制药车间温湿度智能控制系统的设计及研究
摘要
在分析固体口服制剂车间(以下简称固体车间)空调系统控制要求以及目前还存在的问题的基础上,给出了固体车间温湿度控制系统的总体设计方案。它采用PLC控制技术完成系统的控制要求,并通过两级分布式计算机监控系统实现远程监控和集中管理。考虑到固体车间所需检测的温/湿度点数较多,为了提高数据传送的可靠性,降低系统的改造成本,提出采用“ITU总线”数字式温湿度传感器LTM-8901来实现空调系统温湿度的测量。
由于固体车间温湿度控制系统具有大惯性、大滞后、参数不确定等特点,重点研究了模糊PID算法和预估补偿算法在温度控制系统中的应用。通过仿真分析表明所设计的预估模糊PID控制器具有较好的动、稳态性能,且对系统参数的变化具有较强的鲁棒性。由于对湿度控制精度的要求不高,为了充分利用原有的除湿设备,湿度控制采用PWM控制方式。
控制系统软件的设计分为上位机监控软件和下位机PLC控制程序两部分,分别采用组态王6.5组态软件和Step7-Micro/WIN32 V3.2程序设计软件来实现。其中,上位机监控软件由多个界面组成,能实时监控空调系统的运行状态,并能方便地设定各项参数。
On the basis of analyzing the control requirement and the inside problems of the air conditioner system in the solid oral preparation workshop (it is called The Solid Workshop for short below), the thesis has established a general design scheme of temperature & humidity control system. The scheme adopts the PLC control technique to achieve the requirement, and realizing the remote monitoring and central managements by two layers distributed computer monitor system. In considering of so many temperature and humidity spots need to be tested in the Solid Workshop, the scheme propose the way in using digital temperature & humidity sensor LTM-8901 with "ITU BUS" technology to improve the reliability during the data transmission and lower the cost in the system transformation.
Since the temperature and humidity control system in The Solid Workshop has the characteristics of large inertia, large delay, and uncertain parameter, the utilization of the fuzzy-PID arithmetic and the predictive compensation arithmetic in the temperature control system is mainly researched in the thesis. The results by simulation research indicate that the fuzzy-PID controller with predictive model designed has better dynamics & stable state performance and even stronger robustness when the systematic parameter changes. Since it is not necessary for the high precision in humidity control, PWM is adopted, thus the original dehumidified equipment can be thoroughly used.
The control system software is designed into two parts which are the PC monitor software and the PLC control programs, by using King View 6.5 configuration software and Step7-Micro/ WIN32 V3.2 program designing software separately. The PC monitor software consists of multi-interfaces. It can monitor the operating states of the air conditioner system in real time, and set every parameter conveniently.
由于固体车间温湿度控制系统具有大惯性、大滞后、参数不确定等特点,重点研究了模糊PID算法和预估补偿算法在温度控制系统中的应用。通过仿真分析表明所设计的预估模糊PID控制器具有较好的动、稳态性能,且对系统参数的变化具有较强的鲁棒性。由于对湿度控制精度的要求不高,为了充分利用原有的除湿设备,湿度控制采用PWM控制方式。
控制系统软件的设计分为上位机监控软件和下位机PLC控制程序两部分,分别采用组态王6.5组态软件和Step7-Micro/WIN32 V3.2程序设计软件来实现。其中,上位机监控软件由多个界面组成,能实时监控空调系统的运行状态,并能方便地设定各项参数。
On the basis of analyzing the control requirement and the inside problems of the air conditioner system in the solid oral preparation workshop (it is called The Solid Workshop for short below), the thesis has established a general design scheme of temperature & humidity control system. The scheme adopts the PLC control technique to achieve the requirement, and realizing the remote monitoring and central managements by two layers distributed computer monitor system. In considering of so many temperature and humidity spots need to be tested in the Solid Workshop, the scheme propose the way in using digital temperature & humidity sensor LTM-8901 with "ITU BUS" technology to improve the reliability during the data transmission and lower the cost in the system transformation.
Since the temperature and humidity control system in The Solid Workshop has the characteristics of large inertia, large delay, and uncertain parameter, the utilization of the fuzzy-PID arithmetic and the predictive compensation arithmetic in the temperature control system is mainly researched in the thesis. The results by simulation research indicate that the fuzzy-PID controller with predictive model designed has better dynamics & stable state performance and even stronger robustness when the systematic parameter changes. Since it is not necessary for the high precision in humidity control, PWM is adopted, thus the original dehumidified equipment can be thoroughly used.
The control system software is designed into two parts which are the PC monitor software and the PLC control programs, by using King View 6.5 configuration software and Step7-Micro/ WIN32 V3.2 program designing software separately. The PC monitor software consists of multi-interfaces. It can monitor the operating states of the air conditioner system in real time, and set every parameter conveniently.
引文
[1]刘瑞霞,王玲,王永新.洁净室的温湿度控制设计.动化仪表,2005,26(8):19-21
[2]吴为民,王仁丽.温度控制系统的发展概况.工业炉,2002,24(2):18-20
[3]胡守仁.神经网络应用技术.长沙:国防科技大学出版社,1993.75-81
[4]陶永华.新型PID控制及其应用.北京:机械工业出版社,2002.117-141
[5]Tjoko S,Shah S L.Adaptive PID Control.Proceedings of the 1985 American Control Conference.1985:1528-1534
[6]陶永华.自适应PID控制.工业仪表与自动化装置,1997(5):50-53
[7]罗安,路甬祥.专家PID控制器及应用.信息与控制,1992,21(3):151-155
[8]郁桂林.智能控制在洁净室环境控制中的应用:[硕士学位论文].上海:上海交通大学,2006
[9]Wang xiaoJuan,cleanroom temperature and humidity system design.Air conditioning,2000(3):73-76
[10]郑忠俊,邓金权,甘辉.一种温湿度计算机自动控制系统.计算机应用,2002,22(1):75-77
[11]李玮.大联合车间恒温自动控制系统的设计与应用:[硕士学位论文].昆明:昆明理工大学,2005
[12]LTM8000用户手册V103
[13]杨瑞虹.药物制剂技术与设备.北京:化学工业出版社,2005.37-56
[14]张绪桥.药物制剂设备与车间工艺设计.北京:中国医药科技出版社,2002.54-66
[15]刘均.基于PROFIBUS的污水处理厂自动控制系统的研究:[硕士学位论文].杭州:浙江工业大学,2007
[16]顾洪军.工业企业网与现场总线.北京:人民邮电出版社,2002.15-18
[17]阳宪惠.工业数据通信与控制网络.北京:清华大学出版社,2003.13-14
[18]深入浅出西门子S7-300PLC.北京:北京航空航天大学出版社,2004.191-199
[19]张咏梅.退火炉PLC控制系统的设计:[硕士学位论文].重庆:重庆大学,2006
[20]Fieldbus Foundation.Technical Overview,1996.147-151
[21]刘伟洲.基于现场总线的智能远程监控供水系统的研究:[硕士学位论文].济南:山东大学,2005
[22]SIEMENS Inc.PROFIBUS Specification EN50170 Volum2.Germany:SIEMENS Inc,1998.156-160
[23]SIEMENS Inc.PROFIBUS Specification.Edition 1.0.Germany:SIEMENS Inc,1998.255-256
[24]SIEMENS Inc.COM PROFIBUS Manual.Germany:SIEMENS Inc,1999.24-42
[25]Benth Verlag GmbH.Profibus- DP Standard,Translation of the German National Standard DIN 19245 part 3,1997.321-325
[26]马建文.Profibus-DP总线技术在污水处理厂的应用.甘肃科技,2006,22(1):61-63
[27]何志刚.基于现场总线的污水处理自动控制系统的研究:[硕士学位论文].镇江:江苏大学,2005
[28]廖常初.大中型PLC应用教程.北京:机械工业出版社,2006.221-230
[29]李志刚,阳春华.现场总线网络控制实验室的设计及应用.自动化与仪表,2006(1):30-33
[30]张施磊.低压真空烧结炉自动控制系统研究与设计:[硕士学位论文].重庆:重庆大学,2006
[31]SIEMENS Inc.S7-300 Programmable Controller Hardware and Installation Manual.eBook Edition 1.1.Germany:SIEMENS Inc,1999.68-75
[32]SIEMENS Inc.System Software for S7-300 and S7-400 System and Standard Functions Reference Manual.Germany:SIEMENS Inc,1998.230-250
[33]Siemens AG Configuring Hardware and Communication Connections STEP 7 V5.2 SIMATIC Documentation Edition,2002.189-217
[34]李汉军.基于PROFIBUS现场总线的污水处理自动控制系统:[硕士学位论文].长沙:湖南大学,2004
[35]SIEMENS Inc.STEP 7 V5.3.Germany:SIEMENS Inc,2005.42-45
[36]刘长义.自动化先进控制实验室现场总线系统的研究与设计:[硕士学位论文].长沙:中南大学,2004
[37]张全军.片剂生产实施GMP的硬件和软件要求.医药工程设计,2002,23(3):26-28
[38]张长银.固体制剂车间工艺设计的要求和措施.医药工程设计,2003, 24(3):23-30
[39]翁根春.LWG炉自动控制系统及智能控制:[硕士学位论文].西安:西安建筑科技大学,2003
[40]章爱国,杨向忠.模糊控制理论与应用.西安:西北工业大学出版社,2001.1-7
[41]焦连渤,沈东凯.模糊PID控制在温湿度控制系统中的应用.南京航空航天大学学报,1998,30(4):437-442
[42]沈东凯.智能温湿度控制系统的设计与实现:[硕士学位论文].南京:南京航空航天大学,1997
[43]夏一翔.智能控制在纯滞后系统中的应用研究:[硕士学位论文].长沙:湖南大学,2002
[44]涂植英,朱麟章.过程控制系统.北京:机械工业出版社,2001.77-78
[45]秦业.微型电热锅炉控制系统实验装置:[硕士学位论文].长沙:中南大学,2005
[46]胡玲艳.42m卧式退火炉PID-模糊控制系统在PLC环境下的设计与开发:[硕士学位论文].大连:大连海事大学,2004
[47]Tong,R.M.Some properties of fuzzy feedback systems.IEEE Traps.Syst.Man Cybern,1998(10):327-330
[48]Kickert,W.J.M.and Matndani,E.H.Analysis of a fuzzy logic controller.Fuzzy Sets and Systems,1998(1):29-32
[49]Yi A Y,Chang M J.A robust fuzzy logic controller for robot manipulators with uncertainties.IEEE Trans SMC,1997,27(4):706-713
[50]郑文杰,张习睿.模糊控制理论的特点及发展.焦作大学学报,2006(1):51-53
[51]Stenfan.Design of fuzzy PID.Control Engineering Practice,2003,10(6):127-130
[52]陈红桂.交联电力电缆生产线监控系统的研制与开发:[硕士学位论文].南京:东南大学,2006
[53]刘芬,申群太.制粒湿度模糊白整定PID串级控制.电气传动,2006,36(10):37-39
[54]周海君.模糊控制算法在造纸过程中的应用研究:[硕士学位论文].西安:陕西科技大学,2006
[55]王春归.31m大型立式挤压淬火炉温度智能控制系统:[硕士学位论文].长沙:中南大学,2004
[56]陈琳.110T铜转炉生产过程余热锅炉水位控制系统:[硕士学位论文].长沙:中南大学,2004
[57]Zhang jianfeng.Application of MATLAB on Fuzzy control simulation.Automation,2002(6):87-91
[58]李国勇.智能控制及其MATLAB实现.北京:电子工业出版社,2005.232-261
[59]王翔.车牌半成品自动生产线的反光膜卷张力模糊控制研究及网络控制系统设计:[硕士学位论文].广州:广东工业大学,2004
[60]SIEMENS Inc.S7-200 Programmable Controller System Manual Book.Germany:SIEMENS Ine,2000.A-46-A-48
[61]SIEMENS Inc.STEP 7 User Manual.Germany:SIEMENS Inc,1998.42-45
[62]王永华.现代电气及可编程控制技术.北京:北京航空航天大学出版社,2002.226-230
[63]吴戈.PLC恒压供水系统的研究:[硕士学位论文].长春:长春理工大学,2003
[64]李卫平.基于模糊控制的分布式泵站监控系统研究:[硕士学位论文].西安:西安建筑科技大学,2004
[65]组态王6.53使用手册,2005
[66]张远,罗大庸,揭屿.基于信息融合技术和DSP实现的温湿度控制系统设计.湘潭大学自然科学学报,2002,24(2):76-79
[67]周杰,朱允民,宋恩彬.传感器网络中信息融合的几个基本问题.信息与控制,2006,35(2):206-215
[2]吴为民,王仁丽.温度控制系统的发展概况.工业炉,2002,24(2):18-20
[3]胡守仁.神经网络应用技术.长沙:国防科技大学出版社,1993.75-81
[4]陶永华.新型PID控制及其应用.北京:机械工业出版社,2002.117-141
[5]Tjoko S,Shah S L.Adaptive PID Control.Proceedings of the 1985 American Control Conference.1985:1528-1534
[6]陶永华.自适应PID控制.工业仪表与自动化装置,1997(5):50-53
[7]罗安,路甬祥.专家PID控制器及应用.信息与控制,1992,21(3):151-155
[8]郁桂林.智能控制在洁净室环境控制中的应用:[硕士学位论文].上海:上海交通大学,2006
[9]Wang xiaoJuan,cleanroom temperature and humidity system design.Air conditioning,2000(3):73-76
[10]郑忠俊,邓金权,甘辉.一种温湿度计算机自动控制系统.计算机应用,2002,22(1):75-77
[11]李玮.大联合车间恒温自动控制系统的设计与应用:[硕士学位论文].昆明:昆明理工大学,2005
[12]LTM8000用户手册V103
[13]杨瑞虹.药物制剂技术与设备.北京:化学工业出版社,2005.37-56
[14]张绪桥.药物制剂设备与车间工艺设计.北京:中国医药科技出版社,2002.54-66
[15]刘均.基于PROFIBUS的污水处理厂自动控制系统的研究:[硕士学位论文].杭州:浙江工业大学,2007
[16]顾洪军.工业企业网与现场总线.北京:人民邮电出版社,2002.15-18
[17]阳宪惠.工业数据通信与控制网络.北京:清华大学出版社,2003.13-14
[18]深入浅出西门子S7-300PLC.北京:北京航空航天大学出版社,2004.191-199
[19]张咏梅.退火炉PLC控制系统的设计:[硕士学位论文].重庆:重庆大学,2006
[20]Fieldbus Foundation.Technical Overview,1996.147-151
[21]刘伟洲.基于现场总线的智能远程监控供水系统的研究:[硕士学位论文].济南:山东大学,2005
[22]SIEMENS Inc.PROFIBUS Specification EN50170 Volum2.Germany:SIEMENS Inc,1998.156-160
[23]SIEMENS Inc.PROFIBUS Specification.Edition 1.0.Germany:SIEMENS Inc,1998.255-256
[24]SIEMENS Inc.COM PROFIBUS Manual.Germany:SIEMENS Inc,1999.24-42
[25]Benth Verlag GmbH.Profibus- DP Standard,Translation of the German National Standard DIN 19245 part 3,1997.321-325
[26]马建文.Profibus-DP总线技术在污水处理厂的应用.甘肃科技,2006,22(1):61-63
[27]何志刚.基于现场总线的污水处理自动控制系统的研究:[硕士学位论文].镇江:江苏大学,2005
[28]廖常初.大中型PLC应用教程.北京:机械工业出版社,2006.221-230
[29]李志刚,阳春华.现场总线网络控制实验室的设计及应用.自动化与仪表,2006(1):30-33
[30]张施磊.低压真空烧结炉自动控制系统研究与设计:[硕士学位论文].重庆:重庆大学,2006
[31]SIEMENS Inc.S7-300 Programmable Controller Hardware and Installation Manual.eBook Edition 1.1.Germany:SIEMENS Inc,1999.68-75
[32]SIEMENS Inc.System Software for S7-300 and S7-400 System and Standard Functions Reference Manual.Germany:SIEMENS Inc,1998.230-250
[33]Siemens AG Configuring Hardware and Communication Connections STEP 7 V5.2 SIMATIC Documentation Edition,2002.189-217
[34]李汉军.基于PROFIBUS现场总线的污水处理自动控制系统:[硕士学位论文].长沙:湖南大学,2004
[35]SIEMENS Inc.STEP 7 V5.3.Germany:SIEMENS Inc,2005.42-45
[36]刘长义.自动化先进控制实验室现场总线系统的研究与设计:[硕士学位论文].长沙:中南大学,2004
[37]张全军.片剂生产实施GMP的硬件和软件要求.医药工程设计,2002,23(3):26-28
[38]张长银.固体制剂车间工艺设计的要求和措施.医药工程设计,2003, 24(3):23-30
[39]翁根春.LWG炉自动控制系统及智能控制:[硕士学位论文].西安:西安建筑科技大学,2003
[40]章爱国,杨向忠.模糊控制理论与应用.西安:西北工业大学出版社,2001.1-7
[41]焦连渤,沈东凯.模糊PID控制在温湿度控制系统中的应用.南京航空航天大学学报,1998,30(4):437-442
[42]沈东凯.智能温湿度控制系统的设计与实现:[硕士学位论文].南京:南京航空航天大学,1997
[43]夏一翔.智能控制在纯滞后系统中的应用研究:[硕士学位论文].长沙:湖南大学,2002
[44]涂植英,朱麟章.过程控制系统.北京:机械工业出版社,2001.77-78
[45]秦业.微型电热锅炉控制系统实验装置:[硕士学位论文].长沙:中南大学,2005
[46]胡玲艳.42m卧式退火炉PID-模糊控制系统在PLC环境下的设计与开发:[硕士学位论文].大连:大连海事大学,2004
[47]Tong,R.M.Some properties of fuzzy feedback systems.IEEE Traps.Syst.Man Cybern,1998(10):327-330
[48]Kickert,W.J.M.and Matndani,E.H.Analysis of a fuzzy logic controller.Fuzzy Sets and Systems,1998(1):29-32
[49]Yi A Y,Chang M J.A robust fuzzy logic controller for robot manipulators with uncertainties.IEEE Trans SMC,1997,27(4):706-713
[50]郑文杰,张习睿.模糊控制理论的特点及发展.焦作大学学报,2006(1):51-53
[51]Stenfan.Design of fuzzy PID.Control Engineering Practice,2003,10(6):127-130
[52]陈红桂.交联电力电缆生产线监控系统的研制与开发:[硕士学位论文].南京:东南大学,2006
[53]刘芬,申群太.制粒湿度模糊白整定PID串级控制.电气传动,2006,36(10):37-39
[54]周海君.模糊控制算法在造纸过程中的应用研究:[硕士学位论文].西安:陕西科技大学,2006
[55]王春归.31m大型立式挤压淬火炉温度智能控制系统:[硕士学位论文].长沙:中南大学,2004
[56]陈琳.110T铜转炉生产过程余热锅炉水位控制系统:[硕士学位论文].长沙:中南大学,2004
[57]Zhang jianfeng.Application of MATLAB on Fuzzy control simulation.Automation,2002(6):87-91
[58]李国勇.智能控制及其MATLAB实现.北京:电子工业出版社,2005.232-261
[59]王翔.车牌半成品自动生产线的反光膜卷张力模糊控制研究及网络控制系统设计:[硕士学位论文].广州:广东工业大学,2004
[60]SIEMENS Inc.S7-200 Programmable Controller System Manual Book.Germany:SIEMENS Ine,2000.A-46-A-48
[61]SIEMENS Inc.STEP 7 User Manual.Germany:SIEMENS Inc,1998.42-45
[62]王永华.现代电气及可编程控制技术.北京:北京航空航天大学出版社,2002.226-230
[63]吴戈.PLC恒压供水系统的研究:[硕士学位论文].长春:长春理工大学,2003
[64]李卫平.基于模糊控制的分布式泵站监控系统研究:[硕士学位论文].西安:西安建筑科技大学,2004
[65]组态王6.53使用手册,2005
[66]张远,罗大庸,揭屿.基于信息融合技术和DSP实现的温湿度控制系统设计.湘潭大学自然科学学报,2002,24(2):76-79
[67]周杰,朱允民,宋恩彬.传感器网络中信息融合的几个基本问题.信息与控制,2006,35(2):206-215