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1、基于MCGS的氧化锌晶须生产过程系统设计摘 要氧化锌晶须生产过程是一个较为复杂的过程。由于长期依靠人工经验，现场操作缺乏科学的指导，使得通入氧化炉的气体参数不稳定，导致氧化锌晶须产品质量低。为此，迫切地需要设计氧化锌晶须的生产自动控制系统来提高其产品的质量，从而实现生产过程综合自动化。本设计以氧化锌晶须生产过程为研究对象。在分析了氧化锌晶须生产过程中氧化炉用气参数与晶须质量的关系后，针对影响氧化炉用气的两个主要参数氧含量和流量，进行了配气控制系统的研究和设计。本文首先提出了该控制系统的结构框架，并总结了其功能特点；并根据给定的数学模型，采用前馈解耦控制算法和增量式PID算法，对氧化锌晶须生产过
2、程中的氧含量和流量进行了控制。应用软件采用MCGS组态软件和Siemens PLC S7-300系列的STEP 7软件编制，其中采用MCGS组态软件开发了该控制系统的监控软件，并将控制算法在MATLAB里进行了仿真验证；PID算法采用Siemens PLC S7-300系列的STEP 7软件编制。这实现了对氧化锌晶须生产自动控制系统的配气过程重要参数的监视、氧含量和流量的稳定控制和报警等功能。关键词：氧化锌晶须；PID控制；MCGS；可编程控制器 The production of zinc oxide whisker system design based on MCGSAbstractTh
3、e production process of zinc oxide whiskers are a more complex process.As a result of relying on artificial experience and lack of scientific guidance in the practical operation,and then the gas parameters accessed to the oxidation furnace are unstable.So,the product quality of zinc oxide whiskers i
4、s low.Therefore,developing automatic control system and using the advanced control technology to the zinc oxide whiskers production process have a very imperious to improve the product quality of the zinc oxide whiskers and realize integrated automation of the production process.Zinc oxide whiskers
5、production process is considered as the research object in the paper.After analyzing the relationships between gas parameters accessed to the oxidation furnace and the whiskers quality, the gas distribution control system is researched and designed according to the request of the main factorsthe oxy
6、gen content and the gas flux.At first,the paper propose a framework for the structure of the control system,and summarized its features;then,according to a given mathematical model，we control oxygen content and flow in the Zinc oxide whiskers production process,with using of feedforward decoupling c
7、ontrol algorithm and incremental PID control algorithm.Applications use MCGS configuration software and Siemens PLC S7-300 series of the STEP 7 software development. MCGS configuration software uses one of the development of the control system monitoring software, control algorithms and carried out
8、in the MATLAB simulation; PID algorithm uses Siemens PLC S7-300 series of the STEP 7 software development. This implementation of the production of zinc oxide whisker valve automatic control system for the process of monitoring important parameters, oxygen content and the stability of flow control a
9、nd alarm functions.Key words: Zinc Oxide Whisker; PID control;MCGS; programmable logic controller目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1 课题的来源及意义21.2 氧化锌晶须国内外研究现状21.2.1 氧化锌晶须制备方法的研究31.2.2氧化锌晶须的应用前景41.3 控制系统研究现状71.3.1 传统过程控制的方法71.3.2 智能控制的方法81.4 研究内容81.5 论文结构9第二章 控制系统总体设计102.1 氧化锌晶须生产工艺过程分析102.1.1 晶须生长机理过程分析112
10、.1.2 配气过程耦合分析122.1.3 生产工艺中尾气利用分析122.2 系统控制要求及难点122.3 系统设计思想及方法132.4 控制系统设计152.4.1 两级计算机控制系统152.4.2 硬件选型及特点162.4.2.1西门子PLC162.4.2.2流量计172.4.2.3压力变送器182.4.2.4执行器192.4.3 控制系统组成20第三章 氧化锌晶须生产控制系统控制器设计223.1 系统的数学模型223.2解耦控制器的设计223.2.1 多输入多输出（MIMO）系统建模方法223.2.2 解耦控制器的设计思路233.2.3 前馈补偿解耦控制器设计原理243.3 增量式PID控制
11、器设计263.3.1 PID控制原理263.3.2 PID控制器设计283.4 基于Simulink 控制系统仿真303.4.1 Simulink模块库介绍303.4.2 Simulink下控制系统仿真303.4.3 仿真结果及分析31第四章 氧化锌晶须生产控制系统软件设计334.1 上位机监控管理334.1.1 MCGS组态软件的整体结构334.1.2 监控软件结构及功能344.2 PLC编程及算法实现354.2.1 Siemens STEP7标准软件包354.2.2 STEP7编程354.2.3 控制逻辑分析364.2.4 前馈解耦控制算法384.2.5 增量式PID算法实现39第五章 控
12、制系统的运行效果与性能评价405.1 系统运行效果405.2 系统性能评价40第六章 结束语426.1 结论426.2 展望42参考文献44附录A 氧化锌晶须的生产工艺图46附录B 数据显示图47附录C PID算法在PLC中的具体实现48致 谢51 第一章 引 言晶须是指具有一定长径比(一般大于10)和界面积小于的单晶纤维材料。由于晶须的晶体结构比较完整，内部缺陷较少，因此晶须的强度和模量均接近其完整晶体材料的理论值，性能十分优异。晶须主要有聚合物晶须、陶瓷晶须以及无机盐晶须。陶瓷质晶须主要指各种氧化物、碳化物、氮化物及石墨等晶须，与其它晶须相比，这些晶须具有更高的强度、模量及耐热性等特点。利
13、用陶瓷晶须优异的力学和物理性能，将其与各种基材进行复合，不仅可以提高基体材料的强度、改善其韧性，而且可以改变其物理化学性能，增加其功能性，如磁性晶须、导热晶须、导电晶须、光导性晶须等。因此，有关晶须的研究成为材料领域的热点之一1235。氧化锌晶须是具有纤锌矿晶体结构的直接宽带隙(Eg=3.37eV)半导体材料,在室温下具有较大的激子束缚能(60meV)。其有多种优良的物理性能并广泛应用于橡胶、陶瓷、涂料以及光电子等领域。它有多种形态,主要为一维纤维状、一维管状、针状、四针状或多针状、棒状或柱状等。氧化锌晶须的制备方法很多，特别是其中的四针状氧化锌晶须(T-ZnOw)，以其独特的三维四针状空间结
14、构，在耐磨、减震、防滑、降噪、吸波、抗老化、抗冲击、抗静电、抗菌等方面均具有优异的性能1。氧化锌晶须(Zinc Oxide Whiskers，简称Znow)，是氧化锌的单晶体，有两种典型形态：一种是纤维状(针状)晶须，另一种是四针状晶须(Tetrapod-like zinc oxide whiskers，简称T-Znow)。针状的氧化锌晶须是氧化锌晶体由单一方向发育形成，其外形如线条状，截面呈柱状，无色透明，表象为极高凸起，平行光滑，正延长。一般说氧化锌晶须就是指四针状氧化锌晶须2。T-Znow为白色松软状物质，呈立体四针状，即晶须有一核心，从核心径向方向伸展出四根针状晶体，每根针状体均为单晶
15、体微纤维，任两个针状体的夹角为109，晶须的中心体直径0.71.4m，针状体根部直径0.514m，针状体长度3200m。它是迄今为止被发现的唯一具有三维空间结构的晶体。正是由于其独特的三维空间结构赋于了它许多特殊功能。作为结构及功能添加材料，由它组成的复合材料呈各向同性，性能远优于由单一纤维状晶形组成的复合材料，具有增强耐磨、防爆、减震、降噪、抗菌以及吸波等优异的综合性能。因此，在国防、交通、化工、轻工、电子等领域也有着广阔的应用前景5。1.1 课题的来源及意义氧化锌晶须作为结构及功能添加材料，有着十分广泛的用途。把它添加到不同的产品中可以制成各种不同的性能优良的复合型材料。比如:轻质多频谱吸
16、波隐身材料、氧化锌晶须复合抗菌剂、氧化锌晶须复合抗菌母粒(塑料、纤维)、氧化锌晶须抗菌防霉后处理剂、氧化锌晶须抗静电剂、氧化锌晶须耐磨剂、氧化锌晶须增强改性剂等等。因此，实现氧化锌晶须的产业化能很好的促进国民经济的发展，有着重大的意义。原有的氧化锌晶须生产工艺没有引入计算机控制系统，从而导致了流量检测不稳定、氧含量等参数达不到指定的控制精度等问题。由此可以看出，好的制备工艺都要有先进的控制技术作为基础，否则，理论上的研究难以实现。利用计算机控制技术实现氧化锌晶须生产过程的自动检测和全过程自动控制能够保持生产过程中参数的稳定、保证参数的控制精度、提高产品质量和生产效率、降低工人的操作失误和劳动强
17、度151617。1.2 氧化锌晶须国内外研究现状八十年代中后期，国外开始对四角状氧化锌晶须进行较为深入的研究。现已有比较成熟的制备工艺和工业规模的生产装置。由于它具有独特的四角状三维空间结构及其他许多特性，因而有着广阔的应用前景。在此研究领域，日本松下电器产业株式会社走在了世界的最前沿，他们最早掌握了氧化锌晶须的制备方法，并实现了氧化锌晶须的广泛应用。在国内，则由西南交通大学首先发明氧化锌晶须的制备方法，使我国成为继日本后全球第二个可生产晶须的国家8。1.2.1 氧化锌晶须制备方法的研究氧化锌晶须的制备和生产主要有以下几类方法3：(1)将Zn粉预氧化使其表面覆盖氧化膜，再对这种带膜的锌粉在10
18、00左右加热1h，制成ZnO晶须。该法所得产品纯度高，晶须生成步骤易于控制，但生产周期长，氧化膜控制较困难，对设备要求也较严。(2)在惰性气体保护下将锌粉加热至沸点以上，然后以惰性气体为载气，将锌蒸气引入含氧气体或将含氧气体吹入锌蒸气中，使Zn和气相接触生成ZnO晶须。该法所用惰性气体一般为N2或Ar等，对纯度要求较高，反应温度一般在9001000，该法需要消耗大量惰性气体，生产成本较高。(3)将锌粉与CO32-(或HCO3-)及H2O按一定比例混合，在规定条件下生成ZnCO3，然后加热至特定温度，ZnCO3则慢慢分解形成ZnO晶须。该法反应易于控制，原料简单，但其收率低，对反应容器及反应条件
19、要求较严，不利于连续化生产。最近两年国内制备ZnO晶须的报道：(1)周柞万等发明的碳还原剂控制ZnO晶须生产工艺，利用碳的还原特性，消耗一部分Zn周围空气中的氧气来保证晶须生长所要求的条件。在此基础上，改进了生产工艺，直接用锌颗粒进行生产，而且可以控制晶须针状体的长度和粗细，产品收率高，可达90%以上，产品中95%以上为四针状ZnO晶须。该方法对原料勿需进行预处理，对Zn的粒度无苛刻要求；生产周期短，每批样品仅需15min左右；产品收率及纯度高，产品为白色疏松状固体，显微结构为立体四针状，针长10200m，根部直径为0.110m；成本低，设备投资少，由于没有特殊的预处理和预氧化等工艺，反应在大
20、气环境下进行，且原料来源广泛，价廉易得，所以生产成本较低。(2)陈尔凡等以锌粉为原料，白碳黑为催化剂，高温气相氧化制备ZnO晶须。其制备过程为：原料锌粉先做陈化处理，即在去离子水(含0.1%的)中以60r/min速度研磨30min，然后将其于室温下放置24h，最后于150干燥30min。陈化的锌粉与白碳黑按比例混合均匀，将混合好的原料放入马福炉(9001000)，同时以一定的速度通入压缩空气，在白碳黑上层得到ZnO晶须絮团。与其它方法相比，该方法简化了制备工艺及设备，降低了成本，并较大幅度地提高了ZnO晶须的收率及规整度。综上所述，我们可以总结出氧化锌晶须得制备方法主要为以下五种方法：(1)气
21、相法；(2)氧化法；(3)液相法；(4)微波辐射法；(5)离子交换树脂法。1.2.2氧化锌晶须的应用前景四脚状氧化锌晶须的研究工作起步较晚，但由于氧化锌晶须独特的空间三维立体结构、良好的单晶性，赋于了它许多独特的功能，如导热、压电、压敏、吸波、吸声、减振、抗菌、防藻、催化等，这使它可在国防、电子、化工、交通等领域广泛应用2,17。(1)增强复合材料氧化锌晶须独有的结构，使得它与复合材料中的基体的抓着力更大，而且能各向同性地加强基体材料的机械性能，显著地改善基体强度和加工性能，在复合材料中起骨架作用，避免了单一针状晶须增强时需大量加入从而导致复合材料难于加工，增强效果更显著，硬度提高也较大。氧化
22、锌晶须铝基复合材料不仅综合性能优良，而且成本也较碳化硅晶须、钦酸钾晶须、氧化铝晶须、金属钨晶须等增强的铝基复合材料的成本低很多。氧化锌晶须增强“尼龙6”复合材料体系则不仅可以提高其强度，而且，复合材料的耐热性、尺寸稳定性都随之提高。国内外对于氧化锌晶须在这方面的应用都较成熟。(2)静电及导电高分子复合材料氧化锌晶须的三维结构，能形成非常有效的导电通道(三维网状结构)，从而高效地赋予材料的导电性。它的导电性是基于其单晶体本身具有导电性，而不需要借助于表面涂层和电镀等方式。因此，氧化锌晶须可以高效地降低树脂基复合材料的电阻，起到抗静电作用。由于氧化锌晶须本身是无色透明的，不具有发色性，因此它可与其
23、他颜料等组合，制成纯白色或其它各种颜色的复合材料制品。目前这类应用处于推广阶段。(3)耐磨及防滑材料氧化锌晶须具有良好的耐磨和提高材料防滑的性能。试验表明，将氧化锌晶须应用于橡胶、涂料、塑料都能取得满意的耐磨防滑效果。可广泛用于汽车轮胎、刹车片材料、耐磨齿轮、传送皮带、耐磨抗静电涂料等要求耐磨和防滑的领域。例如，加入氧化锌晶须的橡胶刹车片可使车辆在雨天的刹车距离大幅减少。在PEEK、PES、PPS等树脂中加入ZnOw，用作耐磨齿轮或轴承己获得应用。(4)电波吸收材料作为一种N型半导体微晶材料，氧化锌晶须是一种介电损耗材料。氧化锌晶须及其复合材料具有优异的电波吸收性能，可用于电波吸收体和微波发热
24、体。而在硅酸盐水泥块中适当地掺入氧化锌晶须则可极大地改变复合水泥块的电磁波透射能力。目前己经应用到了微波加热元件中。(5)减振、抗冲及隔音材料氧化锌晶须能有效的将吸收的机械能转化为热能而损失掉，起到明显的减振阻尼作用。对塑料、橡胶、涂料、陶瓷和金属材料的减振、降噪等性能具有明显效果。氧化锌晶须/橡胶复合材料可广泛用于上木建筑、机械结构、铁路隧道、交通运输等领域作减振降噪材料。氧化锌晶须还可吸收声振动转化为热能，使材料具有吸声功能，达到隔音效果，被用于制造音响设备的内部骨和外壳。(6)陶瓷复合材料在工艺陶瓷、结构陶瓷、特种陶瓷等中加入适量的氧化锌晶须，可使该增强陶瓷具有良好的各向同性，且明显提高
25、其抗碎裂和抗急冷性能。这类应用目前处于试验阶段。(7)涂料由于氧化锌晶须在涂层中均匀嵌布起骨架作用，将其加到涂料中不仅可提高其触变性，有利于施工使涂层表面光滑平整，而且使涂料抗冲击、抗碎裂强度提高，发泡性、耐磨性能改善。可广泛用于汽车车体的中间涂层、船体外表面涂层以及水泥、矿粉、谷物的管道和设备的内表面保护涂层。用含氧化锌晶须的涂料作公路路标标记，具有耐磨、抗温差能力强，敷设很厚也不发生龟裂，且路标的反光性和可见性也较好。此外，由于其特殊的构型氧化锌晶须，对水状介质、油状介质和树脂介质均有较强适应性，适用于各种涂料，应用很广。(8)氧化锌晶须复合抗菌剂利用四脚氧化锌晶须尖端具有纳米活性，能高效
26、杀灭和消除细菌及其残骸，添加适量的氧化锌晶须可制成的复合抗菌剂及抗菌材料，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、白色念珠球菌和沙门氏菌等常见细菌的杀灭率达99%以上，且用于动物试验无不良反应。可用于制备抗菌、脱臭材料，目前正在积极的试验中。(9)其它用途除上述各种应用外，晶须还有很多其它用途。如用于空气清新除臭剂，除去空气中的H2S、NH3等有害气体；作为氧化还原反应的催化剂或载体；与树脂或玻璃料混合用作滤料；作为水处理中活性污泥的沉降剂；也可用作湿度传感器，具有高的灵敏性、稳定性和机械强度；还可用于制造软磁性材料、高强度阴极电池等。这些领域的应用，目前尚处于试验阶段。1.3 控制系统研究现状在国内两种
27、不同的气体相互混合来控制混合后气体的总流量和某一组分的含量的控制系统中，归纳而言，采用的控制手段主要有如下几种。1.3.1 传统过程控制的方法即确定一种气体为主导气体(一般是氧化炉出来的尾气，因为尾气流量比较大)，根据它来控制混合后气体的总流量，这就是混合后流量控制回路；控制另一种气体流量来进行配比，这就是氧含量调节回路。这种控制策略的主要优点是：控制器设计简单，参数整定方便。其主要缺点为：采用的是变量回路匹配的方法，即被调量和调节量之间的适当匹配来消除系统的耦合，由于系统中流量调节与氧含量调节(流量配比调节)之间的耦合作用非常强烈，导致调节精度不高。在工况稳定的情况下，系统也需要经过一段时间
28、的震荡才能过渡到稳态；抑制扰动的能力不强，而系统运行时的工况较不稳定，扰动很大，导致实际的控制效果大打折扣。出于对这种方法的改进，国内有工程人员提出了一种改进型的控制策略，用前馈补偿的方法来进行解耦，就是将其中一种变量作为扰动引入进来，设计前馈补偿器。该方法考虑了耦合的影响，调节的精度有了很大的提高，但该方法实际上也是一种静态解耦的方式，只能对系统的耦合进行一定程度的补偿，对于工况的剧烈变化，也就是扰动的大幅波动，效果有限22。1.3.2 智能控制的方法由于某些实际的控制系统很难建立数学模型，从而采用的是智能控制的方法。其具体的控制思路有如下两种：(1)以传统的过程控制思想为指导，即根据主导气
29、体流量的大小而成比例地调节另一种气体流量，但是在控制器的设计上不采用PID，而采用模糊控制或其它智能控制方法，这种方法与传统的方法并没有本质区别，同样没有考虑系统耦合的问题。(2)采用先进控制的思想，设计了智能解耦的控制策略，对系统的耦合有较为深入的理解，但其控制效果与解耦策略以及相应的阀门的控制策略都有很大的关系，而且需要在现场整定比较多的参数，在类似控制系统的推广方面有一定的局限性16,20。在国外对气体混合过程控制的研究中，有学者提出了一种无模型的自适应控制策略(MFA)来解决这一问题。而在解决这一类的气体混合控制中，也有学者提出了一种集成的智能控制策略，通过将经典PID控制、前馈控制、
30、专家控制结合起来发挥各自的长处来解决这一类的问题。1.4 研究内容本次设计以氧化锌晶须生产过程为研究对象，将混合气体配置系统作为被控对象，分别采用前馈补偿解耦算法和增量式PID控制算法实现气体混合后流量和氧含量的恒定。由于配气系统是一个多输入多输出系统，常规方法不适合气体混合过程的控制，尤其是在其中一种气体(尾气)的氧含量成分时刻变化并有耦合的情况下。为此，本设计运用了前馈补偿解耦控制和增量式PID调节相结合的先进控制技术。此外，由于氧化锌晶须生产流程工艺连续，反应机理复杂，非线性、时变、耦合严重，生产数据复杂，处理量大，如果某一关键设备因为故障而无法继续运行，往往会波及整个生产流程的进行，甚
31、至出现人身安全事故，而恢复整个生产流程的正常运行需要花费很长的时间，从而造成了巨大的经济损失。因此，为了让氧化锌晶须生产工艺流程安全可靠的运行，设置了各个变量参数的故障报警，为工业过程的安全生产提供了保障。1.5 论文结构文章首先介绍了氧化锌晶须的概念和成功制备高品质氧化锌晶须的意义，并详细介绍了氧化锌晶须及气体混合控制系统的国内外研究现状。针对实际系统给出了本文的研究内容，阐明了自动控制系统的设计和应用对氧化锌晶须生产工艺的意义。第二章介绍了氧化锌晶须的生产工艺，分析了生产工艺中耦合因素、尾气利用因素等对生产过程的影响。并在此基础上，从自动控制的基本思想出发，提出以稳定氧化炉用气的氧含量和流
32、量为目标的控制系统的结构框架和功能特点。第三章在具体分析了现场配气系统的特性后，根据给定的系统的数学模型，采用了前馈补偿解耦技术和PID控制技术相结合的设计思想，并设计了前馈补偿解耦控制器和和增量式PID控制器。第四章详细提出了系统软件的总体框架，介绍了软件的功能模块：包括MCGS实时监控界面的设计和PLC编程及算法实现；完成了前馈补偿解耦算法、带死区的增量式PID算法和在PLC中的实现。第五章为控制系统的工业应用，根据系统运行的实际结果，并对系统性能作了评价。第六章为结束语，对氧化锌晶须生产过程控制系统的设计予以总结。第二章 控制系统总体设计2.1 氧化锌晶须生产工艺过程分析氧化锌晶须生产过
33、程是将纯度为99.9%以上的锌片放到氧化炉中，在特定的工艺条件下进行加热，形成所需要的四针状的氧化锌晶须的过程，生产工艺流程图如图2.1所示。生产工艺可以分为两部分：第一部分为氧化炉用气的配置过程；第二部分为氧化炉加热过程，而在这次的设计中，我们主要研究的是氧化炉用气的配置过程。氧化炉的用气由在氧化炉加热后剩余的气体尾气和空气混合配置而成。尾气存放在与氧化炉相连的尾气储气罐中，通过尾气压缩机将其抽出，与空气压缩机出来的空气进行混合，通过电动调节阀调节尾气流量和空气流量的大小，使得混合后的气体的氧含量符合工艺生产的要求，然后经过过滤器和干燥机，再通过后面的电动调节阀将流量控制到需要的值，将其通入
34、到氧化炉中。氧化炉中的锌片分三部分进行加热，每个部分温度各不相同，每个部分都有上下两个热电偶检测其温度。锌片被切成规整的小片状放入锅中，再将锅(氧化炉中一共有18个锅)放入氧化炉中进行加热。每个锅并排的放入氧化炉中，通过液压推舟的方式将锅一个一个向前推，每10分钟推一次。出来一锅，再向氧化炉内添加新的一锅，加料方式是靠人工手动操作完成的。如此反复，保证氧化炉氧化加热过程的连续6。图2.l 氧化锌晶须生产工艺流程2.1.1 晶须生长机理过程分析锌蒸气在不同氧化气氛和温度下生成的氧化锌有无定形、颗粒状、单针状、四针状、多针状等五种典型的结晶形貌2。经过大量实验可得：锌蒸气在温度为850，900，9
35、50，980时不同氧化气氛下的a-t曲线。图中N线、O线、F线分别代表氧化气氛为5%O2(体积分数)+N2、12%02(体积分数)+N2、空气，下标1、2、3、4代表4个氧化温度，如图2.2所示。图2.2 锌蒸气在相同温度不同氧化气氛下的a-t曲线(a)：850；(b)：900；(e)：950；(d)：980由上图可以得出以下结论：锌在氧含量为12%（体积分数）的氧化气氛下有较快的转化速度和转化率；温度控制在950左右时，锌蒸气的转化率和转化速度都能达到比较理想的状态。2.1.2 配气过程耦合分析通过工艺介绍可以看出，氧化炉用气的配气过程实质就是两种组分不同的气体相互混合的调合过程，即：流量为
36、Q1、氧含量为C1的空气与流量为Q2、氧含量为C2(其中尾气的氧含量C2是不断变化和不确定的)的尾气相互混合，得到实际生产所需要的流量为Q、氧含量为C的混合气体。混合气体的流量Q和氧含量C都是需要控制的参数，空气流量和尾气流量作为调节手段。它是一个典型的双输入双输出的控制系统，包含氧含量和流量两个控制回路。当调节其中空气的流量时，不仅会影响混合气体的流量，而且会影响其氧含量；同理，当调节尾气的流量时，也会同时影响到混合气体的流量和氧含量。由此可见，两个回路之间是相互关联的，它们之间存在着明显的耦合作用。2.1.3 生产工艺中尾气利用分析利用氧化炉的尾气与空气混合配置氧化炉的用气有两个目的。第一
37、，为了充分利用资源，降低生产成本。第二，为了不使氧化炉内气体压力过大，影响晶须的生长。氧化炉气体压力过大还会导致操作工人在加入新的一锅锌片或者取出已经氧化好的晶须时炉内大量高温气体涌出，危害操作工人的安全，影响整个生产过程的连续。实际生产中不可能保证氧化炉完全密封，因此氧化炉内的气压不能为负压，否则会导致外部的气体进入氧化炉内，改变炉内混合气体的氧含量，破坏生产工艺的要求。这就意味着通过尾气压缩机将氧化炉内多余的气体抽出时流量不能过大，因此要根据实际情况选择合适的压缩机。同时，尾气压缩机在工艺进行过程中不能停止，否则会使得氧化炉的气体不能及时的排出，因此，当尾气压缩机的压力过大时，设置一个电磁
38、阀将尾气压缩机排空，保证其连续不断的运转。2.2 系统控制要求及难点原有的氧化锌晶须生产过程没有引入计算机控制系统（如利用MCGS组态软件进行实时监控），所有参数变量的监测和调节都是人工手动完成，这大大降低了控制精度，并且很多情况下无法让工艺参数稳定在生产工艺所要求的条件下，使得氧化锌晶须的生产过程难以连续进行，产品质量达不到要求。因此，氧化锌晶须自动控制系统主要解决的问题就是稳定生产过程中各个工艺参数值(氧化炉的进气流量和氧含量等)和提高控制精度，从而提高氧化锌晶须的产品品质，获得较好的经济效益。(1)控制要求通过上节对氧化锌晶须生长机理过程的分析可以看出，较高的转化率和较快的转化速度是实际
39、工艺生产过程所希望得到的。图2.2显示了锌蒸气在氧含量为12%(体积分数)的氧化气氛下有较快的转化速度和转化率；温度控制在950左右时，锌蒸气的转化率和转化速度都能达到比较理想的状态。因此在实际生产过程中，将工艺参数中的温度控制在960，误差范围在10以内；混合气体的氧含量控制在13%(体积分数)，误差范围在一个百分点以内；流量稳定控制在4.5m3/h，最大偏差不能低于或超过0.5 m3/h，储气罐的压力控制在5个大气压左右。(2)控制难点在氧化锌晶须生产过程自动控制系统中，氧化炉用气的氧含量和流量的稳定是控制系统的难点所在。氧化炉用气的配置过程实质是空气和尾气(尾气的氧含量还是不断变化而且不
40、确定的)的两者的相互混合的过程，是一个双输入双输出系统，氧含量回路和流量回路之间互相关联，存在严重的耦合，需要对被控对象进行分析，根据已知的数学模型，设计解耦控制器，这样才能消除回路之间的相互影响，使得控制效果达到要求。2.3 系统设计思想及方法对于氧化锌晶须生产过程这样的滞后、敏感系统，减小氧含量的波动、保持流量的稳定对提高氧化锌晶须的质量、获得最大经济效益、实现企业综合自动化具有深远的意义。在氧化锌晶须的生产过程中，工艺参数一般都是恒定不变的，工况不会有很大的变化。因此，采用前馈补偿解耦控制算法来消除配气过程中系统的耦合，主回路采用带死区的增量式PID控制算法。(1)带死区的增量式PID算
41、法随着工业现代化的发展和各种先进技术的广泛应用，工业过程的自动控制理论和技术已有了很大发展。PID(proportional-Integral-Differeniial)控制作为一种传统的控制方法，由于简单、易于实现，并且具有很好的鲁棒性，现场应用效果明显，所以在冶金、机械、化工等行业中得到了广泛应用，尤其适用于可建立精确数学模型的线性定参数系统。PID控制技术是基于反馈控制原理的技术之一，它通过测量被控对象的输出与期望值相比较得到的偏差，经过比例环节(P)、积分环节(I)和微分环节(D)进行线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。离散PID的增量算式相对于位置算式来说，有着不需要给定初始值、
42、可以防止积分饱和等优点。同时，本系统中对于流量的控制在工业生产过程中属于快速变化的系统。为了让系统尽快的稳定而不至于导致振荡状态，同时也防止因电动调节阀过于频繁的调节导致而系统硬件设备使用寿命变短，所以，按照工艺要求的控制精度设置了一个死区。(2)前馈补偿解耦控制算法 解耦控制是控制理论中最早的问题之一，它的设计思想几乎与控制学科同时产生，解耦控制思想最初狭义的提法是不相干控制原则。它是由Roksenbom和Hoodifol提出来的，他们最先将矩阵分析法应用于多变量控制系统分析，分析了有关飞行器控制的问题，即如何通过分别控制燃料与推进器叶片角度来控制飞行器发动机的速度与功率，并使这两个控制系统
43、互不干涉。1964年Morgan在现代控制理论的框架下正式提出了多输入多输出线性系统(MIMO)的输入输出解耦问题，即无交互系统的设计问题。在多变量控制理论和实践中，人们提出了解耦控制问题，即如何通过外部控制手段(如状态反馈)将多变量系统解耦，变成若干个互相独立的单输入单输出(SISO)系统，从而可用单变量控制的各种成熟技术来完成系统的设计。多变量系统的解耦控制可分为四大类：(1)经典解耦控制方法；(2)自适应解耦控制方法；(3)模糊解耦控制方法；(4)反馈线性化解耦控制方法。前馈补偿解耦法属于经典解耦控制方法的一种，它具有系统结构简单、动态偏差小、响应速度快、过渡时间短、容易在计算机上实现等
44、特点，应用于工艺参数基本恒定、变化不大的氧化锌晶须生产过程来说是适合的。2.4 控制系统设计2.4.1 两级计算机控制系统遵循“集中监视，分散控制”的原则，本设计采用两级计算机控制系统。装有MCGS监控软件的PC机为上位机，完成工艺流程的在线监测和控制参数设置以及报警等功能。Siemens S7-300可编程控制器（PLC）为现场控制级，直接与现场设备相连，完成流量、压力和氧含量的采样、操作命令接收和发送、控制算法实现功能。PLC与PC机通过PLC专用的适配器连接，从而实现两者的通讯。PLC（Programmable Logical Controller）称为可编程逻辑控制器，是一种以微处理器
45、为基础，综合了现代计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，由于它拥有体积小、功能能强大、程序设计简单、维护方便等优点，特别是它适应恶劣工业环境的能力和高可靠性，使它的应用越来越广泛，称为现代工业的三大支柱之一（即PLC、机器人和CAD/CAM）。MCGS（Monitor and Control Generated System）的全名为“监视与控制通用系统”。MCGS是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于Microsoft Windows95/98/NT/2000等操作系统。MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口
46、、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性，组成图如图2.3所示。图2.3 MCGS组成结构它为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史曲线处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能，具有操作简单、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性能等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、水处理、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠19。2.4.2 硬件选型及特点2.4.2.1西门子PLCPLC(Programmble Logic Cont
47、roller)是近年来迅速发展并得到广泛应用的新一代工业自动化控制装置。由于具有灵活通用、安全可靠、抗干扰性强、使用方便、维护简单等特点被广泛应用。随着技术的进步，微处理器(Microprocessor Unit，即MPU)获得广泛应用，一些PLC生产厂家开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元，大大加强了PLC的功能，不仅具有逻辑控制功能，而且具有算术运算功能和对模拟量的控制功能。SIMATIC S7-300 PLC作为西门子公司的新一代产品，具有以下特点：S7-300 PLC采用模块化结构，具备高速（0.60.1s）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准
48、用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300 PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能，S7-300 PLC可通过编程软件Step 7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易
