注浆成型车间微环境自动控制系统设计

朱文（矽比科嘉窑新会矿业有限公司，江门　529149）



注浆成型车间微环境自动控制系统设计

朱文
（矽比科嘉窑新会矿业有限公司，江门529149）

注浆成型车间微气候环境自动控制系统的设计，实现了自动化控制，优化了车间微气候环境，获得了最佳工艺条件，达到了最大的社会和经济效益。本文主要研究了车间微气候环境自动控制系统的总体方案，重点分析了硬件设备的选型以及控制策略等。该系统由PLC可编程控制器、PID控制器、温湿度传感器、功能模块和工控机等构成，具有较高的可靠性和自动化控制水平。随着卫生陶瓷注浆成型工艺技术的发展、人力资源日益紧张及能源短缺等问题的出现，该系统的工业应用前景将会越来越好。

注浆成型车间；微环境；温度；湿度；控制算法；PLC；PID

1　引言

在成型车间这个微气候环境中，湿度是一个比较难控制的环节，而温度与湿度之间有一定的耦合关系，对一个因子的控制常会带来另一个因子的变化。而且温度对湿度所施加的作用是经过一定时间的延迟后才有响应。此外，进入成型车间的新鲜空气都是来自室外自然风，进风温湿度受天气情况影响，不容易控制。因此，对成型车间的温湿度控制不能使用常规的温湿度仪器和仪表，而凭经验进行调控往往作用滞后、能源浪费较多，难以适应现代生产工艺控制的要求。

本文主要通过利用现代自动控制理论和技术装置，设计采用OMRON CP1E PLC为控制中心，结合智能温湿度传感器和工控机等组成在线实时温湿度监控系统，实现对成型车间温湿度的自动化控制，提高了工艺控制管理水平，降低总体能耗，并改善作业环境。

2　成型车间温湿度控制系统的设计

控制系统由温湿度监测分布系统、窑炉余热送风系统、燃气加热炉系统、排湿抽风系统、雾化增湿系统等多个子系统组成，各子系统分别控制各自的执行机构和功能部件，结构如图1所示。

图1　温湿度控制系统结构图

根据工艺所需要的环境模型，为避免控制方案过于复杂化，选择最重要的环境因子空气温度及空气湿度作为基本的监测和控制对象，系统主要由工控机、PLC、数据采集单元、智能传感器和子系统执行机构等4大部分组成。传感器对室内温度、湿度等参数进行实时监测，经智能仪表转换后送入PLC映像区完成数据采集，PLC中CPU模块为核心控制器。工控机安装使用组态软件监控系统，通过串口进行通信来控制执行部件，实现了过程的自动化控制。其主要的工作原理如图2所示。

图2　温湿度控制系统主要工作原理

3　控制系统的硬件选型与设计

3.1温湿度传感器的选型

AM2301传感器为数字输出型，单总线输出温湿度信号，一条线即可输出温度和湿度信号，能把温湿度物理量通过温湿度敏感元件和相应电路转换成计算机、PLC、智能仪表等数据采集设备读取的数字量。其测量范围为-40～+80℃，测温分辨率达到0.5℃，测湿度范围为0～100%RH，测试分辨率3%RH，传输距离可达到200 m以上，适合在高温、高湿度环境下使用，稳定性好，性价比高，测量精度高。

3.2PLC的选型

经过比较，选择 OMRON PLC 40个点 CP1EN40DR-A产品，数字量输入24点，输出16点；使用扩展单元，最多可控制320点；备有I/O单元、模拟单元、温度输入单元；使用简易Modbus-RTU功能，轻松与变频器进行串行通信连接；带自动调谐功能的PID指令；备有RS-232C、RS-485、Ethernet共3个端口；支持梯形图程序、功能块、ST语言；可用市售电缆连接USB或Ethernet通信端口。总体上，该系列型号PLC功能齐全，性价比高，使用简便，而且符合亚洲人的编程习惯。

以前我们着重探究网络通信区域的探究，但是随着社会的发展，互联网开设了两个新多媒体大数据在如今的电子信息时代，物联网成为了标志词。物联网作为以互联网为背景的网络信息的交融不断扩大，将来会与电子通信，计算，互联网技术一并作为时代发展不可小觑的技术改革。对网络的成长研究也是将来电子信息科技专业的重大课题。

3.3上位机的选型

选用内存512M以上的计算机，安装操作系统选Win2000/XP即可符合现场使用要求。

3.4通讯单元的选型

通过电缆通信PC/PPI电缆（RS485）连接PLC及工控上位机，形成系统化控制网络。

3.5执行机构的设计

窑炉余热系统由变频器系统控制电机转速及碟阀开度；雾化增湿系统则采用高频高压泵雾化器系统，实现喷淋增湿，达到调节控制室内湿度目的；通风降温及排湿抽风系统的设计包括变频通风机的选型和控制电路的选择；燃气加热系统则作热源补充进行设计，选用高负荷比节能燃烧器。

4　成型车间温湿度控制系统工作流程

由于注浆成型工艺控制要求的差异，对控制系统应采用不同的设计方式，即夏季、冬季、春秋季以及夜晚等工作模式，并可根据天气条件人工选择，以确保系统的稳定性、可靠性和灵活性。在不同的季节条件下，外界的温湿度差别非常大，比如炎热的夏季，外界温度和湿度都比较高，此时车间需要降温和除湿；而在寒冷的冬季温度低、气候干燥，车间湿度小，则需要加热升温和增湿；但在天气复杂多变的春秋季节，在一天之内，要经历加热、降温、除湿、增湿等同步过程，才能保证成型车间的温湿度的稳定性和满足注浆工艺控制要求。为此提出如下控制流程，如图3所示。

5　控制算法流程框图及简介

PID控制是自动控制中产生最早、应用最广的一种控制方法。成型车间温湿度控制系统具有强时变、非线性、大时滞的特点，实际设计时很难对其建立精确的模型，且自适应性差。一般情况下，温湿度控制器是将温度和湿度分开控制，但是在成型车间中两者是相互影响的，属于强耦合度变量，如温度太高意味着湿度的降低，而湿度的升高又意味着温度不会太高。常规PID控制器控制精度高，控制品质良好，但主要是针对具有确切模型的线性过程及对象参数变化速度较慢的系统，其PID参数一经确定后便无法随着对象的变化而调整。如果直接应用于本系统，较难获得理想的结果。参考数字PID控制、模糊控制等先进PID控制理论及有关文献资料，我们选用组合PID控制算法，即把积分分离PID控制算法和模糊自适应整定PID控制引入到温湿度控制中去。在误差大的时候采取积分分离PID控制，在误差小的时候采用模糊自整定PID控制，在两种算法切换的时候，尽量使PID参数能够模糊保持相近，达到平稳过渡。该组合控制算法结构不复杂，计算量中等，具有较好的自适应性，并取得了较好的控制效果。

图3　温湿度控制系统工作流程

积分PID控制算法的实现步骤如下：

（1）根据实际情况，人为设定阀值ε＞0；

（2）当|error（k）|＞ε，采用PD控制，可避免产生过大的超调，有使系统有较快的响应；

（3）当|error（k）|≤ε，采用PID控制，以保证系统的控制精度；

积分分离控制算法可表示为：

式中，T为采样时间，项为积分项的开关系数。

由于本文篇幅所限，关于模糊解耦与控制算法在此不再展开赘述。

6　结语

本系统通过将传感器采集的信号送入可编程控制器，利用分离PID算法进行实时控制，并以现场实际需求为出发点，吸取相关先进控制系统的优点，设计出具有成本低廉、响应快速、工作稳定可靠、操作便捷等特点的微气候环境控制系统。实践表明，该系统工作稳定、操作简便、控制精度高，满足了成型车间对温湿度工艺控制的要求，保证了车间生产产品的质量，同时还有助于降低能源消耗，改善工人作业环境，具有在陶瓷卫生洁具行业推广应用的价值和市场发展前景。

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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