涂料研磨机生产过程优化设计研究毕业论文

前言MCGS(Monitor

and

Control

Generated

System)是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，是一套32位工控组态软件，集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、双机热备、工程报表、数据与曲线等诸多强大功能于一身，并支持国外众多数据采集与输出设备。MCGS组态软件功能强大，操作简单，易学易用，普通工程人员经过短时间的培训就能迅速掌握多数工程项目的设计和运行操作。同时使用MCGS组态软件能够避开复杂的计算机软、硬件问题，集中精力去解决工程问题本身，根据工程作业的需要和特点，组态配置出高性能、高可靠性和高度专业化的工业控制监控系统。本文主要介绍了涂料研磨机生产过程的优化设计，在整个控制系统中，以PC机作为上位机，利用MCGS组态软件操作、监督整个控制过程。以PLC作为下位机传输信号。在控制过程中，利用PLC采集研磨机的工作温度并经过A/D转换送到上位机组态画面上显示。上位机给定温度，然后将检测到的研磨机的工作温度与给定温度进行比较，若有偏差则将偏差送到冷却水控制阀进行调节，直到达到最佳状态，完成优化。本文主要容分为五章，第一章为绪论，主要对本文工作做大体概述。第二章为相关知识概述，主要介绍的是MCGS组态软件，可编程控制器，与研磨机相关知识。第三章为研磨机温度检测控制系统的设计。第四章介绍了优化相关知识。第五章全文总结。由于设备和资料限制，本文不当和错误之处在所难免，敬请读者批评指正。绪论研磨是涂料生产的传统工艺，使用研磨分散设备完成，而所选用的研磨分散设备对颜料在涂料中的分散状态，最佳颜料性能（着色力、遮盖力、耐候性等）的利用性能，以与由此而导致的漆液和涂膜的性能，也起着非常重要的作用。因此，选择先进、高效率的分散研磨设备，是生产保证高质量的涂料产品不可忽视的重要环节研磨机是一种广泛应用于油漆涂料、化妆品、食品、日化、染料、油墨、药品、磁记录材料、铁氧体、感光胶片等工业领域的高效研磨分散设备。目前，大多数研磨机的控制都是由运行人员手工进行操作，靠近现场，影响了生产的安全性，同时浪费人力。另外，由于人工操作的局限性等因素，是系统无法长期稳定的运行在最佳状态，影响涂料的均匀性，且浪费能源。因此，研磨机自控系统的设计有其必要性。研磨机自控系统可以使操作人员远离现场，进行远程操作。在涂料研磨过程中，会由于各种原因使涂料的研磨结果无法令人满意，同时考虑到生产的经济性，需要对控制系统选择适当的控制方案进行优化研究，本文主要是在了解学习涂料研磨机与其生产过程的基础上，对其生产过程中存在的问题进行分析，应用优化算法对其生产过程进行优化，然后在优化的基础上进行系统仿真，验证效果。过程中主要涉与到的知识有涂料生产过程的相关工艺知识，MCGS组态软件与可编程控制器的应用。2相关知识概述2.1MCGS组态软件相关知识简介2.1.1MCGS组态软件简介MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem，监视与控制通用系统)是昆仑通态自动化软件科技研发的一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，可运行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000/xp等操作系统其具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统，如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备。2.1.2MCGS组态软件的功能特点全中文可视化组态软件，简洁、大方，使用方便灵活·完善的中文在线帮助系统和多媒体教程·真正的32位程序，支持多任务、多线程，运行于Win95/98/NT/2000平台·提供近百种绘图工具和基本图符，快速构造图形界面·支持数据采集板卡、智能模块、智能仪表、PLC、变频器、网络设备等700多种国外众多常用设备·支持温控曲线、计划曲线、实时曲线、历史曲线、XY曲线等多种工控曲线·支持ODBC接口，可与SQLServer、Oracle、Access等关系型数据库互联·支持OPC接口、DDE接口和OLE技术，可方便的与其他各种程序和设备互联·提供渐进色、旋转动画、透明位图、流动块等多种动画方式，可以达到良好的动画效果·上千个精美的图库元件，保证快速的构建精美的动画效果·功能强大的网络数据同步、网络数据库同步构建，保证多个系统完美结合·完善的网络体系结构，可以支持最新流行的各种通讯方式，包括通讯网，宽带通讯网，ISDN通讯网，GPRS通讯网和无线通讯网2.1.3组态软件的支持设备采集板：康拓、研华、中泰、研祥、同维、华控、艾迅、华远、科日新、双诺·PLC：富士、三菱、松下、GE、LG、AB、莫迪康、欧姆龙、西门子、台达、和利时·智能仪表：昆仑天辰、浙大中控、日本岛电、宇光、虹润、上润、霍尼韦尔、欧姆龙、欧陆、东辉大延、横河、天瑞麟、亚特克、英华达·智能模块：昆仑海岸、研华、磐仪、威达、研祥、中泰、华控小麻雀、牛顿、研发·称重仪表：托利多、志美CB920·变频器：伦茨、西门子、AB、华为、台达2.2可编程控制器相关知识简介2.2.1可编程控制器简介可编程过程控制器(ProgrammableController)，因为早期主要应用于开关量的控制，因此也称为PLC(programmableLogiccontroller)，即是可编程逻辑控制器。现代的可编程控制器是以微处理器为基础，高度集成的新型工业控制装置，是计算机技术与工业控制技术相结合的产品。它之所以高速发展，除了工业自动化的客观需求外，还有许多独特的优点。它较好的解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。由于PLC日趋完善，加上系统本身特有高可靠性，较好的抗干扰能力，应该说在各种设备控制系统中用PLC比用计算机可靠性更高，维护保养更为方便。它可以用来对由传统的继电器-接触器组成的控制系统进行技术改造，如液压泵、主疏水泵、锚机、空压机的控制系统等，同时也可以用PLC组成新一代涂料生产控制系统2.2.2PLC的基本组成和各部分作用PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本一样。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。整体式PLC是将中央处理单元(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的I/0扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是PLC的核心，I/O单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能I/0单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m无论哪种结构类型的PLC，都可以根据需要进行配置与组合。PLC各部分的作用1)中央处理单元(CPU)CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务:(1)接收并存储从编程器输入的用户程序和数据:(2)诊断电源、PLC部电路的工作状态和编程的语法错误;(3)用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来;(4)PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作;(5)将用户程序的执行结果送至输出端。2)存储器根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种:(1)系统程序存储器:和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM。(2)用户程序存储器:用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。(3)工作数据存储器:工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储区，开辟有组件映象寄存器和数据表。组件映象寄存器用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等部继电器的ON/OFF状态。它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。它还用来存放A/O转换得到的数字和数学运算的结果等。3)I/O单元I/0单元也称为I/0模块。PLC通过I/0单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接收用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以与其它一些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯被控设备的执行组件。4)电源部分PLC一般使用220V的交流电源，部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V,+12V,+24V的直流电源，使PLC能正常工作。5)扩展接口扩展接口用于将扩展单元以与功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。6)通信接口为了实现“人-机”或“机-机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其它的PLC或计算机相连。当PLC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印;当与监视器相连时.可将过程图像显示出来;当与其它PLC相连时，可以组成多机系统或连成网路，实现更大规模的控制;当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合性控制。7)编程器编程器的作用是提供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。2.2.3PLC的特点可靠性高，抗干扰能力强PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/10~1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线与开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可与时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路与设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。硬件配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增与人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计与建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2~1/10。它的重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械部，是实现机电一体化的理想控制设备。2.2.4PLC选用的PLC必须满足被控对象的控制要求，选用的PLC不仅要着眼于现在，还要考虑到将来反战的需要，在满足上述两个前提的情况下，力求使系统具有比较好的性价比。根据被控对象的控制要求。确定整个系统的输入，输出设备的数量，从而确定PLC的I/O点数，包括开关量I/O、模拟量I/O以与特殊功能模块等，空分估计被控对象和工厂今后发展的需要，所选的PLC的I/O点数应留有一定的余量。另外，在性价比不大的情况下，尽可能选用同类型中功能强的新一代PLC，设计步骤如下图所示：图2-1PLC控制系统设计步骤Fig2-1PLCcontrolsystemdesignprocedure2.2.5PLC控制系统设计的要点PLC控制系统设计时应该注意以下问题：

1)输入回路的设计

(1)电源回路

PLC供电电源一般为

AC85—240V（也有DC24V），适应电源围较宽，但为了抗干扰，应加装电源净化元件（如电源滤波器、1：1隔离变压器等）。

(2)PLC上DC24V电源的使用各公司

PLC产品上一般都有DC24V电源，但该电源容量小，为几十毫安至几百毫安，用其带负载时要注意容量，同时作好防短路措施（因为该电源的过载或短路都将影响PLC的运行）。

(3)外部DC24V电源

若输入回路有

DC24V供电的接近开关、光电开关等，而PLC上DC24V电源容量不够时，要从外部提供DC24V电源；但该电源的“—”端不要与

PLC的

DC24V的“—”端以与“COM”端相连，否则影响PLC的运行。

2)输出回路的设计

各种输出方式之间的比较

（1）继电器输出：

优点是不同公共点之间可带不同的交、直流负载，且电压也可不同，带负载电流可达2A／点；但继电器输出方式不适用于高频动作的负载，这是由继电器的寿命决定的。其寿命随带负载电流的增加而减少，一般在几十万次至几百万次之间，有的公司产品可达1000万次以上，响应时间为10ms。

（2）晶闸管输出：

带负载能力为0.2A/点，只能带交流负载，可适应高频动作，响应时间为1ms。

（3）晶体管输出：

最大优点是适应于高频动作，响应时间短，一般为0.2ms左右，但它只能带

DC

5—30V的负载，最大输出负载电流为0．5A/点，但每4点不得大于0.8A。

当你的系统输出频率为每分钟6次以下时，应首选继电器输出，因其电路设计简单，抗干扰和带负载能力强。当频率为10次／min以下时，既可采用继电器输出方式；也可采用PLC输出驱动达林顿三极管（5—10A），再驱动负载，可大大减小。

3)扩展模块的选用

对于小的系统，如80点以的系统．一般不需要扩展；当系统较大时，就要扩展。不同公司的产品，对系统总点数与扩展模块的数量都有限制，当扩展仍不能满足要求时，可采用网络结构；同时，有些厂家产品的个别指令不支持扩展模块，因此，在进行软件编制时要注意。当采用温度等模拟模块时，各厂家也有一些规定，请看相关的技术手册。

4)PLC的网络设计

当用PLC进行网络设计时，其难度比PLC单机控制大得多。首先你应选用自己较熟悉的机型，对其基本指令和功能指令有较深入的了解，并且指令的执行速度和用户程序存储容量也应仔细了解。否则，不能适应你的实时要求，造成系统崩溃。另外，对通信接口、通信协议、数据传送速度等也要考虑。

5)软件编制

若用图形编程器或软件包编程，则可直接编程，若用手持编程器编程，应先画出梯形图，然后编程，这样可少出错，速度也快2.3研磨机相关知识简介2.3.1研磨机结构与工作原理研磨机的结构：主要由支架、轴承座、研磨座、动磨盘、定磨盘、活动研磨盖、皮带轮与电机组成。研磨机工作原理：电机带动皮带轮旋转，皮带轮带动主轴上的动磨盘旋转，使动磨盘和定磨盘产生相对旋转运动，使在两盘中间的物料粉碎，并从两盘缝隙中落在落料箱中。出料粒度可通过调节手轮来调节两盘的间隙达到控制粒度目的。研磨机的功用：主要用于研磨工件中的高精度平面、外圆柱面、圆锥面、球面、螺纹面和其他型面。研磨机的主要类型有圆盘式研磨机、转轴式研磨机和各种专用研磨机。①圆盘式研磨机:分单盘和双盘两种，以双盘研磨机应用最为普通。在双盘研磨机上，多个工件同时放入位于上、下研磨盘之间的保持架，保持架和工件由偏心或行星机构带动作平面平行运动。下研磨盘旋转，与之平行的上研磨盘。2.3.2研磨概述研磨是一种重要的精密和超精密加工方法。它是利用磨具通过磨料作用于工件表面，进行微量加工的过程。经研磨加工的工件精度可达到亚微米级，磨盘的转速不能太高，磨料在磨盘上是随机分布的，密度不均匀，工件研磨切削量不均，工件面形精度不易控制：磨料相互问既有相对作用力，又有相对运动，造成了磨料之间产生相互切削作用，即磨料磨磨料，造成了浪费；磨料与从工件上磨下的碎屑混和在一起，磨料不能充分发挥作用，降低了加工效率；研磨加工中，需要严格控制冷却液的流量，防止冲走磨料：较硬的磨料容易嵌入较软的工件表面，会影响工件的使用性能：磨盘产生的磨损影响加工工件的面形精度，要求经常修整磨盘等等。正因为传统的散粒磨料研磨存在上述不足，其使用围逐渐受到了限制。因此，努力寻求其他方法改进传统的研磨技术已经迫在眉睫。2.3.3研磨存在的问题目前普遍采用的传统散粒慢速研磨，存在的缺点主要有:1.磨料散置于磨盘上，为避免磨料飞溅，磨盘转速不能太高，因此加工效率低; 2.磨料与从工件上磨下的碎屑混淆在一起,不能充分发挥切削作用，而且还要与这些碎屑一起被清洗掉，浪费能源、浪费磨料;3.磨料在磨盘上是随机分布的，其分布密度不均，造成对工件研磨切削量不均，工件面形精度不易控制;特别是磨料与工件间的相对运动具有随机性，这也增加了工件面形精度的不确定因素;4.在研磨加工中要严格控制冷却液的流量，以避免冲走磨料，这使得冷却效果变差，容易引起工件升温，造成加工精度下降;5.大颗粒磨料起主要切削作用，易划伤工件表面，所以对磨料尺寸均匀性要求高;6.磨料能嵌入软材质的工件表面，影响工件的使用性能;7.在研磨中磨料之间相互切削，浪费磨料;8.磨盘磨损后修整难，需要三个磨盘对研;9.各道工序间清洗工件要严格;10.工人劳动强度大，对工人操作技术水平要求高3研磨机温度检测控制系统设计3.1引言目前大多数研磨机的控制都是由运行人员手工进行操作，靠近现场，影响了生产的安全性，同时浪费人力。另外，由于人工操作的局限性等因素，使系统无法长期稳定的运行在最佳状态，影响涂料的均匀性，且浪费能源。因此，涂料研磨机生产过程的优化设计有其必要性。本文主要针对研磨机的温度进行检测控制。整体思路：在整个控制系统中，以PC机作为上位机，利用MCGS组态软件操作、监督整个控制过程。以PLC作为下位机传输信号。在控制过程中，利用PLC采集研磨机的工作温度并经过A/D转换送到上位机组态画面上显示。上位机给定温度，然后将检测到的研磨机的工作温度与给定温度进行比较，若有偏差则将偏差送到冷却水控制阀进行调节，直到达到最佳状态。3.2MCGS组态软件的设置在研磨机的温度检测控制系统中PC机作为上位机，利用MCGS组态软件操作，监控整个控制过程。3.2.1MCGS通用监控系统的主要特性1)简单灵活的可视化操作界面。MCGS采用全中文、可视化、面向窗口的开发界面，符合中国人的使用习惯和要求，以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，使得MCGS的组态工作既简单直观，又灵活多变。用户可以使用系统的缺省构架，也可以根据需要自己组态配置，生成各种类型和风格的图形界面，包括DOS风格的图形界面和标准Windows风格的图形界面以与带有动画效果的工具条和状态条等。2)实时性强、良好的并行处理性能。MCGS是真正的32位系统，充分利用了32位Windows操作平台的多任务、按优先级分时操作的功能，以线程为单位对在工程作业中实时性强的关键任务和实时性不强的非关键任务进行分时并行处理，使PC机广泛应用于工程测控领域成为可能。例如MCGS在处理数据采集、设备驱动和异常处理等关键任务时，可在主机运行周期时间插空进行像打印数据一类的非关键性工作，实现并行处理。3)丰富、生动的多媒体画面。MCGS以图像、图符、报表、曲线等多种形式，为操作员与时提供系统运行中的状态、品质与异常报警等有关信息;用变化大小、改变颜色、明暗闪烁、移动翻转等多种手段，增强画面的动态显示效果;对图元、图符对象定义相应的状态属性，实现动画效果。MCGS还为用户提供了丰富的动画构件，每个动画构件都对应一个特定的动画功能。MCGS还支持多媒体功能，能够快速地开发出集图像、声音、动画于一体的漂亮生动的工程画面。4)实时数据库为用户分步组态提供极大方便.MCGS由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成，其中实时数据库是一个数据处理中心，是系统各个部分与其各种功能性构件的公用数据区，是整个系统的核心。各个部件独立地向实时数据库输入和输出数据，并完成自己的差错控制。在生成用户应用系统时，每一部分均可分别进行组态配置，独立建造，互不相干，而在系统运行过程中，各个部分都通过实时数据库交换数据，形成互相关联的整体。5)支持多种硬件设备，实现“设备无关”。MCGS针对外部设备的特征，设立设备工具箱，定义多种设备构件，建立系统与外部设备的连接关系，赋予相关的属性，实现对外部设备的驱动和控制。用户在设备工具箱中可方便地选择各种设备构件。不同的设备对应不同的构件，所有的设备构件均通过实时数据库建立联系，而建立时又是相互独立的，即对某一构件的操作或改动，不影响其它构件和整个系统的结构，因此MCGS是一个“设备无关”的系统，用户不必因外部设备的局部改动，而影响整个系统。6)方便控制复杂的运行流程。MCGS开辟了“运行策略”窗口，用户可以选用系统提供的各种条件和功能的策略构件，用图形化的方法和简单的类Basi。语言构造多分支的应用程序，按照设定的条件和顺序，操作外部设备，控制窗口的打开或关闭，与实时数据库进行数据交换，实现自由、精确地控制运行流程，同时也可以由用户创建新的策略构件，扩展系统的功能。7)用数据库来管理数据存储，系统可靠性高。MCGS中数据的存储不再使用普通的文件，而是用数据库来管理。组态时，系统生成的组态结果是一个数据库:运行时，数据对象和报警信息的存储也是一个数据库。利用数据库来保存数据和处理数据，提高了系统的可靠性和运行效率，同时，也使其它应用软件系统能直接处理数据库中的存盘数据。8)设立对象元件库，组态工作简单方便。对象元件库，实际上是分类存储各种组态对象的图库。组态时，可把制作完好的对象(包括图形对象、窗口对象、策略对象以至位图文件等)以元件的形式存入图库中，也可把元件库中的各种对象取出，直接为当前的工程所用，随着工作的积累，对象元件库将日益扩大和丰富。这样解决了组态结果的积累和重新利用问题。组态工作将会变得越来越简单方便。9)实现对工控系统的分布式控制和管理。考虑到工控系统今后的发展趋势，MCGS充分运用现今发展的DCCW(DistributedComputerCooperatorWork，分布式计算机协同工作方式)技术，来使分散在不同现场之间的采集系统和工作站之间协同工作，不同的工作站之间通过MCGS可以实时交换数据，实现对工控系统的分布式控制和管理。3.2.2监控系统的构成MCGS监控系统包括组态环境和运行环境两个部分，用户所有组态配置过程都在组态环境中进行，组态环境相当于一套完整的工具软件，它帮助用户设计和构造自己的应用系统。用户组态生成的结果是一个数据库文件，称为组态结果数据库。运行环境是一个独立的运行系统，它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的日标和功能。运行环境必须与组态结果数据库一起作为一个整体，才能构成用户应用系统。一旦组态工作完成，运行环境和组态结果数据库就可以离开组态环境而独立运行在监控计算机上。组态结果数据库完成了MCGS监控系统从组态环境向运行环境的过渡，它们之间的关系如下图所示:图3-1MCGS系统组态环境、组态结果数据库和运行环境关系图Fig3-1Therelationbetweenconfigurationenvironmentandoutcomedata-baseforMCGS由MCGS生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成。窗口是屏幕中的一块空间，是一个“容器”，直接提供给用户使用。在窗口，用户可以放置不同的构件，创建图形对象并调整画面的布局，组态配置不同的参数以完成不同的功能。在MCGS的单机版中，每个应用系统只能有一个主控窗口和一个设备窗口，但可以有多个用户窗口和多个运行策略，实时数据库中也可以有多个数据对象。MCGS用主控窗口、设备窗口和用户窗口来构成一个应用系统的人机交互图形界面，组态配置各种不同类型和功能的对象或构件，同时可以对实时数据库进行可视化处理。3.2.3MCGS组态画面设计首先打开MCGS组态软件，在用户窗口中建立新的窗口，然后命名为研磨机监控界面图3-2建立窗口Fig3-2Buildwindow根据所需完成画面图3-3研磨机温度监控界面Fig3-3Paintgrindertemperaturemonitorscreen然后定义数据变量，定义容是：指定数据变量的名称、类型、初始值、确定与数据量存盘的相关参数，如存盘的周期、存盘的时间围和保存期限。3.3可编程控制器的设置在控制系统中PLC作为下位机传输信号，将采集到的温度数据通过A/D转换传送到上位机组态画面上进行显示，所以在PLC中最主要的部分就是A/D（模/数）、D/A（数/模）转换程序，程序如下：注释：这是模数转换程序的最开始的两句程序，用以来确认整个模块为A/D模块A/D转换程序如下：注释：1.通道初始化：将h3300写入FX2N-4AD的BFM#0,建立模拟输入通道（ch1，ch2），信号输入围为-10～+10V。将FX2N-4AD的BFM#5中的数据读入FX2N主单元，并保存到D0到D1中。D/A转换程序：注释：1.通道初始化：将H3300写入FX2N-4DA的BFM#0，建立通道（ch1，ch2）2.将数据寄存器D10中的数据写入到FX2N-4DA的BFM#1.3.4MGCS组态软件和PLC的联机由于上位机用MCGS来进行操作和监督，PLC作为下位机进行传输信号，所以两者要进行联机。在设备窗口下我们可以通过接口让人机界面和PLC连接起来，在设备窗口下添加通用串口父设备，然后在父设备下添加设备0-三菱FX232。图3-4设备窗口Fig3-4equipmentwindow通过设置它的通道让人机界面里的数据和PLC中的数据联系起来，步骤如下：1.首先对串口父设备进行设置，包括COM口，波特率（9600），奇偶校验，数据位（7位）等设置。2.对子设备进行设置，建立通道D0和D10，其中D0用于A/D转换后存放采集来的温度，D10用来存放给定温度。通过这种方式就把MCGS和三菱PLC连接在一起了。通过MCGS便可以控制设备达到数据交换的功能。4基于遗传算法的PID参数寻优4.1前言PID控制是工业过程控制中应用最广泛的控制策略之一，其基本思想是将偏差的比例，积分和微分三参数通过线性组合构成控制器，对被控对象进行控制，采用PID控制时，系统控制品质的优劣取决于上述三参数的整定。在过程控制领域中，对控制品质的要求越来越高，且控制对象越来越复杂，特别是在具有纯滞后特性的工业过程中，因PID控制器的局限性，控制器的参数难以自动调整，因此PID控制器参数的优化成为人们关注的问题，它直接影响控制效果的好坏，并和系统的安全，经济运行有着密不可分的关系。目前PID参数的优化方法有很多，如单纯法，专家整定法则应用广泛。虽然这些方法都具有寻优性，但存在着一些弊端，单纯法对初值比较敏感，容易陷入局部最优化解，造成寻优失败；专家整定法则需要太多经验，不同的目标函数对应不同的经验，而整理知识库是一项长时间的工程，因此本文选用了遗传算法来进行参数寻优，该方法是不需要任何初值信息并可以寻求全局最优解的，最高效的优化组合方法。遗传算法是一种模拟生物进化机制的随机全局优化搜索方法，具有很强的全局优化能力与鲁棒性。遗传算法属于直接搜索法，对适应函数基本无限制，既不要求函数连续，也不要求函数可微，因而采用遗传算法对PID参数进行调节是一种较好的方法。4.2遗传算法遗传算法是建立在自然选择和自然遗传学机理基础上的迭代自适应概率性算法，它由美国学者Holland于1975年提出，其基本思想是将待求解问题转换成由个体组成的演化群体和对该群体进行操作的一组遗传算子，经历生成—评价—选择—操作的演化过程，反复进行，直到搜索到最优解。4.2.1遗传算法的主要特点遗传算法是解决搜索问题的一种通用算法，对于各种通用问题都可以使用。搜索算法的共同特征为：首先组成一组候选解；1）依据某些适应性条件测算这些候选解的适应度；2）根据适应度保留某些候选解，放弃其他候选解；3）对保留的候选解进行某些操作，生成新的候选解。4）在遗传算法中，上述几个特征以一种特殊的方式组合在一起：基于染色体群的并行搜索，带有猜测性质的选择操作、交换操作和突变操作。这种特殊的组合方式将遗传算法与其它搜索算法区别开来。编码编码实际问题参数集计算适值运算：复制交叉变异群体t解码群体t+1群体t+1群体t改善或解决实际问题满足要求？图4-1遗传算法Fig4-1GA遗传算法还具有以下几方面的特点：(1)遗传算法从问题解的串集开始嫂索，而不是从单个解开始。这是遗传算法与传统优化算法的极大区别。传统优化算法是从单个初始值迭代求最优解的；容易误入局部最优解。遗传算法从串集开始搜索，覆盖面大，利于全局择优。(2)许多传统搜索算法都是单点搜索算法，容易陷入局部的最优解。遗传算法同时处理群体中的多个个体，即对搜索空间中的多个解进行评估，减少了陷入局部最优解的风险，同时算法本身易于实现并行化。(3)遗传算法基本上不用搜索空间的知识或其它辅助信息，而仅用适应度函数值来评估个体，在此基础上进行遗传操作。适应度函数不仅不受连续可微的约束，而且其定义域可以任意设定。这一特点使得遗传算法的应用围大大扩展。(4)遗传算法不是采用确定性规则，而是采用概率的变迁规则来指导他的搜索方向。(5)具有自组织、自适应和自学习性。遗传算法利用进化过程获得的信息自行组织搜索时，硬度大的个体具有较高的生存概率，并获得更适应环境的基因结构。4.3PID控制概述按偏差的比例(Proportional)、积分(Integral)、积分(Derivative)控制，简称PID控制。PID控制是过程控制中广泛应用的一种控制。

系统由模拟PID控制器和被控对象构成。PID控制器是一种线性控制器。它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成偏差：e(t)=r(t)-c(t)。PID控制器是将偏差的比例P、积分I和微分D通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。C(t)比例C(t)比例积分微分被控对象R(t)E(t)+++-图4-2常规PID控制系统原理框图Fig4-2TheblockdiagramofPIDcontrolsystemPID控制的控制效果的好坏在很大程度上取决于系统的参数的整定，即控制

器参数的选择，PID控制器各校正环节的作用如下：(1)比例环节

比例环节能与时成比例地反映控制系统地偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。比例系数K，增大，可以加快系统响应速度，减小系数稳态误差，提高控制精度。但是过大会产生较大超调，甚至导致不稳定；若取得过小，能使系统减少超调量，稳态裕度增大，但会降低了系统的调节精度，使过渡过程时间延长。根据系统控制过程中各个不同阶段对过渡过程的要求以与操作量的经验，通常在控制的初始阶段，适当地把K，放在较小的档次，以减小各物理量初始变化的冲击；在控制过程中期，适当加大KP，以提高快速性和动态精度，而到过渡过程的后期，为了避免产生大的超调和提高静态精度稳定性，又将K，调小。

(2)积分环节

积分调节可提高系统的抗干扰能力，主要用于消除静差，提高系统的无静差度，适用于有自平衡性的系统。但它存在滞后现象，使系统的响应速度变慢，超调量变大，并可能产生振荡。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越小，反之则越强。加大积分系数T有利于减小系统静差，但过强的积分作用会使超调加剧，甚至引起振荡；减小积分系数Ti；虽然有利于系统稳定，避免振荡，减小超调量，但又对系统消除静差不利。通常在调节过程的初期阶段，为防止由于某些因素引起的饱和非线性等影响而造成积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调量，积分作用应弱些而取较小的；在响应过程的中期，为避免对动态稳定性造成影响，积分作用应适中；在过程后期，应以较大的Ti；值以减小系统静差，提高调节精度。

(3)微分环节

微分环节能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间，从而改善了系统的动态特性。缺点是抗干扰能力差。Td的值对响应过程影响非常大。若增加微分作用，有利于加快系统响应，使超调量减小，增加稳定性，但也会带来扰动敏感，抑制外干扰能力减弱，若Td过大则会使响应过程过分提前制动从而延长调节时间；反之，若Td过小，调节过程的减速就会滞后，超调量增加，系统响应变慢，稳定性变差。因此，对于时变且不确定系统，Td不应取定值，应适应被控对象时间常数而随机改变。4.4.基于遗传算法的PID控制方法

采用遗传算法进行PID三个参数的整定，具有以下优点：

(1)与单纯形相比，遗传算法同样具有良好的寻优特性，且它克服了单纯形参数初值的敏感性。在初始条件选择不当的情况下，遗传算法在不需要给出调节器初始参数的情况下，仍能寻找到合适的参数，使控制目标满足要求。同时单纯形法难以解决多值函数问题以与在多参数寻优中，容易造成寻优失败或时间过长，而遗传算法的特性决定了它能很好地克服以上问题。

(2)与专家整定法相比，它具有操作方便、速度会地优点，不需要复杂地规则，只通过字串进行简单地复制、交叉、变异，便可达到寻优。避免了专家整定法中前期大量地知识库整理工作与大量地仿真实验。

(3)遗传算法是从许多点开始并行操作，在解空间进行高效启发式搜索，克服了从单点出发的弊端以与搜索的盲目性，