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塑料擠出生產(chǎn)線集散控制系統(tǒng)的研究

隨著塑料擠出加工工業(yè)在國內(nèi)的快速發(fā)展,擠出生產(chǎn)過程中電控方面存在的問題越來越突出。這些問題表現(xiàn)在下述4個方面:①傳統(tǒng)的繼電器控制。由于繼電器系統(tǒng)接線復(fù)雜,故障診斷與排除困難,而且機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)的觸點(diǎn)控制易被電弧燒壞導(dǎo)致接觸不良和反應(yīng)速度慢;在線路中,繼電器的控制功能被固定下來,功能單一、靈活性差等。②分列儀表溫度控制。以溫控表為主的分離元件控制具有價格低、配置簡便的優(yōu)點(diǎn),但在控制功能上受到許多限制,這主要體現(xiàn)在控制點(diǎn)數(shù)少、維修保養(yǎng)難、控制精度低,特別在控制點(diǎn)數(shù)比較多時,控制柜顯得特別龐大,除非擴(kuò)大控制柜,但這樣又給統(tǒng)一設(shè)定、監(jiān)控和進(jìn)行實(shí)時操作帶來困難,而且各溫控表的數(shù)據(jù)不能統(tǒng)一管理,進(jìn)行自動歸檔,打印等。③電位器電機(jī)調(diào)速控制。傳統(tǒng)電機(jī)調(diào)速靠電位器改變電機(jī)線圈中的電流來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,當(dāng)由若干個電位器(分本地控制和遠(yuǎn)程控制)控制一臺電機(jī)時,會導(dǎo)致控制標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、可能本地電位器已使電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)到最大值,而遠(yuǎn)程電位器工位仍處于零位置,無法調(diào)低電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)事件時,無法遠(yuǎn)程控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。④計(jì)量加料控制。國內(nèi)擠出機(jī)輔機(jī)自動化水平還很低,尤其在稱重和自動上料方面表現(xiàn)得特別突出。目前主要是人為監(jiān)視,人工上料,對生產(chǎn)線的生產(chǎn)率無法控制,也無法用一個準(zhǔn)確的度量標(biāo)準(zhǔn)來衡量,這些都限制了生產(chǎn)線的生產(chǎn)率,同時增加了員工的工作量和影響制品的品質(zhì)及產(chǎn)量。

因此,當(dāng)務(wù)之急就是對這些生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)改造,以提高企業(yè)的設(shè)備利用率,提高產(chǎn)品品質(zhì)和質(zhì)量。

PLC是上個世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種新型電器控制設(shè)備,它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)融為一體。隨著4C(Computer、Communication、Control、CRT)技術(shù)和IT技術(shù)的發(fā)展,PLC正以通用性、功能強(qiáng)、完善的故障自診斷能力、可靠性高、柔性強(qiáng)、體積小及成本低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程。因此為有效解決以上問題提供了思路。從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性出發(fā),開發(fā)了塑料擠出生產(chǎn)集散控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有配置簡單、操作方便、功能強(qiáng)大,擴(kuò)展靈活和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 集散控制系統(tǒng)

1.1電氣控制要求

(1)整個生產(chǎn)線定時開關(guān)機(jī)。塑料擠出生產(chǎn)之前,設(shè)備的預(yù)熱準(zhǔn)備時間有2個多小時,才能使機(jī)筒各段溫度加熱均勻。為了提高生產(chǎn)效率,在無人開機(jī)的情況下,設(shè)備按提前設(shè)定的開機(jī)時間啟動,到工作時,設(shè)備自動準(zhǔn)備就緒,隨時啟動生產(chǎn)。

(2)機(jī)筒各段加熱溫、度可以調(diào)節(jié)。為了能保證溫度達(dá)到設(shè)定工藝溫度,上下偏差1℃,所以各段溫度實(shí)現(xiàn)PID控制。

(3)主副電機(jī)調(diào)速。為能對螺桿轉(zhuǎn)速和牽引轉(zhuǎn)速等進(jìn)行微調(diào),應(yīng)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動控制。

(4)實(shí)現(xiàn)快速停車,主電機(jī)采用反接制動。

(5)有過載和短路保護(hù)。任一臺電機(jī)過載,所有電機(jī)均不能工作。

(6)計(jì)量加料。實(shí)時計(jì)算生產(chǎn)線的生產(chǎn)量和監(jiān)控料斗中物料的質(zhì)量,達(dá)到設(shè)定限度時,自動上料或停止上料。

(7)有急停按鈕,防止啟動或運(yùn)動時有突發(fā)事件的發(fā)生。

(8)各工作狀態(tài)有相應(yīng)的指示燈指示和警鳴。

1.2集散控制系統(tǒng)的組成及工作原理

整個集散控制系統(tǒng)包括:PLC系統(tǒng)、人機(jī)界面、遠(yuǎn)程終端、時間讀取和設(shè)定、溫度PID控制、電機(jī)驅(qū)動控制和計(jì)量加料控制等。

塑料擠出生產(chǎn)線集散控制系統(tǒng)通過智能儀表(傳感器)對生產(chǎn)線各段的溫度,各電機(jī)轉(zhuǎn)速,料斗內(nèi)的物料的質(zhì)量等模擬量及各種開關(guān)位置等數(shù)字量進(jìn)行自動檢測,并將檢測結(jié)果上傳給下位機(jī)PLC,經(jīng)數(shù)據(jù)計(jì)算處理后,送至各執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)行相應(yīng)操作;同時PLC通過OPC接口技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)人機(jī)界面,完成系統(tǒng)操作,顯示生產(chǎn)線各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài),異常處理(包括保護(hù)、報警等)以及可以打印輸出各相關(guān)操作記錄、歷史記錄及報警記錄等。

為了實(shí)現(xiàn)塑料擠出生產(chǎn)線在線實(shí)時數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控,通過另一臺在中控室的遠(yuǎn)程終端監(jiān)控機(jī)采用Web網(wǎng)技術(shù),將現(xiàn)場上位機(jī)的實(shí)時數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程終端中,同時遠(yuǎn)程終端根據(jù)用戶權(quán)限進(jìn)行不同級別的參數(shù)設(shè)定和監(jiān)控。其控制原理如圖1所示。




2 集散控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)塑料擠出生產(chǎn)線的操作和控制要求,控制系統(tǒng)選用西門子S7-200系列CPU226和CPU224PLC及熱電偶模擬量擴(kuò)展模塊EM231、普通模擬量擴(kuò)展模塊EM231和EM235。本系統(tǒng)I/O設(shè)計(jì)需要開關(guān)量輸入點(diǎn)30點(diǎn)、開關(guān)量輸出點(diǎn)46點(diǎn)、模擬量輸入點(diǎn)35點(diǎn)和模擬量輸出點(diǎn)6點(diǎn),共計(jì)117點(diǎn)。其硬件配置如圖2所示。

3 集散控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)塑料擠出生產(chǎn)線的工作流程要求,確定各動作的先后順序和相互關(guān)系,畫出流程圖,再由PLC輸入輸出邏輯關(guān)系編寫梯形圖。

溫度控制子程序通過PLC的PID功能塊,調(diào)制方波脈沖串信號及中斷程序來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,同時建立變量表,用于PID參數(shù)自整定和修改。其PID算法和離散化處理原理簡單可行,固定周期不同占空比方波脈沖串信號、中斷及與PID輸出同步能達(dá)到要求精度。

電機(jī)驅(qū)動控制子程序,通過PLC的時鐘模塊和計(jì)數(shù)模塊來編譯斜坡函數(shù)和點(diǎn)動控制,完成電機(jī)調(diào)速控制。

計(jì)量加料控制子程序,通過PLC的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)學(xué)運(yùn)算指令及硬件模擬量通道口的濾波組態(tài)來編譯控制程序,完成自動上料控制和產(chǎn)量計(jì)算。

通信子程序,通過PLC的網(wǎng)絡(luò)讀寫命令,完成對主從控制單元參數(shù)、變量的讀寫。

定時開關(guān)機(jī)控制子程序,通過PLC的讀寫系統(tǒng)時鐘模塊和邏輯與或指令,將存儲在T時間緩沖區(qū)開始的8字節(jié)時間采出,進(jìn)行定時開關(guān)條件設(shè)定編譯,完成定時開關(guān)生產(chǎn)線。

其部分程序流程圖如圖3、圖4、圖5、圖6和圖7。



















3.2界面軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用bbbbbbs2000操作系統(tǒng),用西門子的WinCC組態(tài)軟件開發(fā)設(shè)計(jì)人機(jī)界面和監(jiān)控程序。操作人員可在本地人機(jī)界面一的薄膜鍵盤和硬件開關(guān)上,向下位機(jī)發(fā)出各種控制命令。同時程序完成從主從控制單元實(shí)時采集,處理模擬量、開關(guān)量、報警數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù);定時歸檔歷史數(shù)據(jù);實(shí)時記錄、故障及開關(guān)變化信息;對操作人員所作的操作進(jìn)行記載和輸出打印。操作人員可在圖8所示的控制面板上對塑料擠出生產(chǎn)線各段溫度、主電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、機(jī)筒壓力及輔機(jī)部分的牽引速度,卷取等進(jìn)行監(jiān)視。根據(jù)加工條件的不同以不同級別用戶權(quán)限登陸到其它設(shè)定界面進(jìn)行工藝參數(shù)的修改或設(shè)定。




另外,通過WinCC組態(tài)軟件中集成的Navigator遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備包,就可方便地配置本地的上位機(jī)成為一臺數(shù)據(jù)共享服務(wù)器。利用TCP/IP協(xié)議和Web網(wǎng)技術(shù),遠(yuǎn)程終端通過打開IE瀏覽器,鍵入服務(wù)器地址、用戶名和密碼登陸服務(wù)器,不需安裝組態(tài)軟件,就可以在線權(quán)限監(jiān)控整個塑料擠出生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié)束語

可編程控制器(PLC)和計(jì)算機(jī)(PC)的聯(lián)合應(yīng)用簡化了現(xiàn)場操作,提高了控制精度、人機(jī)界面的靈活性及制品的品質(zhì)和產(chǎn)量,同時也提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性,具有廣闊的應(yīng)用前景。此系統(tǒng)與一般的塑料擠出生產(chǎn)線控制系統(tǒng)相比,有以下特點(diǎn):

(1)系統(tǒng)監(jiān)控功能。采用組態(tài)的人機(jī)界面,是一種自行設(shè)計(jì)的多功能緊湊型帶薄膜鍵盤的PLC網(wǎng)絡(luò)連接,形成一目了然的形象化的流程界面,并進(jìn)行動態(tài)顯示工作進(jìn)度。通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)適配器可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程權(quán)限監(jiān)控。

(2)參數(shù)統(tǒng)一設(shè)定功能。對不同的工藝條件,參數(shù)都可以方便設(shè)定。

(3)按人機(jī)工程學(xué)原理進(jìn)行界面設(shè)計(jì)。采用彩色液晶顯示器和專門的機(jī)柜設(shè)計(jì),性能穩(wěn)定可靠,操作方便,克服一般塑料擠出生產(chǎn)線人機(jī)界面不友好的問題。

(4)I/O口的擴(kuò)展方便。根據(jù)工藝的變化可以任意添加I/O點(diǎn),且有遠(yuǎn)距離通信接口,組成網(wǎng)絡(luò),適應(yīng)現(xiàn)代化的發(fā)展需要。

然而,塑料擠出生產(chǎn)線集散控制系統(tǒng)包括的控制內(nèi)容還很多,除了上述研制設(shè)計(jì)開發(fā)的控制方案外,還有如機(jī)頭壓力閉環(huán)控制,制品厚度檢測及閉環(huán)控制,制品定長切割等;以及上位機(jī)人機(jī)界面組態(tài)中的錯誤處理,動畫顯示生產(chǎn)工藝流程等,還有待于進(jìn)一步的研究開發(fā),使此集散控制系統(tǒng)不斷的完善。
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