橡胶硫化罐现场总线智能群控系统

工业控制

计算机测量与控制. 2005. 13(6) 　Computer Measurement &Control 　　 559

文章编号:1671-4598(2005) 06-0559-03　　　　　　中图分类号:TP273. 5　　　　　　文献标识码:B

橡胶硫化罐现场总线智能群控系统

徐　玲1, 徐保国2, 肖应旺1

(1. 江南大学通信与控制工程学院, 江苏无锡　214036; 2. 江南大学科技处, 江苏无锡　214036)

摘要:针对目前橡胶硫化罐群控系统规模大, 布线复杂, 控制精度低等问题, 设计了一套以现场总线技术为基础, 采用先进的免疫模糊PID 控制的橡胶硫化罐现场总线群控系统。该系统从根本上提高了硫化过程中温度和压力的控制精度, 极大的提高了产品的合格率。缩短了硫化周期, 平均每次缩短2～5min , 控制效率提高, 能耗降低。由于采用免疫模糊PID 控制, 控制性能优于常规的PID 控制, 为硫化控制精度的提高提供了一种新的尝试。

关键词:现场总线控制系统; PROFIBUS ; 组态王; 橡胶硫化; 免疫模糊PID 。

Ru bber Vulcanization Intelligent Multiprocessing

Control System Based on Fieldbus

Xu Ling , Xu Bao guo , Xiao Yingw ang

(1. Schoo l o f Co mmunicatio n a nd Co ntrol Eng ineering , Southernya ng ze Unive rsity , W ux i 　214036, China ;

2. Science Department , So uther ny ang ze Univ ersity , W uxi 　214036, China )

Abstract :As the existent vulcaniz ation jar mu ltiprocessing control sys tem is enorm ou s , the deployed wires are complex , and the con -trol precision is very low , a rubber vulcanization intell igen t multiprocessing con trol sys tem b ased on fieldbu s is designed , ad op ting ad vanced immune fuzzy PID control m ethod. In this sy stem , the con trol precision for temperature and pressu re is enh anced. The product eligib le coef -ficient is enhanced too. Th e vulcanization period is s hortened. The s hortened time is 2～5minutes every time. T he control efficien cy is en -h anced , and th e energy res ou rces are detracted. Becaus e of the immune fuzzy PID m ethod , the control capability is better than the traditional PID. This method p rovides a new experim ent for en han cing of vulcanization control precision.

Key words :FCS ; PROFIbus ; KINVIEW ; rubb er vulcanization ; immu ne fu zzy PID

0　引言

橡胶制品的硫化控制目前采用等效硫化控制方法, 其控制原理是:在硫化过程中, 将橡胶制品的内部温度连续的测量出

来, 并将其转换成随温度变化的电信号送入计算机, 计算机按照阿累尼乌斯方程式计算硫化速度, 然后累计出硫化程度。当硫化程度达到工艺要求数值时, 即发出硫化结束的信号, 完成硫化周期的控制。在橡胶硫化过程中, 温度和压力的控制对硫化程度有重要的影响, 如果控制不当将会产生大量的次品和废品。目前我国硫化方式不少采用硫化罐生产, 且系统的罐子数量很多, 所以, 要求群控。本文介绍一种基于P ROF IBUS 现场总线的橡胶硫化罐群控系统。

1. 1　系统结构及配置

基于PRO FIBU S 现场总线的橡胶硫化罐群控系统的总体结构如图1所示。上位机系统采用两套工业控制计算机I PC -610, 实现上位机系统的冗余控制。上位机可对PL C 进行编程和调试, 对P LC 现场采集到的数据信息进行集中监视、记录。上位机采用CP 5412通讯接口, 通过P ROF IBUS 连接器与P LC 通讯。采用西门子的S7-300系列P LC , 主站采用CPU 315-2DP , 其带有一个D P 通讯口和一个M PI 口。子站采用通用性较好的ET 200M 现场模块, 用于现场数据的采集和控制, ET 200M 具体配置如下:①接口模板IM :IM 153-3;②电源模板PS :PS307; ③32点数字输入模块DI :SM 321/32DI/24V DC ;④32点数字输出模块DO :SM 322/32DO/24VDC /0.5A ;⑤8点模拟量输入模块AI :8AI /4-20M A /T. C4AI /RT D ;⑥4通道闭环控制模块AO :F M 355P ID 控制器。每一个硫化罐配备一该模块, 并借助P ROF IBUS 工业现场总线, 建立橡胶硫化群控系统。

控制系统由两台操作员站(操作员站可兼做工程师站) 、一套冗余主控PL C 系统、一套冗余保护PL C 系统、冗余现场总线(P ROF IBUS ) 、网络通讯卡、打印机等组成。

操作员站由一套工业控制计算机组成, 操作员站可对厂区运行工况进行监视和控制, 操作员站可提供各回路的过程画面流程图、重要参数实时趋势图、操作界面及报警显示、事故追忆、故障诊断等功能, 为运行人员提供完善的监控手段。工程、生成与维护1　系统概述

硫化罐计算机群控系统由硫化罐、液压站、蒸汽管路、压力和温度检测系统及计算机控制系统5部分组成[1]。现场的设备均采用现场总线设备, 包括变送器、执行器、接口、电源等。现场总线设备可以直接通过总线实现通信, 使得控制功能得到彻底分散。系统分为手动和自动两种工作方式。

收稿日期:2004-08-30; 　修回日期:2004-9-24。

作者简介:徐玲(1976-) 女, 天津人, 硕士研究生, 主要从事现场总线技术、智能控制方面的研究。

徐保国(1950-), 江苏淮阴人, 教授, 博导, 主要从事现场总线技术与过程控制方面的研究。

　 560

全的KIN G VI EW 组态软件, 整个K ING V IEW 组态软件运行在WI NDO W2000图形界面下, 用户可方便地监视被控对象。为了方便报表打印, 系统采用一台打印机。另外软件可实现对多个硫化罐进行集中控制, 且多个硫化罐可处于不同的工步, 不同的规格、不同的控制规律, 互不干涉, 还具有良好的人机界面。实现生产管理、实时监控、优化控制和历史报表打印等功能。控制用主机采用德国西门子公司的PL C , 上位机配研华工业控制计算机, 变送器采用现场总线变送器, 调节阀选用现场总线调节阀。

1. 2　系统设计思想

针对硫化罐数量多, 布线复杂的特点, 采用现场总线控制, 解决这一问题。

此外, 橡胶在硫化过程中存在着反馈滞后、参数时变和非线性的特点, 目前在控制方

计算机测量与控制　第13卷

图1　橡胶硫化群控系统的总体结构图

法上采用常规PI D 控制, 控制结果表明, 传统的PID 控制不能很好的解决这一问题, 为此在传统的P ID 基础上应用生物免疫的原理和模糊控制理论设计出模糊免疫P ID 控制, 与传统的PID 控制相比, 效果良好, 控制精度提高6%～8%。

可获得相同的硫化程度, 硫化过程效应值按下式计算:T i -T 0

Δt (2)

τ10i =1i =1

Δt ———硫化过程规定的工艺采样间隔时间。T i ———在Δt 时间,

E =

∫

n n

I d t 即

∑I Δt =∑K

2　系统软件

　　硫化罐群控系统软件主要有两部分:P LC 监控软件; 上位

机人机操作界面。PL C 监控软件用西门子公司提供的V3. 2ST EP7M icro wI NSP3(中文版) 。系统的控制程序由P LC 监控软件完成。上位机人机操作界面只对参数进行显示、设定, 不执行控制功能。这样既保证了系统控制保护功能的稳定、快速、抗干扰性强的特点, 又使系统人机界面友好、操作方便, 参数监视明显。它包括以下几部分:群控系统的主控界面; 硫化过程状态参数界面; 硫化过程实时检测量界面; 报警日记; 报表; 自动控制; 硫化工艺参数界面; 控制系统的主要界面如图2所示。

在硫化过程t i 时刻的温度。

根据阿累尼乌斯方程, 化学反应速度依赖于温度公式, 可推算出等效硫化时间由下式表示:

t α=

e (1/T ∫

d 1t

-1/T ) d t (3)

　　t α———等效硫化时间, 一般以分为单位。

α———常数, 等于橡胶胶料活化能除以气体常数(α=E /R ) 。

T 0———基准温度。T ———橡胶实际温度。R ———气体常数(R =8. 3143J /mol. K ) ; E —硫化反应活化能, 由实验测得, kJ /mol。

在橡胶硫化过程中, 硫化温度一般由一单回路控制系统实现闭环调节, 将其控制在工艺要求的精度内, 特别是外温的变化是硫化罐微机控制系统的主调节回路。假设硫化罐微机控制系统的外温可用微分方程表示如下:

y (n ) =a (n -1) y (n -1) +…+a 1y 1+a 0y +b (n -1) u (n -1) +…+b 1u 1+b 0u (4) 　　化为差分方程为:

y (k ) =a 1y (k -1) +…+a (n -1) y (k -n +1)+a n y (k -n )+b 0u (k ) +…+b (n -2) u (k -n +2) +b (n -1) u (k -n +1)

(5)

3　系统控制策略

3. 1　硫化过程控制原理

橡胶硫化程度控制, 以橡胶硫化过程中:内温、外温值分别累计硫化效应值, 当达到工艺规定的硫化效应值时, 则硫化结束, 其计算公式如下:

E m =I m *L m

其中:E m ———工艺规定的标准硫化效应值。

I m ———标准温度下的硫化强度。

L m ———工艺规定的硫化时间。I m =K (T m -T 0) /10。

其中:T m ———为硫化标准温度(工艺规定值) 。

T 0———为基准温度值。K ———硫化强度系数。

　　取:外温T m =187℃,内温T m =150℃,K =1. 83。根据等效硫化原理, 当橡胶硫化内温、外温两部分的硫化效应值满足E =E m 时,

(1)

图2　硫化过程实时曲线及硫化过程状态参数

第6期徐玲, 等:橡胶硫化罐现场总线智能群控系统 561 　

　　当采样周期Δt 接近于0时, 系数a 0和b 0为有限值时

n-1

　　若a 0=-(1/T I ) , T I 为等效时间常数;(a 0/b0) =K I 为有限静态增益, 外温系统线性数学模型为:

K I e -L I S

G (s ) =(7)

S (T I S +1)

其中:K I 、T I 、L I 分别为系统增益、时间常数和延迟时间。　　橡胶硫化过程控制是温度、压力、时间等硫化条件都要考虑的多参数控制过程。在橡胶硫化过程中包含了较为复杂的化学反应和物理特性的变化; 不同的胶料和配方都会有不同的硫化工艺的要求。实际生产中又会有在不同硫化工艺条件下硫化不同橡胶制品的需要。由系统的数学模型可以知道橡胶在硫化过程中存在着很大的延迟, 在实际的生产过程中, 系统存在着很大的干扰, 特别是存在着缸泼和阀漏时, 现场人工整定PID 参数花费时间太长。基于以上原因, 设计了一种免疫模糊PID 复合控制, 其主要设计思想是:当温度偏差较大时采用免疫模糊PID 控制, 以加快响应速度; 当温度偏差较小进入稳态过程后, 则由程序切换到常规PID 控制, 消除静差, 提高控制精度。切换时机由计算机程序根据事先给定的偏差范围自动实现。3. 2模糊免疫PID 控制算法

免疫PID 控制器是借鉴生物系统的免疫机理而设计出的一种非线性控制器。免疫是生物体的一种特性生理反应。生物的免疫系统对于外来侵犯的抗原, 可以产生相应的抗体来抵御。抗原和抗体结合以后, 会产生一系列的反应, 通过吞噬作用或产生特殊酶的作用而毁坏抗原[2]。免疫系统虽然复杂, 但其抵御抗原的自适应能力是十分明显的。基于免疫反馈原理, 提出了免疫PID 控制器:假设第k 代的抗原数量为ε(k ), 由抗原刺激的T H 细胞的输出为T H (k ) , T s 对细胞B 细胞的影响为T s (k ) , 则B 细胞接受的总刺激为

S (k ) =T H (k ) -T s (k )

(8)

i =1n

∑a

j =0

∑b

=1(6)

　　u (k )=u (k -1) +k P 1((e (k ) -e (k -1) ) +e (k ) +

e (k ) -2e (k -1) +e (k -2) )) 　　　　=u (k -1) +k P 1((e (k ) -e (k -1) +k i ′e (k ) +

k d ′(e (k ) -2e (k -1) +e (k -2) ))

当系统模型为G (s ) =e _80S ;

s (80s +1)

采样时间为20s , k =0. 3, η=0. 8,

k i ′=0. 32, k d ′=0. 28, 仿真时间为1000个采样点

, 在第500采样时间有一干扰。控制效果如图3、图4所示。

(10)

图3　控制误差变化

式中, T H (k ) =k 1ε(k ) , T s (k ) =k 2f (Δs (k ) ) ε(k )

若以抗原的数量作为偏差e (k ) , B 细胞接受的总刺激S (k ) 作为控制输入u (k ), 则有如下的反馈控制规律　　　u (k ) =(1-ηf (u (k ), Δu (k )) ) e (k ) =k p 1e (k )

(9)

图4　控制k P 1的变化

结果表明:免疫PID 控制具有良好的控制效果和鲁棒性,

且系统采用现场总线控制系统, 为智能算法在上位机的实现提供了便利。

式中, k P 1=K (1-ηf (u (k ), Δu (k )), K =k 1为控制反应速度, η=k 2/k1为控制稳定效果, f (. ) 为一选定的非线性函数。利用模糊控制器可逼近非线性函数f (. ):每个输入变量被二个模糊集模糊化, 分别是“正”(P ) 和“负”(N ) ; 输出变量被三个模糊集模糊化, 分别是“正”(P )、零(Z ) 和“负”(N )。以上隶属度函数都定义在整个(+∞,-∞) 区间。模糊控制器可采用以下四条规则:

　　(1) If u is P and Δu is P then f (u , Δu ) is N (1) 　　(2) If u is P and Δu is N then f (u , Δu ) is Z (1) 　　(3) If u is N a nd Δu is P then f (u , Δu ) is Z (1) 　　(4) If u is N a nd Δu is N then f (u , Δu ) is P (1)

各规则中, 使用Zadeh 的模糊逻辑A ND 操作, 并采用常用的mom 反模糊化方法得到模糊控制器的输出f (. )。基于免疫反馈原理的实际上就是一个非线性P 控制器, 其比例系数k P 1=K (1-ηf (u (k ) , Δu (k ) ) 随控制器输出的变化而变化, 其中K 为增益则免疫PID 控制器的输出为:

4　结束语

由于本系统采用了以现场总线技术为主的现场总线控制系统, 使得橡胶硫化控制的精度有了显著的提高, 系统的成本降低了30%,稳定性高, 且维修方便。智能控制算法的引入提高了产品的合格率, 系统的扩容便利, 只要稍加组态设置即可增加硫化罐的数量。正由于现场总线技术的应用, 橡胶硫化的控制真正实现了智能化。

参考文献:

[1]赵志鹏. 硫化罐计算机群控系统[J ]. 轮胎工业, 2004, 24:166

-167.

[2]黄秉宪, 韩秀苓. 生物控理论基础[M ]. 北京:北京理工大学出

版社, 1991.

工业控制

计算机测量与控制. 2005. 13(6) 　Computer Measurement &Control 　　 559

文章编号:1671-4598(2005) 06-0559-03　　　　　　中图分类号:TP273. 5　　　　　　文献标识码:B

橡胶硫化罐现场总线智能群控系统

徐　玲1, 徐保国2, 肖应旺1

(1. 江南大学通信与控制工程学院, 江苏无锡　214036; 2. 江南大学科技处, 江苏无锡　214036)

关键词:现场总线控制系统; PROFIBUS ; 组态王; 橡胶硫化; 免疫模糊PID 。

Ru bber Vulcanization Intelligent Multiprocessing

Control System Based on Fieldbus

Xu Ling , Xu Bao guo , Xiao Yingw ang

(1. Schoo l o f Co mmunicatio n a nd Co ntrol Eng ineering , Southernya ng ze Unive rsity , W ux i 　214036, China ;

2. Science Department , So uther ny ang ze Univ ersity , W uxi 　214036, China )

Key words :FCS ; PROFIbus ; KINVIEW ; rubb er vulcanization ; immu ne fu zzy PID

0　引言

橡胶制品的硫化控制目前采用等效硫化控制方法, 其控制原理是:在硫化过程中, 将橡胶制品的内部温度连续的测量出

1. 1　系统结构及配置

收稿日期:2004-08-30; 　修回日期:2004-9-24。

作者简介:徐玲(1976-) 女, 天津人, 硕士研究生, 主要从事现场总线技术、智能控制方面的研究。

徐保国(1950-), 江苏淮阴人, 教授, 博导, 主要从事现场总线技术与过程控制方面的研究。

　 560

1. 2　系统设计思想

针对硫化罐数量多, 布线复杂的特点, 采用现场总线控制, 解决这一问题。

此外, 橡胶在硫化过程中存在着反馈滞后、参数时变和非线性的特点, 目前在控制方

计算机测量与控制　第13卷

图1　橡胶硫化群控系统的总体结构图

可获得相同的硫化程度, 硫化过程效应值按下式计算:T i -T 0

Δt (2)

τ10i =1i =1

Δt ———硫化过程规定的工艺采样间隔时间。T i ———在Δt 时间,

E =

∫

n n

I d t 即

∑I Δt =∑K

2　系统软件

　　硫化罐群控系统软件主要有两部分:P LC 监控软件; 上位

在硫化过程t i 时刻的温度。

根据阿累尼乌斯方程, 化学反应速度依赖于温度公式, 可推算出等效硫化时间由下式表示:

t α=

e (1/T ∫

d 1t

-1/T ) d t (3)

　　t α———等效硫化时间, 一般以分为单位。

α———常数, 等于橡胶胶料活化能除以气体常数(α=E /R ) 。

T 0———基准温度。T ———橡胶实际温度。R ———气体常数(R =8. 3143J /mol. K ) ; E —硫化反应活化能, 由实验测得, kJ /mol。

y (n ) =a (n -1) y (n -1) +…+a 1y 1+a 0y +b (n -1) u (n -1) +…+b 1u 1+b 0u (4) 　　化为差分方程为:

y (k ) =a 1y (k -1) +…+a (n -1) y (k -n +1)+a n y (k -n )+b 0u (k ) +…+b (n -2) u (k -n +2) +b (n -1) u (k -n +1)

(5)

3　系统控制策略

3. 1　硫化过程控制原理

橡胶硫化程度控制, 以橡胶硫化过程中:内温、外温值分别累计硫化效应值, 当达到工艺规定的硫化效应值时, 则硫化结束, 其计算公式如下:

E m =I m *L m

其中:E m ———工艺规定的标准硫化效应值。

I m ———标准温度下的硫化强度。

L m ———工艺规定的硫化时间。I m =K (T m -T 0) /10。

其中:T m ———为硫化标准温度(工艺规定值) 。

T 0———为基准温度值。K ———硫化强度系数。

　　取:外温T m =187℃,内温T m =150℃,K =1. 83。根据等效硫化原理, 当橡胶硫化内温、外温两部分的硫化效应值满足E =E m 时,

(1)

图2　硫化过程实时曲线及硫化过程状态参数

第6期徐玲, 等:橡胶硫化罐现场总线智能群控系统 561 　

　　当采样周期Δt 接近于0时, 系数a 0和b 0为有限值时

n-1

　　若a 0=-(1/T I ) , T I 为等效时间常数;(a 0/b0) =K I 为有限静态增益, 外温系统线性数学模型为:

K I e -L I S

G (s ) =(7)

S (T I S +1)

S (k ) =T H (k ) -T s (k )

(8)

i =1n

∑a

j =0

∑b

=1(6)

　　u (k )=u (k -1) +k P 1((e (k ) -e (k -1) ) +e (k ) +

e (k ) -2e (k -1) +e (k -2) )) 　　　　=u (k -1) +k P 1((e (k ) -e (k -1) +k i ′e (k ) +

k d ′(e (k ) -2e (k -1) +e (k -2) ))

当系统模型为G (s ) =e _80S ;

s (80s +1)

采样时间为20s , k =0. 3, η=0. 8,

k i ′=0. 32, k d ′=0. 28, 仿真时间为1000个采样点

, 在第500采样时间有一干扰。控制效果如图3、图4所示。

(10)

图3　控制误差变化

式中, T H (k ) =k 1ε(k ) , T s (k ) =k 2f (Δs (k ) ) ε(k )

若以抗原的数量作为偏差e (k ) , B 细胞接受的总刺激S (k ) 作为控制输入u (k ), 则有如下的反馈控制规律　　　u (k ) =(1-ηf (u (k ), Δu (k )) ) e (k ) =k p 1e (k )

(9)

图4　控制k P 1的变化

结果表明:免疫PID 控制具有良好的控制效果和鲁棒性,

且系统采用现场总线控制系统, 为智能算法在上位机的实现提供了便利。

4　结束语

参考文献:

[1]赵志鹏. 硫化罐计算机群控系统[J ]. 轮胎工业, 2004, 24:166

-167.

[2]黄秉宪, 韩秀苓. 生物控理论基础[M ]. 北京:北京理工大学出

版社, 1991.

橡胶硫化罐现场总线智能群控系统

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