朱文（矽比科嘉窯新會(huì)礦業(yè)有限公司，江門(mén)　529149）

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注漿成型車(chē)間微環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱文
（矽比科嘉窯新會(huì)礦業(yè)有限公司，江門(mén)529149）

注漿成型車(chē)間微氣候環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，優(yōu)化了車(chē)間微氣候環(huán)境，獲得了最佳工藝條件，達(dá)到了最大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。本文主要研究了車(chē)間微氣候環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體方案，重點(diǎn)分析了硬件設(shè)備的選型以及控制策略等。該系統(tǒng)由PLC可編程控制器、PID控制器、溫濕度傳感器、功能模塊和工控機(jī)等構(gòu)成，具有較高的可靠性和自動(dòng)化控制水平。隨著衛(wèi)生陶瓷注漿成型工藝技術(shù)的發(fā)展、人力資源日益緊張及能源短缺等問(wèn)題的出現(xiàn)，該系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用前景將會(huì)越來(lái)越好。

注漿成型車(chē)間；微環(huán)境；溫度；濕度；控制算法；PLC；PID

1　引言

在成型車(chē)間這個(gè)微氣候環(huán)境中，濕度是一個(gè)比較難控制的環(huán)節(jié)，而溫度與濕度之間有一定的耦合關(guān)系，對(duì)一個(gè)因子的控制常會(huì)帶來(lái)另一個(gè)因子的變化。而且溫度對(duì)濕度所施加的作用是經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的延遲后才有響應(yīng)。此外，進(jìn)入成型車(chē)間的新鮮空氣都是來(lái)自室外自然風(fēng)，進(jìn)風(fēng)溫濕度受天氣情況影響，不容易控制。因此，對(duì)成型車(chē)間的溫濕度控制不能使用常規(guī)的溫濕度儀器和儀表，而憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)控往往作用滯后、能源浪費(fèi)較多，難以適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)工藝控制的要求。

本文主要通過(guò)利用現(xiàn)代自動(dòng)控制理論和技術(shù)裝置，設(shè)計(jì)采用OMRON CP1E PLC為控制中心，結(jié)合智能溫濕度傳感器和工控機(jī)等組成在線(xiàn)實(shí)時(shí)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)成型車(chē)間溫濕度的自動(dòng)化控制，提高了工藝控制管理水平，降低總體能耗，并改善作業(yè)環(huán)境。

2　成型車(chē)間溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由溫濕度監(jiān)測(cè)分布系統(tǒng)、窯爐余熱送風(fēng)系統(tǒng)、燃?xì)饧訜釥t系統(tǒng)、排濕抽風(fēng)系統(tǒng)、霧化增濕系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)分別控制各自的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和功能部件，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　溫濕度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)工藝所需要的環(huán)境模型，為避免控制方案過(guò)于復(fù)雜化，選擇最重要的環(huán)境因子空氣溫度及空氣濕度作為基本的監(jiān)測(cè)和控制對(duì)象，系統(tǒng)主要由工控機(jī)、PLC、數(shù)據(jù)采集單元、智能傳感器和子系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等4大部分組成。傳感器對(duì)室內(nèi)溫度、濕度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，經(jīng)智能儀表轉(zhuǎn)換后送入PLC映像區(qū)完成數(shù)據(jù)采集，PLC中CPU模塊為核心控制器。工控機(jī)安裝使用組態(tài)軟件監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)串口進(jìn)行通信來(lái)控制執(zhí)行部件，實(shí)現(xiàn)了過(guò)程的自動(dòng)化控制。其主要的工作原理如圖2所示。

圖2　溫濕度控制系統(tǒng)主要工作原理

3　控制系統(tǒng)的硬件選型與設(shè)計(jì)

3.1溫濕度傳感器的選型

AM2301傳感器為數(shù)字輸出型，單總線(xiàn)輸出溫濕度信號(hào)，一條線(xiàn)即可輸出溫度和濕度信號(hào)，能把溫濕度物理量通過(guò)溫濕度敏感元件和相應(yīng)電路轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)、PLC、智能儀表等數(shù)據(jù)采集設(shè)備讀取的數(shù)字量。其測(cè)量范圍為-40～+80℃，測(cè)溫分辨率達(dá)到0.5℃，測(cè)濕度范圍為0～100%RH，測(cè)試分辨率3%RH，傳輸距離可達(dá)到200 m以上，適合在高溫、高濕度環(huán)境下使用，穩(wěn)定性好，性?xún)r(jià)比高，測(cè)量精度高。

3.2PLC的選型

經(jīng)過(guò)比較，選擇 OMRON PLC 40個(gè)點(diǎn) CP1EN40DR-A產(chǎn)品，數(shù)字量輸入24點(diǎn)，輸出16點(diǎn)；使用擴(kuò)展單元，最多可控制320點(diǎn)；備有I/O單元、模擬單元、溫度輸入單元；使用簡(jiǎn)易Modbus-RTU功能，輕松與變頻器進(jìn)行串行通信連接；帶自動(dòng)調(diào)諧功能的PID指令；備有RS-232C、RS-485、Ethernet共3個(gè)端口；支持梯形圖程序、功能塊、ST語(yǔ)言；可用市售電纜連接USB或Ethernet通信端口?？傮w上，該系列型號(hào)PLC功能齊全，性?xún)r(jià)比高，使用簡(jiǎn)便，而且符合亞洲人的編程習(xí)慣。

以前我們著重探究網(wǎng)絡(luò)通信區(qū)域的探究，但是隨著社會(huì)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)設(shè)了兩個(gè)新多媒體大數(shù)據(jù)在如今的電子信息時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)成為了標(biāo)志詞。物聯(lián)網(wǎng)作為以互聯(lián)網(wǎng)為背景的網(wǎng)絡(luò)信息的交融不斷擴(kuò)大，將來(lái)會(huì)與電子通信，計(jì)算，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)一并作為時(shí)代發(fā)展不可小覷的技術(shù)改革。對(duì)網(wǎng)絡(luò)的成長(zhǎng)研究也是將來(lái)電子信息科技專(zhuān)業(yè)的重大課題。

3.3上位機(jī)的選型

選用內(nèi)存512M以上的計(jì)算機(jī)，安裝操作系統(tǒng)選Win2000/XP即可符合現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

3.4通訊單元的選型

通過(guò)電纜通信PC/PPI電纜（RS485）連接PLC及工控上位機(jī)，形成系統(tǒng)化控制網(wǎng)絡(luò)。

3.5執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

窯爐余熱系統(tǒng)由變頻器系統(tǒng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速及碟閥開(kāi)度；霧化增濕系統(tǒng)則采用高頻高壓泵霧化器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)噴淋增濕，達(dá)到調(diào)節(jié)控制室內(nèi)濕度目的；通風(fēng)降溫及排濕抽風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括變頻通風(fēng)機(jī)的選型和控制電路的選擇；燃?xì)饧訜嵯到y(tǒng)則作熱源補(bǔ)充進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用高負(fù)荷比節(jié)能燃燒器。

4　成型車(chē)間溫濕度控制系統(tǒng)工作流程

由于注漿成型工藝控制要求的差異，對(duì)控制系統(tǒng)應(yīng)采用不同的設(shè)計(jì)方式，即夏季、冬季、春秋季以及夜晚等工作模式，并可根據(jù)天氣條件人工選擇，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和靈活性。在不同的季節(jié)條件下，外界的溫濕度差別非常大，比如炎熱的夏季，外界溫度和濕度都比較高，此時(shí)車(chē)間需要降溫和除濕；而在寒冷的冬季溫度低、氣候干燥，車(chē)間濕度小，則需要加熱升溫和增濕；但在天氣復(fù)雜多變的春秋季節(jié)，在一天之內(nèi)，要經(jīng)歷加熱、降溫、除濕、增濕等同步過(guò)程，才能保證成型車(chē)間的溫濕度的穩(wěn)定性和滿(mǎn)足注漿工藝控制要求。為此提出如下控制流程，如圖3所示。

5　控制算法流程框圖及簡(jiǎn)介

PID控制是自動(dòng)控制中產(chǎn)生最早、應(yīng)用最廣的一種控制方法。成型車(chē)間溫濕度控制系統(tǒng)具有強(qiáng)時(shí)變、非線(xiàn)性、大時(shí)滯的特點(diǎn)，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)很難對(duì)其建立精確的模型，且自適應(yīng)性差。一般情況下，溫濕度控制器是將溫度和濕度分開(kāi)控制，但是在成型車(chē)間中兩者是相互影響的，屬于強(qiáng)耦合度變量，如溫度太高意味著濕度的降低，而濕度的升高又意味著溫度不會(huì)太高。常規(guī)PID控制器控制精度高，控制品質(zhì)良好，但主要是針對(duì)具有確切模型的線(xiàn)性過(guò)程及對(duì)象參數(shù)變化速度較慢的系統(tǒng)，其PID參數(shù)一經(jīng)確定后便無(wú)法隨著對(duì)象的變化而調(diào)整。如果直接應(yīng)用于本系統(tǒng)，較難獲得理想的結(jié)果。參考數(shù)字PID控制、模糊控制等先進(jìn)PID控制理論及有關(guān)文獻(xiàn)資料，我們選用組合PID控制算法，即把積分分離PID控制算法和模糊自適應(yīng)整定PID控制引入到溫濕度控制中去。在誤差大的時(shí)候采取積分分離PID控制，在誤差小的時(shí)候采用模糊自整定PID控制，在兩種算法切換的時(shí)候，盡量使PID參數(shù)能夠模糊保持相近，達(dá)到平穩(wěn)過(guò)渡。該組合控制算法結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，計(jì)算量中等，具有較好的自適應(yīng)性，并取得了較好的控制效果。

圖3　溫濕度控制系統(tǒng)工作流程

積分PID控制算法的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）根據(jù)實(shí)際情況，人為設(shè)定閥值ε＞0；

（2）當(dāng)|error（k）|＞ε，采用PD控制，可避免產(chǎn)生過(guò)大的超調(diào)，有使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)；

（3）當(dāng)|error（k）|≤ε，采用PID控制，以保證系統(tǒng)的控制精度；

積分分離控制算法可表示為：

式中，T為采樣時(shí)間，項(xiàng)為積分項(xiàng)的開(kāi)關(guān)系數(shù)。

由于本文篇幅所限，關(guān)于模糊解耦與控制算法在此不再展開(kāi)贅述。

6　結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)通過(guò)將傳感器采集的信號(hào)送入可編程控制器，利用分離PID算法進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，并以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求為出發(fā)點(diǎn)，吸取相關(guān)先進(jìn)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出具有成本低廉、響應(yīng)快速、工作穩(wěn)定可靠、操作便捷等特點(diǎn)的微氣候環(huán)境控制系統(tǒng)。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便、控制精度高，滿(mǎn)足了成型車(chē)間對(duì)溫濕度工藝控制的要求，保證了車(chē)間生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)還有助于降低能源消耗，改善工人作業(yè)環(huán)境，具有在陶瓷衛(wèi)生潔具行業(yè)推廣應(yīng)用的價(jià)值和市場(chǎng)發(fā)展前景。

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Design of the PLC Automatic Control System for Sanitary Ware Casting Shop

ZHU Wen
（Sibelco Gilfari Xinhui Minerals Co.，Ltd，Xinhui 529149）

Casting process is critical important to sanitary ware production，in additional the microclimate environment is the key process factors，such as temperature and relative humidity.By using OMRON CP1E PLC and the other modern control technology，establish an optimal smoothly control system to fit the microclimate temperature and humidity.This system makes use of PLC，IPC and configuration software that improve the reliability.That can improve status of the workshop environment，obtain optimization of total yield and product quality，and also benefit the worker health and social environment to reduce dust release.

Sanitary Ware Casting；Microclimate Environment；Temp and RH control；PLC；PID Controller