煙草企業(yè)煙葉儲藏房空調控制系統(tǒng)設計研究
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)的物質基礎，優(yōu)質安全的煙草原料是滿足卷煙工業(yè)需求、促進煙草行業(yè)發(fā)展的前提。隨著社會生活水平的提高，對卷煙質量檔次的要求也不斷提高，為了保證卷煙質量的穩(wěn)定性，必須做好煙葉原料數量和質量的保障工作。貯存是煙草加工過程中提高品質的一個重要環(huán)節(jié)，是卷煙生產工藝流程中的關鍵環(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；另一方面也起到調節(jié)和平衡制絲生產能力及生產時間的作用。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量還應適當延長貯葉時間。經過貯存過程的煙葉品質明顯改善、煙香增加、刺激性降低，其內在化學成分趨于協調，感官質量得到提高，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)模和數量的要求也越來越大，實現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)護技術，沒有對煙葉貯存進行科學的管理，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量。
1.2 煙葉貯房控制技術的應用現狀
機理分析法指的是人們根據被控對象的特征，確定系統(tǒng)內部的機理類型，準確表達出變量的因果關系，再對一些不確定因素進行簡化，選擇恰當的數學方法得到描述被控對象特征的數學模型。人工神經網絡建模法是新型建模方法中應用比較多的建模方法，它根據被控對象的輸入、輸出關系，不間斷的調整網絡的閾值和權值，來推導從輸入到輸出的映射關系，進行模型建立時不需要具體的函數表達式，也不需要對方程進行求解，就能推導出輸入輸出變量的函數表達式。
……………
第2章 貯葉房空調控制系統(tǒng)結構設計
2.1 貯葉房空調系統(tǒng)
貯葉房空調系統(tǒng)主要由風機、空氣處理設備、風閥及風道、新風口和排風口構成。由于外界空氣中含有灰塵顆粒，最初室外新風必須經過過濾裝置的初次過濾，新風經過風閥進入組合式空調機組，再與貯葉房內的回風進行充分混合，經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，滿足生產要求的空氣則由送風機沿通風管道送至貯葉房。而改變空氣溫濕度的方法是在空氣調節(jié)機構中利用空氣—水換熱的方式進行的[15-17]。
2.2 貯葉房空調控制系統(tǒng)的硬件選型
為了能夠滿足復雜多變的應用場合，本文設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)中擴展 32 個不同的應用模塊。在 SIMATIC 控制器銷售中 S7-300 是銷量最多的產品，并且被廣泛應用于各個領域的自動化方向。S7-300 的主要組成部分有導軌（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。用戶可以根據應用系統(tǒng)的具體情況選擇適合的模塊，由于導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)，維護也非常方便[22]。
貯葉房空調 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場空氣參數；通過 RS-485 串口通訊與 MP377(HMI)連接，實現系統(tǒng)的現場監(jiān)控功能�？梢�，整個空調系統(tǒng)的數據采集、數據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 采用模塊化設計，為滿足控制任務增加的要求，可以對各個模塊進行擴展和組合。它的核心是 CPU模塊，通過總線擴展輸入/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 溫度場的有限差分數值計算................. 21
第 4 章 貯葉房空調系統(tǒng)仿真模型..................29
4.1 貯葉房空調控制系統(tǒng)的數學模型.................... 29
4.2 貯葉房空調控制系統(tǒng)的仿真模型......................... 35
第 5 章 貯葉房空調控制系統(tǒng)控制器設計..................41
5.1 模糊控制器的組成........................ 41
5.2 模糊 PID 控制器設計 ........................ 42
第5章 貯葉房空調控制系統(tǒng)控制器設計
5.1 模糊控制器的組成
模糊控制的關鍵部分就是模糊控制器。設計模糊控制器時，要用到模糊集合、模糊關系以及模糊推理等，就是要把人的經驗知識，人腦的推理方法轉變成計算機能識別的模型，讓計算機模仿人的思考來對系統(tǒng)進行控制。模糊控制器不需要知道被控對象的數學模型。模糊控制是根據人的經驗知識進行模仿，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確的數學模型，那么控制效果就會不夠理想。模糊控制在很多無法應用傳統(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。再將模糊理論應用其中后對調節(jié)時間和超調量都會有較大程度的改進，兩者互相配合能根據系統(tǒng)的變化自動調節(jié) PID 的參數，使這兩個控制方法的優(yōu)點都能很好的體現，兩者結合形成的模糊 PID 控制器就能很好的實現對復雜系統(tǒng)的控制。綜上分析，為了使貯葉房空調控制系統(tǒng)能夠發(fā)揮其應有作用，在本文中對模糊 PID 控制器進行設計[41-43]。
…………
結論
本文以實際工程項目為背景，完成了煙草貯葉房空調控制系統(tǒng)的結構設計、控制系統(tǒng)建模等工作，并基于堆積體熱傳導理論重點研究了在有機質堆積自發(fā)熱情況下的熱耗散模型問題，設計了實用的溫濕度控制器。本文的研究內容及結論不僅對煙草行業(yè)葉房、絲房的結構設計、控制系統(tǒng)設計具有實用價值，而且對相關的糧食、煤炭、食料倉儲等行業(yè)具有借鑒指導意義。論文的主要工作及結論如下：
1. 根據貯房空調系統(tǒng)的控制要求，結合系統(tǒng)信號數量的實際情況，在充分考慮系統(tǒng)可靠性的基礎上兼顧經濟性、實用性，完成了基于 PLC 的貯葉房空調控制系統(tǒng)的結構設計方案， 進行了 PLC 系統(tǒng)硬件模塊的選型配置，優(yōu)化設計了電氣拖動系統(tǒng)，完成了整個控制系統(tǒng)的硬件配置，該設計能很好的實現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)的物質基礎，優(yōu)質安全的煙草原料是滿足卷煙工業(yè)需求、促進煙草行業(yè)發(fā)展的前提。隨著社會生活水平的提高，對卷煙質量檔次的要求也不斷提高，為了保證卷煙質量的穩(wěn)定性，必須做好煙葉原料數量和質量的保障工作。貯存是煙草加工過程中提高品質的一個重要環(huán)節(jié)，是卷煙生產工藝流程中的關鍵環(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；另一方面也起到調節(jié)和平衡制絲生產能力及生產時間的作用。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量還應適當延長貯葉時間。經過貯存過程的煙葉品質明顯改善、煙香增加、刺激性降低，其內在化學成分趨于協調，感官質量得到提高，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)模和數量的要求也越來越大，實現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)護技術，沒有對煙葉貯存進行科學的管理，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量。
1.2 煙葉貯房控制技術的應用現狀
機理分析法指的是人們根據被控對象的特征，確定系統(tǒng)內部的機理類型，準確表達出變量的因果關系，再對一些不確定因素進行簡化，選擇恰當的數學方法得到描述被控對象特征的數學模型。人工神經網絡建模法是新型建模方法中應用比較多的建模方法，它根據被控對象的輸入、輸出關系，不間斷的調整網絡的閾值和權值，來推導從輸入到輸出的映射關系，進行模型建立時不需要具體的函數表達式，也不需要對方程進行求解，就能推導出輸入輸出變量的函數表達式。
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第2章 貯葉房空調控制系統(tǒng)結構設計
2.1 貯葉房空調系統(tǒng)
貯葉房空調系統(tǒng)主要由風機、空氣處理設備、風閥及風道、新風口和排風口構成。由于外界空氣中含有灰塵顆粒，最初室外新風必須經過過濾裝置的初次過濾，新風經過風閥進入組合式空調機組，再與貯葉房內的回風進行充分混合，經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，滿足生產要求的空氣則由送風機沿通風管道送至貯葉房。而改變空氣溫濕度的方法是在空氣調節(jié)機構中利用空氣—水換熱的方式進行的[15-17]。
2.2 貯葉房空調控制系統(tǒng)的硬件選型
為了能夠滿足復雜多變的應用場合，本文設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)中擴展 32 個不同的應用模塊。在 SIMATIC 控制器銷售中 S7-300 是銷量最多的產品，并且被廣泛應用于各個領域的自動化方向。S7-300 的主要組成部分有導軌（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。用戶可以根據應用系統(tǒng)的具體情況選擇適合的模塊，由于導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)，維護也非常方便[22]。
貯葉房空調 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場空氣參數；通過 RS-485 串口通訊與 MP377(HMI)連接，實現系統(tǒng)的現場監(jiān)控功能�？梢�，整個空調系統(tǒng)的數據采集、數據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 采用模塊化設計，為滿足控制任務增加的要求，可以對各個模塊進行擴展和組合。它的核心是 CPU模塊，通過總線擴展輸入/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 溫度場的有限差分數值計算................. 21
第 4 章 貯葉房空調系統(tǒng)仿真模型..................29
4.1 貯葉房空調控制系統(tǒng)的數學模型.................... 29
4.2 貯葉房空調控制系統(tǒng)的仿真模型......................... 35
第 5 章 貯葉房空調控制系統(tǒng)控制器設計..................41
5.1 模糊控制器的組成........................ 41
5.2 模糊 PID 控制器設計 ........................ 42
第5章 貯葉房空調控制系統(tǒng)控制器設計
5.1 模糊控制器的組成
模糊控制的關鍵部分就是模糊控制器。設計模糊控制器時，要用到模糊集合、模糊關系以及模糊推理等，就是要把人的經驗知識，人腦的推理方法轉變成計算機能識別的模型，讓計算機模仿人的思考來對系統(tǒng)進行控制。模糊控制器不需要知道被控對象的數學模型。模糊控制是根據人的經驗知識進行模仿，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確的數學模型，那么控制效果就會不夠理想。模糊控制在很多無法應用傳統(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。再將模糊理論應用其中后對調節(jié)時間和超調量都會有較大程度的改進，兩者互相配合能根據系統(tǒng)的變化自動調節(jié) PID 的參數，使這兩個控制方法的優(yōu)點都能很好的體現，兩者結合形成的模糊 PID 控制器就能很好的實現對復雜系統(tǒng)的控制。綜上分析，為了使貯葉房空調控制系統(tǒng)能夠發(fā)揮其應有作用，在本文中對模糊 PID 控制器進行設計[41-43]。
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結論
本文以實際工程項目為背景，完成了煙草貯葉房空調控制系統(tǒng)的結構設計、控制系統(tǒng)建模等工作，并基于堆積體熱傳導理論重點研究了在有機質堆積自發(fā)熱情況下的熱耗散模型問題，設計了實用的溫濕度控制器。本文的研究內容及結論不僅對煙草行業(yè)葉房、絲房的結構設計、控制系統(tǒng)設計具有實用價值，而且對相關的糧食、煤炭、食料倉儲等行業(yè)具有借鑒指導意義。論文的主要工作及結論如下：
1. 根據貯房空調系統(tǒng)的控制要求，結合系統(tǒng)信號數量的實際情況，在充分考慮系統(tǒng)可靠性的基礎上兼顧經濟性、實用性，完成了基于 PLC 的貯葉房空調控制系統(tǒng)的結構設計方案， 進行了 PLC 系統(tǒng)硬件模塊的選型配置，優(yōu)化設計了電氣拖動系統(tǒng)，完成了整個控制系統(tǒng)的硬件配置，該設計能很好的實現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上，通過對溫度場數值模擬方法的比較分析，選用有限差分法進行煙葉溫度場的數值模擬計算，通過模擬曲線與實測曲線的對比可以看出，該方法能快速準確的計算出溫度場的分布情況。針對貯葉房空調系統(tǒng)整體不能直接建立準確的數學模型的特點，采用能量守恒定理和質量守恒定理建立空調系統(tǒng)各部分的數學模型，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系連接構成整個貯葉房空調系統(tǒng)的仿真模型。
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參考文獻（略）
本文編號：8421
本文鏈接：http://www.sikaile.net/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/8421.html
