测量波长，利用两种波长的单色光轮流交替地透过纸张，取其辐射强度的比值来测定纸张水分。水分检测根据测量信号强弱自动调节量程，适应各种纸张厚度，能方便地接入其控制系统。图4.7四光束红外水分仪电路原理框图=2\*GB3②测试电路原理框图:如图4.7所示,红外光照射到硫化铅(pbs)红外探测器上产生的信号,经放大后送到采样保持电路.采样保持电路在由光电元件和霍尔元件产生的同步信号控制下输出四个电压信号.经乘除电路实现样品水分之间的关系,再经放大调节,可输出信号完全代表物料水分.用LED数字显示.红外水分仪广泛应用在纸张,茶叶,建材粉料等工业部门.=3\*GB3③测量范围:20-300g/㎡、纸张含水率1-12%。4.3.5压力检测与变送图4.8A如图4.8所示，压力检测用压阻式力传感器。用于传感器输出信号处理的变送器电路大多是单片功能模块电路。也有增加前置放大器的复式结构，可将传感器输出的MV信号直接变换成4-20MA的标准电流或标准电压信号，便于远传或直接给计算机过程控制仪表进行信号处理。AD693电路原理图如下图，这个功能模块包括信号放大器，参考电压，基准电流和补偿分配器。它是一片完整的单片低电压到电流变换的回路信号调节器，采用+12～+36V闭环电源工作，它的输出量程和零位单独可调输出范围有4～20ma，0～20ma，20ma±8ma三种选择，并能自己供应传感器的工作桥压，因此是一理想实用摸板。AD693信号放大电路可对信号进行缓冲放大，通过调整它的放大倍数可以标定它的输入电压量程。4.3.6模拟量输入模块〔A/D〕作用：PLC只能接收数字量信号，模拟量信号是一种连续变化的物理量。为实现模拟量控制，必须先对模拟量进行模/数〔A/D〕转换，将模拟信号转换成PLC所能接受的数字信号。模拟量输入模块的功能就是实现模/数〔A/D〕转换。组成如图4.9所示。图4.9A/D模拟输入由滤波、模数转换A/D，光电耦合等局部组成;光电耦合器起防止电磁干扰的作用，对多通道的模拟量输入单元，通常设置多路转换开关进行通道的切换，且在输出端设置信号存放器。=1\*GB3①使用及特性一般先用信号变送器把它们变换成统一的标准信号〔如4-20mA的直流电流信号，1-5V的直流电压信号等〕，然后再送入模拟量输入模块。模拟量输入模块〔EM231〕具有4个模拟量输入通道。模块上部共有12个端子，每3个点为一组，共4组。每组可作为一路模拟量的输入通道〔电压信号或电流信号〕，电压信号用两个端子〔A+、A—〕，电流信号用3个端子〔RC，C+，C—〕，其中RC与C+端子短接。未用的输入通道应短接〔B+、B—〕。该模块需要直流24V供电〔M、L+端〕。可由CPU模块的传感器电源24VDC/400mA供电，也可由用户提供外部电源。右端分别是校准电位器和配置DIP设定开关。=2\*GB3②模拟量输入模块的特性EM231的电压输入范围：单极性0~10V，0~5V；双极性±5V，±2.5V电流输入范围：0～20mA模拟量到数字量的最大转换时间：250μs每个通道占用存储器AI区域2个字节。该模块模拟量的输入值为只读数据。模拟量输入模块〔EM231〕的输入信号经模数〔A/D〕转换后的数字量数据值是12位二进制数。数据值的12位在CPU中存放格式如下图。最高有效位是符号位：0表示正值数据，1表示负值数据。4.4硬件系统设计原那么在完成满足工艺、功能的前提下，外型设计要美观、便于安装、调试。电路设计应遵循以下原那么:a.尽可能选择典型电路。为硬件系统的标准化、模块化打下良好根底:b.系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发;c.硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原那么是:能用软件实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件结构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件实现来的长，而且占用CPU时间，因此，选择软件方案时，要考虑到这些因素;d.整个系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配，产品的一致性要好。4.5软件设计4.5.1滚筒电动机回路程序设计：1.程序设计：=1\*GB3①可用手动转换开关控制点动，自动之间的转换，用手动转换开关控制单循环与连续循环之间的转换。=2\*GB3②PLC输入点分配表。名称输入代号输入点编号停止按钮正转启动按钮反转启动按钮点动/自动选择开关单循环/连续循环选择开关前进终端返回行程开关后退终端返回行程开关前进终端平安保护行程开关后退终端平安保护行程开关=3\*GB3③输出点分配表名称输出代号输出点编号正转接触器反转接触器=4\*GB3④PLC控制接线图如图4.10所示.图4.10PLC接线图2.程序设计思路=1\*GB3①按正转启动按钮，通电并自锁。按反转启动按钮，通电并自锁。正反转启动按钮和前进，后退终端返回行程开关的常闭触点，相互串接在对方的线圈回路中，形成联锁关系。前进，后退终端平安形程开关动作时，电动机M停止运行。=2\*GB3②当点动/自动选择开关扳到接通挡时，程序实现点动功能。当点动/自动选择开关扳到断开挡时，程序实现自动往复运动功能。将的常闭触点与及的自锁触点串接在梯形图中即可。=3\*GB3③单循环/连续循环选择开关扳到接通挡时，程