科技方法訓(xùn)練項目申報書.doc

科技項目（課題）申報書計 劃 類 屬： 項目（課題）名稱： PLC控制的玻璃生產(chǎn)流水線設(shè)計 申 報 單 位： 景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院 ( 蓋章)郵 政 編 碼： 333403 電 話 號 碼：通 訊 地 址： 景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院湘湖校區(qū) 景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院 二0一二年12月30日說 明一、填寫本科技項目（課題）申報書時請用鋼筆，字跡端正，不得潦草。凡填寫馬虎，內(nèi)容難以辨認的將不予受理。二、計劃類屬分為：省級重點科技項目，省二級科技項目，市級科技項目，星火計劃，火炬計劃，市級成果推廣計劃。由省（市）科委有關(guān)項目管理人員填寫。三、技術(shù)指標中，階段目標、最終目標系指項目（課題）實施中要達到或取得的中間成果，最終成果等。一、國內(nèi)外與本項目有關(guān)的科學(xué)技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢（包括計算機檢索情況）一、玻璃生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀我國玻璃工業(yè)自誕生以來，過程控制體系歷經(jīng)基地式儀表控制系統(tǒng)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)(DCS)等4代過程控制系統(tǒng)。當前我國設(shè)計的浮法玻璃生產(chǎn)線自動控制都是以PLC為基礎(chǔ)的DCS系統(tǒng)。DCS既是一個過程控制體系的名稱，也是由制造廠商出售的一個起完整作用而集成的集散控制系統(tǒng)產(chǎn)品，但這種DCS系統(tǒng)相對較為封閉，而目前浮法玻璃生產(chǎn)線的DCS系統(tǒng)，如秦皇島耀華北部園超薄玻璃生產(chǎn)線等，多數(shù)是由用戶集成的，因此相對較為開放。與早期的控制系統(tǒng)相比，DCS系統(tǒng)在功能和性能上有了很大進步，可以實現(xiàn)設(shè)備級、車間級的優(yōu)化和分散控制但它仍然是一種模擬數(shù)字混合系統(tǒng)，從現(xiàn)場到控制系統(tǒng)之間的檢測、反饋與操作指令等信號傳遞。而世界知名品牌西門子公司的西門子S7-400PLC控制系統(tǒng),使用2塊獨立工作的CPU模塊分別控制真空泵、陰極電源、伺服電機等設(shè)備。利用W inCC60組態(tài)軟件實現(xiàn)對整條生產(chǎn)線的上位機監(jiān)控,完整顯示生產(chǎn)線上所有設(shè)備的運行方式、流程作業(yè)情況及工藝參數(shù)當前值等信息,極大地減輕了操作人員的勞動強度,提高了控制系統(tǒng)的可靠性和生產(chǎn)效率,以及鍍膜工程玻璃生產(chǎn)線的自動化控制水平。目前該鍍膜生產(chǎn)線控制系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于國內(nèi)某玻璃加工工廠,系統(tǒng)投入使用半年以來,控制性能穩(wěn)定,月均產(chǎn)量達10萬平方米,處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。目前國內(nèi)多數(shù)玻璃工廠使用的配料控制系統(tǒng)是20世紀80年代開發(fā)的，主要由計算機、配料控制器、PLC、給料控制裝置等組成。配料控制器控制每臺秤的補料、排料，PLC控制配料時序，計算機對整個配料過程進行監(jiān)控和管理。這種系統(tǒng)的配料控制器、PLC、計算機之間存在大量的數(shù)據(jù)交換。a、傳統(tǒng)配料控制系統(tǒng)主要存在以下不足：(1)系統(tǒng)硬件線路復(fù)雜傳統(tǒng)配料控制系統(tǒng)中配料控制器與PLC、配料控制器與給料控制裝置、PLC與給料控制裝置之間有大量的I0接口。每臺秤的配料控制器與計算機都有通訊網(wǎng)線。這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定了其硬件線路的較為復(fù)雜性。(2)計算機與配料控制器的通訊可靠性差由于計算機沒有專用的與配料控制器通訊的軟件，計算機與配料控制器的通訊軟件是各配料系統(tǒng)供應(yīng)商自己用“VB”或“VC”等語言編程進行通訊的，考慮難免不周，控制過程會出現(xiàn)通訊不暢、實時采用數(shù)據(jù)不正確等問題。(3)系統(tǒng)可靠性不高由于浮法玻璃配料是長期連續(xù)工作的，系統(tǒng)硬件線路的復(fù)雜及計算機與配料控制器的通訊可靠性差決定了其系統(tǒng)可靠性不高、故障排查難、維修不方便。b、新型配料控制系統(tǒng)隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，PLC的功能越來越強，越來越多地應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。PLC已從傳統(tǒng)的順序控制發(fā)展為對各種工業(yè)需求的控制，其中就有專門應(yīng)用于配料的配料控制模塊，實現(xiàn)配料控制。支持PLC的計算機控制軟件也越來越多，世界上主要的計算機控制軟件都能支持主流的PLC，使計算機與PLC的數(shù)據(jù)交換變得簡單、可靠。PLC控制軟件包括稱重模塊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、秤補料排料控制、配料時序控制、混合時序控制、各種故障檢測報警等。隨著計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)和圖形顯示技術(shù)的發(fā)展,產(chǎn)生了以微處理機為基礎(chǔ)的分布式控制系統(tǒng)(DCS)。近年來DCS在我國新建的和改造的浮法玻璃廠中得到了廣泛的應(yīng)用,但基本上還屬于單參量單回路控制(有的系統(tǒng)已做了復(fù)雜控制),DCS的功能沒有得到充分發(fā)揮。用人工智能專家系統(tǒng)控制熔窯的溫度是今后熔化自動控制的必然趨勢。c、熔窯溫度控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀熔窯溫度控制分熔化部和冷卻部(或流液道)溫度控制,前者由于影響溫度的因素太多,當前難以實現(xiàn)溫度閉環(huán)自動控制,后者由于沒有燃燒狀態(tài)和未熔化配合料的干擾,實現(xiàn)冷卻部溫度自動控制相對容易得多。實行溫度自動控制,測溫點的代表性是關(guān)鍵問題。一般稱熔窯空間溫度為窯溫,窯溫對玻璃液的溫度和配合料的熔化速度起調(diào)節(jié)作用,如果窯溫和玻璃液之間有一個相對固定的值,那么,“窯溫”就能代表玻璃液的溫度,否則,就沒有代表性。一般將測溫元件安裝在胸墻或碹頂,更多的是在碹頂,這樣的測點是否有代表性?大中型橫火焰玻璃熔窯,需要進行周期性地換火,為得到窯溫測量的準確,要求熔窯兩側(cè)的火焰大小、形狀和角度都要一致。這樣必須要求兩側(cè)蓄熱室、上下道、小爐通道的阻力、流通面積、幾何形狀和尺寸一致、對稱(實際上,這些要求是很難做到的),否則,由于左右兩側(cè)火焰的不同,將導(dǎo)致測量的溫度產(chǎn)生差異。有數(shù)據(jù)表明:當兩側(cè)火焰不對稱時,碹頂測得的溫度相差30-40(熱電偶伸出碹頂內(nèi)50mm),在火焰調(diào)得比較對稱時,其溫度相差5-15。根據(jù)這樣的溫度去控制流量,必然引起燃料輸入量的很大變化,不但沒有達到自控的目的,反而使本來穩(wěn)定運行的熔窯制度遭到破壞。 由于不可避免的火焰干擾,在熔化部空間很難找到有代表性的測溫點。當然,如果用若干測溫元件將所測溫度進行加權(quán)平均,會有所改善,但并沒有根本解決問題。還有一個影響測溫點代表性的因素值得一提,據(jù)有關(guān)實驗報告表明:熔化區(qū)玻璃液溫度和上部空間溫度之間是負耦合關(guān)系,這是由半透明屏障-熔融泡沫層物理性能引起的,在泡沫層增長或變厚時,熱交換的活性減弱,進入玻璃液熱量減少,此時窯溫增長,而玻璃液溫度降低,在泡沫層減薄或長度減輕時,會出現(xiàn)相反的情況。浮法玻璃的生產(chǎn)是個連續(xù)不斷的過程,從錫槽出來的玻璃板一直到橫切以前都是一個均勻的整體,這就要求退火窯輥道的輥子上母線速度是相同的。一般來說,大部分浮法退火窯輥子直徑都是有變化的,前面的輥子直徑比后面的大一些,而且速度有微小的誤差。蚌埠玻璃設(shè)計研究院最近設(shè)計的生產(chǎn)線的輥子其直徑?jīng)]有變化,例如用于青島太陽玻璃公司和成都玻璃廠兩條500t/d的生產(chǎn)線的輥子,嚴格來說這是不正確的。首先,在退火窯的快速冷卻區(qū)如果退火冷卻控制不好,玻璃板極容易發(fā)生炸裂現(xiàn)象,當用直徑較大的輥子時,其與退火窯(如F區(qū))風(fēng)管之間的間隙很少,碎玻璃會嚴重劃傷輥面,同時也不容易漏到渣箱,被卡住的玻璃板還會造成碎玻璃的堆集,需用人工清除。其次,全部用大徑輥大大增加投資費用,這是完全沒有必要的,有豐富經(jīng)驗的工藝人員認為:大徑輥的排置決不能進入退火窯E區(qū)以后。因此,全部設(shè)計成大徑輥是欠妥的。之外還要提到的是人工智能專家系統(tǒng),世界上有些國家已經(jīng)起步,有的已在玻璃熔窯投入運行。相信我國的玻璃行業(yè),隨著工業(yè)的發(fā)展、技術(shù)的進步、用戶對玻璃產(chǎn)品質(zhì)量的要求日益增高;節(jié)能、環(huán)境保護要求越來越嚴,玻璃熔窯溫度控制人工智能專家系統(tǒng)一定會很快起步,并在不久的將來取得巨大成功。二、玻璃生產(chǎn)線控制系統(tǒng)領(lǐng)域其發(fā)展趨勢玻璃生產(chǎn)線控制系統(tǒng)領(lǐng)域其發(fā)展趨勢是管理控制系統(tǒng)的一體化。何謂管理控制一體化？在市場經(jīng)濟與信息時代的飛速發(fā)展中，企業(yè)內(nèi)部之間以及與外部交換信息的需求不斷擴大，現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)對生產(chǎn)的管理要求不斷提高，這種要求已不局限于通常意義上的對生產(chǎn)現(xiàn)場狀態(tài)的監(jiān)視和控制，同時還要求把現(xiàn)場信息和管理信息結(jié)合起來。管理控制一體化就是建立全集成的、開放的、全廠綜合自動化的信息平臺，把企業(yè)的橫向通信(同一層不同節(jié)點的通信)和縱向通信(上、下層之間的通信)緊密聯(lián)系在一起，通過對經(jīng)營決策、管理、計劃、調(diào)度、過程優(yōu)化、故障診斷、現(xiàn)場控制等信息的綜合處理，形成一個意義更廣泛的綜合管理系統(tǒng)。現(xiàn)場總線為管理控制一體化鋪平了道路-企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)是管理控制信息集成的基本條件，沒有信息網(wǎng)絡(luò)就不可能實現(xiàn)企業(yè)橫向和縱向信息的溝通和匯集，建網(wǎng)的目標在于實現(xiàn)全企業(yè)范圍內(nèi)的信息資源共享，以及與外部世界的信息溝通。玻璃企業(yè)和一般企業(yè)網(wǎng)絡(luò)一樣大致可分為3層，即企業(yè)管理層，過程監(jiān)控層和現(xiàn)場控制層。管理控制一體化解決方案中的現(xiàn)場控制層由現(xiàn)場總線設(shè)備和控制網(wǎng)構(gòu)成，把傳統(tǒng)的集散系統(tǒng)控制站(如原料、熔窯、退火、冷端的PI、C分站)的功能分散到了現(xiàn)場總線設(shè)備，此時的控制站實際是一個虛擬的控制站?，F(xiàn)場總線技術(shù)與產(chǎn)品所形成的底層網(wǎng)絡(luò)，充分發(fā)揮其測控設(shè)備具有通信能力的特點，為控制網(wǎng)絡(luò)與通用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連接提供了方便。企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)是管理控制一體化的基礎(chǔ)，現(xiàn)場總線為構(gòu)成管理控制一體化網(wǎng)絡(luò)鋪平了道路。過程監(jiān)控層由局域網(wǎng)段以及連接在局域網(wǎng)段的擔任監(jiān)控任務(wù)的工作站或控制器組成，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)通過現(xiàn)場總線接口與過程監(jiān)控層相連，或者監(jiān)控層直接由現(xiàn)場總線來擔當;監(jiān)控站可以完成對控制系統(tǒng)的組態(tài)，執(zhí)行對控制系統(tǒng)的監(jiān)控、報警、維護及人機交互等功能;企業(yè)管理層由各種服務(wù)器和客戶機等組成，用于集成企業(yè)的各種信息，實現(xiàn)與Internet的連接，完成管理、決策和商務(wù)應(yīng)用的各種功能。二、研究內(nèi)容、方法和技術(shù)路線（包括工藝流程）研究內(nèi)容根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)需要，設(shè)計基于PLC控制的玻璃生產(chǎn)流水線。(1)硬件選型。主要包括：PLC硬件的選型，各區(qū)溫度控制模塊的選擇，變頻調(diào)速器的選擇。本系統(tǒng)采用PLC為中心控制器，通過擴展的多路溫控模塊采集現(xiàn)場16路溫度，并通過PLC對各路溫度進行PID輸出控制。同時在上料輥道與下料輥道的傳送帶上各安裝一個旋轉(zhuǎn)編碼器，以檢測玻璃在傳送道上的位置，確保玻璃在整條生產(chǎn)線的運動定位準確，并通過PLC控制變頻調(diào)速器來控制上料、加熱、冷卻三臺電機。系統(tǒng)的操作控制、數(shù)據(jù)采集和動作過程監(jiān)視、各種參數(shù)的顯示設(shè)定，由掛接在PLC的上位組態(tài)軟件來實現(xiàn)(2)程序設(shè)計。程序設(shè)計主要分兩部分，PLC程序的設(shè)計，以及上位機監(jiān)控程序的設(shè)計。其中核心是PLC程序設(shè)計。PLC程序設(shè)計部分主要包括實現(xiàn)對溫度、流水線運行速度等參數(shù)的計算和輸出，系統(tǒng)運行的順序控制，已經(jīng)狀態(tài)和報警顯示等任務(wù)。在上位機上實現(xiàn)工藝流程圖的實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理是通過可編程控制器操作站系統(tǒng)軟件和組態(tài)軟件來實現(xiàn)的。 研究方法研究方法（可行性分析）2.1.1整體控制在工業(yè)控制系統(tǒng)中，目前有以下幾種控制策略。(l)開環(huán)控制開環(huán)控制策略主要是在輸入和輸出的過程中，不采用任何的反饋信號，這樣的控制使得系統(tǒng)反應(yīng)速度快，缺點是系統(tǒng)精度不高，不夠穩(wěn)定，如圖2.6所示(2)閉環(huán)控制閉環(huán)控制策略主要是在輸入和輸出的過程中，采用一定的反饋信號，再將該反饋信號與輸入信號進行“+”(正反饋)或者“一”(負反饋)運算后，作為新的信號輸入系統(tǒng)中，特點是控制精度高，可以將系統(tǒng)的輸出值控制在要求的范圍之內(nèi)，如圖2.7所示。在本系統(tǒng)中，是利用電機轉(zhuǎn)速與輸入控制信號(一般是電壓信號)成反比的特性來控制電機的速度的可調(diào)節(jié)性，希望電機運行頻率或者運行速度穩(wěn)定在某個值附近，所以開環(huán)控制策率是難以滿足控制要求，故擬采用閉環(huán)控制。從被控電機取回速度值或者頻率值作為反饋信號與電機運行頻率設(shè)定值進行運算后，再作為輸入信號給電機。2.1.2溫度控制在本系統(tǒng)中，采用的PLC通過PID方式對溫度進行后續(xù)控制，PID控制是一種負反饋控制，是一種比較精確的常規(guī)控制，并具有以下優(yōu)點:(l)原理簡單，使用方便。(2)適應(yīng)性強，可廣泛應(yīng)用于各種場合和工業(yè)部門。(3)魯棒性強，即其控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不太敏感。由于以上優(yōu)點，PID控制已成為迄今為止最通用的控制方法。實際運行經(jīng)驗和理論分析均表明，將這種控制規(guī)律用于大多數(shù)工業(yè)對象能夠得到比較滿意的結(jié)果。所以雖然PID控制器產(chǎn)生于19世紀初，但今天仍被廣泛應(yīng)用于化工、冶金、電力、機械等工業(yè)過程控制中。目前全世界大約有90%的過程控制仍在使用PID控制器及其改進型來完成反饋回路的控制?；谏鲜鰞?nèi)容，本系統(tǒng)采用PID算法。PID控制的全稱叫做比例積分微分控制，是由比例控制、積分控制和微分控制三種控制組合而成的組合控制方式。比例(P)控制比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差(steady-state error)。積分(I)控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng) (system with Steady-state Error)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PD控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。微分(D)控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件(環(huán)節(jié))或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例加微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，因此在控制規(guī)律中積分和微分項不能直接準確計算，只能用數(shù)值計算的方法逼近，其控制規(guī)律為:公式(21)表示的調(diào)節(jié)器的輸入函數(shù)和輸出函數(shù)均為模擬量。為了用計算機對它進行計算，可以把連續(xù)形式微分方程轉(zhuǎn)換位離散形式的差分方程。取T為采樣周期，k為采樣序號，k=O，l，2,3i,k。因為采樣周期T相對于信號變化周期是很小的，所以可以用矩形法來計算積分，用后向差分來代替微分，即這樣式(21)可以寫成 (Uo=0)式(2-2)中的輸出量為全量輸出。它對應(yīng)于被控制對象的執(zhí)行機構(gòu)每次采樣時應(yīng)達到的位置。因此，式(22)也是PID控制規(guī)律的離散化形式。稱為位置型PID控制算式。另有增量型PID控制算式。在增量型中，輸出是執(zhí)行機構(gòu)的增量u。，即三、項目（課題）主要技術(shù)經(jīng)濟指標、社會效益：（一）技術(shù)指標：1、階段目標（階段目標按年月寫）1、2012年12月，完成相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的調(diào)研。2、2013年2月，根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)需要，完成基于PLC控制的玻璃生產(chǎn)流水線的整體設(shè)計。3、2013年3月，完成系統(tǒng)的操作控制、數(shù)據(jù)采集和動作過程監(jiān)視。4、2013年4月，完成數(shù)據(jù)分析（實時曲線圖與歷史曲線圖的對比分析），并做項目最后的總結(jié)。2、最終目標： 使整個系統(tǒng)始終工作在正常高效的狀態(tài)。最終提高該廠的生產(chǎn)效率，減少勞動強度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。（二）經(jīng)濟指標：1、實驗溫度范圍： 20-1510102、溫度控制精度： 1 C （穩(wěn)態(tài)時）3、位移測量范圍： 0-2.5 mm4、玻璃平衡厚度： 7mm5、拉引速度：110米/小時左右6、位移分辨率： 0.1m7、電 源： AC220V最大輸入功率： 3Kw（三）社會效益： 該項目具有較明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。將受到廣大生產(chǎn)廠家的歡迎，為企業(yè)的生產(chǎn)提供更高的效益，減少勞動強度，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，使之滿足更大的市場需求。3四、項目（課題）計劃進度（按年月詳細填寫）