（控制理论与控制工程专业论文）甘玻纤厂浸润剂配制过程自动控制系统设计.pdf

独创性声明 本人声明所旱交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了访 意。 签名： 善噎武 f i 期： 2o d ， ， 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文的复印件，允许该论文被查l 剜和借阅；学校可以公布陔论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 戳嘻嚏式刷磁名 r 期： 2 口i 。、占t 2 f 西南科 摘 我国的工业自动化起步于上个 很快的发展，一些大企业自动化桴 中，仍然是手工操作，使用卜个世 产品的质量不能保证，工人的劳动强度大。 本文以某玻璃纤维厂配制玻璃纤维浸润剂为研究背景，设计了一套基于 p l c 的自动控制系统。该系统大大提高了玻璃纤维浸润剂的质量，保证了生 产效率，改善了工人的劳动条件和劳动强度。 在浸润剂的配制过程中，按照最标准的温度变化曲线进行温度控制，采 用p i d 控制方式，严格控制整个过程中温度的变化。并且经过跟陔厂技术员 的长期研究，在浸润剂配制转向点的判断形成了理沦性的突破，利用浸润剂 配制过程中粘度的改变，来判定转向点的到来，填补了该项技术的空白。 该系统已经设计完成并投入了生产使用，系统性能稳定可靠，满足系统 的设计要求，取得满意的效果。 关键词：浸润剂配制自动控制系统p i d 控制转向点粘度 西南科技大学硕士研究生论文第1 i 页 a b s tr a c t c h i n a si n d u s t r i a la u t o m a t i o ns t a r t e di nt h em i d d l eo ft h el a s tc e n t u r y , a n da f t e r d e c a d e so fd e v e l o p m e n t ，i th a sb e e na l r e a d yd e v e l o p e dr a p i d l y , t h ed e g r e eo f a u t o m a t i o nh a sb e e np e r f e c ti ns o m el a r g ee n t e r p r i s e s ，b u ti ti ss t i l lm a n u a la n d u s e st h eo b s o l e t el e g a c ye q u i p m e n to fl a s tc e n t u r yi nm a n ys m a l la n dm e d i u m e n t e r p r i s e s ，i tl e a dt ot h ep r o d u c t i o ni n e f f i c i e n c i e sa n dp r o d u c tq u a l i t yc a nn o tb e g u a r a n t e e ，t h ew o r k e r sa l s oi nt h el a b o r - i n t e n s i v e i nt h i sp a p e r ，t h es i z i n gp r e p a r a t i o no fag l a s sf i b e rs i z i n gp l a n tf o rr e s e a r c h b a c k g r o u n d ，i td e s i g n e daa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mb a s e do fp l c t h es y s t e mh a s g r e a t l y e n h a n c e dt h eq u a l i t yo fg l a s sf i b e rs i z i n g ，e n s u r e dt h ep r o d u c t i o n e f f i c i e n c ya n di m p r o v e dt h ew o r k i n gc o n d i t i o n sf o rw o r k e r sa n di m p r o v e dt h e l a b o ri n t e n s i t y i nt h e p r o c e s so fs i z i n gp r e p a r a t i o n ，t h es y s t e m c a nc o n t r o ls t r i c t l yt h e t e m p e r a t u r ec h a n g e sb yp i dc o n t r o lm o d e ，i na c c o r dw i t h t h em o s tn o r m a l t e m p e r a t u r ev a r i a t i o n t h r o u g h t h e l o n g - t e r ms t u d y w i t ht h et e c h n i c i a n ，i t f o r m a t i o nat h e o r e t i c a lb r e a k t h r o u g hi nt h et u r n i n gp o i n to fs i z i n gp r e p a r a t i o nt o d e c i d e u s i n gt h ec h a n g eo ft h ev i s c o s i t yi nt h es i z i n gp r e p a r a t i o np r o c e s st o d e t e r m i n et h et u r n i n gp o i n tc o m i n go rn o t i tf i l l st h eg a po ft h i st e c h n o l o g y t h es y s t e mh a sb e e nc o m p l e t e dt h ed e s i g na n dp u ti n t op r o d u c t i o nu s e s y s t e mh a ss t a b l ea n dr e l i a b l ep e r f o r m a n c e i tm e e tt ot h es y s t e mr e q u i r e m e n t so f d e s i g na n dt oa c h i e v es a t i s f a c t o r yr e s u l t s k e yw o r d s ：s i z i n gp r e p a r a t i o n ；a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m ；p i dc o n t r o l ； t u r n i n gp o i n t ；v i s c o s i t y 西南科技大学硕士研究生论文第| ii 页 目录 1绪 仑1 1 1p l c 控制技术的产生、发展和现状1 1 2p l c 控制技术的特点和发展趋势2 1 3p l c 控制系统和其他摔制系统的比较2 1 4p l c 控制技术的发展趋势= 4 1 5 课题研究的背景及意义：5 1 6 课题研究的主要内容一6 1 7 本章小结7 2浸润剂配制过程自动控制系统的总体设计8 2 1浸润剂配制的生产工艺概述8 2 2 浸涧剂配制过程自动控制系统的组成8 2 3 浸润剂配制自动控制系统的控制晕的分配1 0 2 4 浸润剂配制自动控制系统的一i j 作流程1 0 2 5 浸润剂配制自动控制系统的重要器件介绍1 2 2 6 本章小结1 4 3 浸润剂配制自动控制系统的各模块的硬件设计1 5 3 1供电模块电路的设计1 5 3 2 水箱控制系统的设计1 6 3 3水和机油流量控制系统的设计1 7 3 4反应釜温度控制系统的设计1 7 3 5 浸涧剂粘度控制变送系统的设计1 9 3 6p l c 数字量和模拟量i o 的分配设计1 9 3 7 本章小结2 0 4 浸润剂配制自动控制系统的软件设计2 l 4 1概j 丕2 1 4 1 1p l c 硬件系统的基本构成2 1 4 1 2p l c 的主要性能指标2 2 4 1 3p l c 的编程软件及应用程序编程语言2 3 4 1 4s 7 2 0 0p l c 编程软件s t e p 7 m i c r o w i n 简介2 4 4 1 5p l c 控制系统设计的步骤及内容2 5 4 2 反应釜p i d 温度控制系统的设计2 7 西南科技大学硕士研究生论文第1 v 页 4 2 1模拟量闭坏控制系统2 8 4 2 2 p i d 控制器2 9 4 2 3p i d 指令向导的应用31 4 2 4p l c 系统软件设计3 2 4 3浸润剂配制转向点系统的创新和设计3 4 4 3 1在线粘度检测传感器的使用3 5 4 3 2在线粘度检测传感器控制存在的问题3 7 4 4自动控制系统人机界面t d 2 0 0 的设计使用3 8 4 4 1 t d 2 0 0 的功能3 8 4 4 2 使用文本显示向导3 9 4 4 3使用文本显示向导组态t d 设备3 9 4 5 提高p l c 控制系统的可靠性的措施4 3 4 5 1p l c 控制系统干扰的主要来源4 3 4 5 2 抗干扰设计和措施4 4 4 6 本章小结4 6 结论4 7 致谢4 8 参考文献4 9 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研成果5 2 西南科技大学硕士研究生论文第1 页 1绪论 1 1p l c 控制技术的产生、发展和现状 随着计算机技术的发展，存储逻辑丌始进入工业控制领域，可编程控制 器作为通用的工、i k 控制计算机，在工业应用中起到了很重要的作用。近几十 年来，p l c 不断发展更新，其功能日益强大，已经成为工业控制领域的主流控 制设备。 可编程控制器( p r o g r a m m a b l ec o n t r o ll e r ) ，早期丰要用于计数、定时 以及丌关量的逻辑控制，为了和个人计算机( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 相区别， 把i j 编f 号控制器缩写为( 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 ) 。 可编程控制器诞生之前，工业电器控制主要使用低压电器构成的继电接 劁：电路，它是以接线逻辑实现控制功能的，这样的控制设备一经生产出来， 功能就固定了，若要改变其功能，必须要改变其硬件接线，使 j 起来不方便， 冈此需要寻找一种比继电器更可靠，功能更齐全，相应速度更快的新型工、i 匕 控制器。 1 9 6 9 年，美幽数字设备公司( d e c ) 研制了第一台可编程控制器p d p 一1 4 ， 取得满意效果，可编程控制器由此诞生。随后同本欧洲也相继，丌始了可编 程控制器研究生产。经过几十年的发展，可编程控制器已经作为一个独立的 j 1 ：业设备被列入生产中，成为当代电气控制装置的主导。 早期的l j j 编程控制器主要是由分立元件和中小规模集成电路组成，采用 了一些汁算机的控制技术，适合于工业现场环境，指令系统简单，一般只具 有逻辑运算功能。随着微电子技术和集成电路的发展，一些厂。家在可编程控 制器中引入微机技术，微处理器及其他大规模集成电路：枣片作为其核心控制 部件，可靠性大幅度提高，性能价格比产生了新的突破。到二十世纪八十年 代，可编程控制器都采用了微处理器( c p u ) 、只读存储器( r o m ) 、随机存储 器( r a m ) 、或是单片机作为其核心，处理速度大大提高，增加了多种功能， 体积近一步缩小。二十世纪九十年代，p l c 几乎完全计算机化，其速度更快， 功能更强，各种智能模块不断被丌发出来，使其不断地扩展在各类工业控制 中的作用。如今，p l c 不仅具有逻辑控制功能，而且具有模拟量闭环控制，p i d 控制功能，数字量智能控制器，数据采集，监控，通信联网及集散控制系统 等其他功能，这些都使得可编程控制器的应用范围和领域不断扩大。 西南科技大学硕士研究生论文第2 页 1 2p l o 控制技术的特点和发展趋势 ( 1 ) 可靠性高，抗干扰能力强 在p l c 系统中，大量的丌关动作是由无触点的半导体电路来完成的，用 软件取代了继电器系统中容易出现故障的大量触电和接线，而且p l c 充分考 虑剑工、i k 环境巾的电磁、粉尘、温度等干扰因素，采用了一系列的抗干扰措 施。目前，各牛产厂家牛产的p l c ，其平均无故障运行时间都大大超过了十力 小时，有的甚至达到几十万小时。 ( 2 ) 适应性强，应用灵活 山于p l ，c 的系列化和模块化，品种齐全，硬件配置相当灵活，可以组成 能满足各种控制要求的控制系统。硬件配置确定后，可以通过修改用户程序， 方便快速的适应+ t j 艺条件的变化。 ( 3 ) 编程方便，易于使用 p l c 的编程可采用与继电器电路极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受 电气技术人员的欢迎。而且配有语句表和顺控流程图语占，使编程更加简单 方便。 ( 4 ) 硬件配套齐全，用户使用方便 p l c 配有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户不必自己设计和制作 硬件装置。p l c 的安装接线也很方便，p l c 一般用接线端子连接外部接线。 ( 5 ) 系统的设计、安装、凋试方便 p l c 相当于取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计 数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少，设计人员只要 具有p 【c 就町以进行控制系统的设计并在实验室进行模拟调试。 ( 6 ) p l c 体积小，重最轻，易于实现机电一体化 现代可编程序控制器在控制领域越来越受到人们的重视，并得到广泛的 应用，这足和p l c 自身的优点分不丌的，可以晓只要有工厂，有控制要求， 就会有p l c 的应用。 1 3 p l o 控制系统和其他控制系统的比较 p l c 自诞生以来其技术上发生了很大的质的飞跃，其应用领域也越来越广 泛，与此同时它也面临着其他一些工业控制器的挑战，这些挑战主要包括继 电器控制、通用计算机控制和单片机控制。下面将它们各自的优缺点作一比 西南科技大学硕士研究生论文第3 页 较1 ： ( 1 ) p l c 控制系统和继电器控制系统的比较 p l c 与继电器控制系统的比较主要体现在以下几个方面：首先是在控制 方式上，继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串 联或并联极延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻 辑控制。一旦系统确定下来后，要进行更改将足相当麻烦的事情。如果要在 操作现场做一些更改和扩展，那更是非常困难的事情。p l c 采用存储逻辑， 其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即 可，称软接线。只要更改这些数据就可以实现新的控制逻辑，而这种更改通 过编褓器或个人电脑就可以轻松实现。在硬件上，只要控制对象不变，p l c 的 i 0 连接就不变，就无须对硬件连接作任何更改。其次足控制速度，继电器控 制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有 抖动现缘。在大型复杂的控制系统中，如果使用了过多的继电器，其i 匈戍速 度会很慢，如果逻辑控制顺序上考虑不充分，很容易引起误动作。p l c 是由 程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，t 矿格| 一j 步，无抖动。 然后足延时控制，继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制， 而时问继电器定时精度彳i 高，受环境影响大，调整时问困难。p l c 用半导体 集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便， 不受环境影响。 在功能上，p l c 也具有许多继电器所不具有的功能，如：步进控制作为脉 冲输出、a d d a 转换、通讯等。但是在小型控制系统中，使用继电器也是非常 方便的，比如控制一个排水系统的起保停电路，电路简单，维护方便，如果 是使用p l c 作控制，则提高了成本。在当今的自动控制系统中，更多的是将 继电器作为了p l c 的辅助系统，可以实现电压的转换，对p l c 起到了一定的 保护作用，两者是相辅相成的，谁也不可能完全的取代对方。 ( 2 ) p l c 控制系统和通用计算机控制系统的比较 p l c 是专门为工业控制而设计的，具有抗干扰能力强，能适应工业现场的 温度、湿度及一定程度的电磁干扰等，使用专门的面向工业的编程语言，使 程序的编制和修改都非常方便。而通用计算机是专门为科学计算和数据处计 的，主要是应用在环境比较理想的情况下，计算机控制系统通常具有精度高、 速度快、存储容量大和有逻辑判断功能等特点。虽然二者都采用了计算机系 统，但是二者设计的出发点不同，因而他们在结构上也有很大差别，使用对 象和使用环境也有所不同。计算机控制系统抗干扰能力和工作的可靠性远不 西南科技大学硕士研究生论文第4 页 如p l c ，也不适应工业现场的湿度、温度、噪声和电磁干扰等，而且计算机的 编程语言也比较复杂，需要专门的培训才能掌握。 ( 3 ) p l c 控制系统和单片机控制系统的比较 单片机控制系统的最大优点就是价格便宜，开发语言通过汇编语言或是c 语言，编程方式灵活，数据处理能力比较高；与p l c 控制系统相比，不足之 处也是显而易见的，首先，单片机控制系统不适合于工业控制过程，稳定性 差，抗干扰能力比较弱，带负载能力比较弱，其次做不同的控制系统，单片 机都需要进行硬件系统的丌发，需要处理大量i 0 接口的问题，且其输出带 负载能力也较弱，其编 翟语言也不太容易被电气人员掌握 p i 。c 与单片机相比较而吉，更适合于工业过程控制。所以二者各有所长， 不能互相替代。但是他们都有较强的通讯功能，随着p l c 和单片机的发展， 他们的通讯功能兼容性l l j | 能会更好。这样把：二者相结合构建功能更加完善的 自动控制系统，让它们各自的缺点都得到弥补。 由此可见，随着p 1 c 的成本降低及数据处理能力的增强，面对其他的工 控系统的挑l 饯，p l c 会直处于不败之地。因此，p l c 控制技术的掌握对于工 程技术人员来说是必小可少的技能之一。 1 4 p l c 控制技术的发展趋势 p l c 作为工控机的一员，已经是工业控制自动化系统中最基本的电控装 备，其控制技术得到不断发展和完善。p l c 控制技术的发展动力主要来自于， 一是p l c 生产厂家之| 、h j 的竞争以及其他控制系统的挑战，其次是p l c 应用领 域的不断扩展以及工、i k 控制系统本身控制要求的提高。这些因素都促使p l c 控制技术4 i 断向自，j 发展。具体来说，今后很长的一。段时间单，p l c 控制系统的 发展趋势主要集中表现在以下几个方面。 ( 1 ) 向小型化、低成本方向发展，其功能逐步增强 随着微电子技术的发展和大规模集成电路的应用，很多有名的p l c 厂家 相继推出高速、高性能、小型、特别是微型的p l c 。一方面新型p l c 器件的价 格降低，结构更加紧凑，使用更加方便。另一方面，由于集成度的提高，同 样体积的p l c 拥有了更加丰富的功能，其扩展能力也更加强大，使其在现代控 制系统中使用更加普遍。 ( 2 ) 向大容量高速度的方向发展 随着控制系统实时性要求的提高，未来p l c 要求有更高的c p u 速度和更 西南科技大学硕士研究生论文第5 页 大的存储容量。这使得许多大型p l c 使用多微处理器系统或3 2 位处理器系统， 这样p l c 将能够完成多任务的操作和实现更高的扫描速度，使p l c 的过程控 制和数据处理功能得以增强。 ( 3 ) 向着网络化、多功能的方向发展，集成化发展 由于控制内容的高难度化和复杂化，使p l c 控制技术向着网络化，多层 次化，集成化的方向发展，p l c 与d c s 的集成，p l c 与p c 的集成，p l c 与p ld 集成等技术，强化了p l c 的处理功能和通信能力，网络化与兼容性的加强。 ( 4 ) 朝着软、硬件标准化以及开放性发展 p l c 存在严苹的缺点就是p 1 c 的软件和硬件系统是封c j j 的，不是丌放的， 绝大多数的p l c 走的足专门化的道路，专用的总线，专用的通信网络协议。 硬件e 各厂家的p l c 的c p u 和i 0 模块互不通用，软件上各厂家p i 。c 的编程 虽多使用梯形图、语句表、功能图等语言，但是各个公司的p l c 设备，其组 念、寻址以及语言的结构不一致，其指令系统的功能也大不相同，这样造成 了各种p l c 的f i 兼容，给使用上带来了很大的不方便，国际电工协会( i e ( ) 在 1 9 9 2 年颁布了l e c l l3 1 3 可编程序控制器的编程软件标准，为各p l c 厂家 编稗的标准化铺平了道路。 1 5 课题研究的背景及意义 我国工业自动化技术起步于上个世纪中叶，在随后的几十年晕，有了快 速发展，但是与其他发达国家相比，普及率仍然不是很高。特别是在化。i ：行 业反应釜生产配制过程中，对于原料的添加、时f j j 的控制、温度的控制以及 配制标准最佳的判断等，多以经验值为判断依据，而且很多工厂依然采用于 工操作，从而造成了化工产品的质量差别很大，生产的效率不高，并目j ：人 工作的劳动强度大，工作条件艰苦，而且化工产品的配制原料中往往含有对 人体有害的成分。某玻璃纤维生产厂在其浸润剂的配制生产过程中仍然是人 工操作，添加原料的质量是通过精度不高的秤磅称量甚至不称量，反应釜中 的温度是通过误差很大的温度计得到的，浸润剂在配制过程的转向点是通过 颜色和操作工人经验值得判断得到，效率不高，配制原料中含有对人体有害 的成分，工人工作的环境恶劣，劳动强度大。 当前我国丁f 处于工业化的中后期阶段，一方面，我国基本已步入中等发 达国家的程度水平，随着经济社会的发展，人民群众对化工产业的发展提出 了更高更新的要求：另一方面，化工产业已经步入快速发展时期，化工生产 西南科技大学硕士研究生论文第6 页 过程自动化可以提高生产率和产品质量，降低成本、改善劳动条件、保障生 产安全。 、 。 该玻璃纤维厂浸润剂配制自动化控制系统是由该厂和西南科技大学联合 研发，旨在进一步提高玻璃纤维浸涧剂的质鼍，提高整个过称的生产效率， 改善工人的劳动条件，并且实现玻璃纤维浸润剂配制过程中转向点控制技术 的创新突破。 该项目进一步实现校企联合产学研一体化合作模式，高等院校以及生产 企业在功能与资源优势上的 力、同合作与集成，从而形成优势互补、风险共担、 利益共享、共同发展的联合体。 1 6课题研究的主要内容 ( 1 ) 分析玻璃纤维浸涧剂的配制q - 产过程，设计系统总体方案：采用西门 子s 7 2 0 0 叮编程控制器c p u 2 2 6 、1 个模拟量输出模块e m 2 3 5 ，对c p u 编程实 现浸涧剂配制过程自动控制。人机操作【白i 板由f d 2 0 0 和按键组成，t d 2 0 0 用于 设置本系统运行参数。 ( 2 ) 分析研究温度传感器与变送器的工作原理，实现对浸润剂配制加水水 箱与反戍釜中温度采集、补偿并控制蒸汽电磁阀的通断和电动调节阀丌度， 控制整个配制过程的温度变化，并绘制温度曲线。温度控制是整个过程中的 重点，反应釜中的温度控制直接决定着浸润剂的质量，温度在整个过程巾形 成一条曲线，并目在一定的范吲内进行波动。采用p i d 控制方式，使反应釜 的温度控制达全0 最优。 ( 3 ) 分析研究高温电磁阀与涡轮流量计的工作原理，研究对浸润剂配制采 集、补偿并控制反应釜中蒸汽电磁阀的通断。对配制过程中加机油和水的黾 利用流量计进行测最标定，根据配制要求进行量的控制。 ( 4 ) 分析研究粘度传感器的工作原理，传统的人工配制过程是通过判断其 颜色来决定是否为转向点，存在一定的误差及不准确性，本系统采用粘度传 感器测量分析浸润剂粘度的变化，绘制其变化曲线，利用其粘度变化舰律确 定浸润剂配制过程中转向点的到来。 ( 5 ) 对p l c 控制系统的容易产生的干扰进行分析判断，并加强提高抗干扰 能力的措施。 1 7本章小结 本章主要介绍了p l c 并和其他控制系统作了详 对课题要研究的主要内容 西南科技大学硕士研究生论文第8 页 2 浸润剂配制过程自动控制系统的总体设计 2 1浸润剂配制的生产工艺概述 玻璃纤维浸涧剂配制的工艺过程：首先按照不同的配方定量的往反应釜 中加入配制原料。再往反应爷中通蒸汽。当加热到某一温度以后，启动搅拌 机月：始搅拌。当反应釜内温度达剑另一数值时，关闭蒸汽，声光提示加入另 一种原料，然后继续蒸汽加热虿另特定温度，丌始加水过程( 往反应釜内 添加某温度的热水，加水存在时f h jf 1 - t j 隔和次数，每次加水的质量不定) 。在搅 拌过程中，判断转向点，当转向点来l | f ；往反应釜内加热水量有所变化，转向 点过后往反映釜内加大量热水达剑一定高度，停止加水，再多搅拌几分钟， 整个系统全部停止，配制完毕。 浸润剂配制过程中，温度控制是整个过程中的重点，反应釜中的温度控 制直接决定着浸润剂的质量，不同阶段埘戍1 i 同的温度曲线，并且在一定的 范围内进行波动。往反应篆中所加热水的温度也要与釜内的温度相对应，以 便提高浸润剂的质量。反应釜采用火层通蒸汽加热方式，其升温过程受到蒸 汽压力、外界环境温度等诸多因素的影h 向，而h 温度变送器采集剑的温度存 在着一定的滞后特性。 2 2浸润剂配制过程自动控制系统的组成 根据工厂配制车间实际情况完成浸润剂配制自动控制系统的基本组成结 构改造，系统硬件主要由p l c 控制箱、电磁阀、温度变送器、流量计、在线 粘度检测传感器、频率计、液位检测器、浮球液位控制器等器件组成，通过 现场调研和自动控制流程的设计，完成浸润剂自动配制控制系统的检测变送 器与执行器配置方案，如图2 一l 所示是浸润剂自动配制控制系统总体方案图 该自动控制系统的核心控制模块采用西门子$ 7 - 2 0 0 可编程控制器c p u 2 2 6 和1 个模拟量输入输出模块e m 2 3 5 ，对p l ，c 编程实现浸润剂配制过程自动控制。 人机操作面板由t d 2 0 0 和按键组成，t d 2 0 0 用于设置本系统运行参数。操作面 板与c p u 2 2 6 采用r s 4 8 5 通信方式。图2 - 2 为浸润剂配制过程自动控制方案示 意图 西南科技大学硕士研究生论文第9 页 | 来水阀l 图2 1自动配制控制系统总体方案图 f i g2 - 1 a u t o m a t i cp r e p a r a t i o nc o n t r o is y s t e mo v e r a i p r o g r a mda g r a m 图2 - 2浸润剂配制过程自动控制方案示意图 f i g2 - 2 s i z i n gc o n t r o lp r o g r a md i a g r a mo fp r e p a r a t i o np r o c e s s 西南科技大学硕士研究生论文第1 0 页 2 3 浸润剂配制自动控制系统的控制量的分配， 玻璃纤维浸涧剂配制自动控制系统各个单元的动作是在孔c 控制系统的 控制卜协调完成的，根据系统需要处理的控制量对p i 。c 控制系统进行配置， 根据现场调研获知，主要的控制量包括7 个的数字输入，1 1 个的数宁输 b ，4 个模拟量输入和1 个模拟量输出。 数字量输入包括：运行、停止、自动转向点、于动转向点、水箱水位上 限、水箱水位下限和反应釜上限，实现的功能是p l c 接受运行和停j = 信号， 利用粘度检测传感器和频率汁产生的自动转向点信号、手动转i 勺点信号以及 水箱和反应釜的液位信号。 数字量输出主要足控制水箱的蒸汽阀、自来水阀、热水阀、反j 澎釜的蕉 汽阀、搅拌电机、机油阀以及声光报警和功能指示灯等。 e m 2 3 5 模块的4 路模拟量输入和1 路模拟量输出分别是接收水温变送器、 油温变送器、热水流量计和机油流量计4 路4 2 0 m a 模拟量标准信号，输m0 2 0 m a 或是0 1 0 v 的模拟量标准信号来控制电动调节阀，1 ：度。 t d 2 0 0 作为浸润剂配制自动控制系统的人机界面控制器，可以实现浸涧剂 配制型号的选择、参数设置等内容。 2 4浸润剂配制自动控制系统的工作流程 浸润剂配制自动控制系统的工作流程如图2 3 所示，只有射整个过程的 加工工艺熟练的了解，4 能够设计出更加完善的白动控制工作流程。浸涧剂 配制自动控制系统设计期间，通过一个月的现场渊研与实际操作，在原先手 ：配制浸润剂工作流程的基础上设计出一套新的工艺控制流程，其流程图如 图2 - 3 所示 西南科技大学硕士研究生论文第11 页 图2 - 3 浸润剂配制自动控制系统的工作流程 f i g2 - 3s i z i n gp r e p a r a t i o nw o r kf l o wc o n t r o ls y s t e m 西南科技大学硕士研究生论文第12 页 2 5浸润剂配制自动控制系统的重要器件介绍 ( 1 ) p l c 主机 玻璃纤维浸涧剂配制控制系统根据具体生产所设计，设计过程中不仪要 满足现有生产过程的使用要求，考虑为以后设备改进留有余地，而且考虑到 系统的性能和产品的服务等，我们选择西门子p i ，cs 7 2 0 0c p u 2 2 6 ，下而就简 要介绍一下该机，魁的主要装置及其功能。 i ( ) 点数，程序容量，输入输m 类型 $ 7 - 2 0 0c p u 2 2 6 是西门子p l c 中的一个小型的p l c 控制器，自带4 0 点数 字i o ( 2 4 点输入，t 6 点输出) ，可连接7 个西门子的p l c 扩张模块。该机种 上运行的速度更快、实时性更高，其用户程序可达到4 k ，用户数掘可达到2 5 k ， 为将来增加程序长度留有足够的富裕量。该机种的输入输出方式采用晶体管 输出方式，晶体管方式町以做出动作频率高的输出，使片j 寿命长，没有次数 限制，供电电压2 4 v d c ，通过p l c 输出控制中i b j 继电器，从而达到直流控制交 流，弱电控制强点的功能。 通讯功能 s 7 2 0 0 系列p l c 安装有串行通信口，c p u 2 2 6 有两个r s 一4 8 5 口，支持点 对点接口( p p i ) 。多点接口( m p i ) 。p r o f f i b u s 通信协议中的一种或是多种。 s 7 2 0 0 网络使用r s 一4 8 5 标准，使用双绞电缆，一个网络站上可以连接 3 2 个设备，通讯距离可达l2 0 0 米，并且装有标准的9 针d 型连接器，能够方 便的连接西门予提供的其他设备。 ( 2 ) 模拟量输入输出模块 e m 2 3 5 模块是西门子p l c $ 7 - 2 0 0 的模拟量输入输出模块，有口i 路模拟量 输入一路模拟量输出。e m 2 3 5 模块采有4 个输入通道和1 个输出通道，每个通 道的输入可单独没定为电压( l o v ) 或电流( 2 0 m a ) ，电压输入时的分辨 率为1 2 位( 最低有效值为l l s b ：1 2 5 m y ) ；电流输入时的分辨率为1 2 位( 最 低有效值1 l s b = 5i ja ) 。要求电源电压为2 4 v d c 。在采集单极性和双极性输入 信号时，需要对s w l 一s w 6 开关进行设置选择，从而选择不同的量程和分辨率。 ( 3 ) 涡轮流量计 l w 一2 5 d 1 2 型涡轮流量计，测量精度高、维护性好、适用性强。在现场应 用中，多年来，一直占据首位，其具有结构简单、精度高、耐高压、便于安 装检修等特点，广泛应用于各种流体体积流量的测量，l w 一2 5 d 1 2 型涡轮流量 计用于水及化工产品的液体流体测量。工作原理放置在传感器内的涡轮在流 西南科技大学硕士研究生论文第13 页 体作用下产生旋转，使信号检测器的磁场产生变化，信号检测器的线圈中感 生出交变电压，此信号电压的频率与涡轮的转速成正比，即与流体的流量成 正比。特点选用硬质合金作为轴承材料，有效提高流量计使用寿命采用 l c r l 8 n i 9 t i 不锈钢，防腐性能好采用永磁合会，输出信号强，磁稳定性好温 度范围宽，可在( 0 12 0 ) 范围内i f 常 作结构简单，清洗方便，压力达 到5 0 m p a 的流量计。容易维修，流量计有自整流的结构，小型轻量，结构简 单，可在短时i 日j 内将其组合拆丌，内部清洗简单。信号传输距离：为有效值1 2 5 0 m ，工作电源：2 4 v d c ，输出信号：4 2 0 m a 。 ( 4 ) 温度变送器 常用的传感温度方法分为接触式和非接触式两种s b w z - 2 4 6 0 系列温度变 送器为接触式传感器，能够与被测对缘良好接触，测温较准确而应用较广。 s b w z 一2 4 6 0 系列温度变送器是现场安装式温度叟送器单元。它采用一一线制传送 方式( 两根导线作为电源输入，信号输出的公用传输线) 。将热电偶、热电阻 信号变换成与输入信号或与温度信号成线性的4 2 0 m a 的输 信号。精度高、 功耗低，使用环境温度范围宽，1 ：作稳定可靠。变送器具有输入端丌路指示 功能，热电偶温度变送器具有冷端温度自动补偿功能。丁作电源：变送器工 作电源电压最低1 2 7 ，最高3 5 v ，额定工作电压2 4 v 。温度检测范幽o 一6 0 0 。 变送器可以安装于热电偶、热电阻的接线盒内与之形成一体化结构。它 作为新一代测温仪表可广泛应用于冶会、石油、化工、电力、轻工、纺织、 食品、国防以及科研等工业部门。应用面广，既町与热电偶、热电阻形成一 体化现场安装结构，也可作为功能模块安装在检测没备中。 ( 5 ) 在线液体粘度传感器 f w s 一2 型在线液体粘度传感器主要用于在线实时监测低料i 度液体，可广泛 应用于石油，化工，电力，食品冶会及国防等领域主要应用在：控制液体 的雾化水平或流动性，油品调合的一致性和连续性，评估流体质量，监视和 控制生产过程等方面。如粘合剂，化工制品，原油石油产品，油漆油墨涂料， 聚合物。它不仅结构简单，使用方便，而且响应快，价格低。具有简洁的工 业在线安装形式。该传感器与控制室中的二次仪表或控制器相连，还可以实 现数据存储、温度补偿及控制功能。测量方式：柱塞探头，在线实时测量； 粘度范围：0 5 0 0 c p ( 可以标定成其它粘度单位) 输出信号；频率信号( 1 1o o k h z ) 测量分辨率：0 5 c p ；工作温度：0 1 2 0 ；输入电压：直流 5 v 1 2 a 。 ( 6 ) 电动调节阀 西南科技大学硕士研究生论文第1 4 页 s z r q m 系列智能型电动调节阀是用来凋节介质的流量、液位和压力等，根 据调节阀接受到的信号控制调节阀的开度，从而达到介质流量、液位和压力 的调节。调节阀采用o 2 0 m a 或是0 1 0 v 的标准信号作为控制型号，这个信 号有p l c 的e m 2 3 5 模块提供，在反应釜温度控制过程中，作为调节反应釜蒸 汽加热流量的控制，从而调节反应釜的温度，使反应釜的温度变化曲线尽可 能贴近最优。 2 6 本章小结 本章概述了对浸涧剂配制自动控制系统的设计，首先描述了浸润剂的配 制： 艺，根据该工艺和多方的努力，完成了浸涧剂配制自动控制系统的检测 变送器与执行器的配置，根据所用到的设备器件没计完成了浸润剂配制自动 控制系统的控制方案和配制的工作流程；并对控制系统中所用的主要设备器 件做了简要的描述。 西南科技大学硕士研究生论文第15 页 3 浸润剂配制自动控制系统的各模块的硬件设计 3 1 供电模块电路的设计 i 。1 l 2 l 3 n 总断路保护器 ： ，、 z ：，、 ， j 弋 ( 熔断器n ) 生 一 、 隔离变 胜器 i 窄气卉关 卜 l滤波器r 交流接触器 已e z z o l抽针世i 靼l “ i 型 蓼 uiv ( 一 图3 1主电气电路和控制回路电源 f i g 3 - 1 t h em a i ne l e c t r i c a lc ir c u i ta n dc o n t r o lc ir c u i tp o w e rs l l o p l y 如图3 1 所示，3 8 0 v 交流三相四线制电源通过总断路保护器后分为：控制 电机的主电气电路和供控制电路使用的控制电源电路。控制电机的主电气电 路通过一个空气丌关，在经过交流接触器和热继电器后，进入反应釜的搅拌 电机。控制电路所需要的电源是是由3 8 0 v 的一条相线和地线提供的2 2 0 v 的 交流电，为防止电路的不稳定影响到控制电路，该电源需要经过一个2 2 0 v 转 2 2 0 v 的隔离变压器和一个滤波器后转换为控制凹路需要的稳定的2 2 0 v 交流 电，然后经过一个2 4 v d c 的开关电源后，为p l c 模块和中问继电器的输入线 圈提供稳定可靠的2 4 v 直流电源。 西南科技大学硕士研究生论文第16 页 3 2水箱控制系统的设计 在玻璃纤维浸润剂配制过程中，加水是一个关系到浸润剂质量的一个重 要因素，不同阶段，加不同温度和不同质量的水，水箱控制也是玻璃纤维浸 涧剂配制e 1 动控制系统中的一个重要的子控制系统，水箱控制系统如图3 2 所示。 图3 - 2水箱控制系统图 f i g 3 2 t a n kc o n tr o is y s t e md ia g r a m 由于水箱中的水是通过蒸汽进行加热的，蒸汽的温度可达至0 一百多度， 所以，在选用蒸汽阀、热水阀和浮球液位控制器时，需要选择耐高温材料做 成的，温度变送器的范围可选用0 - - 6 0 0 度。该系统中，自来水阀为水箱提供 水源，利用浮球液位控制器上限和下限的触点丌关，作为自来水阀的开启和 关闭的触点信号。在玻璃纤维浸润剂的配制过程中，不同的阶段需要不同的 温度的水，温度变送器在线采集水箱中的温度，p l c 接收到温度变送器信号后， 通过换算得出水温，在t d 2 0 0 上显示，并且根据配制过程中需求不同温度的 水，做简单控制自来水阀、热水阀门、蒸汽阀门的开启和关闭，为整个过程 中提供符合需求温度的水。 西南科技大学硕士研究生论文第17 页 3 3水和机油流量控制系统的设计 在玻璃纤维浸润剂配制过程中，配制不同型号的浸润剂需要向反应釜中 添加不同质量的机油和水，添加机油和水的质量也是一个关系到浸润剂质量 的重要因素，精确的添加机油和水的量是浸润剂配制自动控制系统中的一个 重要的子控制系统，机油和水流量控制系统如图3 3 所示。 机油箱 图3 3机油和水流量控制系统图 f i g 3 - 3 0 ia n dw a t e rf i o wc o n t r o is y s t e md i a g r a m 在该子系统中，l 。w 型涡轮流量计对于精确控制机油和水的添加量，起到 了核心换算的作用。流量计安装在电磁阀的前方，并且流量计要和电磁阀的 安装距离靠近，水平安装，这样可以保证通过流量计的液体可以满管径流动。 流量计的工作原理是放置在传感器内的涡轮在流体作用下产生旋转，使信号 检测器的磁场发生变化。因此在信号检测器的线罔中感应出交变电压，在经 过放大器放大、滤波、整形输出4 2 0 m a 信号。此信号电压的频率与涡轮的 转速成i f 比，即与流体的流量( 流速) 成i f 比。西门子p l c 的e m 2 3 5 模块接 收标准的4 4 2 0 m a 的电流信号，对信号做换算，当完成需要添加的量时，有 p