楊 樂，余楚中

(1.重慶大學，重慶400045;2.重慶工業(yè)職業(yè)技術學院，重慶401120)

0 前言

硫酸法生產銳鈦型鈦白粉，是將購進的鈦礦砂用雷蒙機或者風掃磨等粉碎成符合工藝要求的鈦礦粉，并送到儲存和計量鈦礦粉的料倉。經過酸解、沉降、洗渣、結晶、鈦液壓濾、濃縮、水解、水洗、漂白、鹽處理、煅燒后進入粉碎和包裝過程，此步驟是將煅燒后的有些粘結的物料進行破碎。物料在雷蒙機內，經過高速旋轉的磨輥和磨環(huán)的撞擊，迅速被粉碎，再經過分級葉輪的分級，粗料返回粉碎室，細料進入袋濾器，經星型下料器進入螺旋送料器，送至成品料倉，進行包裝后即為成品。為實現粉碎包裝工藝的自動化，更好的控制雷蒙磨的轉速，達到粉碎顆粒滿足成品鈦白粉顆粒大小，做到精度高，無雜質，定時、定量加入有機物，設計了PLC加組態(tài)王上位機監(jiān)控的形式對磨粉包裝工藝進行自動化改造。即以PLC作為下位機控制變頻器驅動雷蒙磨工作，上位機以IPC配以組態(tài)王Kingview 6.52實現對各系統(tǒng)的監(jiān)控，通過PLC和IPC的數據交換，使系統(tǒng)達到預期的控制目的。

1 PLC系統(tǒng)結構

1.1 硬件系統(tǒng)設計

PLC直接對設備進行控制。IPC是一種加固的增強型個人計算機，它可以作為工業(yè)控制器在工業(yè)環(huán)境中可靠運行，完成對相關模型的復雜計算，現場實時畫面的監(jiān)控。對于鈦白粉粉碎系統(tǒng)，采用兩級控制方式。用一臺IPC作為上位機配以組態(tài)王Kingview 6.52進行遠程監(jiān)控，根據工作狀態(tài)和鈦白粉工藝模型調整參數，將現場的工況以良好的畫面顯示，并且能接受管理員的控制指令。下位機選用SIEMENS S7-300用作現場數據的采集和反饋，根據參數反饋對設備進行直接控制。IPC與PLC之間由各自的通訊單元進行數據交換，系統(tǒng)框圖如圖1所示。在鈦白粉生產過程中，在分級機達到一定轉速的情況下，開啟主風機，將雷蒙磨碾磨之后的鈦白粉吹過分級機，由于分級機轉速已調整至鈦白粉成品顆粒精度才能通過的狀態(tài)，因此產量受到雷蒙磨碾磨精度的影響，如碾磨精度過高，則產量下降;如碾磨精度過低，粗顆粒無法經過分級機到達濾袋器，亦會影響產量。因此，在本系統(tǒng)中，依靠PLC加變頻器對雷蒙磨轉速進行PID控制，從而達到在滿足加工精度的同時，使產量最大化。

1.2 軟件系統(tǒng)設計

1.2.1 上位機軟件設計

用IPC作為上位機，監(jiān)控軟件使用亞控公司組態(tài)王Kingview 6.52作為開發(fā)元件，對控制電路及生產過程進行仿真的二次開發(fā)，建立鈦白粉粉碎系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，生成的組態(tài)畫面如圖2所示。組態(tài)王Kingview 6.52提供豐富的圖庫集圖形開發(fā)工具，用戶可根據具體的工況，運用控件在畫面上自由搭配，并為每個控件和畫面提供方便的數據連接，使界面設計變得輕松。上位機軟件主要設計了主監(jiān)控畫面、磨機參數設置畫面、堿添加設置畫面、運行技術器畫面、報警信息查詢畫面、設備狀態(tài)畫面、監(jiān)控曲線查詢畫面等。主畫面仿真了各設備運行的狀態(tài)，通過監(jiān)控溫度、流量、壓力等參數，使工作人員很容易掌握系統(tǒng)的運行情況。各分畫面主要用于參數的設置及曲線圖形顯示，幫助工作人員對系統(tǒng)進行精確控制。

圖1 鈦白粉粉碎系統(tǒng)框圖

圖2 雷蒙磨自控系統(tǒng)組態(tài)畫面

1.2.2 下位機軟件設計

下位機主要依靠PLC對主風機和雷蒙磨進行精確控制，并輔以各狀態(tài)之間的聯鎖報警裝置實現對系統(tǒng)的保護。軟件采用模塊化設計，可實現數據的實時采集、與上位機通信、A/D轉換、磨機電流控制、主風機空氣流量控制、參數設置、內部公式計算等控制計算功能。根據工藝流程可知，加工的精度跟產量，與主風機的轉速和雷蒙磨的轉速有直接的關系，所以在設計下位機軟件時，主要要考慮磨機的控制。其次，為了避免磨機空轉以及有機物的適量添加，根據保護原則設計了緊急停車控制和有機物添加計算程序。

2 模糊PID控制算法的實現

自動控制理論中的設計方法主要是建立在被控對象的線性定常數學模型中，在實際設計過程中很難被運用。傳統(tǒng)PID控制對參數的整定過程中，整定值有一定局限性的優(yōu)化值，而不是全局性的最優(yōu)值，無法從根本上解決動態(tài)品質及穩(wěn)態(tài)精度的矛盾。模糊控制是一種適合于工業(yè)生產過程和大系統(tǒng)控制方法，特別是在純滯后、大慣性的非線性不確定分布參數系統(tǒng)中，模糊控制能取得令人滿意的效果。因此在磨機系統(tǒng)具有非線性、滯后性的鈦白粉粉碎系統(tǒng)中，加入了模糊PID控制算法。

2.1 模糊控制的原理

如圖3所示，yr為系統(tǒng)設定值，y為系統(tǒng)輸出值，它們都是清晰量，和傳統(tǒng)的控制結構大致相同，只是用模糊控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數字控制器。

圖3 模糊控制系統(tǒng)框圖

2.2 模糊PID算法的實現

在粗鈦白粉粉碎系統(tǒng)的主風機轉速PID控制中，由于系統(tǒng)的非線性和時變性因素，采用模糊控制時，為了獲得良好的控制效果，必須要求模糊控制器擁有較完善的控制規(guī)則和相對合適的參數。這些控制規(guī)則和參數是人們對控制過程認識的模糊信息的歸納和經驗的總結。然而，在通常情況下，一個模糊控制器設計完成后，其語言規(guī)則和參數是確定的。由于受控過程的高階次、時變性以及隨機干擾等因素影響，造成模糊控制規(guī)則和參數不夠完善，會不同程度地影響控制效果。為了彌補其不足，可以通過自適應的模糊控制技術，使模糊控制規(guī)則和其參數在控制過程中自動調整和完善，進而使系統(tǒng)的控制性能不斷完善。

在S7-300編程軟件STEP7中編寫用戶程序，用模糊PID控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID控制器，采用中斷方式執(zhí)行模糊PID控制算法。用STEP7實現智能算法選擇適當的PID參數，通過改變PID模塊中的參數實現系統(tǒng)控制，這樣使PLC集成的PID模塊語句和智能控制結合，提高了磨機系統(tǒng)的控制精度和速度。

2.3 仿真及效果分析

利用MATLAB的模糊邏輯工具箱，按照上面介紹的模糊PID控制器的設計方法，完成基于模糊邏輯工具箱的模糊控制器的仿真設計。圖4為系統(tǒng)建立的仿真模型。

圖4 MATLAB建立的系統(tǒng)仿真模型

在忽略耦合等因素的條件下，可將模糊控制器的廣義控制對象降階，并近似用二階系統(tǒng)擬合。故以下對典型的二階系統(tǒng)進行仿真，并對比分析常規(guī)PID和模糊 PID的控制效果，仿真效果圖如圖5所示。

圖5 常規(guī)PID控制與模糊PID控制效果圖

從仿真結果可以看出，采用模糊自整定PID算法后，系統(tǒng)的超調量由原來的46%下降到15%，調節(jié)時間也比采用常規(guī)PID算法提前了1.4秒，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差也基本消除了。

3 結論

IPC用組態(tài)王與PLC進行實時通訊，具有速度快、可靠性高、調節(jié)方便靈活等優(yōu)點。系統(tǒng)人機界面友好，參數易于調整，系統(tǒng)易于擴展。本文結合鈦白粉粉碎系統(tǒng)，運用了模糊PID控制算法，采用西門子S7-300編寫模糊PID程序，用其設定實時P、I、D參數，利用組態(tài)王Kingview 6.52監(jiān)控磨機系統(tǒng)的運行情況，實現了系統(tǒng)的智能控制，具有控制精度高，穩(wěn)定性好的優(yōu)點，為智能控制算法的運用提供了新的思路。

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