塑料挤出机的多路温度控制系统设计【优秀机械毕业设计论文】
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塑料挤出机的多路温度控制系统设计【优秀机械毕业设计论文】,塑料,挤出机,温度,控制系统,设计,优秀,优良,机械,毕业设计,论文
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课题题目及来源： 题目：塑料挤出机的多路温度控制系统设计 题目来源： 生产实践 课题研究的意义和国内外研究现状： 目前，国内在塑料挤出机的多路温度控制方面的研究已经实现了在一定面积内对各种环境 因子的综合控制。 1996 年，江苏理工大学研制成功了一套 塑料挤出机的多路温度 控制设备 ， 通过对 塑料挤出机 内部温度、湿度、光照及 度的监控，在 塑料挤出机 内实现了温度、湿度、光照、 度的综合控制。当前，国内外利用 塑料挤出机 控制系统软硬件实施方式主要有三种类型。第一种是直接使用 及其他一些外围芯片作为数据采集和控制的装置 ,不使用上位 做数据处理。这种类型的自动控制系统一般以 核心 ， 包括输入模块、控制模块、输出模块等。硬件电路一般由温度传感器及模拟信号处理电路、 A/D 转换器、 D/A 转换器、 示器及微打印机、简易键盘、指示报警装置等组成，即为一个 最小应用系统，实现基本的输入输出功能和简单的控制功能。软件设计一般采用中断技术定时采集环境因子参数，然后经过相关的标度转换得到环境因子的参数化值，再通过一定的控制算法与设定值进行比较从而对外设进行 控制，一般常用的控制算法是数字 制算法，这种算法经过改进可以实现较为稳定和精确的控制。这种系统成本低，又有一定的控制精度，能较好的满足一般农业用户的需求；但由于控制系统的核心制精度有限，对生长环境参数要求较高的一些特殊作物不能很好的满足要求，另外没有扩展微打印机就无法查询历史温度值，因为 数据存储器数据断电即逝 。 课题研究的主要内容和方法，研究过程中的主要问题和解决办法： 课题研究的主要内容如下： 1、塑料挤出机的工作原理； 2、控制系统的电气原理设计； 3、控制系统的组成； 4、系统的硬件、软件设计； 5、设计塑料挤出机 制系统的步骤和内容； 6、 I/O 接口电路设计； 7、控制电路图设计； 8、梯形图设计； 在研究过程中主要问题在于： 1、塑料挤出机多路温度控制系统的电气原理的设计； 2、设计塑料挤出机多路温度控制系统的步骤和内容； 3、控制电路图设计； 研究方法： 验方法有两种一种是用 验装置进行实验和应用程序的模拟 ,另一种是用普通 加若干导线进行简易的开发和实验。 验装置具有直观使用方便的优点通常配有各种工业控制模板可以形象地模拟工业现场控制尤其是导线的插拔连接形式适用于教学的重复使用。若无 验装置也可直接使用以外部连接导线给出必要的输入信号进行实验并且可以利用 身的输出指示观察 行结果。 课题研究所需的参考文献： 1 曹巧媛主编 理及应用 (第二版 ). 北京 :电子工业出版社 ,2002 2 全国大学生电子设计竞赛组委会编 2001),北京 :北京理工大学出版社， 2003 3 何力民编 级教程 北京航空大学出版社 ,2000 4 金发庆等编 . 传感器技术与应用 2002 5 王锦标，方崇智过程计算机控制北京：清华大学出版社， 1997； 36 40 6 邵惠鹤工业过程高级控制上海：上海交通大学出版社， 1997； 58 62， 78 101 7 胡寿松自动控制原理北京：国防工业出版社， 2000； 103 124 8 刘伯春智能 节器的设计及应用电子自动化， 1995； (3)： 20 25 9 周润景，张丽娜基于 电路及 统设计与仿真 M北京 :航空航天大学出版社 ,10 王忠飞，胥芳 理及嵌入式系统应用 M西安：西安电子科技大学出版社， 2007 11 刘国钧，陈绍业，王凤翥 第 1 版 等教育出版社， 1957 12 傅承义，陈运泰，祁贵中 北京：科学出版社， 1985， 447 指导教师审查意见： 指导教师签字： 20 年 月 日 指导委员会意见审核意见： 组长签字： 20 年 月 日 题目 ：塑料挤出机的多路温度控制系统设计 1、绪论 目前，国内在塑料挤出机的多路温度控制方面的研究已经实现了在一定面积内对各种环境 因子的综合控制。 1996 年，江苏理工大学研制成功了一套 塑料挤出机的多路温度 控制设备 ， 通过对塑料挤出机 内部温度、湿度、光照及 度的监控，在 塑料挤出机 内实现了温度、湿度、光照、 度的综合控制。当前，国内外利用 塑料挤出机 控制系统软硬件实施方式主要有三种类型。第一种是直接使用 及其他一些外围芯片作为数据采集和控制的装置 ,不使用上位 做数据处理。 这种类型的自动控制系统一般以 核心 ， 包括输入模块、控制模块、输出模块等。硬件电路一般由温度传感器及模拟信号处理电路、 A/D 转换器、 D/A 转换器、 示器及微打印机、简易键盘、指示报警装置等组成，即为一个 最小应用系统，实现基本的输入输出功能和简单的控制功能。软件设计一般采用中断技术定时采集环境因子参数，然后经过相关的标度转换得到环境因子的参数化值，再通过一定的控制算法与设定值进行比较从而对外设进行控制，一般常用的控制算法是数字 制算法，这种算法经过改进可以实现较 为稳定和精确的控制。这种系统成本低，又有一定的控制精度，能较好的满足一般农业用户的需求；但由于控制系统的核心 制精度有限，对生长环境参数要求较高的一些特殊作物不能很好的满足要求，另外没有扩展微打印机就无法查询历史温度值，因为 数据存储器数据断电即逝 。 2、 课题研究的主要内容和方法 课题研究的 主要内容如下： 1、塑料挤出机的工作原理； 2、控制系统的电气原理设计； 3、控制系统的组成； 4、系统的硬件、软件设计； 5、设计塑料挤出机 制系统的步骤和内容； 6、 I/O 接口电路设计； 7、控制电路图设计； 8、梯形图设计； 在研究过程中主要问题在于： 1、塑料挤出机多路温度控制系统的电气原理的设计； 2、设计塑料挤出机多路温度控制系统的步骤和内容； 3、控制电路图设计； 验方法有两种一种是用 验装置进行实验和应用程序的模拟 ,另一种是用普通 加若干导线进行简易的开发和实验。 验装置具有直观使用方便的优点通常配有各种工业控制模板可以形象地模拟工业现场控制尤其是导线的插拔连接形式适用于教学的重复使用。若无 验装 置也可直接使用以外部连接导线给出必要的输入信号进行实验并且可以利用 身的输出指示观察 行结果。 参考文献： 1 曹巧媛主编 理及应用 (第二版 ). 北京 :电子工业出版社 ,2002 2 全国大学生电子设计竞赛组委会编 2001),北京 :北京理工大学出版社， 2003 3 何力民编 级教程 北京航空大学出版社 ,2000 4 金发庆等编 . 传感器技术与应用 2002 5 王锦标，方崇智过程计算机控制北京：清华大学出版社，1997； 36 40 6 邵惠鹤工业过程高级控制上海：上海交通大学出版社， 1997；58 62， 78 101 7 胡寿松自动控制原理北京：国防工业出版社， 2000； 103124 8 刘伯春智能 节器的设计及应用电子自动化， 1995；(3)： 20 25 9 周润景，张丽娜基于 电路及 统设计与仿真M北京 :航空航天大学出版社 ,10 王忠飞，胥芳 理及嵌入 式系统应用 M西安：西安电子科技大学出版社， 2007 11 刘国钧，陈绍业，王凤翥 第 1 版 等教育出版社， 1957 12 傅承义，陈运泰，祁贵中 北京：科学出版社，1985， 447 密级： 学号： 本 科 生 毕 业 （ 设 计 ） 论 文 塑料挤出机的多路温度控制设计 系 别： 专 业： 班 级： 学生姓名： 指导老师： 完成日期： 学士学位论文原创性申明 哈尔滨理工大学学士学位论文 本人郑重申明：所呈交的设计（设计）是本人在指导老师的指导下独立进行研究，所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本设计（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名（手写）： 签字日期 ： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 学院 可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 （请在以上相应方框内打“” ） 学位论文作者签名（手写）： 指导老师签名（手写）： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日本学位论文属于 保 密 ， 在 年解密后适用本授权书。 不保密 。 哈尔滨理工大学学士学位论文 要 塑料制品在人们的生活中占有较大的比重，在工业、农业中得到广泛的应用，如电视、电脑、玩具等主要配件使用塑料制品，以塑代钢的塑料齿轮，汽车上使用的工程塑料等。塑料挤出机通过塑料模具注射出成型塑料制品，产品质量与 塑料挤出机控制参数有直接的关系，控制系统是塑料挤出机的重要组成部分，目前塑料挤出机发展的主要特点是向精密化、低噪化高效率节能和高度自动化方向发展。本文第一章介绍了塑料挤出机的发展历史与发展现状。同时也着重介绍塑料挤出机的工作原理。第二章介绍了塑料挤出机控制系统的控制方式。第三章介绍了塑料挤出机的多温度控制方式。第四章介绍了塑料挤出机的控制编程。 本文对塑料挤出机结构进行分析，并进对西门子 编程方法以及使用的方法进行简单介绍。通过组态软件的仿真配合，设计出一个完整的由 实现低能耗、低噪音、锁模力容易控制、运行平稳、安全可靠和便于维修。 关键字：塑料挤出机，西门子 件 哈尔滨理工大学学士学位论文 a of s in as of on so by of of of by of on I of is II of of An on of in LC in a LC of of 7哈尔滨理工大学学士学位论文 5 目 录 摘 要 . . 绪论 . 5 题研究的意义 . 5 料挤出机温度控制发展于研究现状 . 6 料挤出机温度控制技术的国内外发展状况 . 7 料挤出机温度控制系统研究方法 . 7 2 塑料挤出机控制系统总体设计 . 9 料挤出机硬件结构 . 9 料挤出机的工作原理 . 10 料挤出机多路温度控制系统的设计思路 . 10 3 塑料挤出机控制系统硬件的选型 . 11 编程控制器选择 . 11 送器的选 择 . 15 3. 3 热电偶的选择 . 15 4 塑料挤出机温度控制系统的硬件设计 . 18 程软件介绍 . 18 制要求 . 19 I/O 地址分配 . 20 5 塑料挤出机控制系统的多路温度控制设计 . 22 制的原理和特点 . 22 字 制算法 . 24 料挤出机温度控制设计原理 . 26 料挤出机多路温度控制程序 . 27 6 塑料挤出机的多路温度控制设计仿真 . 35 统调试的方法 . 35 统仿真运行分析 . 36 致 谢 . 39 参考文献 . 40 1 绪论 题研究的意义 塑料挤出机起源于 18世纪，英格兰的 795年制造的用于制造无缝铅管的手动活塞式压出机被认为是世界上第一台挤出机。从那时开始，在 19世纪前 50年内，挤出机基本上只应用于铅管的生产、通心粉和其它食品的加工、制砖及陶瓷工业。 作为一种正在发展的制造方法过程，第 1次有记载的是 845年申请的用塑料挤出机生产电线的方法。固特波公司的 后对该挤哈尔滨理工大学学士学位论文 6 出机进行了改进，并于 1851年将它用于包覆在 根海底电缆的铜线上。 在中国塑料加工业中，几乎一般的塑料产品用塑料挤出机 完成。塑料挤出机作为第二大塑料设备，其产品的销售额占了整个塑料制品销售额的一半。 塑料挤出机 的品种占塑料机械品种的 30%，这个比例还有逐年上升的趋势。 中国现有 100多家挤出机生产厂，多数为民营或乡镇企业，塑料挤出机的生产加工集中在沿海发达地区。全国一百多家主要应用塑料挤出机的企业的工业生产总值达到 38多亿元。每年产值在 300台以上挤出机组的厂家只有三家企业，很多企业生产的产品档次较低，很难达到市场要求。中国生产的塑料挤出机设备，应用在一般性能的小型机械上，而大型设备，精密度较高的设备主要靠国外进口。 中国政 府在政策上给了市场支持，中国的塑料管材和塑料门窗等异型材料的发展非常快，每年增长达到 15%，位居世界前列。关于塑料门窗等塑料制品，在市场上占有率也较高。预计发展，将来塑料管材的增长速度将保持较高的增长速度。 目前中国塑料管材生产企业虽然已超过 1000家，但万吨级企业只有 30 多家，绝大多数企业的生产规模不足 3000吨 /年，达不到经济规模（国外经济规模一般在 2万吨 /年以上）。中国塑料管生产设备最初是从国外引进的，近年来已基本上实现了国产化。除了用于大口径波纹管的生产挤出机组外，基本能满足市场需求。 与之相类似的 是塑料门窗异型材巿场。中国现有型材年生产能力在 180万吨至 200万吨之间，实际生产量在 80万吨左右，总体表现是产能大，产量低。这既有管理和巿场的因素，也有因国产设备质量不稳定造成的问题。 在塑料挤出成型设备中，塑料挤出机通常称之为主机，而与其配套的后续设备塑料挤出成型机则称为辅机。塑料挤出机经过 100多年的发展，已由原来的单螺杆衍生出双螺杆、多螺杆，甚至无螺杆等多种机型。塑料挤出机（主机）可以与管材、薄膜、捧材、单丝、扁丝、打包带、挤网、板（片）材、异型材、造粒、电缆包覆等各种塑料成型辅机匹配，组 成各种塑料挤出成型生产线，生产各种塑料制品。因此，塑料挤出成型机械无论现在或将来，都是塑料加工行业中得到广泛应用的机种之一。 塑料挤出机包括（塑料管材挤出机， 料回收造粒机，塑料型材挤出机，家具藤条机， 仿藤机 ，拉藤机，塑料饮料吸管机，塑料破碎机等。 料挤出机温度控制发展于研究现状 温度是工业过程中重要的被控制量，温度控制的目的通常有两个：一是保持温度的恒定，二是使温度按照要求变化。这种控制系统广泛应用在石油和化工等生产领域，典型的控制对象由钢铁行业的加热炉、焚烧炉、水泥生产分解炉、玻璃熔炉等加热炉温度控制系统。 温度控制由于其本身的特点，传统的控制方法应用困难，并且效果不理想。目前温度控制方法的研究重点集中在智能控制 方法的基础上，利用智能控制的优势弥补传统控制方法的不足。所应用的智能方法通常有模糊控制方法、神经网络控制方法。采用的方法一般有两种，一种是不通过系统模型的方法，另一种是依据系统模型的方法。 哈尔滨理工大学学士学位论文 7 对于前一种，通常将智能控制方法与典型 制方法相结合完成温度控制，最具代表性的是模糊 神经网络 此基础上各种新的或改进的控制方法也相继出现，这些方法多是通过将多种智能控制相结合或外加改进条件来实现的。 在 数自整定的思路上，有研究人员提出基于 型 制方法，并加入奖惩函数，使系统的动态性 能得到改善。基于遗传算法与模糊控制理论相结合的 于 数进行优化，使控制精度和温度变化平稳并得到改善。 对于后一种，则是将智能控制融入到各种建模和模式识别方法中，再依据这些模型对系统进行控制。对医疗用腹腔循环热灌的温度控制，提出了 糊预测控制方法，在温度控制的过程中，建立阶跃响应模型和神经网络模型为控制对象，采用 糊预测方法控制系统，满足升温速度和温控精度的要求。模式识别和自整定在塑料挤出机中的应用方法，就是升温过程和稳态抗扰动两个方面，分别提出了基于单元阶跃响应和负载扰动 响应的模式识别模型，这两种模型采用内模控制机制进行，对于系统升温的动态性能和抗扰动能力方面作出了改善。 料挤出机温度控制技术的国内外发展状况 塑料挤出机由于其结构的特殊性，其温度控制需在常规温度控制方法的基础上做具体的探讨。就塑料挤出机温度控制算法而言，经过国内外工作者数十年的研究，取得相当大的进展。研究成果主要有以下几个方面： 针对挤出机螺杆转速对各热区温度的影响问题，国外研究者在上世纪九十年代提出了采用双热电偶温度控制系统，即对每个温度控制区不仅采集控制点的温度，而且将加热冷却源的温度也反馈到 系统中，结果证明，这种方法于常规 制方法相比，可以改进螺杆转速阶跃变时系统的稳定性。但是在系统失调后的调节恢复时间方面改善不佳。随后有研究者在这种双热电偶控制方法的基础上，提出了自调节复位的控制方法，把螺杆转速改变时将对应的复位值引入控制系统中。这样相当于在系统中加入了瞬时积分作用，可以改变双热电偶控制的在失调峰值处的时延，缩短了调节时间。 对于挤出机多个温度区域的控制，提出了模糊控制方法，将偏差和偏差的变化率作为输入，经过推理后得到的单输出控制量。该方法使用带修正函数的控制规则，对于不同的控制对象， 通过改变修正因子得到不同的规则，并分段引入偏差积分改善系统稳态特性，降低超调。 对于 制在挤出机控制中的缺陷，提出非线性 制方法。将该方法常规的比例、积分、微分系数用非线性函数来表示，对于不同环节系统对系数的要求不同来改变函数的因子。对于给定输入和反馈输入通道加入跟踪微分器，平滑输入信号并对反馈信号进行滤波。实验结果证明相比传统 消除超调，减小调节时间。 料挤出机温度控制系统研究方法 本文针对塑料挤出机温度控制系统的特点及国内外塑料挤出机温度控制系统的发展现状，提出塑料挤 出机温度的智能 算控制方法，在此基础上设计出一套塑料挤出机温度控制系统。论文的研究工作如下几点： 哈尔滨理工大学学士学位论文 8 究当前国内外对于温度控制的方法，针对塑料挤出机温度控制系统，总结出现有控制方法的特点和存在问题。 2论述塑料挤出机工作原理，分析塑料挤出机的温度控制重要性，以及温度控制的特点，提出塑料挤出工艺对温度控制系统的要求。然后根据这些特点和实际情况设计出温度控制系统整体结构。 括温度检测部分的选型和设计，加热冷却方式的选择 和装置的选取。控制器的选择及模块选型等。 括温度控制算法及程序功能的实现。并对温度控制监控系统进行设计，在上位机上完成系统相关参数的设定，及各区实际温度的实时监控，各区温度历史记录的图形显示等。 哈尔滨理工大学学士学位论文 9 2 塑料挤出机控制系统总体设计 料挤出机硬件结构 塑料挤出机是塑料加工业中使用量较多的加工机械，不仅有大量的产品可用塑料挤出机生产，而且还是组成注拉吹工艺的关键设备。中国已成为世界塑机台件生产的第一大国，促进中国塑料设备制造业发展的原因在于：一是与国际著名企 业进行合资及技术合作；二是中国企业逐渐适应了机械零部件的国际釆购方式，掌握了釆购渠道。同时，我国塑料挤出机的生产还呈现出很强的区域特色，浙江的宁波和广东的东莞等地，已成为我国乃至全球重要的塑料加工基地 。塑料挤出机是将热塑性塑料或热固性料利用塑料通过挤出方式制成各种形状的塑料制品的主要成型设备。 塑料挤出机的主机是挤塑机，它由挤压系统、传动系统和加热冷却系统组成。 挤压系统包括机头、 螺杆 、料斗、 机筒 、模具， 塑材在挤压系统中进行塑化，得到均匀的熔体，在这个过程中，在一定的压力下，塑料被螺杆可以连续的挤出机头。螺杆是最重要的部件，螺杆的好坏直接影响到塑料挤出机的应用范围和生产效率。螺杆主要由高强度的合金钢制成，具有耐腐蚀的性能。 机筒是一种金属结构的圆筒，也由合金钢或者复合钢管制作而成，具有耐热，耐压，耐磨，耐腐蚀等性能。机筒和螺杆相互配合 就可以实现对塑材的软化，粉碎，熔融，排气，压实等功能。行成型设备的系统连续输送熔体塑材。在一般情况下，机筒的长度是直径的 15 倍以上。这样可以使塑料充分加热和充分融化。在料斗底部，安装了一个装置，称为 截断装置 ，此装置可以调整和切断塑料流体， 视孔和标定计量装置 安装在料斗的侧面。机头的材质为合金钢，由合金钢内套和碳素钢外套组成，在机头内安装了成型模具，机头具有自己特定的作用，可以将正在旋转的塑料熔材变为平行直线运动的塑料熔材。这样将塑料熔材导入模套中，再加上一定的成型压力。在机筒内，塑料经过塑化压实，再经过多孔滤 板，按照预定的流道通过机头流入成型模具，模型和模套要配合适当，在形成环形空隙，使塑料在芯线的周围形成管状的包覆层。 塑料挤出机按照机头的塑料流向和螺杆的夹角，可以将机头分成直角机头和斜角机头。而机头的外壳固定在机床床体上，机头的模具有模芯座，螺帽固定在机头的端口上，在模芯座的前面安装有模芯，模芯和模芯座的中心有孔，这个孔可以通过芯线，在机头前部安装均压环，可以平衡压力。成型部分可由模套和模套座构成，在模套的位置上，螺栓通过支撑座进行调节，这样可以调整模套和模芯之间的空间位置。在机头的外部安装许多加热器和测温 装置。塑料挤出机传动系统的作用就是驱动螺杆装置，提供给螺杆所需要的转速，力矩。螺杆通常由电动机和减速机等组成的。在结构相同的情况下，减速机的成本和外形尺寸成正比，如果减速机的外形大，重量高，则意味着成本高。 同样螺杆直径的挤出机，高速高效的挤出机比常规的挤出机所消耗的能量多，电机功率加大一倍，减速机的机座号相应加大是必须的。但高的螺杆速度，意味着低的减速比。同样大小的减速机，低减速比的与大减速比的相比，齿轮模数增大，减速机承受负荷的能力也增大。因此 减速机 的体积重量的增大，不是与电机功率的增大成线性比例的。如果用挤出量做分母，除以减速机重量，高速高效的挤出机得数小，普通挤出机得数大。以单位产量计，高速高效挤出机的电机功率小及减速机重量小，意味着高速高效挤出机的单位产量机器制造成本比普通挤出机低。加热与冷却是塑料挤出过程能够进行的必要条件。 哈尔滨理工大学学士学位论文 10 塑料挤出机使用电加热方式，包括感应加热方式和电阻加热方式，在 机身、机脖、机头各部分 安装了加热片。加热装置的功能就是对机筒内的塑料进行加热，温度升 高，达到操作工艺要求的温度，便于下一工序的加工。 冷却装置是 为了达到塑料加工工艺要求而设置的，为了降低和排除螺杆旋转摩擦产生的热量，避免由于温度太高而导纸塑料分解。机筒冷却一般为水冷或者风冷。在小型设备中，风冷的使用广泛，而在大型设备中，水冷的使用较为广泛。，螺杆的冷却要采用水冷，是为了增加塑材的固体输送率。 图 2料挤出机结构图 料挤出机的工作原理 塑料挤出机的工作原理就是在 200 度 左右的温度下让塑材融化，融化好的塑材通过螺杆挤出成型，加工出所需要形状的塑材。 挤出成型要求具备对塑料特 性的深刻理解和模具设计的丰富经验、是一种技术要求较高的成型方法。 挤出成型是通过加压加热使 塑材流动，并且 通过口模成型， 此方法 称为 “挤塑 ”。此方法 具有效率高、单位成本低的优点。挤出法主要用于热塑性塑料的成型，也可用于某些 热固性塑料 。挤出的制品都是连续的型材，如管、棒、丝、板、薄膜、 电线电缆 包覆层等。此外，还可用于塑料的混合、塑化造粒、着色、掺合等。 料挤出机多路温度控制系统的设计思路 塑料挤出机的温度控制主要是控制塑化部件的前部温度，塑化部件的中部温度和塑化部件的后部温度，塑化部件的温度经热电耦的采集，将温度信号送给温度变送器，经温度变速器的处理后，将模拟信号变成 与温度成线性关系的 4 20出的信号送给 过 而控制塑化 部件的加热器的工作来时塑化部件的温度达到一定的水平。塑料挤出机温度控制 的技术方案如下图 2 哈尔滨理工大学学士学位论文 11 图 23 塑料挤出机控制系统硬件的选型 要实现一个硬件系统，离开各种测量、控制设备是不可能的。设备选择的恰当与否，直接影响到控制系统性能的好坏。但是，也并不是价格越昂贵、性能越可靠的设备就越好，实际的工程设计中，往往需要兼顾 实现成本的问题。因此，选择性价比较高、能够完全满足控制要求且不会造成资源浪费的合适的硬件设备，是控制系统设计中必须着重考虑的问题之一。 编程控制器选择 1969 世界第一台 美国数据设备公司诞生。 1975 ,德国、日本、美国等将微处理器作为控制器的中央处理单元应用到 且去掉磁心存储器改用塑化部件前部温度 塑化部件后部温度 其扩展模块 热电耦 1 热电耦3 温度变送器 温 度 变 送 器 塑化部件中部温度 热电耦 2 温度变送器 固 态 继 电 器 加 热 器 哈尔滨理工大学学士学位论文 12 了集成电路的存储器，结合了微型计算机的技术与电控制器技术，从而实现了可编程控制器的规模集成化，使得处理器更能适用工业环境，更加的可靠，功能也更加强大，更加的灵活，成本却大大下降，从而使得 随着科技的不断进步， 应用和研究现状主要在以下方面体现 : 制大型机的规模越变越大，开关量高的达到了几万。 在 度以及运动模块等等。 造商为了垄断和扩大各自市场，都各自发展自己的标准，开放是发展的一个趋势，各厂商都意识到这一点，并形成了长时期的妥协与竞争，这一过程还将继续。 增强，由于通信、信息及控制技术的大力发展，联网也得到了的发展，己经可以实现的远程控制。 正是由于这些性能、使得工业系统可以实现远程化、自动化、控制信息化及智能化。现在应用在不断前进 ,尤其在运动控制、模拟量控制及驱动控制上广泛使用，已经成为现在系统工作自动化中最有效的工具之一。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了 前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。可以预期，随着我国现代化 进程的深入， 特点如下： 1)可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。 于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。 2)配套齐全，功能完善，适用性强 展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 功能单元大量涌现，使 透到了位置 控制、温度控制、 各种工业控制中。加上 信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 成各种控制系统变得非常容易。 3)体 积小，重量轻，能耗低 以超小型 例，新近出产的品种底部尺寸小于 100量小于 150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 具体应用如下： 1)关量的逻辑控制 这是 关量的逻辑控制是基本的控制方法。它可以实现各种逻辑控制工艺，顺序控制工艺以及其他自动化生产线控制工艺等。 开关量逻辑控制基本 取代 了接触器 广泛应用于各行各业， 如注塑机、订书机械、机床、 仓库 生产线、 灌装 流水线等。 2)拟量控制 由于自然界存在 许多连续变化的 物理 量， 比 如压力、温度、流量、液位等都是模拟量。 要将模拟量转换为数字量，才能在程序中进行计算和处理，将处理的结果转换为模拟量。 3)据处理 哈尔滨理工大学学士学位论文 13 可编程控制器具有各种各样的计算方法，便于完成实际数据处理，数据传送和转换等，可以对数据进行采集和分析处理，具有很明显优势。 4)程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。 节是 模拟量 闭环控制系统中 ，使 用 很频繁的 调节方法。 可编程控制器具有 专用的 程序。 5)信及联网 信含 的通信及 其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各 商都十分重视 通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的 具有通信接口，通信非常方便。 部输入采样单元、内部逻辑计算处理单元、处理结果输出执行单元。可编程控制器的 I/、限位开关、检测器等外部输入主令接口， 可编程控制器在对外部 I/及主令台的各种命令等信息进行储存和处理。可编程控制器根据所设计的程序对这些输入信号进行处理计算，并将结果通过输出单元进行输出。通常下都是输出给继电器，继电器通过动作来控制外面的执行单元。可编程控制器可根据外部工程需要建立通讯控制，通过通讯可以将某执行机构的具体数据进行采样和监控，并计算和输出。如图2编程控制器的原理框图。由图可知，外部输入变量都有开关量，模拟量，通讯接口传送的变量数据 ，以及编程执行器等。 编程工具一般就是电脑设计的编程软件，我门可以根据编程软件对可编程控制器进行硬件组态设计，输入输出点的分配设计，程序编写设计，可以通过在线连接进行监控，通过监控可以调试程序，并修改程序。当可编程控制器启动运行后，我们可以根据外部动作情况来判断程序的错误和需要完善的地方。这也是现场调试工程师必须具备的技能。可编程控制器编程软件都是各自厂家自主研发的，对这些软件必须学习，了解指令含义和编程原则，技巧等。我们在编程时，一般要对系统进行总体设计，总体设计可以保证编 程的思路清晰，明朗。总体设计完后进行分布设计，对各种功能实现进行单独编程，有必要的时候对程序进行模块化设计，节省编程空间和时间。分布设计完毕后，就进行系统的调试阶段，在调试时，首先必须对系统调试步骤进行了解，关量 I/O 接口 拟量 I/O 接口 2迅接口 编程器 电 源 图 3编程控制器原理框图 哈尔滨理工大学学士学位论文 14 对系统工艺进行了解，以免调试时出现差错。 1简易编程器 简易编程器就是很简单的编程工具，在编程工具上我们可以看到功能输入键，各种指令输入键，各种指令地址数字输入键，还有显示屏显示当前编程的具体情况。在编程时首先简易编程器就可以直接接在可编程控制器的端口上，用专用的通讯电缆与可编程控制器进行连接，通过设 置可以对可编程控制器进行程序设计调试工作。在编程时，首先对各种按键进行熟悉，在编程过程中必须进行记录，以便后面的调试修改。在编程的时候必须对输入输出点的地址分配进行详细说明，以免编写程序过程中，思路混乱。在编写程序结束后，就要对系统进行调试，调试的时候，必须判断系统功能实现是否准确，如果不准确，对相应部分进行修改。使其准确。如果修改完毕，程序运行正常，就可以将简易编程器拔下，保存。 2图形编程器 常用的图形编程器是液晶显示图形编程器 (手持式的 )，它有一个大型的点阵式液晶显示屏。除具有简易型的功能外，还具有 可以直接打入和编辑梯形图程序，使用起来更方便，直观。但它的价格较高，操作也较复杂。也有用 实质是一台专用计算机，它的功能更强，使用更方便，但价格也十分昂贵。 3用专用编程软件在个人计算机 (实现编程功能 随着 新发展趋势是使用专用的编程软件，在通用的 一编程方法的最大特点是：充分利用 件资源 (如：硬盘、打印及各种功能软件 )，大大降低了编程器的成本，同时也大大增强了编程器的功能，使用十分方便。一般的 置一套专用 的“编程软件”后就可进行编制、修改 贮、打印程序文件 (清单 )，与 且用户程序可在 间互传。具有以上功能后， 程序 (特别是大型程序 )编程、调试就显得十分方便和轻松。 输入输出 数字输入 624 数字输出 416 模拟输入 1632 模拟输出 828 输入输出映像（可扩展） 128输入 128输出 硬件扩展 最多 7台扩展模块 中断输入 4 脉冲数出 2（ 20k100k） 8个 最 多 2个串行端口 实时时钟 运行中编辑 浮点运算 状态 位处理： 序存储器 425k 数据存储器 210k 定时器 256 温度模块 16位分辨率 网络扩展 串行通讯 哈尔滨理工大学学士学位论文 15 从站 通讯速率 由口： 程软件 装方式 工作电压 次设计的塑料挤出机机，通过计算，需要 6 个模拟量输入点、 5 个模拟量输出点， 15 个数字量输入点、 15 个数字量输出点 。考虑到要留有适量的余量以做备用，因此，一般可以按实际需要的 10% 15%选择。根据上述几条， 通过市场调查，发现注塑机中德国产的 价格、售后服务和产品质量的综合评比中，稳居第一。通过综合比较，选用西门子 且选用 种扩展模块 4 块。具体如下表： 表 3送器的选择 根据塑料挤出机的温度控制要求， 8 通道模拟量输入模块 入信号形式可以为电压和电流，但由于模拟量的输入模块各通道输入信号类型同步变化，因此在选择传感器（变送器）要考虑所有传感器的输出信号要尽量统一，即均为电压信号 05（ 10） V，或电流信号 0（ 4） 20不能做到传感器的输出信号统一，则模拟量模块的组态开关选择为电压输入信号，再根据选择的电压范围 为 0 5 10相应的电流输入通道并接精密电阻（ 250 500） ,以便将电流信号转变为相应的电压信号。温度 变送器 是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出 信号 的仪表 。主要用于工业 过程温度参数的测量和控制。 变送器由两部分组成：信号转换器和传感器。热电偶和热电阻作为温度传感器，测量单元和信号处理转换作为信号转换器，根据科技的发展，现在的变送器增加了许多辅助功能，比如显示单元和现场总线功能。 温度变送器选择 送一体化的变送器即可，温度量程范围为 0 200，4 20流信号输出，电力变送器可以选择硅结构形式，量程范围 0出 4 20电流信号。温度变送器的供电电源不得有尖峰，否则容易损坏变送器。变送器的校准应在加电 5分钟后进行，并 且要注意当时环境温度。测高温时 (100 )传感器腔与接线盒间应用填充材料隔离，防止接线盒温度过高烧坏变送器。在干扰严重的情况下使用传感器，外壳应牢固接地避免干扰，电源及信号输出应采用 10屏蔽电缆传输，压线螺母应旋紧以保证气密性。只有 10三线制，在量程值的 5%以下 ,由于三极管的关断特性造成不线性。温度变送器每 6个月应校准一次，如果 好按说明选择量程以保证其线性 3. 3 热电
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