0、前言
    硫酸法生產(chǎn)銳鈦型鈦白粉，是將購(gòu)進(jìn)的鈦礦砂用雷蒙機(jī)或者風(fēng)掃磨等粉碎成符合工藝要求的鈦礦粉，并送到儲(chǔ)存和計(jì)量鈦礦粉的料倉(cāng)。經(jīng)過(guò)酸解、沉降、洗渣、結(jié)晶、鈦液壓濾、濃縮、水解、水洗、漂白、鹽處理、煅燒后進(jìn)入粉碎和包裝過(guò)程，此步驟是將煅燒后的有些粘結(jié)的物料進(jìn)行破碎。物料在雷蒙機(jī)內(nèi)，經(jīng)過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的磨輥和磨環(huán)的撞擊，迅速被粉碎，再經(jīng)過(guò)分級(jí)葉輪的分級(jí)，粗料返回粉碎室，細(xì)料進(jìn)入袋濾器，經(jīng)星型下料器進(jìn)入螺旋送料器，送至成品料倉(cāng)，進(jìn)行包裝后即為成品。為實(shí)現(xiàn)粉碎包裝工藝的自動(dòng)化，更好的控制雷蒙磨的轉(zhuǎn)速，達(dá)到粉碎顆粒滿足成品鈦白粉顆粒大小，做到精度高，無(wú)雜質(zhì)，定時(shí)、定量加入有機(jī)物，設(shè)計(jì)了PLC加組態(tài)王上位機(jī)監(jiān)控的形式對(duì)磨粉包裝工藝進(jìn)行自動(dòng)化改造。即以PLC作為下位機(jī)控制變頻器驅(qū)動(dòng)雷蒙磨工作，上位機(jī)以IPC配以組態(tài)王Kingview 6.52實(shí)現(xiàn)對(duì)各系統(tǒng)的監(jiān)控，通過(guò)PLC和IPC的數(shù)據(jù)交換，使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的控制目的。
1、PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    PLC直接對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。IPC是一種加固的增強(qiáng)型個(gè)人計(jì)算機(jī)，它可以作為工業(yè)控制器在工業(yè)環(huán)境中可靠運(yùn)行，完成對(duì)相關(guān)模型的復(fù)雜計(jì)算，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)畫(huà)面的監(jiān)控。對(duì)于鈦白粉粉碎系統(tǒng)，采用兩級(jí)控制方式。用一臺(tái)IPC作為上位機(jī)配以組態(tài)王Kingview 6.52進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，根據(jù)工作狀態(tài)和鈦白粉工藝模型調(diào)整參數(shù)，將現(xiàn)場(chǎng)的工況以良好的畫(huà)面顯示，并且能接受管理員的控制指令。下位機(jī)選用SIEMENS S7 - 300用作現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和反饋，根據(jù)參數(shù)反饋對(duì)設(shè)備進(jìn)行直接控制。IPC與PLC之間由各自的通訊單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)框圖如圖1所示。在鈦白粉生產(chǎn)過(guò)程中，在分級(jí)機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速的情況下，開(kāi)啟主風(fēng)機(jī)，將雷蒙磨碾磨之后的鈦白粉吹過(guò)分級(jí)機(jī)，由于分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)速已調(diào)整至鈦白粉成品顆粒精度才能通過(guò)的狀態(tài)，因此產(chǎn)量受到雷蒙磨碾磨精度的影響，如碾磨精度過(guò)高，則產(chǎn)量下降；如碾磨精度過(guò)低，粗顆粒無(wú)法經(jīng)過(guò)分級(jí)機(jī)到達(dá)濾袋器，亦會(huì)影響產(chǎn)量。因此，在本系統(tǒng)中，依靠PLC加變頻器對(duì)雷蒙磨轉(zhuǎn)速進(jìn)行PID控制，從而達(dá)到在滿足加工精度的同時(shí)，使產(chǎn)量最大化。
1.2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.2.1上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
    用IPC作為上位機(jī)，監(jiān)控軟件使用亞控公司組態(tài)王Kingview 6.52作為開(kāi)發(fā)元件，對(duì)控制電路及生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行仿真的二次開(kāi)發(fā)，建立鈦白粉粉碎系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，生成的組態(tài)畫(huà)面如圖2所示。組態(tài)王Kingview 6.52提供豐富的圖庫(kù)集圖形開(kāi)發(fā)工具，用戶可根據(jù)具體的工況，運(yùn)用控件在畫(huà)面上自由搭配，并為每個(gè)控件和畫(huà)面提供方便的數(shù)據(jù)連接，使界面設(shè)計(jì)變得輕松。上位機(jī)軟件主要設(shè)計(jì)了主監(jiān)控畫(huà)面、磨機(jī)參數(shù)設(shè)置畫(huà)面、堿添加設(shè)置畫(huà)面、運(yùn)行技術(shù)器畫(huà)面、報(bào)警信息查詢畫(huà)面、設(shè)備狀態(tài)畫(huà)面、監(jiān)控曲線查詢畫(huà)面等。主畫(huà)面仿真了各設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)，通過(guò)監(jiān)控溫度、流量、壓力等參數(shù)，使工作人員很容易掌握系統(tǒng)的運(yùn)行情況。各分畫(huà)面主要用于參數(shù)的設(shè)置及曲線圖形顯示，幫助工作人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精確控制。
1.2.2下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
    下位機(jī)主要依靠PLC對(duì)主風(fēng)機(jī)和雷蒙磨進(jìn)行精確控制，并輔以各狀態(tài)之間的聯(lián)鎖報(bào)警裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、與上位機(jī)通信、A/D轉(zhuǎn)換、磨機(jī)電流控制、主風(fēng)機(jī)空氣流量控制、參數(shù)設(shè)置、內(nèi)部公式計(jì)算等控制計(jì)算功能。根據(jù)工藝流程可知，加工的精度跟產(chǎn)量，與主風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和雷蒙磨的轉(zhuǎn)速有直接的關(guān)系，所以在設(shè)計(jì)下位機(jī)軟件時(shí)，主要要考慮磨機(jī)的控制。其次，為了避免磨機(jī)空轉(zhuǎn)以及有機(jī)物的適量添加，根據(jù)保護(hù)原則設(shè)計(jì)了緊急停車控制和有機(jī)物添加計(jì)算程序。
2、模糊PID控制算法的實(shí)現(xiàn)
    自動(dòng)控制理論中的設(shè)計(jì)方法主要是建立在被控對(duì)象的線性定常數(shù)學(xué)模型中，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中很難被運(yùn)用。傳統(tǒng)PID控制對(duì)參數(shù)的整定過(guò)程中，整定值有一定局限性的優(yōu)化值，而不是全局性的最優(yōu)值，無(wú)法從根本上解決動(dòng)態(tài)品質(zhì)及穩(wěn)態(tài)精度的矛盾。模糊控制是一種適合于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程和大系統(tǒng)控制方法，特別是在純滯后、大慣性的非線性不確定分布參數(shù)系統(tǒng)中，模糊控制能取得令人滿意的效果。因此在磨機(jī)系統(tǒng)具有非線性、滯后性的鈦白粉粉碎系統(tǒng)中，加入了模糊PID控制算法，富通新能源銷售球磨機(jī)、雷蒙磨粉機(jī)等磨機(jī)機(jī)械設(shè)備。
2.1模糊控制的原理
    如圖3所示，y為系統(tǒng)設(shè)定值，y為系統(tǒng)輸出值，它們都是清晰量，和傳統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)大致相同，只是用模糊控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)字控制器。
2.2模糊PID算法的實(shí)現(xiàn)
    在粗鈦白粉粉碎系統(tǒng)的主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速PID控制中，由于系統(tǒng)的非線性和時(shí)變性因素，采用模糊控制時(shí)，為了獲得良好的控制效果，必須要求模糊控制器擁有較完善的控制規(guī)則和相對(duì)合適的參數(shù)。這些控制規(guī)則和參數(shù)是人們對(duì)控制過(guò)程認(rèn)識(shí)的模糊信息的歸納和經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。然而，在通常情況下，一個(gè)模糊控制器設(shè)計(jì)完成后，其語(yǔ)言規(guī)則和參數(shù)是確定的。由于受控過(guò)程的高階次、時(shí)變性以及隨機(jī)干擾等因素影響，造成模糊控制規(guī)則和參數(shù)不夠完善，會(huì)不同程度地影響控制效果。為了彌補(bǔ)其不足，可以通過(guò)自適應(yīng)的模糊控制技術(shù)，使模糊控制規(guī)則和其參數(shù)在控制過(guò)程中自動(dòng)調(diào)整和完善，進(jìn)而使系統(tǒng)的控制性能不斷完善。
    在S7 -300編程軟件STEP7中編寫(xiě)用戶程序，用模糊PID控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID控制器，采用中斷方式執(zhí)行模糊PID控制算法。用STEP7實(shí)現(xiàn)智能算法選擇適當(dāng)?shù)腜ID參數(shù)，通過(guò)改變PID模塊中的參數(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，這樣使PLC集成的PID模塊語(yǔ)句和智能控制結(jié)合，提高了磨機(jī)系統(tǒng)的控制精度和速度。
2.3仿真及效果分析
    利用MATLAB的模糊邏輯工具箱，按照上面介紹的模糊PID控制器的設(shè)計(jì)方法，完成基于模糊邏輯工具箱的模糊控制器的仿真設(shè)計(jì)。圖4為系統(tǒng)建立的仿真模型。
    在忽略耦合等因素的條件下，可將模糊控制器的廣義控制對(duì)象降階，并近似用二階系統(tǒng)擬合。故以下對(duì)典型的二階系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并對(duì)比分析常規(guī)PID和模糊PID的控制效果，仿真效果圖如圖5所示。
    從仿真結(jié)果可以看出，采用模糊自整定PID算法后，系統(tǒng)的超調(diào)量由原來(lái)的46%下降到15%，調(diào)節(jié)時(shí)間也比采用常規(guī)PID算法提前了1.4秒，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差也基本消除了。
3、結(jié)論
    IPC用組態(tài)王與PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，具有速度快、可靠性高、調(diào)節(jié)方便靈活等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)人機(jī)界面友好，參數(shù)易于調(diào)整，系統(tǒng)易于擴(kuò)展。本文結(jié)合鈦白粉粉碎系統(tǒng)，運(yùn)用了模糊PID控制算法，采用西門(mén)子S7 - 300編寫(xiě)模糊PID程序，用其設(shè)定實(shí)時(shí)P、I、D參數(shù)，利用組態(tài)王Kingview 6.52監(jiān)控磨機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的智能控制，具有控制精度高，穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，為智能控制算法的運(yùn)用提供了新的思路。