朱文（矽比科嘉窯新會礦業(yè)有限公司，江門　529149）

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注漿成型車間微環(huán)境自動控制系統(tǒng)設計

朱文
（矽比科嘉窯新會礦業(yè)有限公司，江門529149）

注漿成型車間微氣候環(huán)境自動控制系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)了自動化控制，優(yōu)化了車間微氣候環(huán)境，獲得了最佳工藝條件，達到了最大的社會和經(jīng)濟效益。本文主要研究了車間微氣候環(huán)境自動控制系統(tǒng)的總體方案，重點分析了硬件設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、功能模塊和工控機等構成，具有較高的可靠性和自動化控制水平。隨著衛(wèi)生陶瓷注漿成型工藝技術的發(fā)展、人力資源日益緊張及能源短缺等問題的出現(xiàn)，該系統(tǒng)的工業(yè)應用前景將會越來越好。

注漿成型車間；微環(huán)境；溫度；濕度；控制算法；PLC；PID

1　引言

在成型車間這個微氣候環(huán)境中，濕度是一個比較難控制的環(huán)節(jié)，而溫度與濕度之間有一定的耦合關系，對一個因子的控制常會帶來另一個因子的變化。而且溫度對濕度所施加的作用是經(jīng)過一定時間的延遲后才有響應。此外，進入成型車間的新鮮空氣都是來自室外自然風，進風溫濕度受天氣情況影響，不容易控制。因此，對成型車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)驗進行調(diào)控往往作用滯后、能源浪費較多，難以適應現(xiàn)代生產(chǎn)工藝控制的要求。

本文主要通過利用現(xiàn)代自動控制理論和技術裝置，設計采用OMRON CP1E PLC為控制中心，結合智能溫濕度傳感器和工控機等組成在線實時溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對成型車間溫濕度的自動化控制，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　成型車間溫濕度控制系統(tǒng)的設計

控制系統(tǒng)由溫濕度監(jiān)測分布系統(tǒng)、窯爐余熱送風系統(tǒng)、燃氣加熱爐系統(tǒng)、排濕抽風系統(tǒng)、霧化增濕系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)分別控制各自的執(zhí)行機構和功能部件，結構如圖1所示。

圖1　溫濕度控制系統(tǒng)結構圖

根據(jù)工藝所需要的環(huán)境模型，為避免控制方案過于復雜化，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)測和控制對象，系統(tǒng)主要由工控機、PLC、數(shù)據(jù)采集單元、智能傳感器和子系統(tǒng)執(zhí)行機構等4大部分組成。傳感器對室內(nèi)溫度、濕度等參數(shù)進行實時監(jiān)測，經(jīng)智能儀表轉換后送入PLC映像區(qū)完成數(shù)據(jù)采集，PLC中CPU模塊為核心控制器。工控機安裝使用組態(tài)軟件監(jiān)控系統(tǒng)，通過串口進行通信來控制執(zhí)行部件，實現(xiàn)了過程的自動化控制。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)的硬件選型與設計

3.1溫濕度傳感器的選型

AM2301傳感器為數(shù)字輸出型，單總線輸出溫濕度信號，一條線即可輸出溫度和濕度信號，能把溫濕度物理量通過溫濕度敏感元件和相應電路轉換成計算機、PLC、智能儀表等數(shù)據(jù)采集設備讀取的數(shù)字量。其測量范圍為-40～+80℃，測溫分辨率達到0.5℃，測濕度范圍為0～100%RH，測試分辨率3%RH，傳輸距離可達到200 m以上，適合在高溫、高濕度環(huán)境下使用，穩(wěn)定性好，性價比高，測量精度高。

3.2PLC的選型

經(jīng)過比較，選擇 OMRON PLC 40個點 CP1EN40DR-A產(chǎn)品，數(shù)字量輸入24點，輸出16點；使用擴展單元，最多可控制320點；備有I/O單元、模擬單元、溫度輸入單元；使用簡易Modbus-RTU功能，輕松與變頻器進行串行通信連接；帶自動調(diào)諧功能的PID指令；備有RS-232C、RS-485、Ethernet共3個端口；支持梯形圖程序、功能塊、ST語言；可用市售電纜連接USB或Ethernet通信端口?？傮w上，該系列型號PLC功能齊全，性價比高，使用簡便，而且符合亞洲人的編程習慣。

以前我們著重探究網(wǎng)絡通信區(qū)域的探究，但是隨著社會的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)開設了兩個新多媒體大數(shù)據(jù)在如今的電子信息時代，物聯(lián)網(wǎng)成為了標志詞。物聯(lián)網(wǎng)作為以互聯(lián)網(wǎng)為背景的網(wǎng)絡信息的交融不斷擴大，將來會與電子通信，計算，互聯(lián)網(wǎng)技術一并作為時代發(fā)展不可小覷的技術改革。對網(wǎng)絡的成長研究也是將來電子信息科技專業(yè)的重大課題。

3.3上位機的選型

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

3.4通訊單元的選型

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

3.5執(zhí)行機構的設計

窯爐余熱系統(tǒng)由變頻器系統(tǒng)控制電機轉速及碟閥開度；霧化增濕系統(tǒng)則采用高頻高壓泵霧化器系統(tǒng)，實現(xiàn)噴淋增濕，達到調(diào)節(jié)控制室內(nèi)濕度目的；通風降溫及排濕抽風系統(tǒng)的設計包括變頻通風機的選型和控制電路的選擇；燃氣加熱系統(tǒng)則作熱源補充進行設計，選用高負荷比節(jié)能燃燒器。

4　成型車間溫濕度控制系統(tǒng)工作流程

由于注漿成型工藝控制要求的差異，對控制系統(tǒng)應采用不同的設計方式，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，此時車間需要降溫和除濕；而在寒冷的冬季溫度低、氣候干燥，車間濕度小，則需要加熱升溫和增濕；但在天氣復雜多變的春秋季節(jié)，在一天之內(nèi)，要經(jīng)歷加熱、降溫、除濕、增濕等同步過程，才能保證成型車間的溫濕度的穩(wěn)定性和滿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介

PID控制是自動控制中產(chǎn)生最早、應用最廣的一種控制方法。成型車間溫濕度控制系統(tǒng)具有強時變、非線性、大時滯的特點，實際設計時很難對其建立精確的模型，且自適應性差。一般情況下，溫濕度控制器是將溫度和濕度分開控制，但是在成型車間中兩者是相互影響的，屬于強耦合度變量，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太高。常規(guī)PID控制器控制精度高，控制品質良好，但主要是針對具有確切模型的線性過程及對象參數(shù)變化速度較慢的系統(tǒng)，其PID參數(shù)一經(jīng)確定后便無法隨著對象的變化而調(diào)整。如果直接應用于本系統(tǒng)，較難獲得理想的結果。參考數(shù)字PID控制、模糊控制等先進PID控制理論及有關文獻資料，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整定PID控制引入到溫濕度控制中去。在誤差大的時候采取積分分離PID控制，在誤差小的時候采用模糊自整定PID控制，在兩種算法切換的時候，盡量使PID參數(shù)能夠模糊保持相近，達到平穩(wěn)過渡。該組合控制算法結構不復雜，計算量中等，具有較好的自適應性，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控制算法的實現(xiàn)步驟如下：

（1）根據(jù)實際情況，人為設定閥值ε＞0；

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

（3）當|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為采樣時間，項為積分項的開關系數(shù)。

由于本文篇幅所限，關于模糊解耦與控制算法在此不再展開贅述。

6　結語

本系統(tǒng)通過將傳感器采集的信號送入可編程控制器，利用分離PID算法進行實時控制，并以現(xiàn)場實際需求為出發(fā)點，吸取相關先進控制系統(tǒng)的優(yōu)點，設計出具有成本低廉、響應快速、工作穩(wěn)定可靠、操作便捷等特點的微氣候環(huán)境控制系統(tǒng)。實踐表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、操作簡便、控制精度高，滿足了成型車間對溫濕度工藝控制的要求，保證了車間生產(chǎn)產(chǎn)品的質量，同時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)推廣應用的價值和市場發(fā)展前景。

［1］李家駒.陶瓷工藝學［M］.北京：中國輕工業(yè)出版社，2005，08.

［2］薛殿華.空氣調(diào)節(jié)［M］.北京：清華大學出版社，2007.

［3］周俊彥，魏潤柏.熱舒適條件下環(huán)境風速和溫度最佳組合的實驗研究［J］.人類工效學，1998，4（1）：16～20.

［4］蔣慰孫，俞金壽.過程控制工程（第二版）［M］.北京：中國石化出版社，2004.

［5］陶永華.新型PID控制及其應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

［6］陶永華.PID控制原理和自整定策略［J］.工業(yè)儀表與自動化裝置，1997.

［7］焦連渤，沈東凱.模糊PID在溫濕度控制系統(tǒng)中的應用［J］.南京航空大學學報，1999，30（4）：437～442.

［8］李遵基，王麗君.參數(shù)自整定多變量模糊解耦控制器［J］.電網(wǎng)技術，1997，21（2）：15～19.

［9］馮秀萍，李明輝，張鎬.基于PLC的溫室自動控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［J］.陶瓷，2013（04）：28～29.

［10］V.J.Vandoren.The Evolution of PLC-Based Loop Control［J］. Control Engineering，1995，421，42（11）：57～62.

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