（机械电子工程专业论文）基于plc和组态软件的中频热压机控制系统设计.pdf

沈阳理一 大学硕士学位论文 摘要 热压烧结是生产硬质合金的重要工序。中频热压机在加热加压过程中，需要 对压坯进行升温加压，保温保压，降温泄压等工序，而且不同的压坯在不同的时 段所需的压力和温度不同。压力和温度是影响产品质量和性能的主要因素，也是 评价热压设备的标准。每个压坯都有适合自己的最佳温度、压力曲线。因此，运 用合理的加热加压方式和控制方法，对保证温度和压力控制精度以及提高产品质 量具有重要的研究价值和实践意义。 本文根据热压工艺要求设备具有快速响应和较高的计算能力，同时系统具有 非线性和存在时变性等特点，用p l c 和组态监控对热压机的实时控制进行了研究 与设计。文中分析和总结了国内热压烧结机的控制方法，以及模糊控制在非线性 系统的有效性，提出了应用西门子$ 7 - 3 0 0p l c 设计模糊p i d 控制器的设想和实施 方案；选择中频电源感应加热方式控制温度，采用比例阀控制压力，通过对中频 电源和比例阀的控制，实现温度和压力的实时调节；利用上位机组态软件与p l c 实时通讯，将某一压坯所需的温度曲线和压力曲线数据及时传送到p l c ，同时在上 位机中建立主控画面，在线监控中频热压机的工作状态，进行不同热压材料温控 曲线或压力曲线的参数输入和存取，实时工况的在线显示，实现人机交互。通过 系统上下位机的通讯调试和运行，证明设计方案是有效的。 关键字：p l c ；组态；模糊p i d ：温度；压力 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t h o t - p r e s s i n gs i n t e r i n g i st h e i m p o r t a n tp r o c e s s i nm a n u f a c t u r i n gc e m e n t e d c a r b i d e i n t e r m e d i a t e - f r e q u e n c yh o t p r e s s i n gm a c h i n ei nt h eh e a t i n g - p r e s s i n gp r o c e s s n e e d sh e a t i n gu pa n dp r e s s i n g , t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ep r e s e r v a t i o n , c o o l i n ga n d p r e s s u r el o w e r i n gw o r k i n gp r o c e d u r et o b i l l e t d i f f e r e n tb i l l e t sn e e df o rd i f f e r e n t p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ei n d i f f e r e n tt i m e p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ea r e t h em a i n f a c t o r sa f f e c t i n gp r o d u c tq u a l i t ya n dp r o p e r t y , b u ta l s os t a n d a r d sf o rh o t p r e s s i n g a p p l i a n c ea p p r a i s e d e a c hp r e s s u r e - b i l l e th a si t s o w n o p t i m u mt e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e c u r v e t h e r e f o r e , r e a s o n a b l ei , l $ eo fh e a t i n g - p r e s s u r ea p p r o a c ha n dc o n t r o lm e t h o d ， e n s u r et h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ec o n t r o lp r e c i s i o na n di m p r o v ep r o d u c tq u a l i t yt h a t h a v et h ei m p o r t a n tr e s e a r c hv a l u ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e a c c o r d i n gt oh o t - p r e s s i n gp r o c e s sr e q u i r e m e n t se q u i p m e n tt h a th a sf a s tr e s p o n s e a n dh i g hc o m p u t a t i o na b i l i t y , a n dt h es y s t e mw i t hn o n - l i n e a ra n de x i s t i n gt i m e - v a r y i n g c h a r a c t e r i s t i c s ，a p p l yw i t hp l c a n dc o n f i g u r a t i o nc o n t r o lo nt h e r m a l - p r e s s i n gm a c h i n e r e a l t i m ec o n t r o lf o rr e s e a r c ha n dd e s i g n t h ep a p e ra n a l y z e sa n ds u m m a r i z e st h e d o m e s t i ch o t - p r e s s i n gs i n t e r i n gm a c h i n ec o n t r o lm e t h o d s ，a n dt h ef u z z y - c o n t r o li n n o n - l i n e a rs y s t e m ，a n dt h e np u t sf o r w a r dc o n c e p t i o no ft h ea p p l i c a t i o no fs i e m e n s s 7 - 3 0 0p l ct o d e s i g n f e a s i b l es c h e m eo f f u z z y - p i dc o n t r o l l e r , c h o o s e i n t e r m e d i a t e f r e q u e n c yi n d u c t i v ep o w e rh e a t i n gm e a n st oc o n t r o lt e m p e r a t u r e a n d p r o p o r t i o n a l v a l v et oc o n t r o lp r e s s u r e t h r o u g ht h ei n t e r m e d i a t e f r e q u e n c yp o w e r h e a t i n ga n dp r o p o r t i o n a lv a l v ec o n t r o l ，i m p l e m e n t t h er e a l - t i m et e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r er e g u l a t i o n u s i n gu p p e rc o m p u t e rc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n dp l cr e a l - t i m e c o m m u n i c a t i o n ，t r a n s f e rt h er e q u i r e dt e m p e r a t u r ec u r v ea n dt h ep r e s s u r ee l i v ed a t ao f o n eb i l l e tt i m e l yt op l c ，s i m u l t a n e o u s l yc r e a t em a i n c o n t r o l l i n gs c r e e n i nt h eu p p e r p cf o ro n 1 i n em o n i t o r i n gt h ei n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yt h e r m a l p r e s s i n g m a c h i n e w o r k i n gc o n d i t i o n ，h a v ep a r a m e t e r so ft e m p e r a t u r ec u r v e o rp r e s s u r ec u r v eo fd i f f e r e n t 沈阳理_ 亡大学硕十学位论文 h o t 。p r e s s i n gm a t e r i a l sa c c e s s e d ，o n l i n es h o w so fr e a l t i m ew o r k i n gc o n d i t i o n ，r e a l i z e h u m a n m a c h i n ei n t e r a c t i o n t h r o u g hd e b u g g i n ga n do p e r a t i n gt h es y s t e mb e t w e e n p c p l cc o m m u n i c a t i o na n dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，i tp r o v e st h ed e s i g ns c h e m ew h i c h i se f f i c i e n ta n dr e a c ht h ee x p e c t i n gt a r g e t k e y w o r d s ：p l c ；c o n f i g u r a t i o n ；f u z z y - p i d ；t e m p e r a t u r e ；p r e s s u r e 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 中频热压机的工作原理 中频热压机又称中频热压烧结机，主要由中频电源、液压站、计算机主控系 统等组成。应用中频感应加热方式，将粉末压坯置于感应磁场中，在交变磁场中 产生电涡流，将电能传化成热能进行加热，上升到一定温度后( 一般为几百到几 千摄氏度) ，再进行加压( 几十兆帕到几百兆帕) 。目的是使多孔的粉末压坯变为 具有一定的组织和性能的合金制品。在加热加压的过程中，对温度和压力按照预 置的温度压力曲线进行动态控制，完成多段升温加压，保温保压，降温泄压过程。 温度压力的控制精度能直接影响到产品的质量和性能。因此，温度和压力的控制 是中频热压机控制系统的关键。 1 2 感应加热的基本理论 根据f a r a d y ( 法拉第) 电磁感应定律：在一个电路围绕的区域内存在交变磁场 时，电路两端就会产生感生电动势；如果电路闭合时则会产生电流。这个定律就 是感应加热的理论基础。感应加热在现今工业生产领域有着广泛应用。 导体回路感应加热是利用处在交变磁场中的导体内产生的涡流作用于闭合的 导体回路引起热效应，在较短的时间内产生热能，以此来对金属表面或整体进行 加热。在导体中流过电流时，导体周围产生磁场。当通过的电流为直流时，产生 的磁场不变，不影响导体的导电性能；如果是通入交流电流，则会产生交变磁场。 若将金属材料放在高频磁场中，会产生高频涡流，使材料迅速发热n 儿2 儿3 1 。 感应加热的原理图如图1 1 所示， i 盔 图1 1 感应加热原理 沈阳理t 大学硕士学位论文 在图i 1 中，当感应线圈中通以交变电流f 时，由电磁感应定律，线圈内部 会产生相同频率的交变磁通缈，交变磁通会在金属工件中产生感应电势e 。根据 电磁感应方程式，感应电动势表示如下： p = 一n 盟 dt 式中：n 线圈匝数，以； 缈磁通量，w b ： p 感应电动势，矿。 负号表示感应电动势是试图阻止磁通变化的。 假设磁通量是正弦规律缈= 巾ms i n c o t 的交变磁场，则感应电动势的大小为： p = 鲁= m 一。s 缈f 2 ， 感应电动势有效值为： e = 型警“4 4 n f 埘( i - 3 ) 2 ” 式中：厂交变电流的频率；h z 在金属导体横截面内产生的涡流0 与感应电动势和涡流回路的阻抗z 相关： 。= 导= 南 式中：r 涡流回路等效电阻，q ： 置涡流回路等效的感抗，q ； ( 1 - 4 ) 电磁感应加热通过感应线圈把电能传递给加热体，感应线圈与被加热工件并 不直接接触。能量通过电磁感应传递，故感应加热属于非接触式工件加热。设感 应电动势在工件中产生感应涡流为f ，由焦耳定律： 第1 章绪论 其焦耳热公式为： q = 0 2 4 1 2 r t 式中：a 感应电流通过电阻产生的焦耳热，j ： ( 1 - 5 ) 感应电流有效值，彳： 尺工件的等效电阻，q ； t 工件通电加热时间，s 。 由式( 1 - 4 ) 和式( 1 - 5 ) 得： p = 。2 4 ，厂2 尺= 1 2 专簪 ( 一6 ) 式中：p 涡流作用在加热工件上产生的热量，； ，涡流有效值；彳。 电磁感应加热实际是电磁感应生热传导的过程，起主要作用的是电磁感应生 热。热传导过程中所传递的热量由感应加热过程中的涡流功率提供。在工件内部， 电能又转变为热能。 1 3 被感应加热体的吸收功率计算 ( 1 ) 感应加热的通入深度 导体在感应电流的作用下，电流分布呈集肤效应n3 ，这种分布会以表面最强， 从径向从外到晕按指数函数方式减小，这种电流不均匀分布的现象，随电流频率 升高而更加显著，电流透入深度与频率的关系可表示为： 。 1 d = 2 x 式中：万电流分布带的宽度，c m ： p 金属的电阻率，q c m ； 从导体的相对导磁率； 厂电流频率，h z 。 ( 1 - 7 ) 沈阳理 大学硕t 学位论文 万是电流密度降为表面电流密度的1 e ( 艮p 3 6 8 ) 处的深度，将此定义为电 流透入深度。在电流透入深度的范围内吸收的功率，设被加热金属吸收的是总功 率的8 6 5 ，因此，万成为选择加热电流频率的重要参数。在工业电感应加热中， 常用铜质管绕制感应线圈。 ( 2 ) 感应加热吸收功率的计算 电源频率可从几十h z 到几m h z 。选择频率的最重要的依据是加热效率和温度 分布。 单位长圆柱体的被加热金属吸收的功率可用下式近似的表示： p = 2 n 2h 亳d 心“r p fx 1 0 。k ( 1 - 8 ) 式中： p 单位长圆柱吸收的功率，形么二； 风导体表面的平均磁场强度，么7 二； d 圆柱导体的直径，c m ； 以导体的相对磁导率； p 金属的电阻率，q 硎； 流过线圈的电流频率，h z ： 后小于1 的修正系数，它是d 2 2 8 的函数。 上式说明： k 值越接近l ，得到的p 就越大，即加热效率越高。为了提高效率，就必须增大 艿。一般用艿= 5 作为极限来计算感应加热的最低工作频率。即： 佯5 1 0 8 右 9 ， 由式1 - 9 ，感应加热的最低频率与热压模具直径的平方成反比。 1 4 中频电源的控制原理和调节方式 中频电源的主电路是由整流器、滤波电路、逆变器、负载组成，如图1 2 所示。 整流器在控制系统的作用下将3 8 0 v 的三相工频交流电经过整流变成直流电，直流 再经过滤波，送到逆变器。逆变器是感应加热装置中不可缺少的组成部分，其工 第1 章绪论 作频率和输出功率决定了装置的频率和功率。 三相交流电源整流滤波 逆变 加热负载 图1 2 中频感应加热控制原理图 在感应加热中，中频电流通过感应线圈把能量输送给负载，而感应线圈往往 是逆变器中的组成部件。实际生产中，为了提高功率因数，需要由补偿电容器向 感应加热线圈提供无功能量。因电容器与感应线圈的连接方式不同，构成了性能 差异的各种逆变器。在本课题的研究中，对温度的调节是通过调节中频加热电源 的方式。即：根据设定的温度值，通过反馈对中频电源的功率调节来控制加热温 度以及加热功率。 1 5 中频感应加热电源控制方法 中频感应加热电源系统璐的控制电路经历了由模拟控制到数字控制、计算机网 络控制；由定时控制到实时在线控制；由硬件一对一的装置控制到软件一对多的 装置控制的发展。对于较大的感应加热装置或者复杂的加热系统则常采用p l c 、d s p 或计算机网络构成的计算机网络化控制。随着电力电子技术和控制技术的发展， 也逐渐将现代控制理论引入到在感应加热电源的控制领域装置中去，为控制方法 提供更加广阔的发展空间。 对于中频感应加热电源，目前控制方式大多为模拟控制电路。但是模拟控制 电路存在着一些明显的缺点，比如：触点多，可靠性低，对一些元件的工艺性要 求高。由于采用的是模拟器件，电路一旦成品，元件的参数就不能再进行修改， 灵活性不高。而数字控制系统在这些方面就显得较先进、灵活，修改参数很方便。 在保证程序可靠的前提下，运行要比模拟系统可靠，反而成本相对较低。但是在 沈阳理一 大学硕十学位论文 控制上，大量采用的是歼环控制或简单的限流限压单闭环控制方式，动态响应较 慢，超调量大，稳定性较差，而且不能克服电网波动和负载扰动的影响，大大降 低了感应加热电源的可靠性，影响了其运行性能。 由p l c 、单片机、d s p 等微处理器控制的闭环控制系统，较易采集现场的电压、 电流、频率、温度等物理信号，并可以根据这些原始采集值计算出功率、相位角、 功率因数、能耗等实际数据。在这些数据的基础上，可实现控制数据的数字显示， 便于监视；并且可以利用这些数据，通过设计或者系统的改型，实现比较复杂的 闭环控制，如电流闭环控制、功率闭环控制、温度闭环控制等。视实际情况需要 而定。而且，这类闭环控制系统利用微处理器的独特运算功能，能在事先设定的 条件下，实现复杂加工工艺和生产控制，极大地提高了控制的灵活性。 在本课题中，采用的是可编程逻辑控制器对中频电源闭环控制。如图1 3 所示： 圈日匿 图1 3 中频热压机温度控制原理框图 1 6 中频热压机的压力控制 中频热压机的压力控制，也是本课题设计的重点，在前文已经提及，压力也 是影响热压烧结产品质量的重要因素之一。在本文压力控制系统的设计中，考虑 到中频热压机在工作过程中压力控制的特性，决定采用电液比例控制方法，利用 比例压力阀系统调节压力。电液系统调节压力时，通过p l c 程序对系统压力进行控 制。 1 6 1 液压系统 液压系统的主要组成1 ： 一6 一 第1 章绪论 ( 1 ) 动力装置。向液压系统提供具有一定压力的液体流量，它将原动机输入 给它的机械能转换成液体的压力能。在系统里主要指的是液压泵。 ( 2 ) 执行机构。液压系统的执行机构包括液压马达和液压缸，液压马达的作用 是把液体的压力能转换成旋转形式的机械能，液压缸则是把流体的压力能转换成 直线运动的机械能。 ( 3 ) 控制调节装置。指控制液流的方向、流量、和压力等的各种阀件。如电磁 换向阀、节流阀、溢流阀等。 ( 4 ) 辅助装置。用于液压介质的储存，过滤传输以及对液压参量进行测量和显 示等的元件都属于辅助装置，也叫附件。液压系统中的附件主要有油箱、滤油器、 管件、密封件、加热器、冷却器、压力表等。 ( 5 ) 工作介质。工作介质主要是液压油。 液压传动装置工作平稳，响应快，可频繁启动、制动和换向；而且，液压系 统的流量可实现连续调节。 1 6 2 电液控制系统 液压传动与电控技术集合在一起口m 1 ，系统可充分发挥二者的优势，设计功能 强大可靠的电液控制系统。其特点是以电气信号为输入、液压信号为输出形成闭 环控制。电气信号方便处理、测量、转换、放大、和校正；而且液压信号输出功 率大，响应速度快，且其执行机构具有惯性环节小等优点。电液相结合所组成的 电液控制系统具有控制精度高、响应速度快、信号处理灵活、输出功率大、维护 方便等优点。按照电液控制阀的选择可以分为电液伺服和比例控制。电液伺服阀 即是电液转换元件，又是功率放大元件，它能将微小的电信号转换成大功率的液 压能( 流量和压力) 输出，其性能的优劣对系统的影响很大。因此，电液伺服阀 成为电液控制系统的核心。电液比例阀简称比例阀，由电一机械比例转换装置和液 压阀本体两部分组成。前者将输入的电信号连续地按比例地转换成机械力或者力 矩输出，后者把这种力或是力矩转成液压参量。由于比例阀和电子控制装置结合 在一起，可以十分方便的将各种输入信号转化为液压信号。比例阀是介于普通液 压阀和电液伺服阀之间的一种液压阀，它可以接受电信号的指令，连续地控制液 压系统的压力、流量等参数，使之与输入电信号成比例地变化。既可以用于开环 系统中实现对液压的遥控，也可以作为信号转换与放大元件用丁二闭环控制系统。 7 沈阳理 ：大学硕十学位论文 传统热压机主要采用继电器开关控制，这种控制对工艺的调整不灵活，且可 靠性差，不便于维护。p l c ( p r o g r a m m a b i el o g i cc o n t r o l l e r ) 是一种比继电器更 可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型控制器，它接线简单且控制灵活，特别 适宜工业生产中的应用。以p l c 作为主控单元的电液比例阀控制系统，能实现对液 压系统的压力、流量和运动状态等工作参数的连续、精确控制，而且具有抗污染 能力强，可靠性高等优点。因此得到较为广泛的应用。现在市场上的比例阀是把 传感器、测量放大器、控制放大器和阀复合在一起的机电一体化的元件，使得结 构更加紧凑，性能上有进一步提高。主控计算机p l c 具有逻辑控制功能强、编程方 便、可靠性高的特点，同时还具有数学运算、模拟量处理、p i d 运算等功能。将p l c 与电液比例控制相结合，利用p l c 的模拟量扩展模块进行数据采集和控制。利用编 程方法对比例控制实施补偿，能够非常有效地改善系统性能，提高可靠性阳1 。因此， 本文应用“p l c + 比例溢流控制阀+ 传感器”的数据采集与控制模式，对中频热压机 的压力进行电液比例溢流阀闭环控制。 p l c 控制单元 网 i _ j 图1 4 中频热压机压力控制原理图 1 7 本课题的主要工作任务 ( 1 ) 分析中频热压机的工作原理和工作特点，设计出加压和加热方式实现的方 案。 ( 2 ) 中频热压机系统控制算法的实现。 ( 3 ) 设计自动控制系统完成整个热压工艺。温度和压力应能够按照设定工艺曲 线运行。 ( 4 ) 实现温度和压力的较精确的控制，不得超于设定误差值范围。温度、压力 在线检测。 8 一 第1 章绪论 ( 5 ) 上位机组态与下位机p l c 通讯，实行在线监控。在上位机可更新工艺数据。 ( 6 ) 温度、压力控制的上下位机联机调试。 1 8 本章小结 本章分析了中频热压机工作原理，简要阐述了中频加热和电液控制加压的方 法和特点，对本课题提出了采用中频感应加热、液压比例控制的可行性方案。并 对课题的工作任务进行了合理安排。 沈阳理工大学硕士学位论文 第2 章中频热压机电气控制系统总体设计思想 2 1 中频热压机控制系统总体结构 本课题中，中频热压机自动控制系统的主要设备有，可控硅中频电源，液压装 置( 油泵、液压阀及其他元件) ，远红外温度传感器，数字压力变送器，p l c 主控系 统，上位计算机等，如图2 1 。应用p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 及组态 软件( c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ) ，设计中频热压机电气控制系统，模拟量为温度 和压力，可存贮1 0 0 组工艺曲线，每组曲线可预置1 3 段不同温度压力值，控制精度 不能大于5 c 。压力的控制精度为f s ( 满量程) 的1 一- - , 3 。 p l c 作为下位机，进行现场操控，采集温度和压力，通过p l c 的模拟模块输入， 与预置的温度或者压力曲线( 如图2 2 ) 进行比较。主要功能要求和特点： ( 1 ) p l c 控制系统能实时地监测实际值与预置值之间的误差。本课题选择北京 三维力控公司组态软件，安装在上位p c 机，与p l c 通讯，进行实时监控。 ( 2 ) 要求上位机对p l c 进行工况数据输入( 1 0 0 组里工艺曲线任选择一组) 。 ( 3 ) 工艺曲线数据存储于上位机，通过组态软件的温控曲线组件和压力曲线组 件，与p l c 实时通讯写入，实现现场监控和数据传输处理的双重功能。p l c 对温度 的控制通过调节中频电源的加热功率，对压力的控制通过调节液压系统的电液比 例阀。 第2 章中频热压机电气控制系统总体设计思想 图2 1 中频热压机控制结构图 远红外温度传感器中频加热线圈加热加压磨具 压力台液压缸活塞杆数字压力变送器 主要技术参数： 额定压力2 5 吨； 额定油压2 0 m p a ； 温度测量范围4 0 0 - - 1 2 0 0 ； 中频电源参数功率1 6 0 k v a频率1 k h z ； 中频变压器 5 0 0 k v a 。 2 2 数据的存取特点 工艺曲线存储在上位机，根据需要调出某种热压材料( 金刚石或是钼质合金等) 的工艺参数，输入到p l c 的参数存储地址。这样做的优点在于：不用将各种工艺 曲线存放在p l c 罩，不用另外添加参数模块，可节省p l c 的资源。而且，用上位 机存取和修改工艺曲线变得十分方便，同时，在上位机能把历史记录存表，历史 曲线可供查阅。一般来说，工艺曲线都是通过产品质量要求，经实践调试出来的 经验参数，历史曲线有很高的参考价值，所以记录历史曲线是非常重要的环节。 不同材料的热压参数不同，时序也不尽相同，但是对于热压方式，加热加压，保 温保压，降温泄压的工艺流程基本相似。压力p ，温度t ，要达到时序卜的控制要 】 沈阿l 理i ：人学硕十学位论文 求，进行实时在线监测。系统做出快速准确的响应，调节压力和温度值。 表2 1 温度、压力、时间参数表 1 ， t 一耘敞 ， ， 、 p 1l 。 ? 兀一， p 5 p 8 7 、p 。 t t 3t 4 ， t 7 t 5 h p 3p t 1 彩 p 1p z t 图2 2 温度压力曲线图( n 1 3 ) 上图说明： ( 1 ) 图中的n 值是不定的，因为热压不同的硬质材料，要求的热压曲线段参数 不同，所以加热加压时间不同，温度不同，压力也不同。根据要求，n 值不超过 1 3 。对于上位计算机而占，存储1 0 0 段曲线的温度压力值，存储空间是比较充裕 的。 ( 2 ) 图中的p 0 是液压系统设定的初值压力，要根据模具压坯和压力台的接触情 况进行调节。t 0 指的是室温，加热起始，需要以此作为参考点，并不是从零度开始 进行加热。 2 3 硬件设备选型 2 3 1 红外温度传感器 红外测温是非接触性温度测量方法。测温探头不需与被测工件接触，利用物 第2 章中频热压机电气控制系统总体设计思想 体的表面热辐射与热温度直接的关系来进行温度测量。采用红外技术能快速方便 地测量物体的表面温度，不需要接触被测物体而快速测得温度值。 非接触红外测温的优点n 引： ( 1 ) 在温度测量时不会干扰被测温场，不影响温场分布，因此所测量的温度值 具有较高的测量准确度； ( 2 ) 测温的范围宽。可以从零下几十度到几千度； ( 3 ) 红外测温的响应时间短，反应速度快，易于快速和动态测量； ( 4 ) 不必与被测物体接触，装卸和操作方便。 中频感应加热温度自控系统为了保证产品达到一定工艺质量，精确控制温度， 采用高精度的红外温度传感器进行温度测量。利用温度信号输出反馈到整流控制 电路来实现温度的自动控制。在温度测量范围内，测量时输出如果是标准电流， 直接输入p l c 的a i ( 模拟量输入) 模块，p l c 把采集的温度信号转换为内部的数字 信号与预设的温度值相比较，得到温差值，经过p l c 控制算法后以一定的电压调 节参量控制感应加热电源，调节中频电源的功率，从而达到控制热压烧结温度的 目的。 红外温度传感器型号：h g y 系列激光高精度红外温度传感器。 h g y 系列高精度测温传感器集高性能的非接触温度测量和标准二线技术于一 体，具有高可靠性的温度测量手段。图2 3 为h g y 系列高精度测温传感器测温探 头。 技术参数： 温度测量范围：3 0 卜1 5 0 0 ； 测温距离系数：9 0 ：l ； 基本误差：0 2 ( 测量上限) ； 分辨率：1 ； 响应时间：5 0 m s ； 最小测量光斑：5 m m ( 近焦距最小测量光斑1 8 m m , ) 模拟输出：4 - 2 0 m a 或者r s 4 8 5 接口； 目标距离：0 2 - 3 m ； 工作环境温度：0 - 7 0 。 沈阳理_ t 大学硕七学位论文 ：| 图2 3 红外温度传感器测温探头 2 3 2 数字压力变送器 压力变送器也叫压力传送器，主要由测压元件传感器，测量电路和过程连接 三部分组成。其特点是采用压阻式压敏芯体，受压后产生电阻变化，再通过放大 电路将电阻的变化转换为标准的信号输出。并可进行远程传送，传送n - 次仪表 或者计算机后进行控制或检测。是一种自动化控制前端元件。常用于检测流体的 压力( 实际是流体的压强) ，现广泛应用于各工业控制领域。 压力变送器的主要优点： ( 1 ) 检测出来的压力信号为连续信号，压力设置方便；对于中频热压机来说， 不需调节压力变送器，只需对电控系统进行设置； ( 2 ) 检测精度高，工作可靠； ( 3 ) 专用v i 集成电路，外围器件少，可靠性高，维护简单、轻松，体积小、 重量轻，安装调试极为方便。 数字压力变送器，采用应变测量原理和集成电路技术，可准确测量显示现场压 力值，并可输出标准的电压或电流信号，由模拟模块接口电路送给p l c ，经程序计算 处理后得到电流调节信号，放大后输出一定的电流驱动电液比例溢流阀工作，控 制比例阀的电磁铁线圈电流，从而控制油路压力。 s y b - 3 5 1 数字压力变送器( 如图2 4 ) ，是一种工业压力仪表，该仪表的检测元 件压力传感器采用了高精度半导体扩散硅敏感元件；电路和结构采用了大规 模集成电路和单片机技术，它从根本上克服了指针式压力表精度低、可靠性差、 损坏率高等诸多缺点，尤其在腐蚀、振动等场所使用，更显其超凡性能。其主要 特征： ( 1 ) 两种供电方式任选( 2 0 3 2 v d c 或2 2 0 v a c ) ； 】4 一 第2 章中频热压机电气控制系统总体漫计思想 ( 2 ) 4 位高亮度l e d 显示，读数直观清晰，一路模拟量输出( 4 2 0 m a ) ( 可选) ； ( 3 ) 不用配置二次仪表就可实现自动测量； ( 4 ) 控制精度高，耐振动； ( 5 ) 可靠性高，几乎免维护。 技术参数： ( 1 ) 测量范围：o - - - 4 0 m p a ； ( 2 ) 输出信号：4 - - 一2 0 m ad c 两线, j r s 4 8 5 通讯； ( 3 ) 精度等级：0 2 ( f s ) ； ( 4 ) 显示位数：具有4 位数字显示； ( 5 ) 工作温度：一3 0 6 0 补偿温度：一1 0 - - 7 0 ； ( 6 ) 过载压力：不超过规定量程的1 5 0 ； ( 7 ) 供电电源：2 0 3 2 v d c 或者2 2 0 v a c ； ( 8 ) 电缆接口：m 2 0 * i 5 ； ( 9 ) 过程连接：m 2 0 * i 5 。 图2 4s y b 一3 5 l 系列数孚压力变送器 2 4 西门子s 7 3 0 0p l c 本文采用的系统控制器是西门子s 7 3 0 0p l c 1 。是一种模块式p l c ，主要由 机架、c p u 模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程 设备组成 西门子s 7 - - 3 0 0 p l c 采用循环执行用户程序的方式。o b i 是循坏处理的组织块， 在程序运行中，可以调用别的逻辑块，或被中断( 0 b 组织块) 。在系统启动完成后， 沈阳理工大学硕士学位论文 不断地循环调用o b l 。程序在o b l 中可以调用其它逻辑块( f b ，s f b 或s f c ) 。循环 程序处理过程可以被某些事件中断。在循环处理过程中，c p u 并不是直接访问i o 模块中的输入输出地址，而足访问c p u 内部的输入输出过程映像存取区n 2 | 。 2 4 1c p u 中的程序 西门子s 7 系歹, j p l c 的c p u 中运行着两种程序：用户程序和操作系统程序n 引。操 作系统程序被固化在c p u 中，它提供了一套系统运行和调度的机制。操作系统主要 完成： ( 1 ) 处理启动( 分为暖启动和热启动) ； ( 2 ) 不断刷新输入的过程映像表和输出的过程映像表； ( 3 ) 调用用户程序； ( 4 ) 检测中断并调用中断程序； ( 5 ) 检测并处理错误； ( 6 ) 管理存储区域； ( 7 ) 与编程设备和其它通讯设备的通讯。 操作系统处理的是底层的系统级任务，它为p l c 应用搭建了一个平台，提供了 一套用户程序的调用机制；而用户程序则在这个平台上，完成用户自己的自动化 任务。 2 4 2s 7 - 3 0 0 的编程软件s t e p 7 s t e p 7 结构化的用户程序是以“块”的形式实现的n 4 1 。块是一些独立的程序或 者数据单元，在s t e p 7 中主要有以下几种类型的块( b l o c k ) ：o b 块( 组织块) ，f c ( 功 能) ，f b ( 功能块) ，s f c ( 系统功能) ，s f b ( 系统功能块) ，d b ( 共享数据块) 。d i ( 背 景数据块) 。功能块的嵌套调用如图2 - 5 ，2 6 所示。 第2 章中频热压机电气控制系统总体设计思想 图2 5 编程程序块类型 图2 6 用户程序的分层调用 下面主要对数据块加以说明： 在生产控制过程中常常会遇到很多过程数据、基准值、预置值，有些经常要 进行修改，把它们分类放置在不同数据块中有利于进行数据管理；其次，数据块 也是各逻辑块之间交换、传递和共享数据的重要途径；数据块有丰富的数据结构， 有助于高效管理复杂的变量组合，提高程序设计的灵活性。 用户可以在存储器中建立一个或多个数据块，每个数据块可大可小，但c p u 对 数据块数量及数据总量有限制，如c p u 3 1 4 ，其数据块数量上限为1 2 7 个，数据总量 上限为8 k b ( 8 1 9 2 b y t e ) 。对数据块必须遵循先建立( 定义) 后使用的原则，否则将造 成系统错误。 ( 1 ) 数据块的类型 数据块可分为共享数据块d b 和背景数据块d i 两类，它们有不同的用途。共享数 沈阳理_ t 大学硕士学位论文 据块d b 又称为全局数据块，在用户程序中编写f b 、f c 或0 b 均可读取或者存放在共 享数据块中的数据。全局变龟声明在共享数据块中( 在全局符号表中声明的变量 也是全局变量) ，能被所有的块调用。 d i ( i n s t a n c ed a t ab l o c k ) 背景数据块是指定给某个功能块f b 使用的数据 块，它足f b 运行时的工作存储区，存放f b 的部分运行变量。在调用f b 时必须指定 相关的背景数据块。作为s 一3 0 0 p l c 规则，只有f b 才能可见存放在背景数据块中的 数据。一般， f b 都应有一个对应的背景数据块，而一个f b 可以根据需要使用不同 的背景数据块，即相同的功能块可以实现不同的功能。 在c p u 的存储器中，背景数据块与共享数据块的存放是没有区别的，只是因为 打开方式不同，才会在打开时分为背景数据块和共享数据块，一般地，任何一个 数据块，只要格式符合，都可以当作共享数据块或背景数据块来使用。 ( 2 ) 定义数据块 编程阶段和程序运行中都能定义( 即生成、建立) 数据块。大多数数据块在编 程阶段和其他块一样，在s i m a t i c 管理器或增量编辑器中生成。用户可以选择创 建共享数据块或背景数据块，创建一个新的背景数据块时必须指定它所属的功能 块f b 。定义数据块的内容包括数据块号及块中的变量( 如变量符号名、数据类型、 初始值等) 。定义完成后，数据块中变量的顺序及类型决定了数据块的数据结构， 变量的多少决定数据块的大小。数据块在使用前，必须作为用户程序的一部分下 载到c p u 中。背景数据块直接附属于功能块，它的数据结构等是自动生成的，例 如，当编好的f b 存盘时，背景数据块中所含数据为功能块的变量声明表中所存数 据。功能块的变量决定了其背景数据块的结构。背景数据块数据结构的修改只能 在相关的功能块中进行，不能独自修改。对于背景数据块来说，用户可以修改变 量的实际值。共享数据块本身附属于任何逻辑块，它可含有生产线或设备所需的 各种数值。定义时，用户按其栏目，可输入想存放在数据块中的各种变量。 ( 3 ) 访问数据块 在用户程序中可能定义了许多数据块，而每个数据块中又有许多不同类型的 数据。因此，访问( 读写) 时需要明确打开的数据块号和数据块中的数据类型与 位置。只有打开的数据块才能被访问。由于只有两个数据块寄存器( d b 和d i 寄 存器) ，所以最多可以同时打开两个数据块：一个作为共享数据块，共享数据块 第2 章中频热压机电气控制系统总体设计思想 的块号存储在d b 寄存器中：一个作为背景数据块，背景数据块的块号存储在d i 寄存器中。没有专门的数据块关闭指令，在打开一个数据块时，先打开的数据块 自动关闭。 s t e p 7 标准软件包支持三种编程语言：梯形图( l a d ) 、语句表( s t l ) 和功能块图 ( f b d ) 。三种语言都有各自的特点。l a d 和f b d 都是比较直观的图形化的编程语言， 相对比较简单易学，使用方便等特点。但相对s t l 灵活性不够。s t l 是更接近程序 员的语言，显得更为灵活，可以编程实现比较复杂的控制和算法。s t e p 7 还支持符 合一定语法规则的s t l 文本原程序直接导入，s t l 比起前两种不够直观，需要记忆 大量编程指令，而且需要程序员要c p u 内部的寄存器等结构有比较深刻的了解。 s t e p 为了充分发挥不同编程语言的优势，它还支持这三种语言的相互转化和 混合编程。一般地，l a d 和f b d 程序都可以自动转换成s t l 程序，但是并非所有的s t l 程序并不能完全转化为l a d 或者f b d 程序。 2 5s 7 - 3 0 0 p l c 硬件的组态 2 5 1s t e p 7 软件的安装 s t e p 7 v 5 3 是3 2 位应用软件，大约占有硬盘3 0 0 , - , - , 6 0 0 m b 。语言可选，建议安装 为英文。标准软件包集成的s i m a t i c 编程软件语言符合e n 6 11 3 1 3 标准，图形化与 面向对象的视窗操作理念相匹配，对生成一个自动化控制任务的不同阶段提供强 有力的支持。 2 5 2 在s t e p 7 软件环境组态$ 7 - 3 0 0 的硬件模块 本文使用的s 7 - 3 0 0 p l c 硬件模块如图2 7 所示，s t e p 硬件组态如图2 8 。 沈阳理_ 大学硕士学位论文 图2 7 两i j 子s 7 3 0 0 p l c 硬件 曼警警z 。a ；璺孕坚t 登 d 苗鲁，日觋母 珥墼掣墅j i ? n = ! i 哆譬望璺! 哈缘：! 由勘囝：豫蜉： 兰矗篓篓：i 三兰兰篓兰兰贼鼎麓鬓蘸 镤 夔翻( 0 ) u r s 灌_ o “e 0 ， 啊i 日 c o _ e n t 1 1 1v 3 加t5 a b e s t。毵 糊 l t l l a l 3 1 1 i c l a 糟l四卿 。 r r 4 培d 1 3 2 x d 暖4 y 6 e s 7 0 ，： 5 日加1 6 t d c 2 t v ，o5 a 5 e s t0 】 5 馐 i 吖 0 2 x 8 ，锄i t 6 e s t2 8 82 8 8 ，1 n d ： p r o f i l 厂鲢蟛 群齑蔷1 本课题p l c 选型为： c u p 型号：s 7 3 1 4 ； p l c 电源：3 0 75 a ； 图2 8s 7 - 3 0 0 的硬件组态 数字输入模块：d 1 3 2 x d c 2 4 v ； 数字输出模块：d 0 1 6 x d c 2 4 v o 5 a ； ，2 0 - 第2 章中频热压机电气控制系统总体没计思想 模拟输入输出：a n a l o gi om o d u l ea 1 4 8b i t s 。 2 6 本章小结 本章提出了中频热压机的总体设计思想，以及参数的存取。确定温度传感器， 压力传感器的型号和主要参数。在主控系统选型上采用p l c 控制。并对p l c 的硬件 和软件进行简要的说明。在s t e p 7 软件中对硬件进行了组态。 沈阳理：r 大学硕十学位论文 第3 章p l c 与组态的软