基于PLC的刨花拌胶控制系统设计黄强.doc

绵阳师范学院 本科生毕业设计 论文 题 目 基于 PLC 的刨花板生产线控制 系统设计 专 业 电气工程及其自动化 院 系 物理与电子工程学院 学 号 0809430417 姓 名 黄 强 指 导 教 师 袁 亮 讲师 答 辩 时 间 二零一二年五月 工作时间 2011 年 12 月 至 2012 年 5 月 基于 PLC 的刨花板生产线控制系统设计 学生 黄强 指导老师 袁亮 摘 要 随着我国十二五规划的进一步推进 国家对各项基础设施投资力度的 进一步加大 市场对优质刨花板的需求将进一步提高 为此 如何提供质优价 廉 性能可靠 节能环保 维护方便的刨花板生产设备 变成了设备厂商急需 解决的问题 本文中的刨花生产线控制系统应用了西门子 S7 200 系列的 PLC 完 成该系统中刨花拌胶 搅拌控制 搅拌机生产控制系统的刨花由螺旋给料机提 供 压力传感器负责检测刨花量 胶由胶泵抽给 电磁流量计检测胶流量 刨 花和胶按一定的比例送到搅拌机内搅拌 然后将混和料供给下一道工序蒸压成 型 要求胶量和刨花量恒定 并有一定比例关系 即胶量随刨花量的变化而变 化 误差要求 3 刨花回路采用比例控制 胶回路采用 PI 控制 双轴搅拌机 利用两根呈对称状的螺旋轴同步旋转 搅拌机的喷胶器使胶呈雾状喷射到刨花 中 该系统配备的混胶器可以使固化剂与胶在其中混合 而不是把固化剂直接 加到调胶罐中 本系统具有搅拌均匀 施胶量低等功能 调胶系统采用 PLC 集 中控制 PLC 根据各部传感器得到刨花的重量 含水率 来调整施胶量 使施 胶后的刨花含水率控制在理想的状态上 这样的优点是在生产线临时停机时 可以避免胶的浪费 节省了大量的资金和生产原料 关键词 PLC PID 变频器 The Design of the Particleboard Production Line Control System Based on PLC Undergraduate Qiang Huang Supervisor Liang Yuan ABSTRACT As to Chinese 12th Five Year Plan the state go on increasing the infrastructure investment and market will need more good quality particleboard So how to provide cheap reliable performance energy saving and easy maintenance particleboard production equipment need to be resolved This thesis introduce the production line control system based on Siemens S7 200 Series PLC In this system pressure sensors responsible for detecting wood shavings amount Glue from the glue pump the electromagnetic flowmeters responsible for the detection of flow wood shavings and glue should be put in the mixer with a certain proportion and then get the mixed material into a process autoclave molding Wood shavings and glue keep contently which has a certain percentage the glue changes with the wood shavings error 3 the shavings loop use proportion to control the plastic loop use PI to control Biaxial mixer use two symmetrical shape of the spiral axis to rotate synchronously mixer spray adhesive allows glue to be sprayed into the wood shavings This system is equipped with glue mixing machine that mix the curing agent and glue in it instead of getting curing agent add to the glue This system stirs regularly which can save glue The gel stiring system is centrally controlled by PLC the PLC get the shavings weight moisture content according to the ministries sensor to adjust the amount of size Shavings after sizing moisture control in the ideal state The advantage of the temporary shutdown of production lines can avoid wasting glum which saving much of money and raw materials key words PLC PID Frequency Converter 目录目录 1 绪论 1 2 拌胶机控制系统的技术概述 3 2 1 PLC 技术概述 3 2 1 1 可编程控制器 3 2 1 2 PLC 的结构 3 2 1 3 PLC 的特点 4 2 1 4 PLC 的基本功能 5 2 2 变频器简介 6 2 3 S7 200 编程软件概述 6 2 3 1 STEP 7 Micro WIN32 西门子 S7 200 编程软件 6 2 3 2 STEP 7 Micro WIN32 梯形图简介 7 2 4 PID 在模拟量闭环控制系统中的应用 7 2 4 1 PID 控制的特点及常用方法 7 2 4 2 PID 控制器的数字化 8 3 拌胶机控制系统的设计方案 11 3 1 系统工艺流程 11 3 2 拌胶控制系统硬件选型 11 3 2 1 PLC 选型 11 3 2 2 变频器选型 13 3 2 3 差压变送器选型 13 3 2 4 电磁流量计选型 14 3 3 控制系统软件设计 14 3 4 数模输入 输出地址分配表 16 3 5 搅拌机系统程序流程图 17 3 6 系统程序 18 3 7 拌胶控制系统仿真 21 总结 22 展望 23 致 谢 24 参考文献 25 1 绪论 刨花板是将木材等原材料切削成一定规格的碎片 经过干燥 拌以胶粘剂 硬化剂 防水剂 在一定的温度下压制而成的一种 人造板材 普通刨花板的 强度没有同规格的胶合板强度高 但制造胶合板所使用的原木质量要求较高 并且木材利用率较低 因此 在刨花板生产中开辟了一个新的分支 这就是采 用特殊的加工工艺 用细径劣质材制造出具有定向结构的高强度新型刨花板 即定向刨花板 定向刨花板是刨花板新品种之一 刨花铺装成型时 将搅拌刨花板按其纤 维方向纵行排列 压制而成的刨花板 定向刨花板表面覆以锯末 碎屑等细料 芯部充以定向刨花的结构板材 具有性价比高 产品性能优良 产品用途广泛 等特点 本文在简单介绍 PLC 的基础上 通过分析控制系统的要求 采用了西门子 S7 200 系列 PLC 及扩展的 EM231 EM232 功能模块 设计了以 PLC 为核心的随 动控制系统 其中 EM231 有 4 个模拟量输入通道 EM232 有 2 个模拟量输出通 道 主要对刨花生产环节中的拌胶 搅拌过程进行控制 以实现拌胶均匀 节 省原料的目的 一 基于 PLC 的拌胶机控制系统的特点 一 施胶机具有如下主要特点 1 采用螺旋进料 保证先进料先施胶 后进料后施胶 避免有些刨花重复 施胶 2 改进了冷却系统 上 下壳体和中轴无不流动死角 冷却均匀 3 低速搅拌 不使刨花破损 4 改进了注胶位置和方式 保证施胶均匀 设备特别适用于施胶量少的麦秸杆生产线和保证刨花形态的定向刨花板生 产线 对原刨花生产线也可以做到在保证同等物理力学性能的基础上 施胶量 降低 8 二 拌胶机对比传统拌胶系统特点 1 树脂消耗量减少 5 8 2 对比前一代搅拌机有更好的板子技术性能 3 稳定的技术指标 4 一周清理一次搅拌机 5 减小边缘速度使得机器磨损减少 50 6 几乎不因为混合而破坏刨花形态 1 三 PID 控制具有以下的优点 1 不用求出控制系统的数学模型 2 PID 控制器的结构典型 程序设计简单 易于实现 参数调整方便 3 有较强的灵活性和适应性 用可编程控制器对模拟量进行 PID 控制时 可采用以下几种方法 1 使用 PID 过程控制模块 PID 模块控制程序存放在扩展模块中 用户在使用时只需设置一些参数 使用起来非常方便 一个模块可以控制多个闭环回路 2 自编程序实现 PID 闭环控制 有的可编程序控制器没有 PID 过程控制模块及功能指令 如果要改进的 PID 控 制算法 都需要用户自己编制 PID 控制程序 2 二 以下是各工段工艺流程的简单说明 1 备料工段 刨花板生产线原料经削片 筛选后送到木片料仓进行过渡储存 2 干燥筛选打磨工段 湿刨花经运输机送到转子式刨花干燥机进行干燥 经过干燥的刨花在进行 刨花分选 筛选 3 调胶施胶工段 合格的表芯层干刨花经刨花给料机量后送到拌胶机中 同时调供胶工段将 工艺所要求的胶液送到拌胶机中 刨花和胶液在表芯层拌胶机的充分搅拌下 达到均匀混合充分施胶的效果 4 铺装热压成型工段 施胶后的刨花经皮带运输机送至机械分级铺装机 由机械分级铺装机组铺 装出均匀平整的板坯 板坯经多道工序送到装板机的装机吊笼中 由装机吊笼 将板坯送到多层热压机中进行热压成型 5 后处理工段 停留在卸板机中的毛板经卸板运输机送至冷却进板运输机 由冷却进板运 输机送到凉板机中进行冷却 6 后期加工 主要包括对从热压机中取出的板材进行冷却 裁边 砂光 检验 分等 修补等加工 3 2 拌胶机控制系统的技术概述 2 1 PLC 技术概述 2 1 1 可编程控制器 可编程控制器简称 PC 英文全称 Programmable Controller 是计算机 家族中的一员 是为工业控制应用而设计制造的 它采用一类可编程的存储 器 用于其内部存储程序 执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数与算术操作 等面向用户的指令 并通过数字或模拟式输入 输出控制各种类型的机械或生产 过程 于上世纪中叶后被发明 在机床 各种流水线的输送机械 发电 化工 电子等行业工艺设备的电气控制方面得到了广泛的应用 它经历了可编程序矩 阵控制器 PMC 可编程序顺序控制器 PSC 可编程序逻辑控制器 PLC 和可编程序 控制器 PC 几个时期的发展 为与个人计算机 PC 相区别 现在仍然沿用可编 程逻辑控制器这个名称 它具有功能强大 使用可靠 维修简便等许多优点 随着科学技术的飞跃 发展 PLC 也不断得到完善和强大 同时它的功能也大大超过了逻辑控制的范 围 如联网通信功能和自诊断功能等 因此今天这种装置被我们称作可编程控 制器 简称为 PLC 4 2 1 2 PLC 的结构 一 中央处理单元 CPU CPU 是 PLC 的核心 负责完成逻辑运算 数字运算及协调系统内各部分工 作 每套 PLC 至少有一个 CPU PLC 的 CPU 一般分三类 通用微处理器 单片机 和专用微处理器 小型 PLC 大多采用 8 位处理器和单片机 大中型 PLC 大多采 用 16 位或 32 位微处理器和单片机 它在系统程序的管理下运行 主要功能有 1 接收并存储由编程器输入的用户程序和数据 2 诊断电源故障及用户程序的语法错误 3 读取输入状态和数据并存储到相应的存储区 4 读取用户程序指令 解释执行用户程序 完成逻辑运算 等 二 存储器 PLC 的存储器包括系统程序存储器和用户程序存储器 1 系统程序存储器 系统程序存储器用于存放系统程序 系统程序在出厂时已经被固化在 PROM 和 EPROM 中 这部分存储区不对用户开放 用户程序不能访问和修改 2 用户程序存储器 用户程序存储器分为程序存储区和数据存储区 程序存储区用于存放用 户编写的控制程序 数据存储区存放的是程序执行所需要产生的中间数据 包 括输入输出过程映像 定时器 计数器的预置值和当前值等 3 PLC 电源单元 PLC 电源单元为 PLC 提供工作电源 有些电源单元也可通过 PLC 的 I O 接 口向负载提供直流 24V 电源 PLC 的电源一般采用开关电源 输入电压范围宽 抗干扰力强 电源单元还提供掉电保护电路和后备电池电源 以维持部分 RAM 存储器的 内容在外界电源断电后不会丢失 4 输入 输出 I O 模块 I O 单元是 PLC 与工业现场的接口 现场信号与 PLC 之间的联络通过 I O 单元来实现 I O 单元的输入和输出信号包括数字量和模拟量两类 另外还包 括一些功能模块 例如 PID 控制模块 中央处理器将输入输出的电信号转换为 电平信号 输出至被控对象 如电磁阀 接触器 执行机构等 作为抗干扰措 施 输入输出单元都带有光电耦合电路 将 PLC 与外部电路隔离 5 接口单元 接口单元包括扩展接口 通信借口 编程器接口和存储器接口等 PLC 的 I O 单元也属于借口单元范畴 它完成 PLC 与工业现场之间电信号的联系 另 外 PLC 与其他外接设备和信号的联系都需要相应的接口单元 主要包括 I O 扩展接口 通信借口 编程器借口 存储器接口 其他外部 设备借口 6 外部设备 PLC 的外部设备主要包括编程设备 监控设备 存储设备 输入输出设备 这里主要介绍编程设备 编程器用来编制 编辑 调试和监视用户程序 并且能调用和显示 PLC 的 一些内部状态和系统参数 编程器分简易型和智能型两种 简易型编程器只能 联机编程 它通过编程器接口与 PLC 连接 智能型编程器即可联机编程又可脱 机编程 还以远离 PLC 插到现场控制站的相应接口进行编程 采用个人计算机作为 PLC 系统的开发工具是目前的发展趋势 各厂家均提 供可安装在个人计算机上的专用编程软件 用户可直接在计算机上联机或脱机 编程 开发功能强大 具备监控能力 通信能力 还可对用户程序进行仿真 5 2 1 3 PLC 的特点 1 具有可靠性高 适用于工业环境 可编程控制器在硬件设计方面 采用了一些提高可靠性的措施 一方面采 用更先可靠的原件 加工工艺进行制造 加强了抗干扰能力 另一方面存储器 内容可以自行警报 诊断 便于维修等 与此同时 系统的维修简单 维修时 间短 可靠性得到提高 2 控制程序可变 具有很好的柔性 在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下 不必改变 PLC 的硬设备 只需改变程序就可满足 因此 除单机控制外 PLC 在柔性制造单元 FMC 柔性制造系统 FMS 以致工厂自动化 FA 中也被大量采用 且编程方法简 便易学 使用方便 3 功能完善 现代 PLC 具有数字和模拟量输入输出 逻辑和算术运算 定时 计数 顺 序控制 PID 调节 各种智能模块 远程 I O 模块 通信 人 机对话 自诊断 组态 记录和图形显示等功能 处理适用于离散型开关量控制系统外 现在也 能适用于流程控制系统 从而使设备的控制水平大大提高 4 安装简单 维修方便 PLC 不需要专门的机房 可以在各种工业环境下直接运行 使用时只需将 现场的各种设备与 PLC 相连 即可投入运行 由于 PLC 有完善的自诊断功能 输入 输出均有明显的指示 在线监控软件的功能很强 因此 很容易进行维修 能很快查找出故障的原因 5 体积小 重量轻 省电 与传统的控制系统相比 PLC 的体积很小 而且 PLC 用软件取代了继电器 控制系统中大量的中间继电器 时间继电器 计数器等器件 使控制柜的体积 缩小 由于 PLC 体积小 很容易装在机械设备内部 是实现机电一体化的理想 控制设备 由于减少了中间继电器 时间继电器 计数器等器件线圈用电 PLC 消耗的电能只是传统控制系统的 1 3 1 2 6 PLC 的性价比高 随着集成电路芯片功能的提高 价格的降低 PLC 硬件的价格也一直不断 的在下降 虽然 PLC 的软件价格在系统中所占的比重在不断提升 但由于缩短 了整个工程项目的设计和编程时间 减少了投运费用以及缩短了整个投运周期 因此 使用 PLC 的总造价是低廉的 而且还呈不断下降的趋势 PLC 网络具有 较高的性能价格比 使得 PLC 在工厂中备受欢迎 用量高居首位 成为现代工 业自动化三大支柱之首 6 2 1 4 PLC 的基本功能 1 逻辑控制功能 逻辑控制功能就是位处理功能 是 PLC 的最基本功能之一 PLC 设置有 与 AND 或 OR 非 NOT 等逻辑指令 利用这些指令 根据外部 现场 开关 按扭或其他传感器 的状态 按照指定的逻辑进行运算处理后 将结果输出到现场的被控对象 电磁阀 电机等 2 定时控制功能 定时控制功能是 PLC 的最基本的功能之一 PLC 中有许多可供用户使用的 定时器 其功能类似于继电器线路中的时间继电器 3 计数控制功能 计数控制功能是 PLC 的最基本功能之一 PLC 为用户提供了许多计数器 计数器计数到某一数值时 产生一个状态信号 计数值到 利用该状态信号实 现对某个操作的计数控制 4 数据处理功能 PLC 大部分都具有数据处理功能 可以实现算术运算 数据比较 数据传 送 数据移位 数制转换 译码编码等操作 5 回路控制功能 有些 PLC 具有模数转换 数模转换功能 可以方便地完成对模拟量的控制 和调节 6 监控功能 PLC 设置了较强的监控功能 利用编程器可对 PLC 运行状态进行监视 利 用编程器 可以调整定时器 计数器的设定值和当前值 并可以根据需要改变 PLC 内部逻辑信号的状态及数据区的数据内容 为调试和维护提供了极大的方 便 7 停电记忆功能 PLC 内部的部分 RAM 设置了停电保持器件 以保持 PLC 断电后的数据内容 不变 电源恢复后 PLC 继续工作 8 故障诊断功能 PLC 可以对系统硬件 指令等进行自诊断 发现异常情况 发出报警并显 示错误类型 必要时则自动中止运行 7 2 2 变频器简介 变频器 Variable frequency Drive VFD 是应用变频技术与微电子技术 通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备 变频器主 要由整流 交流变直流 滤波 逆变 直流变交流 制动单元 驱动单元 检测单元微处理单元等组成 通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的 根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压 进而达到节能 调速的目的 另外 变频器还有很多的保护功能 如过流 过压 过载保护等等 随着工业 自动化程度的不断提高 变频器也得到了非常广泛的应用 2 3 S7 200 编程软件概述 2 3 1 STEP 7 Micro WIN32 西门子 S7 200 编程软件 STEP 7 Micro WIN32 编程软件是基于 Windows 的应用软件 支持 32 位 Windos95 98 2000NT4 0 使用环境 其基本功能是创建 编辑调试用户程序 系统组态等 1 硬件要求 要求个人计算机 PC 配置 CPU 为 80586 或更高的处理器 16MB 的内存 VGA 显示器 硬盘空间至少 50MB Microsoft Windos 所支持的鼠标 使用 PC PPI 电缆可将计算机与 PLC 连接 2 软件要求 STEP 7 Micro WIN32 可以安装在下列操作系统平台上 Microsoft Windows 1995 Microsoft Windows 1998 Microsoft Windows 2000 Microsoft Windows XP 2 3 2 STEP 7 Micro WIN32 梯形图简介 在西门子 S7 200 的图形编程语言中 常见的有梯形图 程序流程图 顺序 功能图 其中又以梯形图最长用 梯形图是 PLC 使用的最多的图形编程语言 被称为 PLC 第一编程语言 梯 形图与电气控制系统的电路图相似 具有直观易懂的优点 很容易被工厂电气 人员掌控 特别适用于开关量逻辑控制 梯形图中左 右垂直线称为左 右母线 STEP7 Micro Win32 梯形图编辑 器在绘图时 通常将右母线省略 在左右母线之间是由触电 线圈或功能框组 合的有序排列 梯形图的输入总是在图形的左边 输出总是在图形的右边 因 而触点与左母线相连 线圈或功能框终止右母线 从而构成一个梯级 在一个 梯级中 左右母线之间是一个完整的 电路 不允许 短路 开路 也不 允许 能流 反向流动 8 以下是梯形图的程序界面 图 2 3 2 PLC 梯形图 2 4 PID 在模拟量闭环控制系统中的应用 2 4 1 PID 控制的特点及常用方法 一 PID 控制在工业生产中使用广泛 用闭环控制方式来控制温度 压力 流 量等连续变化的模拟量 PID 控制具有以下的优点 1 不用求出控制系统的数学模型 2 PID 控制器的结构典型 程序设计简单 易于实现 参数调整方便 3 有较强的灵活性和适应性 二 用可编程控制器对模拟量进行 PID 控制时 可采用以下几种方法 1 使用 PID 过程控制模块 PID 模块控制程序存放在扩展模块中 用户在使用时只需设置一些参数 使用起来非常方便 一个模块可以控制多个闭环回路 2 自编程序实现 PID 闭环控制 有的可编程序控制器没有 PID 过程控制模块及功能指令 如果要改进的 PID 控制算法 都需要用户自己编制 PID 控制程序 三 用可编程控制器对模拟量进行 PID 控制时 可采用以下几种方法 1 使用 PID 过程控制模块 这种模块的 PID 控制程序是可编程序控制器生产厂家设计的 并存放在模 块中 用户在使用时只需设置一些参数 使用起来非常方便 一块模块可以控 制几路甚至几十路闭环回路 但是这种模块的价格昂贵 一般在大型控制系统 中使用 2 用自编的程序实现 PID 闭环控制 有的可编程序控制器没有 PID 过程控制模块和 PID 控制用的功能指令 有 时虽然可以使用 PID 控制指令 但是希望采用某种改进的 PID 控制算法 在上 述情况下 都需要用户自己编制 PID 控制程序 7 2 4 2 PIDPID 控制器的数字化 典型的 PID 模拟控制系统如图 2 4 1 所示 图中 sp t 是给定值 pv t 为反馈量 c t 为系统输出量 PID 控制器的输入输出关系式为 式 2 1 initialDC MdtdeTdte T eKtM 1 1 0 即输出 比例项 积分项 微分项 输出的初始值 2 1 式中 M t 是控制器 的输出 误差信号 e t sp t pv t Minitial 是回路输出的初始值 Kc 是 PID 回路的增益 Ti 和 Td 分别是积分时间常数和微分时间常数 式 2 1 中等号右边前 3 项分别是比例 积分 微分部分 它们分别与误差 误差的积分和微分成比 如果取其中的一项或两项 可以组成 P PD 或 PI 控 制器 需要较好的动态品质和较高的稳态精度时 可以选用 PI 控制方式 控制 对象的惯性滞后较大时 应选择 PID 控制方式 计算机模拟量闭环控制系统如图 2 4 2 所示 虚线部分在可编程控制器内 图中的 sp t pv t e t M n 均为第 n 次采样时的数字量 pv t m t c t 为模拟量 假设采样周期为 Ts 系统开始运行的时间为 t 0 用巨型积分来近似精确 积分 用差分近似精确微分 将式 2 1 离散化 第次采样时控制器的输出为 式 2 2 1 1 j n nnn j McKceKieMKd ee 式中 e n 是第 n 次采样时的误差值 e n 1 是第 n 1 次采样时的误差值 Kc Ki 和 Ad 分别是 PID 回路的增益 积分项的系数和微分项的系数 将式 2 2 化简为式 每一次计算只需要保存上一次的误差 e n 1 和上 一次的积分项 MX 式 2 3 1 nnnnn MKceKieMXKd ee CPU 实际使用的改进型 PID 算法的算式为 式 2 4 nnnn MMPMIMD 式中右边 3 项依次是比例项 积分项和微分项 1 比例项 式 2 5 nnnn MPKc SPPVKce 式中的 SPn 和 PVn 分别是第 n 次采样时的给定值和过程变量值 反馈值 图 2 4 1 模拟量闭环控制系统方框图 图 3 3 2 计算机闭环控制系统方框图 图 2 4 2 PLC 模拟量闭环控制系统方框图 2 积分项 积分项与误差的累加和成正比 其计算公式为 式 2 6 nnnn MIKc Ts Ti SPPVMXKieMX 式 2 6 中 Ts 是采样时间隔 Ti 是积分时间常数 MX 是前面所有积分 SP t M t C t PV t PID 调节 sp t M t C t pv t 器 执行机构控制对象 测量元件 M n M t C t pv t sp n e n pv n 执行 机 构 控制 对 象 测量元件 PID 调节器 D A A D 项之和 每次计算出后 需要用它去更新 MXn 在第一次计算时 MXn 的初值为控 制器的初值 Minitial 3 微分项 微分项 MD 与误差的变化率成正比 其计算式为 式 111 nnnnnnn MDKc Td TsSPPVSPPVKd ee 2 7 为了避免给定值变化引起的微分部分的跳变 可另给定值不便 SPn SPn 1 微 分项的算式变为 式 2 8 11 nnnnn MDKc Td Ts PVPVKd PVPV 为了下一次计算 必须保存过程变量 PVn 1 而不是保存误差 初始化时令 PVn 1 PVn 在许多控制系统内 可能只需要 P I D 中的一种或两种控制类型 例如 可能只要求比例控制或比例与积分控制 通过设置参数可对回路控制类型进行 选择 8 如果不需要积分作用 可将积分时间设为无穷大 因为有积分的初值 MX 即使没有积分运算 积分项得数值也可能不为零 如果不想要微分作用 可令 微分时间为 0 0 如果不想要比例作用 但是需要积分或需要积分和微分控制 应将回路增益设为 0 0 因为回路增益是计算积分及微分项公式内的系数 系 统在计算积分项与微分项时 令回路增益 Kc 为 1 0 9 3 拌胶机控制系统的设计方案 3 1 系统工艺流程 随动系统是指当某参量的变化规律为无法预先确定的时间函数 其被控量 能以一定的精度跟该参量变化的控制系统 本文中以刨花拌胶控制过程为例 根据控制要求 刨花拌胶系统的特点是使刨花形态的质量好 生产率高 刨削单位体积刨花的能耗低 自动化程度高 操作维修方便 安全可靠性高 是理想的高品质刨花制备设备 10 刨花由螺旋给料机供给 螺旋给料机由 PLC 模拟量输出信号控制的变频器 来控制其调速 压力传感器检测刨花量 胶由胶泵抽给 胶由电磁流量计检测 胶流量 胶泵由 PLC 模拟量输出信号控制的变频器来使其调速 胶量的设定可 以进行随动切换 一种是胶量直接给定方式 另一种是胶量与压力传感器测量 值设定的比例关系 当给系统设定一个刨花量后 在随动方式确定后 胶量便 会随之产生 刨花回路采用比例控制 胶回路采用 PI 控制 刨花和胶要按一定 的比率送到搅拌机内搅拌 然后将混料供给下一道工序蒸压成型 要求刨花量和胶量恒定 并有一定的比例关系 即胶量随刨花量的变化而 变化 误差要求小于 3 其工艺流程如图 3 1 所示 图 3 1 刨花搅拌机工艺流程图 3 2 拌胶控制系统硬件选型 3 2 1 PLC 选型 搅拌机控制系统的输入信号有 7 个 其中用于启动 停止 随动 3 个开关 量信号 其中刨花设定 压力传感器 胶设定 电磁流量计为 4 个模拟量信号 输出信号有两个 用以驱动胶泵电机调速器及螺旋给料机驱动器 2 两个模拟量 输出信号 根据 I O 信号的数量 类型以及控制要求 选择西门子 S7 200 系列 CPU 224 主机 因为 PLC224 型不含模拟量模块 而 EM231 有 4 个模拟量输入通道 传传传传 传传 传 M 传传传 传传传传传 传传传 传传传 M 传传 传传传 EM232 有 2 个模拟量输出通道 所以增加了模拟量模块 EM231 和 EM232 以满足 控制要求 详细的外部接线图所示 图 3 2 1 PLC 224 型电源接线图 西门子 S7 200 系列 PLC 具有可靠性高 抗干扰能力强 编程简单 易于维 护等特点 以下是系西门子 S7 200 CPU224 型的电气原理接线图 图 3 2 3 PLC 电气原理接线图 图 3 2 3 PLC 模拟量模块接线图 说明 a 图中接线模拟量输入为 0 20mA 电流信号 b 图中接线模拟量输出为 0 20mA 电流信号 c 模块拨码位置示意为 0 20mA 电流信号的情况 3 2 2 变频器选型 根据系统的实际工艺与运用场合及系统经济性考虑 选择了正泰 NIO1 系列 通用变频器 改型变频器采用空间电压矢量控制技术及死区补偿技术 具有上 电自动启动和瞬时停电再启动 检测失速再同步 自动转差补偿 任意直线运 转 恒电压控制 故障试恢复 多段速运行 节能运行等功能 配有 RS232 485 通讯接口 完全能满足系统各种不同的需求 11 3 2 3 差压变送器选型 差压变送器测量的是单个气体或液体的压强大小 是个绝对量 用于测量 液体 气体和蒸汽的液位 密度和压力 然后将其转变成 4 20mADC 的电流信号 输出 压力传感器在搅拌机控制系统主要测量刨花的重量 压力传感器通常也称 差压变送器 在刨花拌胶系统中 根据工艺要求及使用环境选择 EJA130A 型差 压变送器来检测刨花量 满足系统需求 EJA130A 型差压变送器具有一下特点 1 结构简单 体积小 质量小 且精确度和可靠性高 2 不同规格产品的外形尺寸相同 标准化 系列化程度高 装配 调整 使用方便 3 由于它采用开环技术 对测量元件和放大器的要求较高 12 3 2 4 电磁流量计选型 电磁流量计搅拌机控制系统中主要测量胶的流量 搅拌机用的胶属于腐蚀 性介质 属于粘稠液体 电磁流量计能够满足这一要求 根据系统控制要求即使 用环境选择了 KY LDE 电磁流量计 可以输出 4 20mA 电流信号供记录 调节 和控制用 其具有以下特点 1 测量不受流体密度 粘度 温度 压力和电导率变化的影响 2 抗干扰性强 EMC 电磁兼容性 指标符合国家标准 3 使用寿命长 无故障运行时间 30000 小时 4 防护等级可达 IP68 水下沉浸 10 米 5 多种通讯方式 通讯接口配置有 RS232 RS485 等 13 3 3 控制系统软件设计 1 PI 控制回路简介 根据系统控制要求 要求胶量和刨花量恒定 并有一定比例关系 即胶量 随刨花量的变化而变化 误差要求 3 刨花回路采用比例控制 胶回路采用 PI 控制 图 3 3 刨花量和胶量的 PI 控制回路 2 PID 控制器的参数设定 随动工作时 螺旋给料机是由电机拖动 通过调节电机转速来调节给料速 度 而电机调速应该采用变频调节 变频器的加减速时间现场很少低于 2 秒 因此系统相应最快 1 秒 另外扫描周期设定过快将刺激增益的产生 这样更加 难以控制 结合以上情况 将随动比例关系设置为 0 8 倍 根据以上情况 在刨花生产控制系统中 将刨花回路和胶回路的 PID 回路 传传传传传 传传传传传 传传传 传传传传 传传 传传传传 传传传 SA PI传传传传传传 传传传 传 参数都设定如图 3 3 3 PID 模块各参数配置如下 给定值范围 0 0 0 1 比例 增益 0 1 采样时间 1 0 积分时间 5 分钟 图 3 3 3 PID 参数设置图 3 4 数模输入 输出地址分配表 根据系统工艺需求 得出模拟量 数字量输入输出地址分配表 如表 3 4 1 和表 3 4 2 所示 表 3 4 1 模拟量输入输出地址分配表 序号变量号变量名备注 1AIW0刨花给定量设定 2AIW2压力传感器 3AIW4胶水给定量 4AIW6流量计 5AQW0刨花机变频器 6AQW2胶泵变频器 表 3 4 2 数字量输入输出地址分配表 序号变量号变量名备注 1I0 0系统启动 2I0 1系统停止 3I0 3随动切换闭合式随动投入 4Q0 1变频器 1 启动指示 5Q0 2变频器 2 启动指示 6Q0 3刨花机变频器 1 启动 7Q0 4胶水泵变频器 2 启动 3 5 搅拌机系统程序流程图 根据系统的工艺流程和要求 得出了系统程序流程图 如图 3 5 所示 开始 初始化 PID 表 刨花调节 刨花给料机 是否随动 YES NO 胶设定 控制面板 设定随动 比例值 K 随动状态 胶调节 图 3 5 系统程序流程图 结束 3 6 系统程序 刨花拌胶生产控制系统梯形图程序语言 3 7 拌胶控制系统仿真 S7 200 的仿真软件本身存在一定缺陷 不能识别一些指令和扩展的功能模 块 所以系统的仿真只能通过编程软件 STEP 7 Micro WIN 中的 PID 调节控制 面板用图形方式监视 PID 回路 图 3 6 给出了在自整定过程中 PID 控制器的给 定值 SP 输出 MV 和过程变量 PV 的变化情况 使用控制面板时 首先应将至少有一个 PID 回路的用户程序下载到 CPU 为了显示 PID 回路的操作 STEP 7 Micro WIN 应与 S7 200 建立起通信连接 PLC 必须处于 RUN 模式 执行菜单命令 工具 PID 调节控制面板 打开控制面板后 可以观察到过程变量 PV 控制器输出 MV 和设定值 SP 的变化 曲线和当前的数字 图 3 6 PID 调节过程变化曲线 根据图 3 6 所示 系统设定初始值 SP 为 80 00 随着积分时间的变化 反馈量 PV 和给定量 SP 趋于相等 输出量最终也趋于稳定 从而实现了系统的 仿真 总结 本文设计的搅拌机控制系统具有拌胶均匀 施胶量低等功能 在生产线临 时停机时 可以避免胶的浪费 而且还具有刨花形态的质量好 生产率高 刨 削体积刨花的单位能耗低 自动化程度高 操作维修方便 安全可靠性高等特 点 本文设计的搅拌控制系统采用的是西门子公司的 200 系列 PLC 循环周期 短 处理速度较高 指令功能较强 产品设计紧凑 可用于空间有限的场合 有不同档次的 CPU 和不同的功能模块 I O 模块可供选择 适合密集安装 勿 需电池备份 在 PID 的控制中 积分控制的特点是 只要还有余差存在 积分控制就逐 渐增加控制作用 直到余差消失 微分控制的特点是实际测量值比设定值低 但需要及