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PLC專家控制在結晶生產中的應用(上)

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關鍵詞: PLC 專家控制 結晶生產

     1 引言

        食用糖醇晶體的生產方式是首先經過葡萄糖的發酵形成高濃度糖醇溶液,再根據溫度跟溶解度的關系通過精確控制高濃度溶液的溫度變化析出晶體產品。在高濃度溶液的結晶過程中,析出的晶體的純潔度,顆粒大小與溫度控制效果有直接的關系,產品質量要求實現溫度精確控制。由于析出晶體的整個周期比較長并且要求溫度的實時調控要符合一定的經驗,采用人工控制的方式盡管可以達到這一要求,但是冗長的時間檢測,精確的控制是人工所不能達到的,并且因人工方式調節往往帶有很大的誤差,調節控制時難以很好的符合降溫的標準。專家系統(Expert System)是人工智能應用最廣泛應用的領域之一,是人工智能的研究從面向基本技術和基本方法的理論研究走向解決實際問題的具體研究的重要途徑,它能夠自適應的管理各受控對象的全面行為,使其滿足預期要求并且可很好的利用該領域專家已有的知識和經驗,進行推理和判斷,模擬人類專家的決策過程,解決需要人類專家處理的復雜問題。采用plc為主體的專家控制系統將繁瑣的各個控制過程組合起來,并且將該結晶的經驗很好的利用在溫度控制過程中,形成一個智能的工業網絡控制系統,實現r晶體生產的實時監控和精確控制。

    2結晶系統和溫度控制硬件設計

        結晶系統是由結晶罐,供水系統以及氣壓系統構成,根據溶液所處的溫度階段需進行的不同處理,利用氣壓系統將溶液壓入不同的罐中進行溶液處理,并且結晶罐外壁和內部都有進行降溫處理的冷卻水螺旋管道。罐中有攪拌器將溶液不停攪拌以防止晶體析出在冷卻水管道外壁上,阻礙結晶過程繼續進行,但同時要根據溶液所處階段合理的設定攪拌的速率,防止晶體的質量受到攪拌影響。結晶罐降溫管道以設定的速率輸送冷卻水對溶液進行降溫,員工用電泵控制冷卻水的流量并根據罐內溶液和冷卻水溫度的差值變化不停的調整電泵通斷,控制溫度的變化速度。操作人員需要根據經驗不斷的調整冷卻水的變化完成溫度控制,并且因整個結晶周期比較長,過程繁瑣,操作人員的勞動強度比較大,但效率比較低。因此采用plc專家控制系統根據生產人員的經驗進行控制,使其達到結晶系統的生產標準。

        PLC專家控制系統由pie、變頻器、溫度傳感器和觸摸屏組成。其控制核心為西門子公司的s7—200,硬件主要由電源、CPU226、em231四路模擬單輸入模塊、通信模塊等構成。控制系統主要完成模擬信號的采集,觸摸屏通信,專家系統控制邏輯分析,數字信號輸出,變頻器通信控制等各部分。變頻器接收從PLC發送通信壽命令完成對電機的轉速調節。控制系統將罐內溫度和冷卻水進出口溫度實時采集到PLC中,通過專家系統處理生成控制數據對變頻器進行控制,同時將實時溫度數據和控制數據等各數據存觸摸屏上進行顯示。控制系統設置人工模式和專家系統控制模式,并允許通過觸摸屏對系統的一些系數進行記錄和修改保證系統的多用性。

    3控制系統軟件設計

        PLC軟件設計將系統各個功能模塊化,由于結晶系統所涉及的參數較多,把程序分割成數據采集子程序,系統啟發式規則推理子程序,PLC與變頻器通信子程序,電機控制子程序自動手動模式切換和安全保護子程序等各部分方便處理。因為結晶系統有高溫、中溫、低溫析出控制罐用來分別處理各階段的溶液用以保證晶體的質量,并且系統設備比較分散,主控制器是采用西門子公司的s7—200cn CPU226處理,因此通過將PLC、觸摸屏、各單獨的變頻器組成工業網絡的方式統一進行控制。部分程序設計結構如圖2所示,控制系統的核心功能是獲得各控制參數對電機進行控制。

    圖1程序結構圖

    4控制流程介紹

        西門子s7—200en CPU226集成24輸入/16輸出共40個數字量I/O點。可連接7個擴展模塊,最大擴展至248路數字量I/0點或35路模擬量I/0點。用于較高要求的控制系統,具有更多的輸入/輸出點,更快的運行速度和功能更強的內部集成特殊功能。能很好的處理一些復雜的中小型控制系統,性價比高。PLC與變頻器和觸摸屏通信子程序是軟件設計的重要部分,對多個變頻器功能號和頻率值的控制、故障問題檢測都采用通信的方式,一根通信電纜一次性的讀取、傳輸變頻器的多組數據,減少電氣連線和信號間的干擾問題,保證系統的控制穩定性。CPU226利用2個RS485通信/編程口提供的串行自由口通信解決方案進行plc與觸摸屏和多個變頻器,PLC相互之間的通信。自由口通信是根據智能設備的通信協議通過用戶自寫程序控制通信口的操作模式,利用自由口模式可以實現多設備的通信連接。該系統通信自由口通信是半雙工串行通訊方式,不能用硬件握手信號作為檢測手段,因此在PLC與變頻器的通信中發生誤碼或者發生沖突等通信錯誤將導致PLC控制程序不能正常工作,所以必須對通信進行軟件握手,保證發送方和接收方的傳輸穩定。

        CPU226可用數據發送命令xmt和數據接收命令rcv進行數據的交換。PLC與多個變頻器的半雙工通信方式要求通信子程序為①cpu226的一條通信線同時對多個變頻器進行控制,在約定時刻只能有一個變頻器處于命令接收或發送狀態,PLC發出通信控制命令之后必須保證變頻器設備有足夠的時間接收,為此設定相應的發送和接收緩沖區,PLC采用定時器脈沖發送頻率命令,利用端口發送字符完成中斷程序進行變頻器實時參數的接收讀取,保證每次接收新數據之前,接收緩沖區的數據被讀取且應該被清零,發送數據也正常。②根據變頻器設備的命令字格式進行正確的數據傳輸格式設定,保證處于同一條通信線控制的多個變頻器能正常運行,同時設置相應的通信狀態標識字,若出現錯誤立即復位標識字進行報錯警告,這樣便于通信故障的修改。③發送和接收的數據進行奇偶校驗,確保數據發送接收正確,避免系統誤動作。④通信數據進行歸并,方便系統啟發式規則推理子程序對數據的處理。

        PLC與觸摸屏的通信采用同樣波特率的串行通信。PLC與各設備的通信主程序處理流程如圖2所示。由于采用定時器脈沖發送方式發送數據,發送完之后觸發接收中斷子程序接收和處理采集的數據,有效的避免了時間溢出等通信錯誤。

        控制數據處理基于模型的專家系統理論,構建結晶控制因果模型,根據有結晶經驗的專家的經驗建立啟發式知識庫,將啟發式規則和因果模型結合,通過規則推理,決定何時利用那些元規則進行決策控制。基于模型的專家系統是關于人工智能的一個觀點,綜合各種模型的專家系統比基于邏輯心理模型的系統具有更強的功能,有可能顯著改進專家系統的設計,采用基于模型的推理方法是根據事物內部規律的客觀世界的模型進行推理,運用已知可利用的模型,可以表示系統部件/整體的關系的結構,表示各部件的因果關系等。基于模型的專家系統的特點是,利用啟發式規則和因果模型,用規則形式表示啟發性知識,用元規則表示控制知識,決定何時利用哪些規則進行規則推理。運用啟發式規則推理為淺層推理,基于模型的推理為深層推理,淺層推理運用專家的經驗,推理效率高,但解決問題的能力較低;深層推理由于接觸了事物的本質內容,解決問題的能力強,但推理效率較低,把淺層推理和深層推理結合起來的系統,可以很好的取各自的長處,使專家系統更加合理。

    圖2通信流程圖

     

    (審核編輯: 智匯李)

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