染色机PLC控制系统设计

摘要本论文结合南通三喜织染有限公司的染色机技术改造项目，对“高温高压染色机控制系统”进行研究。该项目的任务是开发研制出能按染色工艺要求和温控精度要求自动完成整个生产过程，并能在高温、潮湿、酸碱等恶劣环境下长时间安全、可靠运行的控制系统。论文首先论述了染色机、可编程控制器的发展状况以及触摸屏的作用，然后从高温高压染色机工艺过程及功能要求入手，对控制系统的总体方案进行了论证和设计。对控制系统进行了详细的分析，讨论了硬件系统的组成及各硬件的选型;软件系统的设计，温度控制算法的实现等，从而完成对控制系统的设计。在系统的设计和开发过程中，我们将可编程控制器、触摸屏等先进的控制手段和技术引入染色机的控制之中，实现了织物染色过程的自动控制，并通过触摸屏设定显示各项工艺参数和在线监测。目前，系统调试试验已取得了较理想的结果，各项性能指标均已达到了设计要求，充分证明了该染色机控制方案的正确性和可行性。该系统无论从功能上还是档次上都获得了质的提高，基本达到了九十年代末国际先进机型的水平，机器投用后取得了较好的经济效益。关键字染色机;PLC;触摸屏;温度控制AbstractInthispaperwestudiedthecontrolsystemofhigh-temperature/high-pressuredyeingmachine,basedonprojectsoftechnologicalinnovationofSanXiWeaving&DyeingCo.,Ltd.Thetechnologicalinnovationofthisprojectistodevelopacontrolsystem,whichcanautomaticallyimplementthewholeproductionprocessaccordingtorequirementsofdyeingtechnologicalandaccuracyoftemperaturecontrolling.Italsocanbelong-termoperatedinthehightemperature,moistortheacid-baseenvironmentreliably&safely.First,thecurrentstatusofdyeingmachineandProgrammableLogicController(PLC)wasdiscussed,andthen,accordingtodyeingtechnological&performancerequirementsofhigh-temperature/high-pressuredyeingmachine,theoverallschemeofthesystemwaspresentedwithemphasisontheoverallschemedesignofthecontrolsystem.Finally,thedetailedcontrolsystemwasanalyzed,andthecontrollerhardwaresystemandmodelselectionwasdiscussed;theformationofsoftwaresystem,implementationofcontrolalgorithmicwasalsodiscussedtoaccomplishthedesignofcontrolsystem.Currently,theidealresultofthesystemcommissioninghasbeenobtainedandthedesignrequirementofeachperformanceindexwassatisfied.Therefore,thecorrectness&feasibilityofthedyeingmachinecontrolsystemisfullyproved.KeywordsDyeingmachine;PLC;Touchscreen;Converter;Temperaturecontro目录TOC\h\z\t"中文摘要标题,1,英文摘要标题,1,章标题,1,节标题,2,条标题,3,结论标题,1,致谢标题,1,参考文献标题,1,附录标题,1"12880摘要 i23779Abstract ii18457第1章绪论 17881.1项目的背景及意义 1255931.2国内外染色机的现状及发展趋势 1135001.2.1染色机的现状 1116041.2.2染色机的发展趋势 2295281.2.3PLC在染色机上的应用前景 31511.3论文研究的主要内容 412006第2章染色机及其控制系统的总体方案设计 615422.1染色机概述 7281412.1.1染色过程 7297172.1.2染色设备 7222562.1.3染色机工作原理 74082.1.4高温高压染色工艺过程 8118832.1.5染色机的构造 9282232.2系统的需求分析 11137712.2.1功能要求 11318102.2.2性能要求 11314812.2.3主要规格及技术参数 12195032.3控制方案论证 12259712.3.1控制器的选择 13215382.3.2人机界面的实现方案 13299672.4控制系统的总体方案 14138312.4.1PLC控制系统设计的基本步骤 1420012.4.2控制系统硬件总体结构关系 1652602.4.3控制系统主要器件的选择 16264972.4.4系统的运行方式 2217638第3章高温高压染色机中的PLC控制 2394413.1控制要求 23275543.1.1程序设计思想 23137533.1.2主程序流程图 24176843.1.3控制过程 25133283.2PLC地址分配 2677163.3系统软件设计 28205473.4水泵电动机启停控制 29267523.4.1工作方式 29217363.4.2自动运行 29280413.4.3手动操作 2921136结论 3132109致谢 3231470参考文献 339294附录A 34绪论项目的背景及意义随着市场经济的发展和国际市场的需求，对纺织品的质量、花色品种、复现性、美感等要求越来越高。纺织工业必须适应周期短、更新快、小批量、多品种的特点，不断提高产品质量、提高生产效益。中国加入世贸组织后，世界纺织品的贸易竞争更加激烈，我国的针织染整业不能仅仅停留在劳动力成本优势和价格低廉的优势上，而是要依靠技术创新来提高产品的技术含量和附加值，全面提升其在国际市场的竞争力。为此必须提高纺织设备自动化程度，走机电一体化的道路。染整是纺织品的后加工工序，对开发花色品种、改善产品质量、提高纺织品的附加值起到关键性的作用。特别是对外销产品，要求档次高、品种多、批量小、质量高、交货期严格、组织生产工艺要求高，原料消耗高于内销，这样必须具备良好的生产设备，才能保证很高的出口合格率，取得良好的经济效益。国内外染色机的现状及发展趋势染色工艺是影响针织布产品质量的关键工艺，其产品质量的好坏直接关系到企业的声誉。染色机自动化程度的高低，对控制产品质量有很大关系。染色机的现状20世纪80年代的染色机，采用仪表加继电器的控制结构，系统的稳定性差，对染液的温度用简单的温控器控制，温控精度难以保证。染液喷嘴压力用手动阀门来调节，导布辊的转速用滑差电机或机械式无级调速器进行调速，这种控制方式人为主观因素大，不节能，机械磨损严重，成品率低，产品质量不稳定，系统运行和维护的成本高。90年代，染色机的发展很快，特别是广泛使用计算机技术。压力控制，升温曲线跟踪，保温时间控制，染化料的供给，均采用计算机控制，并有指示、报警等多项功能，有的采用了群控，机电一体化程度很高。例如意大利的ILMA公司的溢流型喷射机配有布速电子检测装置，加速溢流型织物驱动装置，使织物上色均匀，获得良好的外观和手感。德国第斯(Thies)高温高压染色机的液泵、提布辊均为交流变频调速传动。设有多产品模拟量全自动加料系统(MPI)缝头测量系统，自动加水、进汽、液温控制，生产全过程的工艺参数和操作程序均由T37型计算机控制和显示。根据加工品种不同，可以预设工艺。国外其他知名的染色机制造厂家还有意大利伊特斯(INTES)公司和德国腾(THEN)机械有限公司等，其产品各有特点，控制核心多为单板机或单片机。为赶上国际先进水平，提高染色质量，国内纺织机械生产厂也积极进行了技术改造和产品开发。最具代表性的是上海印染机械厂与香港立信、宏信公司合作生产的射流染色机和筒子染色机，带有PLC可编程控制器，可根据工艺的要求追踪升温、保温、降温曲线进行自动控制。还可进行工艺操作控制，如进水液位到时关泵、启动循环泵，加工结束，待温度降到一定值后自动排液等，并设有自动报警。另外还有一些地方老字号纺织机械厂也积极研制新品染色机，相继开发出了一些适应小批量、多品种、低张力、小浴比和节能型的染色机，如邵阳二纺机厂生产的高温高压喷射染色机、浙江印染机械制造公司生产的常温常压染色机、南通纺机厂生产的小批量连续轧染机等。然而国内染色机与国外相比仍有较大差距，主要表现在设备的功能和适应性较差，工艺技术水平不高。各印染厂的设备还不能适应小批量、多品种、多功能、高附加值、流行性的快节奏变换的纺织品外贸要求;机电一体化水平较为落后，自动化程度较低;微电子技术推广应用不够，软件开发水平较低;传感器、执行元件品种不齐全;计算机在染色机上应用还处在起步阶段，不少项目是在老设备上进行技术改造，没有形成批量生产能力。有些染色机虽己更新为计算机控制，提高了自动化程度，但控制方法、控制精度、稳定性与国外专业厂家相比还有很大差距，而且各机台单独控制，难以实现设备之间以及设备与外界之间的信息交换，不利于集中监控管理。目前国内大部分染整厂使用香港、台湾、意大利等国十年前生产的染色机。个别企业还在使用国产的拉缸喷淋式绳状染色机，这类老型号的设备浴比大、拉伸大、产量低，属于淘汰设备。近年来，染整企业新增的高档染色机多半依赖进口，价格昂贵。染色机的发展趋势纵观国内外染色机的发展状况，总的发展趋势可以概括为:计算机技术己普遍应用、设备的自动化程度不断提高，机电一体化己经取得很大的发展，设备运行高速高效。染色机正在向适应产品的小批量、多品种、高质量，低张力、小浴比节约水电和染化料，减少废液排放的方向发展，近年来特别突出的是提高机台的自动化程度，计算机在染色机上己广泛应用，并注意研究新机型和改进老机型。染色机控制系统应该具有结构简单，性能可靠，性价比高，实时性强，灵活，易于扩充的特点。染色机控制系统采用PLC可编程控制器，配置变频器，利用可编程控制器控制染液按设定的速率升温，降温，保温。还可以对提布棍，循环泵的转速实现定时、定速控制。由于机器配备了可调节的喷嘴，可以使织物与染液接近同步速度运行，避免起毛及变形磨损的现象。工艺上可以消除色花、色差等质量问题从而达到很好的控制效果。采用PLC作主控电器元件，自动化程度高，具有各种故障自动识别，自动报警，动作联锁，安全性好。操作简单方便，可靠性高，维护工作量极少。还可以配置工控机和触摸屏作为上位机，用来进行参数的修改与设定、全自动控制、在线监视、传送信息等工作。随着计算机及网络技术的发展，染色机计算机控制系统也应运而生，采用集中监视管理和分散控制的分级式主从结构，系统分为两级:上位机对系统进行监控管理:多个分布在各个工作现场的下位机作为从站，负责现场信息的采集并向主站发放有关信号及执行具体控制命令。这有利于大型染整企业多台染色机的群监群控，缩小不同染机所染物间的色差。PLC在染色机上的应用前景可编程控制器(简称PLC)是60年代末美国数字公司研制开发的工业控制器件。随着微电子技术、计算机技术的飞速发展，PLC软硬件水平与规模也发生了量的变化与质的飞跃，其控制技术也朝着智能化方向发展。国际电工委员会(IEC)颁布了对PLC的规定〔81:可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。PLC在工业现场因其编程方便，抗干扰能力强，获得了广泛的应用。但受到内部硬件电路的限制，在运算速度、数据处理能力等方面和PC机相比，要逊色很多。因此在工业现场对复杂模型进行控制时，可以借助上位机PC来建立生产模型，通过构建SCC监督式控制系统，让下位机PC为一DCC直接数字控制系统，实现复杂系统的控制。另外，还可通过上位机PC和下位机PC组建监控系统，达到对工业现场实时监控的目的。其中关键技术为PC机和PC之间的通讯。本文首先介绍PC机与PLC的通讯种类和机制，然后就采用高级语言VB和组态软件MCGS，对完成以上二者通讯PC机和PLC有两种通讯方式，一种是PC机作主动者，即主局，PLC为从动者，即子局。另一种是PLC为主局，而PC机为子局。无论工作在哪种方式，数据一般都采用串行方式来传输，即可通过RS232、RE422或RS485电缆线来进行信息传递。在进行通讯时，首先将PC机和PLC传递信息的波特率设置一致。另外还要对奇偶校验位、传输数据位数和停止位进行设置。在PC机和PLC进行通讯时，要使用命令帧和响应帧的形式来进行信息传递。每次通信送出的一组数据称作“帧”。帧可以从持有发送权的一方传出。每送出一帧，上位机或PLC就将发送权交给另一方。当接收方收到终端（命令或响应的终字符）或分界符（分割帧的字符）信息后，就将发送权转到另一方。PLC具有可靠性高、模块化结构组合灵活、编程直观简单方便的特点。其功能有以下几种:开关量控制;模拟量控制;定时控制;计数控制;通讯联网功能;步进控制;数据处理;自诊断功能;定位控制;显示和打印功能。可以预见，随着PLC成本的降低和机器要求的提高，将很快在大部分场合取代继电器控制屏。其模块化的电路、模拟量控制和通讯联网等方面的功能日益强大以及良好的抗干扰能力，使它在工业上的应用越来越广。无论是与传统的继电器、接触器逻辑控制相比，还是与现代的微型计算机系统乃至专用于控制的单片机相比，在工业控制方面PLC都具有明显的优越性。尤其是对生产流水线、动作复杂的单机，比起前述几种控制手段来具有寿命长，可靠性高，对环境无特殊要求，开发费用低，周期短，无需专门的计算机软、硬件知识，易掌握，功能扩展方便，成本可为一般用户所接受等优点，是现代机电一体化产品控制装置的理想选择。高温高压染色机的工作特点是:温度控制精度要求高，执行元件多，动作频繁，安全联锁多，既有开关量控制又有模拟量控制。又处于酸、碱、水、蒸汽高温高压的恶劣环境中，因此对控制系统的抗干扰能力、可靠性要求极高。出于价格原因，有的染色机采用单片机控制，但在很多由PC机和单片机构成的温度控制系统中，由于单片机外部电路复杂，抗干扰能力弱，需要另外加入软硬件保护，维护困难，这在一定程度上限制了它的使用和发展。国外在染色机上已经大量地采用了PLC，大有取代单片机之势，故障率大大降低，性能有了很大提高。通过对各种控制系统的分析比较，我们对染色机拟采用以PLC为核心的控制系统。论文研究的主要内容南通三喜织染有限公司是一家老牌染整企业，拥有各类染色机二十多台，其中有四台高温高压染色机是九十年代进口设备。随着使用年限的增加，潮湿的生产环境，电气设备老化、接触不良，参数易丢失，死机造成动作失常，故障频繁，影响正常生产和染布质量，急需改进。为了加快对老设备的技术改造，提高整机自动化程度和运行可靠性，研究开发了“高温高压染色机控制系统”。在对国内外染色机的现状及其发展趋势进行分析的基础上，结合当前国内染色机发展水平和目标要求，确定本项目工作的主要内容如下:设计一套自动控制系统，对生产工艺过程进行自动控制，对温度进行自动测控。整个系统设计研究的主要内容如下:(1)分析国内外染色机控制方法;(2)对待改进的染色机控制系统提出总体方案;(3)温度控制方案的确定;(4)可编程控制器的硬件、软件设计及安装调试;(5)人机界面的设计以及系统通讯。染色机及其控制系统的总体方案设计自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。作为离散控的制的首选产品，PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的PLC年增长率保持为20%～30%。随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。综合相关资料，2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。可编程控制技术并非单纯是指PLC本身，而是包括其在内的一系列自动控制装置和技术的应用。本系统在电气控制部分设计时，充分考虑到用户对染色机的功能需求和性能要求，在具体实现的过程中，又以系统的可靠性与易操作性为准则，尽量把本系统设计成为一个功能齐全、可靠性高且易于使用的染色设备。在设计控制系统之前，首先得了解机器结构及其生产工艺。染色机概述染色过程染色是指染液中的染料向浸在其中的纤维转移并透入纤维内部，最终使纤维染上颜色的过程。染色过程一般包括三个阶段。(1)吸附当纤维放入染液中后，染液中的染料就会逐渐扩散转移到纤维表面，这个过程为吸附。吸附是可逆的，由于染液中染料浓度的变化，己染到纤维上的染料会重新扩散到染浴中去，这一过程称为解吸。在上染过程中，吸附与解吸同时存在并保持平衡。(2)扩散由于染料吸附在纤维表面，使纤维内外形成染料浓度差，因而促使染料由纤维向其内部扩散。此时溶液中的染料又继续吸附到纤维表面，直到吸附和解析再次达到平衡。(3)固着扩散到纤维内部的染料与纤维相结合的过程称为固着。固着方式因染料和纤维的种类不同而异。在染色过程中，上述三个阶段相互之间既有区别又有联系，不能截然分开。染色设备染色设备种类很多，按被染物的种类不同可分为纤维染色机、纱线染色机和织物染色机；按染色方法不同分为浸染机、卷染机和轧染机;按运转形式不同分为间歇式染色机和连续式染色机。在织物染色过程中，因被加工的织物的形态不同又可分为绳状和平幅两种形式。本文的研究对象是高温高压喷射溢流染色机，属于间歇式染色机，其加工对象为绳状织物。染色机工作原理染色机系统结构如图2--1，图中左侧为染缸，右侧为染色用料的化料桶。染缸是主要控制对象，在盛有染液的染缸内，循环泵强制染液在染缸内循环流动，绳状织物在储布槽前部由提升滚筒提起后送进喷嘴，再由喷嘴喷出的液流带动前行，使织物折迭在储布槽的后部。在自身重力和主泵吸力的作用下，织物沿着铺设在储布槽底部的一块高润滑性的“特氟隆”片，顺滑地移动到储布槽前部。这样反复循环，完成染色过程。化料桶用于染料和化学剂的调制，按工艺要求定时定量通过注料泵注入染缸。图2-1染色机工作原理示意图高温高压染色工艺过程染色机在整个染色过程中，主要是控制染缸内染液执行一条温度按时间变化的工艺曲线，在工艺曲线中既有多段不同速率的升温段、降温段及多段不同时间的保温段，又有配料、加料、进水、排水等辅助工序。图2--2是一条典型的工艺曲线，织物进入染缸后关上工作门，入水到设定水位，循环泵启动，开始加热，染液温度达到50℃时加助剂(用时5分钟)，紧接着加染料(用时20分钟)，继续保温10分钟，然后以10C/分钟的速度升温至90℃，保温10分钟后再以10C/分钟的速度升温至1300C，保温30-40分钟，再以1.5℃/分钟的速度降温，温度降至60℃时排液。图2-2工艺曲线在进行高温高压染色时，当染液温度高于85℃时，需要向染缸内充入压缩空气加压，以提高染液沸点温度，保证染机正常工作。当压力不足时自动打开压缩空气进气阀，送入压缩空气加压，直至压力达到设定值，再将进气阀关闭。在升温过程中压力过高时安全排压阀打开，自动排气，使压力不超过上限。根据染色生产特点可将整个染色过程分为以下几个工序:1)入水;2)入布;3)配料;4)注料5)升温:6)保温;7)降温;8)取样;9)水洗;10)出布;11)排水。在整个工艺过程中主要是对温度、液位和压力进行控制。染色机的构造染色机的整机外型如图2--3所示，机器主要由染缸、循环系统、热交换器、加料系统、进出布机构控制系统组成。图2-3整机外型（1）循环系统循环泵(主泵)用来带动染缸内的染液作定向循环，由变频电机驱动，其转速由电控箱上的数显转速表显示。循环泵和马达的轴同步加工，固装于同轴底座上，确保染液循环和机械运转平稳。循环泵的体积小，但吐液量大，故在低浴比染色状况下亦能获得较好的匀染性。喷嘴装在染缸的上部，是织物进行染色交换的地方，喷嘴压力由输送管道上的压力表指示，并可通过循环泵出口的节流阀加以调节，压力的大小则视织物的材质根据经验来加以确定。提升滚筒的作用是将折叠在染缸底部的织物提起送至喷嘴，由变频电机驱动，其线速度由装在电控箱上的数显速度表指示。提升滚筒的速度可通过装设在主电控箱上的控制单元来控制，即在总电控箱上直接旋转速度调节旋钮，直到数字显示器显示为所需的转速设定值为止。（2）热交换器热交换器用于染色过程中对染液进行加热和冷却，蒸汽和冷却水的流量由电气调节阀控制，使染液温度严格按工艺要求变化。热交换器为多管式设计，该热交换器效率高，升、降温时间短，温度由20℃上升至130℃只需25分钟;由130℃降至80℃只需20分钟。（3）加料系统化料桶用于染料和化学助剂的调制，打开相应的阀门，便可将清水或染液注入桶内，经电动搅拌器搅拌后，按工艺要求定时定量通过注料泵注入染缸。化料桶设有染液回流阀(控制染液从染缸回流至料桶)，配以离心式斜切口，使染液回流时能形成一旋转水流，以促成对染料、助剂进行充分的搅拌。染料、助剂的注入可选择自动或手动操作。在自动操作时，料桶内的液位感测装置会依照事先输入的程序控制染料、助剂的注入速度，这对于防止色花等有较明显的作用。（4）进出布机构进出布滚筒由一带齿轮减速箱的电机驱动，可作正反向运转，正转用于染色前的进布，反转用于染色工艺完成后出布。（5）控制系统控制系统用于控制水(液)、蒸汽、压缩空气管路阀门的启闭、调节阀的开度以及电机的启停和转速控制。染缸内染液温度由铂电阻测量，经变送器输入PLC的A/D接口，经过调节算法运算后，由D/A接口经过执行机构控制蒸汽阀门的开度，调节送入热交换器的蒸汽量，使染液的温度变化斜率符合编程设定的升温斜率。在降温阶段，送入冷却水冷却，使温度变化曲线满足工艺要求。液位传感器检测染缸液位，按浴比(被染物与水的比例)要求控制液位高度。化料桶液位检测值用来作为控制回流量、注料量以及注料速度的依据。压力检测元件测量染缸内压力，根据工作要求确定进气增压或是排气减压。另外，本机控制系统设置了很多安全联锁功能，例如只有在温度小于85'C，压力小于0.01kg/cm时，系统才允许进行开盖操作(取样或出布)，以确保安全生产。打结检测开关可以检测到织物在提升滚筒上部的打结，然后启动自动解除缠绕程序。布缝探测开关的检测信号在探测使能按钮按下后生效，当布缝经过工作门时提升滚筒停转，方便操作工拆开布缝出布。系统的需求分析功能要求控制系统改造后要求实现的主要功能有：(1)按浴比和织物重量控制加水量；(2)按工艺要求自动控制染色温度，使其遵循染色温度曲线的变化，误差,<2%;(3)按时按量均匀加入染化料和助剂；(4)染色工艺可编程实现，任意修改、制订；(5)存储温度曲线，每罐染色结束后将温度曲线发送至上位机；(6)运行数据及时保存，确保在恶劣的现场条件和干扰环境以及意外断电等情况下系统能够安全运行；(7)全中文的人机操作界面，直接明了，可方便地传递数据，查看和设定参数；(8)循环泵电机、提升滚筒电机速度无级变速、平滑启动；(9)在出现织物打结、缠布、温度过高等故障时能发出报警信号，在故障消除后能继续工作；(10)配置卸压启盖等安全联锁装置和电源自动切断装置。性能要求(1)可靠性系统是作为工业产品设计的，工作在高温、潮湿、酸碱等较为恶劣的环境之下，而且通常处于连续工作状态，因此对其可靠性的要求较高。(2)可操作性系统主要是面向操作工人和基层的技术人员，因此，要求系统的操作界面必须友好，而且具有一定的容错及安全保密措施。(3)可维护性系统采用模块化结构，便于维护，缩短维修时间，不影响正常生产。(4)开放性系统功能具备进一步的扩充能力，有利于实现群控。主要规格及技术参数(1)工作介质:染液、蒸汽、水。(2)控温范围:48℃--140'C;测温范围:0℃--153℃。(3)加热和冷却能力:高温高压染色机的最高加热温度为140℃;最低冷却温度为85℃。(4)热交换方式:分别采用蒸汽或冷却水间接加热或冷却。使用蒸汽压力:0.5Mpa:使用冷却水压力:0.1-0.5Mpa。(5)浴比：小浴比1：4，中浴比1：8。水位控制设定范围:0-1OOcm。(6)充气加压，使用压缩空气压力:0.4-0.6MPa;工作压力:簇0.4Mpa(表压);最高工作压力:0.5MPa。(7)织物运行速度:20-200m/min(连续可调)。(8)最大布容量:400kg。控制方案论证控制系统的设计方案主要是依据系统的功能需求等提出的，在方案的论证阶段，我们提出了几个候选方案，其主要差别在于控制器、人机界面和染色机各部分动作控制实现方面的不同。在控制器的选择上，有利用单片机和可编程控制器两种方案;在人机界面实现方案的选择上，分为液晶(LCD)+单片机、显示器十微机和触摸屏三种。在具体方案的筛选过程中，我们将系统的可靠性、可实现性、可维护性及经济性作为评价设计方案的主要依据。在比较了多家公司的产品之后，最终确定了系统的总体方案。下面分别对几种方案逐项进行比较。控制器的选择控制器的构成，采用单片机和可编程控制器构成的控制系统在可靠性、可实现性、可维护性以及经济性方面的比较如表2-4。经过详细的调研和分析对比，考虑到染色机一般处于间歇工作或24小时连续工作的状态，处在酸、碱、水、蒸汽高温的恶劣环境中，因此对控制系统的抗干扰能力、可靠性要求非常高。所以，我们最终选择了采用可编程控制器这一方案。至于可编程控制器的选型，当时有SIEMENS公司的S7-300和MTSUBISHI公司的FX2N两种可编程控制器可供选择，但由于对FX2N系列可编程控制器较为熟悉且其价格较低，因此我们选择了FX2N作为系统的控制器。系统性能可靠性可实现性可维护性经济性片机系统较差，易受干扰，需采用多种抗干扰措施实现较为复杂，同时需设计大量外围接口电路使用元件较多，维护困难价格便宜可编程控制器系统好，平时无故障时间可达十万小时实现简单，对于大多数信号可直接接入模块化设计，维护方便价格比单片机高，但目前降价趋势明显人机界面的实现方案人机界面的实现方案较多，归纳起来主要有液晶(LCD)十单片机、显示器十微型计算机和触摸屏三种。界面性能可靠性可实现性可维护性经济性液晶+单片机一般编程复杂，可实现性较差程序的维修较为麻烦，不利于维护价格便宜显示器+微型计算机一般，考虑到价格因素，微机一般选用普通的家用微机，抗干扰能力差较好，在微机上可使用的软件较多，实现较为方便，但在可编程控制器中需编写通信程序程序修改方便，可维护性较好价格较高触摸屏好采用专用的组态软件进行编程，且内置通信程序，可实现性好通过组态软件，进行修改，可维护性好价格高，选择单色小尺寸的产品可降低成本表2-5是这三种人机界面实现方案的性能比较通过反复比较，我们最终确定了以触摸屏作为人机界面的方案。控制系统的总体方案整个控制系统由可编程控制器动作控制、电机变频调速控制、温度液位压力检测控制和触摸屏等部分组成。其中可编程控制器是整个系统的控制中心，进入系统的所有信号都先要经过可编程控制器，它读取输入信号后，按照内部设定的程序进行处理，进而控制相应的执行机构动作。温度检测控制系统根据可编程控制器检测到的温度与设定温度进行比较，然后通过模拟量输出模块输出控制调节阀，调节蒸汽或冷却水阀门开度进行温度控制。触摸屏则为系统提供了友好的人机界面，系统所有的参数都存放在可编程控制器的内部RAM里，由可编程控制器的串行口与触摸屏相连，通过触摸屏对各个参数进行读取和设置。PLC控制系统设计的基本步骤PLC的工作方式和通用微机不完全一样，因此系统开发过程与微机控制系统的开发过程有所不同，需要根据PLC的特点进行系统设计。PLC与继电器控制系统也有本质区别，硬件和软件可分开设计是PLC的一大特点。可编程控制器应用系统设计与调试的主要步骤如下：(1)深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求被控对象是指受控的机械、电气设备、生产线或生产过程。控制要求主要指控制的基本方式、应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和联锁等。对较复杂的控制系统，还可将控制任务分成几个独立部分，这种可化繁为简，有利于编程和调试。(2)确定I/0设备根据被控对象对PLC控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯、电磁阀等。(3)选择合适的PLC类型根据已确定的用户1/0设备，统计所需的输入信号和输出信号的点数，选择合适的PLC类型，包括机型的选择、容量的选择、1/0模块的选择、电源模块的选择等。(4)分配1/0点分配PLC的输入输出点，编制出输入/输出分配表或者画出输入/输出端子的接线图。接着就可以进行PLC程序设计，同时可进行控制柜或操作台的设计和现场施工。(5)设计应用系统梯形图程序根据工作功能图表或状态流程图等设计出梯形图即编程。这一步是整个应用系统设计的核心工作，也是比较困难的一步，要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。(6)将程序输入PLC当使用简易编程器将程序输入PLC时，需要先将梯形图转换成指令助记符，以便输入。当使用可编程序控制器的辅助编程软件在计算机上编程时，可通过上下位机的连接电缆将程序下载到PLC中去。(7)进行软件测试程序输入PLC后，应先进行测试工作。因为在程序设计过程中，难免会有疏漏的地方。因此在将PLC连接到现场设备上去之前，必需进行软件测试，以排除程序中的错误，同时也为整体调试打好基础，缩短整体调试的周期。(8)应用系统整体调试在PLC硬件设计和控制柜及现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，如果控制系统是由几个部分组成，则应先作局部调试，然后再进行整体调试;如果控制程序的步序较多，则可先进行分段调试，然后再连接起来总调。调试中发现的问题，要逐一排除，直至调试成功。(9)编制技术文件系统技术文件包括说明书、电气原理图、电器布置图、电气元件明细表、PLC梯形图。控制系统硬件总体结构关系本系统采用可编程控制器(PLC)作为控制核心和触摸屏构成两级控制结构。PLC负责按钮、检测开关等开关量信号和温度、液位模拟量信号的输入，以及发出信号去控制先导电磁阀、继电器、变频器等电气元件，进而控制各阀门的启闭、电机的运行，同时控制相应指示灯的显示。触摸屏用来进行参数的修改与设定、全自动控制、在线监视、传送信息等工作。触摸屏通过RS422串行口与PLC相连，进行相互通信、数据交换，所以触摸屏是通过发出命令去控制PLC的运行以达到进行全自动控制的目的。PLC通过RS485模块和变频器进行通信，达到控制变频器的启停和转向、转速的要求。控制系统主要器件的选择染色机控制系统主要器件包括触摸屏、PLC、变频器、RS485通讯卡等主要器件。它们的选择原则是在保证功能的前提下尽可能地选择可靠性高和使用方便的产品。另外的如接触器、中间继电器、电磁阀、压力开关等主要利用原有的器件，所以这里不一一列出。(1)触摸屏日本Digital公司GP系列触摸屏工业图形显示器(简称触摸屏)是一种连接人和机器(主要为PLC)的人机界面(HMI)，被称为PLC的脸面。它是替代传统的控制面板和键盘的智能化操作显示器。可用于参数的设置、数据的显示和存储、并以曲线、动画等形式描绘自动化控制的过程，并可简化PLC的控制程序。GP2000系列触摸屏具有全中文可编程人机界面，方便、实用;可接入多种工业网络;开放式通讯协议;与任何品牌的PLC或个人单片机直接通讯;内置CF卡接口，创新以太网接口，方便数据采集。受到众多高端机械设备生产厂商的青睐。本系统中触摸屏上位机主要用来传送工艺数据和监控机台的实时运行曲线，我们选用型号为GP2500-TC41-24V的触摸屏，该触摸屏为640*480点的高清析度显示屏，配有两个数据交换口，RS232和RS422,RS232可以和打印机连接进行打印数据报表等，RS422与PLC编程口相连进行工作过程的监控和数据参数的设定与修改。(2)PLC的模块配置在进行这项工作之前，需要对控制对象和控制任务进行统计和分析。然后确定系统的规模、机型和配置。经过统计，本染色机控制系统需要配置如下16点输入，12点输出。欧姆龙集团全球知名的自动化控制及电子设备制造厂商，掌握着世界领先的传感与控制核心技术。截止到2007年度，欧姆龙集团已经拥有员工35,811人(2008年4月20日)，全球营业额近7,630亿日元。产品品种达几十万种，涉及工业自动化控制系统、电子元器件、汽车电子、社会系统以及健康医疗设备等广泛领域。欧姆龙研发的“传感与控制”技术，不仅包括了传统传感器的信息提取功能，还在“传感与控制”技术相结合的基础上，通过人工智能系统的加工，将提取到的数据高效而准确地转化为有价值的信息。(3)PLC的选择可编程控制器简称PC（ProgrammableController），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（ProgrammableLogicController）和可编程序控制器PC几个不同时期。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老名字。1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”PLC的特点可靠性高，抗干扰能力强传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/10~1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由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。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。硬件配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，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PLC大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PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2~1/10。它的重量小于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。PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。过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，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与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PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。在做出系统控制方案的决策之前，要详细了解被控对象的控制要求，从而决定是否选用PLC进行控制。在控制系统逻辑关系较复杂(需要大量中间继电器、时间继电器、计数器等)、工艺流程和产品改型较频繁、需要进行数据处理和信息管理(有数据运算、模拟量的控制、PID调节等)、系统要求有较高的可靠性和稳定性、准备实现工厂自动化联网等情况下，使用PLC控制是很必要的。目前，国内外各生产厂家的PLC产品各有特色，系列多、功能强，使用户有很大的选择空间。只有全面权衡利弊、合理地选择机型才一能达到经济实用的目的。一般选择机型要以满足系统功能需要为宗旨，不要盲目贪大求全，以免造成投资和设备资源的浪费。1)对输入/输出点的选择要先确定统计出控制系统的1/0总点数，再按实际所需总点数的20-30%留出备用量后确定所需PLC的点数。另外要注意，一些高密度输入点的模块对同时接通的输入点数有限制，一般同时接通的输入点不得超过总输入点的60%;PLC每个输出点的驱动能力(A/点)也是有限的，有的PLC其每点输出电流的大小还随所加负载电压的不同而异;一般PLC的允许输出电流随环境温度的升高而有所降低等。在选型时要考虑这些问题。PLC的输出点可分为共点式、分组式和隔离式几种接法。隔离式的各组输出点之间可以采用不同的电压种类和电压等级，但这种PT,C平均每点的价格较高。如果输出信号之间不需要隔离，则应选择前两种输出方式的PLC。2)对存储容量的选择对用户存储容量只能作粗略的估算。在仅对开关量进行控制的系统中，可以用输入总点数乘10字/点+输出总点数乘5字/点来估算;计数器/定时器按((3-5)字/个估算;有运算处理时按((5^-10)字/量估算;在有模拟量输入/输出的系统中，可以按每输入/或输出一路模拟量约需(80-100)字左右的存储容量来估算;有通讯处理时按每个接口200字以上的数量粗略估算。最后，一般按估算容量的50^-100%留有裕量。对缺乏经验的设计者，选择容量时留有裕量要大些。3)对工/0响应时间的选择PLC的I/0响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟(一般在2-v3个扫描周期)等。对开关量控制的系统，PLC和工/0响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑工//0响应问题。但对模拟量控制的系统、特别是闭环系统就要考虑这个问题。4)根据输出负载的特点选型不同的负载对PLC的输出方式有相应的要求。例如，频繁通断的感性负载，应选择晶体管或晶闸管输出型的，而不应选用继电器输出型的。但继电器输出型的PLC有许多优点，如导通压降小，有隔离作用，价格相对较便宜，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，其负载电压灵活(可交流、可直流)且电压等级范围大等。所以动作不频繁的交、直流负载一般选用继电器输出型。综上所述考虑，我们选用OMRON公司的型号为C28P的可编程控制器作为染色机的控制器，其输出为继电器输出形式。通过主机上配有的RS422或RS232接口，可实现PLC与触摸屏或PC机的通讯，使用GXDeveloper软件可直接在PC机上用梯形图编程、调试，此外也可用手持编程器进行指令编程，现场直接调试。（4）传感器1)PT100铂电阻本系统采用PT100铂电阻进行染液测温。铂电阻是一种热电阻，热电阻传感器是根据金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性进行测温的。与铜电阻相比，铂电阻具有测量精度高、性能稳定可靠的特点，在工业上广泛用于一2000C-+500℃之间的温度测量，在本系统中铂电阻的测温范围是0℃一++1530Co2)电接点温度计电接点毛细管式温度指示器有三支指针，分别为黑、红和黄色。黑针指示主缸的温度，红针和黄针是带电气触头的指针，不会随温度的变化而推动。红、黄两支指针分别设定为90℃和850C，作为加压、卸压以及门锁动作的条件。3)翻板式电远传磁浮子液位计染缸液位采用UHC-DB型翻板式电远传磁浮子液位计。主要由测量导管、磁浮子、传感器、变送器和显示仪五部分组成。工作原理是:磁浮子的比重小于0.5，可漂于液面之上并沿测量导管上下移动，导管内的磁浮子随液位的升降而同时吸合传感器内相应位置上的干簧管，从而使传感器内的总电阻发生相应的变化，将被测液位信号转换成正比于液位变化的电阻信号，然后通过变送器将电阻转换成4-20mADC标准电流输出。指示器由磁性色片组成，当本体管内的磁性浮子随液位上升时色片翻转，涂有红色标志的塑料板即可醒目地指示出染缸中的液位高度，也可由数显液位控制仪显示液位和设定上、下限报警，实现液位的位式控制或调节。变送器为模块电路，具有耐酸、防潮、防震、防腐蚀等优点，适用于高温高压，耐腐蚀等场合。电路内部含有恒流反馈电路和内保护电路，可使输出最大电流不超过28mA，因而能够可靠地保护电源并确保二次仪表不被损坏。可实现对液位的远距离显示、位式控制、断续或连续的PID调节。4)压力式液位计料桶液位采用压力式液位计。美国Solution公司的L301型液位计是由集气筒、导压管、传感器组成的液位测量仪表。当集气筒沉入被测液体中后，集气筒内空气受到被测液体的压力作用，通过导压管压力传导至敏感元件上测量出液位变化，传感器不直接作用被测介质。导压式液位计不受介质起泡、沉积、混浊等影响，又无运动部件，安装维护简单，故特别适于冶金、电力、造纸、石油、化工等行业测量液位使用。相关参数为:工作电压:12.5-36VDC;输出信号:4-20mA二线制;测量范围:1-20m;精度:0.2级、0.5级;允许温度:介质一300C^1250C;相对湿度:0^'95%Rho5)气体压力开关气压检测采用两个定值气体压力开关。当染缸压力>0.01kgf/cmz时锁缸，以免在缸内有压的情况下操作人员误开工作门，引发事故。当染缸压力>0.42kgf/cm2时停止加压。（5）执行机构本系统执行机构中管道阀门全部采用气动部件，如:电/气阀门定位器、气动薄膜调节阀和气动薄膜切断阀等。可靠性高，维护方便，适合湿度大、酸碱性含量高的生产环境。电气(I/P)转换器的功能是将电流或电压信号转换成线性比例的气压信号输出。它用以将调节器、计算机输出的4-20mA或0^-1OmA的电流信号转换为与之成比例的0.02-O.1MPa(0.2-lkgf/cm2)气动模似信号，作为气动阀门定位器的气动控制信号，进而控制气动薄膜调节阀开度以调节流量大小。电气转换器是工业自动化仪表中不可缺少的一种产品，它为微型计算机配用终端执行元件提供了信号转换的中间环节，被广泛应用于石油、化工、电力、冶金和轻纺等工业生产的自动控制过程中。系统的运行方式设备设有手动和自动两种控制模式，由主控面板上的“自动/手动”转换开关进行切换。自动运行模式用于正常的染色生产，操作人员按工艺要求通过触摸屏进行编程，也可直接调用预先输入并保存在PLC中的成熟的工艺曲线;手动模式则主要用于入布、调试、检查维修、故障恢复等工作，操作人员根据操作面板上的按钮，一步一步地调用相应的功能子程序，完成相应工作。高温高压染色机中的PLC控制可编程控制器是以微处理器为核心，集计算机技术、自动化控制技术于一体的一种新型工业控制系统由PLC一般采用易于理解和掌握的梯形图语言及面向工业控制的简单指令，形象直观，特别适合现场工程技术人员的应用。PLC控制系统结构简单，可靠性高抗干扰能力强，故障率低，易于操作、维修与维扩，不同工艺要求采用修改设计程序的简单方法因此，PLC控制系统已逐渐代替传统工业控制系统广泛应用于生产、科研、社会生活等诸多领域。高温高压染色机控制过程较复杂，要求可靠性高、电机功率较大，要求Y-△启动，正反转循环控制，又处于酸、碱、水、蒸汽高温高压的恶劣环境中，近几年电气设备老化、故障频繁，经常因电气故障影响染纱质量，急需改进。我们选用PLC控制系统对设备电气系统进行彻底改造。控制要求程序设计思想织物染色整个工作过程大约需要4-5小时，其工艺曲线往往分成若干个工序。这些工序有的是断续过程，有的是连续过程。例如加水工序即是将加水阀打开，将缸内水位加到浴比水位的断续过程。但有些工序如:按一定的速率升温或将染液温度进行定值控制则是连续过程。对于不同的被染物和染化料有不同的工艺曲线。这些成熟的工艺曲线应能随时方便地被调用。同时为方便用户对一些新工艺曲线进行试验改进，就要求各个工序能任意组合，工艺人员能将工艺曲线用简单的方法输入到染色机的控制系统中去，实现人机对话。这些要求就是本系统程序设计的出发点。任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：

（1）最大限度地满足被控对象的控制要求充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。

（2）保证PLC控制系统安全可靠保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。

（3）力求简单、经济、使用及维修方便一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。

（4）适应发展的需要

由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。

本控制系统程序的设计思想是将工艺曲线中的断续过程和连续过程编制在统一的控制程序中，采用工艺曲线数字化的编程手段。所谓工艺曲线数字化是将工艺曲线分解为若干个典型的工序，各个工序是独立互不关联的，因而，可以按照生产规律任意组合。每个工序赋于一个数字代码。这种工艺曲线数字化的方法，工艺人员几分钟就可学会。而且往PLC控制系统中输入工艺曲线的操作也很简单。同时这种方法也就决定了PLC的程序结构，但是工艺人员则无需了解PLC中的控制程序内容。主程序流程图PLC采用扫描方式执行，每个扫描周期全部过程均扫描一遍。哪一段或哪一条指令被执行取决于其逻辑条件是否满足。因而顺序流程图能大体上反映程序的顺序结构与工作内容，控制程序流程如图3-1所示。在上电之后，系统等待操作人员设置工艺号并在触摸屏上显示。在未执行工艺时应将有关的辅助继电器和控制用数据寄存器清零，吏系统处于初始状态。操作人员按下执行工艺键后，系统开始执行工艺曲线。因为在一条工艺曲线中各工序是按执行的先后顺序排列的，所以PLC可以用变址的方法先取第一个工序执行，待该工序执行完后再顺次取出下一个工序继续执行，各个工序的执行程序块是相互独立的，因此，在取出工序代号后，要用比较指令确定是哪一个工序，用辅助继电器作为该工序执行块的标志，并转而执行该程序块。控制过程首先启动电动机M1，高压罐进水至高水位停，然后，下纱加料，密封高压罐，打开冷压气加压至设定值保压，然后开高温蒸汽阀升温，设定好温度上知控制时间及保持温度时间，升温同时，按下自动开关，染色电动机正转达，由于本机功率较大，所以电动机启动采用Y-Δ启动，正转10s暂停，然后电动机反转启动也采用Y-Δ启动，运行2s暂停，返回正反循环程序至设定时间，然后排液、排压、进行染色报警10s，自动停机。本系统还没有手动控制，控制高压罐进水、加压、升温、排水、排压及停止进水、排水、停机图3-1染色机控制过程图3-2硬件接线图PLC地址分配输入／输出信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。对软件设计来说，I／O地址分配以后才可进行编程；对控制柜及PLC的外围接线来说，只有I／O地址确定以后，才可以绘制电气接线图、装配图，让装配人员根据线路图和安装图安装控制柜。分配输出点地址时，要注意前文提到的负载类型问题。在进行I／O地址分配时最好把I/O点的名称、代码和地址以表格的形式列写出来。PLC控制器选用OMRON公司C28P，16点输入，12点输出。表3-1I/O地址分配输入设备元件代号输入点地址输出设备元件代号输出点地址水泵停止按钮SB10000水泵继电器KM10500水泵启动按钮SB20001加压电磁阀YC10501水位上限开关SQ10002高温蒸汽阀YC20502水位下限开关SQ20003染色机正转继电器KM20503加压开关SP10004染色机反转继电器KM30504压力表上限SP20005Y启动继电器KA10505高温蒸汽开关SB30006Δ运转继电器KA20506温度上限开关RT00007排液阀YC30507自动/手动按钮SA0008排压阀YC40508停止按钮SB40009报警蜂鸣器HA0509手动正转按钮SB50010手动反转按钮SB60011压力表下限SP30012表3-2计时器及计时器设置T00自动循环计时900sCNT10自动循环计数6次T01自动暂停计时3sT02染色正转计时600sT03染色发转计时120sT04Y-Δ转换计时3sT05染色完全报警计时5s系统软件设计根据工艺流程要求，制成基本逻辑梯形图如图，下面介绍其功能的实现。图3-3梯形图水泵电动机启停控制工作方式控制系统设计成自动工作方式和手动工作方式两种类型。自动工作方式时，机器按预先输入的工艺要求:如进水及其水位、调料、注料及注料量、是否溢流、升温时间及速率、保温时间、降温时间及速率、水洗时间、出布、放水等，自动地将这些程序有机地结合起来完成全部操作。手动工作方式时，操作人员根据操作面板上的按钮，一步一步地调用相应的功能子程序，完成所有工作。无论处于自动工作方式还是手动工作方式，检测程序都将随时检测发生的故障并立即终止当前操作。手动工作方式与自动工作方工作方式可以相互转换，但不可并存，在程序上设计了互锁功能的程序段。无论是自动运行还是手动操作，首先必须启动水泵电动机进水。在程序控制中启动水泵电动机按钮SB3，高压罐进水至高水位限位开关SQ1或通过停止按钮SB1停止进水。自动运行初始化条件：水满至高水位SQ1，下纱并加料，密封高压罐，电接点加压开关SP1动作，冷压电磁阀YC1打开，加压至工艺设定值即压力表上限，开关动作而停止加压；然后，自动高温蒸汽开关打开高温蒸汽阀YC2升温，设定好温度上升控制时间及保温时间，升温至设定温度上限，高温蒸汽阀关闭。升温同时，自动/手动旋钮置SA自动，染色自动循环开始，内设时间继电器TIM00及计数器CNT10串级组合开始计时，并启动暂停计时器TIM01计时3s，时间到，启动正转主接触器KM1闭合，计时器KM2开始计时，设定600s，同时电动机Y接法继电器在KA1闭合，电动机Y型启动，计时器TIM04计时为3s，时间到，电动机换成Δ运转。计时器TIM02时间到，电动机暂停，延时3s，反转达接触器KM2闭合，TIM03开始计时，可设定120s，电动机还是采用Y-Δ启动运行。TIM03计时时间到，则电动机又暂停3s返回正转运行程序，直至工艺设定TIM00及计数器CNT10计时时间到，染色电动机停止运行，排液阀打开，排除液体，排压发打开，将压力排除，报警开始，10s后停止，自动程序运行结束。手动操作将自动/手动旋钮SA置于手动侧，高压罐进水、排水、加压、升温、染色机正转、反转、都可以实现手动操作，以便于维修、调试等工作，若纱线需水洗，也可用手动操作方便完成。高温高压染色机的PLC控制系统一些参数需根据现场不同工艺要求而设定，改造后，电气线路简单，运行可靠，故障率低，保证了染纱质量，提高了生产效率，特别是纱线品种不同工艺要求不同，我们可方便简单地通过修改程序与设置参数而满足了生产要求。结论本论文以面向纺织染整行业的高温高压染色机控制系统为景，详细阐述了集PLC、触摸屏、传感器技术、通信技术于一体的控制系统的原理、构成、设计与实现。本项目研究开发经历了调研、方案设计、软硬件设计、实验室调试、现场调试等几个阶段，最后在现场调试中各项功能基本都达到了预定目标，目前正在试用。总结全文，具体做了以下几方面的工作:(1)通过现场考察设备的控制要求并借鉴大量相关资料，对染色机的结构及其各部分的控制要求作了深入的了解，为开发染色机控制系统奠定了理论基础;(2)根据染色机的控制要求，结合原有控制系统，设计出符合工艺要求且性能比较高的染色机控制系统总体方案，并进行方案论证;(3)系统的硬件设计;(4)系统的软件设计;(5)触摸屏监控界面的设计。本系统的特点:(1)采用PLC为控制核心，配以抗干扰设计，使控制系统适合在恶劣环境下工作。(2)温度控制采用模糊PUU}控制，取得了比纯粹的PID控制更好的效果。误差控制在士1.5℃以内，严格按工艺要求的速率升、降温。(3)友好的人机界面，工艺参数设置直观、方便。可实现对染色工艺过程的监视和记录，以供分析产品的生产过程的质量问题，为实现计算机生产网络管理打下坚实的基础。(4)实施动作联锁保护，发生超温、超压等情况时发出报警，并停止工作。(5)采用变频调速，可根据织物的不同选择相应的频率，平滑调节主泵和滚筒转速并保持同步化，使织物所受张力基本恒定，避免对织物结构造成破坏。(6)进一步提高了自动化程度。设有织物打结自动解除机构和相应程序;设置了布缝探测器，染色结束停机时布缝正好停在染缸工作门附近，方便了操作人员拆布头、出布。本项目的研究虽然取得了一些成果，但仍然存在需要改进的地方:(1)要研究更为先进的控制方法保证温控精度，提高系统自适应能力，在供汽压力波动的情况下，也能保证温度按设置速率准确控制。(2)进一步提高自动化程度，实现配料加料的全自动化。致谢本论文是在田老师悉心指导下完成的。田老师知识渊博诲人不倦，从他的身上我不仅学到了很多专业知识而且还有很多为人之道，他那严谨的教学作风、刻苦钻研的治学态度深深地影响着我，成为我今后学习和工作的楷模。在此对田老师表示由衷的感谢和诚挚的敬意!同时我也要感谢佳木斯大学信息电子技术学院的其他老师，正是他们的关心和帮助，使我能顺利完成大学阶段的学习，在我的研究工作和论文写作过程中给予的大力支持和帮助。忠心感谢在百忙之中审阅论文和参加答辩的各位专家、教授。参考文献[1]陈立秋.染整工业自动化.北京：中国纺织出版社.2005[2]荆涛主.染整设备机电一体化.北京：中国纺织出版社.1997[3]夏科军.高温高压经轴染色机技术现状.技术创新.2004[4]廖长泰.常压溢喷染色机的改进与提高.纺针工业.1996[5]汪海燕.PROFIBUS-DP现场总线的间歇式染色机控制系统.纺织学报.2004(6):90-91[6]于会泳.介绍一种新型的染色机自动控制系统.丝绸.1993(10):68[7]撒继铭.常温常压卷染色机控制系统.机电一体化.2001(5):54-56[8]王兆义.可编程控制器教程.第二版.北京:机械工业出版社.2005[9]陈立定.电气控制与可编程控制器的原理及应用.第一版.北京:电子工业出版社.2005[10]廖常初.可编程控制器应用技术.第四版.四川:重庆大学出版社.2002[11]阎浩峰.甘永平.新型换热器与传热强化.北京:宇航出版社.1991[12]钟肇新.可编程控制器原理及应用.华南理工大学出版社.1991[13]柳文.PLC在高温筒子染色机控制中的应用.计算机工程与科学.1997(4):83-86[14]张永明.基于RS485通信的染色机计算机控制系统.丝绸.2004(7):26-29[15]方彪.干簧管开关在染色机上的应用.针织工业.1995(5):38-39[16]陶永华.新型PID控制及其应用.第二版.北京:机械工业出版社.2002[17]李士勇.模糊控制和智能控制理论与应用.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社.1990附录AProtectionandinformationprocessingsystemfailuresProtectionandinforma