煙草企業煙葉儲藏房空調控制系統設計研究
發布時間：2014-08-20 10:15
第1章 緒論
1.1 研究背景及意義
煙葉是卷煙工業的物質基礎，優質安全的煙草原料是滿足卷煙工業需求、促進煙草行業發展的前提。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節，是卷煙生產工藝流程中的關鍵環節之一。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，促使煙草行業發展的速度逐漸加快，對煙葉貯存的規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結構設計
2.1 貯葉房空調系統
貯葉房空調系統主要由風機、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，系統自行組態，維護也非常方便[22]。
貯葉房空調 PLC 控制系統的組成，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，實現系統的現場監控功能。可見，整個空調系統的數據采集、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[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 貯葉房空調系統仿真模型..................29
4.1 貯葉房空調控制系統的數學模型.................... 29
4.2 貯葉房空調控制系統的仿真模型......................... 35
第 5 章 貯葉房空調控制系統控制器設計..................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、不確定模型的系統有很好的控制效果。如果一個系統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控制理念的系統中顯得尤為重要，其系統組成如圖 5-1 所示[38-40]。
5.2 模糊 PID 控制器設計
通過第一章 1.2.2 小節的介紹，我們知道 PID 控制對系統的動、靜態特性有很好的控制效果。再將模糊理論應用其中后對調節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的變化自動調節 PID 的參數，使這兩個控制方法的優點都能很好的體現，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的控制。綜上分析，為了使貯葉房空調控制系統能夠發揮其應有作用，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的結構設計、控制系統建模等工作，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葉房、絲房的結構設計、控制系統設計具有實用價值，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. 根據貯房空調系統的控制要求，結合系統信號數量的實際情況，在充分考慮系統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的結構設計方案， 進行了 PLC 系統硬件模塊的選型配置，優化設計了電氣拖動系統，完成了整個控制系統的硬件配置，該設計能很好的實現對貯葉房溫濕度的監測及控制。
本文編號：8421
1.1 研究背景及意義
煙葉是卷煙工業的物質基礎，優質安全的煙草原料是滿足卷煙工業需求、促進煙草行業發展的前提。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節，是卷煙生產工藝流程中的關鍵環節之一。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，促使煙草行業發展的速度逐漸加快，對煙葉貯存的規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結構設計
2.1 貯葉房空調系統
貯葉房空調系統主要由風機、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，系統自行組態，維護也非常方便[22]。
貯葉房空調 PLC 控制系統的組成，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，實現系統的現場監控功能。可見，整個空調系統的數據采集、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[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 貯葉房空調系統仿真模型..................29
4.1 貯葉房空調控制系統的數學模型.................... 29
4.2 貯葉房空調控制系統的仿真模型......................... 35
第 5 章 貯葉房空調控制系統控制器設計..................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、不確定模型的系統有很好的控制效果。如果一個系統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控制理念的系統中顯得尤為重要，其系統組成如圖 5-1 所示[38-40]。
5.2 模糊 PID 控制器設計
通過第一章 1.2.2 小節的介紹，我們知道 PID 控制對系統的動、靜態特性有很好的控制效果。再將模糊理論應用其中后對調節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的變化自動調節 PID 的參數，使這兩個控制方法的優點都能很好的體現，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的控制。綜上分析，為了使貯葉房空調控制系統能夠發揮其應有作用，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的結構設計、控制系統建模等工作，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葉房、絲房的結構設計、控制系統設計具有實用價值，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. 根據貯房空調系統的控制要求，結合系統信號數量的實際情況，在充分考慮系統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的結構設計方案， 進行了 PLC 系統硬件模塊的選型配置，優化設計了電氣拖動系統，完成了整個控制系統的硬件配置，該設計能很好的實現對貯葉房溫濕度的監測及控制。
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.malleg.cn/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/8421.html
