煙草企業(yè)煙葉儲藏房空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計研究
發(fā)布時間：2014-08-20 10:15
第1章 緒論
1.1 研究背景及意義
煙葉是卷煙工業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)，優(yōu)質(zhì)安全的煙草原料是滿足卷煙工業(yè)需求、促進(jìn)煙草行業(yè)發(fā)展的前提。隨著社會生活水平的提高，對卷煙質(zhì)量檔次的要求也不斷提高，為了保證卷煙質(zhì)量的穩(wěn)定性，必須做好煙葉原料數(shù)量和質(zhì)量的保障工作。貯存是煙草加工過程中提高品質(zhì)的一個重要環(huán)節(jié)，是卷煙生產(chǎn)工藝流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。貯葉工序的主要目是一方面通過對煙葉原料混配的存儲，使添加在煙草中的水分、料液、香料以及其他物料相互混配均勻且被煙片充分吸收；另一方面也起到調(diào)節(jié)和平衡制絲生產(chǎn)能力及生產(chǎn)時間的作用。煙葉在貯存過程中，需要為其貯存環(huán)境提供適宜的溫濕度條件，并且為了提高葉料混配的質(zhì)量還應(yīng)適當(dāng)延長貯葉時間。經(jīng)過貯存過程的煙葉品質(zhì)明顯改善、煙香增加、刺激性降低，其內(nèi)在化學(xué)成分趨于協(xié)調(diào)，感官質(zhì)量得到提高，能夠滿足卷煙配方的需求。近幾年，對煙草的需求越來越多，促使煙草行業(yè)發(fā)展的速度逐漸加快，對煙葉貯存的規(guī)模和數(shù)量的要求也越來越大，實現(xiàn)煙葉的安全存儲就成為亟待解決的問題。如果沒有較好的煙葉貯存養(yǎng)護(hù)技術(shù)，沒有對煙葉貯存進(jìn)行科學(xué)的管理，就會在煙葉貯存過程中造成較高的損耗率，并且難以保證煙葉的質(zhì)量。
1.2 煙葉貯房控制技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀
機(jī)理分析法指的是人們根據(jù)被控對象的特征，確定系統(tǒng)內(nèi)部的機(jī)理類型，準(zhǔn)確表達(dá)出變量的因果關(guān)系，再對一些不確定因素進(jìn)行簡化，選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法得到描述被控對象特征的數(shù)學(xué)模型。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模法是新型建模方法中應(yīng)用比較多的建模方法，它根據(jù)被控對象的輸入、輸出關(guān)系，不間斷的調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的閾值和權(quán)值，來推導(dǎo)從輸入到輸出的映射關(guān)系，進(jìn)行模型建立時不需要具體的函數(shù)表達(dá)式，也不需要對方程進(jìn)行求解，就能推導(dǎo)出輸入輸出變量的函數(shù)表達(dá)式。
……………
第2章 貯葉房空調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 貯葉房空調(diào)系統(tǒng)
貯葉房空調(diào)系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、空氣處理設(shè)備、風(fēng)閥及風(fēng)道、新風(fēng)口和排風(fēng)口構(gòu)成。由于外界空氣中含有灰塵顆粒，最初室外新風(fēng)必須經(jīng)過過濾裝置的初次過濾，新風(fēng)經(jīng)過風(fēng)閥進(jìn)入組合式空調(diào)機(jī)組，再與貯葉房內(nèi)的回風(fēng)進(jìn)行充分混合，經(jīng)過混合后的空氣再通過初效過濾、中效過濾、高效過濾以及加濕、冷熱交換后，滿足生產(chǎn)要求的空氣則由送風(fēng)機(jī)沿通風(fēng)管道送至貯葉房。而改變空氣溫濕度的方法是在空氣調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中利用空氣—水換熱的方式進(jìn)行的[15-17]。
2.2 貯葉房空調(diào)控制系統(tǒng)的硬件選型
為了能夠滿足復(fù)雜多變的應(yīng)用場合，本文設(shè)計中選用的是通用性好的模塊化通用型 PLC—S7-300 系列，其能夠在一個系統(tǒng)中擴(kuò)展 32 個不同的應(yīng)用模塊。在 SIMATIC 控制器銷售中 S7-300 是銷量最多的產(chǎn)品，并且被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的自動化方向。S7-300 的主要組成部分有導(dǎo)軌（RACK）、電源模塊（PS）、中央處理單元模塊（CPU）、信號模塊（SM）和功能模塊（FM）等。用戶可以根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的具體情況選擇適合的模塊，由于導(dǎo)軌上的槽位沒有限制，SM 模塊和 FM 模塊可以隨意插放，系統(tǒng)自行組態(tài)，維護(hù)也非常方便[22]。
貯葉房空調(diào) PLC 控制系統(tǒng)的組成，如表 2-5 所示。PLC 通過溫濕度傳感器采集現(xiàn)場空氣參數(shù)；通過 RS-485 串口通訊與 MP377(HMI)連接，實現(xiàn)系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)控功能。可見，整個空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析以及控制等功能僅由一臺西門子 S7-300PLC 即可完成。S7-300 系列 PLC 采用模塊化設(shè)計，為滿足控制任務(wù)增加的要求，可以對各個模塊進(jìn)行擴(kuò)展和組合。它的核心是 CPU模塊，通過總線擴(kuò)展輸入/輸出模塊、通信模塊等其他模塊組成系統(tǒng)[23,24]。
……………
第 3 章 貯葉房煙葉溫度場建模.............................19
3.1 溫度場理論............................. 19
3.1.1 溫度場的基本概念....................... 19
3.1.2 煙葉溫度場的控制方程和邊界條件.................. 20
3.2 溫度場的有限差分?jǐn)?shù)值計算................. 21
第 4 章 貯葉房空調(diào)系統(tǒng)仿真模型..................29
4.1 貯葉房空調(diào)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型.................... 29
4.2 貯葉房空調(diào)控制系統(tǒng)的仿真模型......................... 35
第 5 章 貯葉房空調(diào)控制系統(tǒng)控制器設(shè)計..................41
5.1 模糊控制器的組成........................ 41
5.2 模糊 PID 控制器設(shè)計 ........................ 42
第5章 貯葉房空調(diào)控制系統(tǒng)控制器設(shè)計
5.1 模糊控制器的組成
模糊控制的關(guān)鍵部分就是模糊控制器。設(shè)計模糊控制器時，要用到模糊集合、模糊關(guān)系以及模糊推理等，就是要把人的經(jīng)驗知識，人腦的推理方法轉(zhuǎn)變成計算機(jī)能識別的模型，讓計算機(jī)模仿人的思考來對系統(tǒng)進(jìn)行控制。模糊控制器不需要知道被控對象的數(shù)學(xué)模型。模糊控制是根據(jù)人的經(jīng)驗知識進(jìn)行模仿，實際上它是非線性控制的一部分。所以模糊控制對于非線性的、不確定模型的系統(tǒng)有很好的控制效果。如果一個系統(tǒng)無法針對被控對象建立比較準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，那么控制效果就會不夠理想。模糊控制在很多無法應(yīng)用傳統(tǒng)控制理念的系統(tǒng)中顯得尤為重要，其系統(tǒng)組成如圖 5-1 所示[38-40]。
5.2 模糊 PID 控制器設(shè)計
通過第一章 1.2.2 小節(jié)的介紹，我們知道 PID 控制對系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性有很好的控制效果。再將模糊理論應(yīng)用其中后對調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量都會有較大程度的改進(jìn)，兩者互相配合能根據(jù)系統(tǒng)的變化自動調(diào)節(jié) PID 的參數(shù)，使這兩個控制方法的優(yōu)點都能很好的體現(xiàn)，兩者結(jié)合形成的模糊 PID 控制器就能很好的實現(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)的控制。綜上分析，為了使貯葉房空調(diào)控制系統(tǒng)能夠發(fā)揮其應(yīng)有作用，在本文中對模糊 PID 控制器進(jìn)行設(shè)計[41-43]。
…………
結(jié)論
本文以實際工程項目為背景，完成了煙草貯葉房空調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)建模等工作，并基于堆積體熱傳導(dǎo)理論重點研究了在有機(jī)質(zhì)堆積自發(fā)熱情況下的熱耗散模型問題，設(shè)計了實用的溫濕度控制器。本文的研究內(nèi)容及結(jié)論不僅對煙草行業(yè)葉房、絲房的結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計具有實用價值，而且對相關(guān)的糧食、煤炭、食料倉儲等行業(yè)具有借鑒指導(dǎo)意義。論文的主要工作及結(jié)論如下：
1. 根據(jù)貯房空調(diào)系統(tǒng)的控制要求，結(jié)合系統(tǒng)信號數(shù)量的實際情況，在充分考慮系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上兼顧經(jīng)濟(jì)性、實用性，完成了基于 PLC 的貯葉房空調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案， 進(jìn)行了 PLC 系統(tǒng)硬件模塊的選型配置，優(yōu)化設(shè)計了電氣拖動系統(tǒng)，完成了整個控制系統(tǒng)的硬件配置，該設(shè)計能很好的實現(xiàn)對貯葉房溫濕度的監(jiān)測及控制。
本文編號：8421
1.1 研究背景及意義
煙葉是卷煙工業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)，優(yōu)質(zhì)安全的煙草原料是滿足卷煙工業(yè)需求、促進(jìn)煙草行業(yè)發(fā)展的前提。隨著社會生活水平的提高，對卷煙質(zhì)量檔次的要求也不斷提高，為了保證卷煙質(zhì)量的穩(wěn)定性，必須做好煙葉原料數(shù)量和質(zhì)量的保障工作。貯存是煙草加工過程中提高品質(zhì)的一個重要環(huán)節(jié)，是卷煙生產(chǎn)工藝流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。貯葉工序的主要目是一方面通過對煙葉原料混配的存儲，使添加在煙草中的水分、料液、香料以及其他物料相互混配均勻且被煙片充分吸收；另一方面也起到調(diào)節(jié)和平衡制絲生產(chǎn)能力及生產(chǎn)時間的作用。煙葉在貯存過程中，需要為其貯存環(huán)境提供適宜的溫濕度條件，并且為了提高葉料混配的質(zhì)量還應(yīng)適當(dāng)延長貯葉時間。經(jīng)過貯存過程的煙葉品質(zhì)明顯改善、煙香增加、刺激性降低，其內(nèi)在化學(xué)成分趨于協(xié)調(diào)，感官質(zhì)量得到提高，能夠滿足卷煙配方的需求。近幾年，對煙草的需求越來越多，促使煙草行業(yè)發(fā)展的速度逐漸加快，對煙葉貯存的規(guī)模和數(shù)量的要求也越來越大，實現(xiàn)煙葉的安全存儲就成為亟待解決的問題。如果沒有較好的煙葉貯存養(yǎng)護(hù)技術(shù)，沒有對煙葉貯存進(jìn)行科學(xué)的管理，就會在煙葉貯存過程中造成較高的損耗率，并且難以保證煙葉的質(zhì)量。
1.2 煙葉貯房控制技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀
機(jī)理分析法指的是人們根據(jù)被控對象的特征，確定系統(tǒng)內(nèi)部的機(jī)理類型，準(zhǔn)確表達(dá)出變量的因果關(guān)系，再對一些不確定因素進(jìn)行簡化，選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法得到描述被控對象特征的數(shù)學(xué)模型。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模法是新型建模方法中應(yīng)用比較多的建模方法，它根據(jù)被控對象的輸入、輸出關(guān)系，不間斷的調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的閾值和權(quán)值，來推導(dǎo)從輸入到輸出的映射關(guān)系，進(jìn)行模型建立時不需要具體的函數(shù)表達(dá)式，也不需要對方程進(jìn)行求解，就能推導(dǎo)出輸入輸出變量的函數(shù)表達(dá)式。
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第2章 貯葉房空調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 貯葉房空調(diào)系統(tǒng)
貯葉房空調(diào)系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、空氣處理設(shè)備、風(fēng)閥及風(fēng)道、新風(fēng)口和排風(fēng)口構(gòu)成。由于外界空氣中含有灰塵顆粒，最初室外新風(fēng)必須經(jīng)過過濾裝置的初次過濾，新風(fēng)經(jīng)過風(fēng)閥進(jìn)入組合式空調(diào)機(jī)組，再與貯葉房內(nèi)的回風(fēng)進(jìn)行充分混合，經(jīng)過混合后的空氣再通過初效過濾、中效過濾、高效過濾以及加濕、冷熱交換后，滿足生產(chǎn)要求的空氣則由送風(fēng)機(jī)沿通風(fēng)管道送至貯葉房。而改變空氣溫濕度的方法是在空氣調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中利用空氣—水換熱的方式進(jìn)行的[15-17]。
2.2 貯葉房空調(diào)控制系統(tǒng)的硬件選型
為了能夠滿足復(fù)雜多變的應(yīng)用場合，本文設(shè)計中選用的是通用性好的模塊化通用型 PLC—S7-300 系列，其能夠在一個系統(tǒng)中擴(kuò)展 32 個不同的應(yīng)用模塊。在 SIMATIC 控制器銷售中 S7-300 是銷量最多的產(chǎn)品，并且被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的自動化方向。S7-300 的主要組成部分有導(dǎo)軌（RACK）、電源模塊（PS）、中央處理單元模塊（CPU）、信號模塊（SM）和功能模塊（FM）等。用戶可以根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的具體情況選擇適合的模塊，由于導(dǎo)軌上的槽位沒有限制，SM 模塊和 FM 模塊可以隨意插放，系統(tǒng)自行組態(tài)，維護(hù)也非常方便[22]。
貯葉房空調(diào) PLC 控制系統(tǒng)的組成，如表 2-5 所示。PLC 通過溫濕度傳感器采集現(xiàn)場空氣參數(shù)；通過 RS-485 串口通訊與 MP377(HMI)連接，實現(xiàn)系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)控功能。可見，整個空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析以及控制等功能僅由一臺西門子 S7-300PLC 即可完成。S7-300 系列 PLC 采用模塊化設(shè)計，為滿足控制任務(wù)增加的要求，可以對各個模塊進(jìn)行擴(kuò)展和組合。它的核心是 CPU模塊，通過總線擴(kuò)展輸入/輸出模塊、通信模塊等其他模塊組成系統(tǒng)[23,24]。
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第 3 章 貯葉房煙葉溫度場建模.............................19
3.1 溫度場理論............................. 19
3.1.1 溫度場的基本概念....................... 19
3.1.2 煙葉溫度場的控制方程和邊界條件.................. 20
3.2 溫度場的有限差分?jǐn)?shù)值計算................. 21
第 4 章 貯葉房空調(diào)系統(tǒng)仿真模型..................29
4.1 貯葉房空調(diào)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型.................... 29
4.2 貯葉房空調(diào)控制系統(tǒng)的仿真模型......................... 35
第 5 章 貯葉房空調(diào)控制系統(tǒng)控制器設(shè)計..................41
5.1 模糊控制器的組成........................ 41
5.2 模糊 PID 控制器設(shè)計 ........................ 42
第5章 貯葉房空調(diào)控制系統(tǒng)控制器設(shè)計
5.1 模糊控制器的組成
模糊控制的關(guān)鍵部分就是模糊控制器。設(shè)計模糊控制器時，要用到模糊集合、模糊關(guān)系以及模糊推理等，就是要把人的經(jīng)驗知識，人腦的推理方法轉(zhuǎn)變成計算機(jī)能識別的模型，讓計算機(jī)模仿人的思考來對系統(tǒng)進(jìn)行控制。模糊控制器不需要知道被控對象的數(shù)學(xué)模型。模糊控制是根據(jù)人的經(jīng)驗知識進(jìn)行模仿，實際上它是非線性控制的一部分。所以模糊控制對于非線性的、不確定模型的系統(tǒng)有很好的控制效果。如果一個系統(tǒng)無法針對被控對象建立比較準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，那么控制效果就會不夠理想。模糊控制在很多無法應(yīng)用傳統(tǒng)控制理念的系統(tǒng)中顯得尤為重要，其系統(tǒng)組成如圖 5-1 所示[38-40]。
5.2 模糊 PID 控制器設(shè)計
通過第一章 1.2.2 小節(jié)的介紹，我們知道 PID 控制對系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性有很好的控制效果。再將模糊理論應(yīng)用其中后對調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量都會有較大程度的改進(jìn)，兩者互相配合能根據(jù)系統(tǒng)的變化自動調(diào)節(jié) PID 的參數(shù)，使這兩個控制方法的優(yōu)點都能很好的體現(xiàn)，兩者結(jié)合形成的模糊 PID 控制器就能很好的實現(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)的控制。綜上分析，為了使貯葉房空調(diào)控制系統(tǒng)能夠發(fā)揮其應(yīng)有作用，在本文中對模糊 PID 控制器進(jìn)行設(shè)計[41-43]。
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結(jié)論
本文以實際工程項目為背景，完成了煙草貯葉房空調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)建模等工作，并基于堆積體熱傳導(dǎo)理論重點研究了在有機(jī)質(zhì)堆積自發(fā)熱情況下的熱耗散模型問題，設(shè)計了實用的溫濕度控制器。本文的研究內(nèi)容及結(jié)論不僅對煙草行業(yè)葉房、絲房的結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計具有實用價值，而且對相關(guān)的糧食、煤炭、食料倉儲等行業(yè)具有借鑒指導(dǎo)意義。論文的主要工作及結(jié)論如下：
1. 根據(jù)貯房空調(diào)系統(tǒng)的控制要求，結(jié)合系統(tǒng)信號數(shù)量的實際情況，在充分考慮系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上兼顧經(jīng)濟(jì)性、實用性，完成了基于 PLC 的貯葉房空調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案， 進(jìn)行了 PLC 系統(tǒng)硬件模塊的選型配置，優(yōu)化設(shè)計了電氣拖動系統(tǒng)，完成了整個控制系統(tǒng)的硬件配置，該設(shè)計能很好的實現(xiàn)對貯葉房溫濕度的監(jiān)測及控制。
2. 在煙葉傳熱特點的基礎(chǔ)上，通過對溫度場數(shù)值模擬方法的比較分析，選用有限差分法進(jìn)行煙葉溫度場的數(shù)值模擬計算，通過模擬曲線與實測曲線的對比可以看出，該方法能快速準(zhǔn)確的計算出溫度場的分布情況。針對貯葉房空調(diào)系統(tǒng)整體不能直接建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型的特點，采用能量守恒定理和質(zhì)量守恒定理建立空調(diào)系統(tǒng)各部分的數(shù)學(xué)模型，并分別建立其仿真模型，再將各部分仿真模型按輸入輸出關(guān)系連接構(gòu)成整個貯葉房空調(diào)系統(tǒng)的仿真模型。
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參考文獻(xiàn)（略）
本文編號：8421
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