1 引言

    食用糖醇晶體的生產(chǎn)方式是首先經(jīng)過葡萄糖的發(fā)酵形成高濃度糖醇溶液，再根據(jù)溫度跟溶解度的關(guān)系通過精確控制高濃度溶液的溫度變化析出晶體產(chǎn)品。在高濃度溶液的結(jié)晶過程中，析出的晶體的純潔度，顆粒大小與溫度控制效果有直接的關(guān)系，產(chǎn)品質(zhì)量要求實(shí)現(xiàn)溫度精確控制。由于析出晶體的整個周期比較長并且要求溫度的實(shí)時調(diào)控要符合一定的經(jīng)驗(yàn)，采用人工控制的方式盡管可以達(dá)到這一要求，但是冗長的時間檢測，精確的控制是人工所不能達(dá)到的，并且因人工方式調(diào)節(jié)往往帶有很大的誤差，調(diào)節(jié)控制時難以很好的符合降溫的標(biāo)準(zhǔn)。專家系統(tǒng)(Expert System)是人工智能應(yīng)用最廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域之一，是人工智能的研究從面向基本技術(shù)和基本方法的理論研究走向解決實(shí)際問題的具體研究的重要途徑，它能夠自適應(yīng)的管理各受控對象的全面行為，使其滿足預(yù)期要求并且可很好的利用該領(lǐng)域?qū)＜乙延械闹R和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，解決需要人類專家處理的復(fù)雜問題。采用plc為主體的專家控制系統(tǒng)將繁瑣的各個控制過程組合起來，并且將該結(jié)晶的經(jīng)驗(yàn)很好的利用在溫度控制過程中，形成一個智能的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)r晶體生產(chǎn)的實(shí)時監(jiān)控和精確控制。

2結(jié)晶系統(tǒng)和溫度控制硬件設(shè)計

    結(jié)晶系統(tǒng)是由結(jié)晶罐，供水系統(tǒng)以及氣壓系統(tǒng)構(gòu)成，根據(jù)溶液所處的溫度階段需進(jìn)行的不同處理，利用氣壓系統(tǒng)將溶液壓入不同的罐中進(jìn)行溶液處理，并且結(jié)晶罐外壁和內(nèi)部都有進(jìn)行降溫處理的冷卻水螺旋管道。罐中有攪拌器將溶液不停攪拌以防止晶體析出在冷卻水管道外壁上，阻礙結(jié)晶過程繼續(xù)進(jìn)行，但同時要根據(jù)溶液所處階段合理的設(shè)定攪拌的速率，防止晶體的質(zhì)量受到攪拌影響。結(jié)晶罐降溫管道以設(shè)定的速率輸送冷卻水對溶液進(jìn)行降溫，員工用電泵控制冷卻水的流量并根據(jù)罐內(nèi)溶液和冷卻水溫度的差值變化不停的調(diào)整電泵通斷，控制溫度的變化速度。操作人員需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)不斷的調(diào)整冷卻水的變化完成溫度控制，并且因整個結(jié)晶周期比較長，過程繁瑣，操作人員的勞動強(qiáng)度比較大，但效率比較低。因此采用plc專家控制系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制，使其達(dá)到結(jié)晶系統(tǒng)的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

    PLC專家控制系統(tǒng)由pie、變頻器、溫度傳感器和觸摸屏組成。其控制核心為西門子公司的s7—200，硬件主要由電源、CPU226、em231四路模擬單輸入模塊、通信模塊等構(gòu)成。控制系統(tǒng)主要完成模擬信號的采集，觸摸屏通信，專家系統(tǒng)控制邏輯分析，數(shù)字信號輸出，變頻器通信控制等各部分。變頻器接收從PLC發(fā)送通信壽命令完成對電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)將罐內(nèi)溫度和冷卻水進(jìn)出口溫度實(shí)時采集到PLC中，通過專家系統(tǒng)處理生成控制數(shù)據(jù)對變頻器進(jìn)行控制，同時將實(shí)時溫度數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)等各數(shù)據(jù)存觸摸屏上進(jìn)行顯示。控制系統(tǒng)設(shè)置人工模式和專家系統(tǒng)控制模式，并允許通過觸摸屏對系統(tǒng)的一些系數(shù)進(jìn)行記錄和修改保證系統(tǒng)的多用性。

3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

    PLC軟件設(shè)計將系統(tǒng)各個功能模塊化，由于結(jié)晶系統(tǒng)所涉及的參數(shù)較多，把程序分割成數(shù)據(jù)采集子程序，系統(tǒng)啟發(fā)式規(guī)則推理子程序，PLC與變頻器通信子程序，電機(jī)控制子程序自動手動模式切換和安全保護(hù)子程序等各部分方便處理。因?yàn)榻Y(jié)晶系統(tǒng)有高溫、中溫、低溫析出控制罐用來分別處理各階段的溶液用以保證晶體的質(zhì)量，并且系統(tǒng)設(shè)備比較分散，主控制器是采用西門子公司的s7—200cn CPU226處理，因此通過將PLC、觸摸屏、各單獨(dú)的變頻器組成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的方式統(tǒng)一進(jìn)行控制。部分程序設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示，控制系統(tǒng)的核心功能是獲得各控制參數(shù)對電機(jī)進(jìn)行控制。

圖1程序結(jié)構(gòu)圖

4控制流程介紹

    西門子s7—200en CPU226集成24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I／O點(diǎn)?？蛇B接7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I／0點(diǎn)或35路模擬量I／0點(diǎn)。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入／輸出點(diǎn)，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能。能很好的處理一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)，性價比高。PLC與變頻器和觸摸屏通信子程序是軟件設(shè)計的重要部分，對多個變頻器功能號和頻率值的控制、故障問題檢測都采用通信的方式，一根通信電纜一次性的讀取、傳輸變頻器的多組數(shù)據(jù)，減少電氣連線和信號間的干擾問題，保證系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性。CPU226利用2個RS485通信／編程口提供的串行自由口通信解決方案進(jìn)行plc與觸摸屏和多個變頻器，PLC相互之間的通信。自由口通信是根據(jù)智能設(shè)備的通信協(xié)議通過用戶自寫程序控制通信口的操作模式，利用自由口模式可以實(shí)現(xiàn)多設(shè)備的通信連接。該系統(tǒng)通信自由口通信是半雙工串行通訊方式，不能用硬件握手信號作為檢測手段，因此在PLC與變頻器的通信中發(fā)生誤碼或者發(fā)生沖突等通信錯誤將導(dǎo)致PLC控制程序不能正常工作，所以必須對通信進(jìn)行軟件握手，保證發(fā)送方和接收方的傳輸穩(wěn)定。

    CPU226可用數(shù)據(jù)發(fā)送命令xmt和數(shù)據(jù)接收命令rcv進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。PLC與多個變頻器的半雙工通信方式要求通信子程序?yàn)棰賑pu226的一條通信線同時對多個變頻器進(jìn)行控制，在約定時刻只能有一個變頻器處于命令接收或發(fā)送狀態(tài)，PLC發(fā)出通信控制命令之后必須保證變頻器設(shè)備有足夠的時間接收，為此設(shè)定相應(yīng)的發(fā)送和接收緩沖區(qū)，PLC采用定時器脈沖發(fā)送頻率命令，利用端口發(fā)送字符完成中斷程序進(jìn)行變頻器實(shí)時參數(shù)的接收讀取，保證每次接收新數(shù)據(jù)之前，接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)被讀取且應(yīng)該被清零，發(fā)送數(shù)據(jù)也正常。②根據(jù)變頻器設(shè)備的命令字格式進(jìn)行正確的數(shù)據(jù)傳輸格式設(shè)定，保證處于同一條通信線控制的多個變頻器能正常運(yùn)行，同時設(shè)置相應(yīng)的通信狀態(tài)標(biāo)識字，若出現(xiàn)錯誤立即復(fù)位標(biāo)識字進(jìn)行報錯警告，這樣便于通信故障的修改。③發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，確保數(shù)據(jù)發(fā)送接收正確，避免系統(tǒng)誤動作。④通信數(shù)據(jù)進(jìn)行歸并，方便系統(tǒng)啟發(fā)式規(guī)則推理子程序?qū)?shù)據(jù)的處理。

    PLC與觸摸屏的通信采用同樣波特率的串行通信。PLC與各設(shè)備的通信主程序處理流程如圖2所示。由于采用定時器脈沖發(fā)送方式發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完之后觸發(fā)接收中斷子程序接收和處理采集的數(shù)據(jù)，有效的避免了時間溢出等通信錯誤。

    控制數(shù)據(jù)處理基于模型的專家系統(tǒng)理論，構(gòu)建結(jié)晶控制因果模型，根據(jù)有結(jié)晶經(jīng)驗(yàn)的專家的經(jīng)驗(yàn)建立啟發(fā)式知識庫，將啟發(fā)式規(guī)則和因果模型結(jié)合，通過規(guī)則推理，決定何時利用那些元規(guī)則進(jìn)行決策控制?；谀Ｐ偷膶＜蚁到y(tǒng)是關(guān)于人工智能的一個觀點(diǎn)，綜合各種模型的專家系統(tǒng)比基于邏輯心理模型的系統(tǒng)具有更強(qiáng)的功能，有可能顯著改進(jìn)專家系統(tǒng)的設(shè)計，采用基于模型的推理方法是根據(jù)事物內(nèi)部規(guī)律的客觀世界的模型進(jìn)行推理，運(yùn)用已知可利用的模型，可以表示系統(tǒng)部件／整體的關(guān)系的結(jié)構(gòu)，表示各部件的因果關(guān)系等?；谀Ｐ偷膶＜蚁到y(tǒng)的特點(diǎn)是，利用啟發(fā)式規(guī)則和因果模型，用規(guī)則形式表示啟發(fā)性知識，用元規(guī)則表示控制知識，決定何時利用哪些規(guī)則進(jìn)行規(guī)則推理。運(yùn)用啟發(fā)式規(guī)則推理為淺層推理，基于模型的推理為深層推理，淺層推理運(yùn)用專家的經(jīng)驗(yàn)，推理效率高，但解決問題的能力較低；深層推理由于接觸了事物的本質(zhì)內(nèi)容，解決問題的能力強(qiáng)，但推理效率較低，把淺層推理和深層推理結(jié)合起來的系統(tǒng)，可以很好的取各自的長處，使專家系統(tǒng)更加合理。

圖2通信流程圖