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精品文檔本科畢業(yè)論文題 目: PLC在封口包裝機(jī)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用專 業(yè): 機(jī)電一體化工程 學(xué)生姓名: 陳煒 指導(dǎo)老師: 徐福林 起訖日期: 2016年03月17日2016年05月05日 1歡迎下載。PLC在封口包裝機(jī)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 作者：陳煒【摘要】：封口包裝機(jī)是指在包裝容器盛裝產(chǎn)品之后對(duì)容器進(jìn)行封口的機(jī)械。隨著生產(chǎn)、生活水平的提高，我國封口包裝機(jī)械近幾年發(fā)展較快。通過參考國外同類型產(chǎn)品，在消化吸收的基礎(chǔ)上自行開發(fā)研制，技術(shù)上有了很大的提高，但在高新技術(shù)應(yīng)用和新工藝開發(fā)方面與國外還有較大差距，如整機(jī)的自動(dòng)化程度不高，有些還大量使用繼電控制系統(tǒng)耗能、費(fèi)時(shí)、工作還不安全可靠。本文將從節(jié)能、省時(shí)、人性化設(shè)計(jì)三個(gè)方面，用先端自動(dòng)控制設(shè)備PLC和變頻器改造以往的繼電控制系統(tǒng)，從而推動(dòng)技術(shù)更新、更快的發(fā)展?！娟P(guān)鍵詞】：S7200 PLC、變頻器、封口包裝機(jī)、溫度控制、固態(tài)繼電器SSR一.項(xiàng)目背景及分析（一）封口包裝的工藝流程結(jié)合上圖，其工藝流程包括如下幾個(gè)步驟：1. 接通電源，封口包裝機(jī)各機(jī)構(gòu)開始工作，電熱元件通電加熱，使上下加熱塊急劇升溫，并通過溫度PID控制系統(tǒng)調(diào)整到所需溫度，壓印輪轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)需要，冷卻系統(tǒng)開始工作，輸送帶啟動(dòng)，并由調(diào)速裝置調(diào)整到低速狀態(tài)。2. 當(dāng)裝有物品的包裝被前級(jí)設(shè)備運(yùn)送至封口包裝機(jī)輸送帶上時(shí)，袋的封口部分通過導(dǎo)向槽H被自動(dòng)送入運(yùn)轉(zhuǎn)中的兩根封口帶F之間，并帶入加熱區(qū)E，加熱塊的熱量通過封口帶傳輸?shù)酱姆饪诓糠质贡∧な軣崛圮?，再通過冷卻區(qū)D，使薄膜表面溫度適當(dāng)下降，然后經(jīng)過滾花輪滾壓，使封口部分上下塑料薄膜黏合并壓制出網(wǎng)狀花紋，再由導(dǎo)向橡膠帶B與輸送帶將封好的包裝袋送出機(jī)外，封口包裝機(jī)完成封口作業(yè)。3. 當(dāng)封口包裝機(jī)在低速運(yùn)行取得滿意效果后，可逐步提高封口速度至最高工作速度，同時(shí)根據(jù)工藝要求適當(dāng)提高封口加熱溫度（根據(jù)不同材料，其設(shè)定溫度不同）。（二）控制要求4. 輸入電源為三相380V電源.5. 主動(dòng)導(dǎo)向輪、被動(dòng)輪和各個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間通過機(jī)械連接，最后由一臺(tái)三相380V/1.5KW的異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，封口速度要求能調(diào)速（015m/min），調(diào)速精度為1.6. 測(cè)溫范圍為0400，溫度控制精度為2。二封口包裝機(jī)的溫度檢測(cè)溫度是封口包裝機(jī)控制過程中最常見的一種模擬量，由于溫度傳感器在測(cè)溫過程中輸出的不是標(biāo)準(zhǔn)意義上010V或420mA等線性信號(hào)，因此都需要對(duì)此進(jìn)行轉(zhuǎn)換。（一）模塊選型本課題選用K型熱電偶傳感器和西門子S7200的EM231熱電偶模塊。K型熱電偶圖示：西門子S7200的EM231熱電偶模塊：結(jié)合上圖，其工藝流程包括如下幾個(gè)步驟：接通電源，封口包裝機(jī)各機(jī)構(gòu)開始工作，電熱元件通電加熱，使上下加熱塊急劇升溫，并通過溫度PID控制系統(tǒng)調(diào)整到所需溫度，壓印輪轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)需要，冷卻系統(tǒng)開始工作，輸送帶啟動(dòng)，并由調(diào)速裝置調(diào)整到低速狀態(tài)。當(dāng)裝有物品的包裝被前級(jí)設(shè)備運(yùn)送至封口包裝機(jī)輸送帶上時(shí)，袋的封口部分通過導(dǎo)向槽H被自動(dòng)送入運(yùn)轉(zhuǎn)中的兩根封口帶F之間，并帶入加熱區(qū)E，加熱塊的熱量通過封口帶傳輸?shù)酱姆饪诓糠质贡∧な軣崛圮洠偻ㄟ^冷卻區(qū)D，使薄膜表面溫度適當(dāng)下降，然后經(jīng)過滾花輪滾壓，使封口部分上下塑料薄膜黏合并壓制出網(wǎng)狀花紋，再由導(dǎo)向橡膠帶B與輸送帶將封好的包裝袋送出機(jī)外，封口包裝機(jī)完成封口作業(yè)。當(dāng)封口包裝機(jī)在低速運(yùn)行取得滿意效果后，可逐步提高封口速度至最高工作速度，同時(shí)根據(jù)工藝要求適當(dāng)提高封口加熱溫度（根據(jù)不同材料，其設(shè)定溫度不同）。（二）控制要求1. 輸入電源為三相380V電源.2. 主動(dòng)導(dǎo)向輪、被動(dòng)輪和各個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間通過機(jī)械連接，最后由一臺(tái)三相380V/1.5KW的異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，封口速度要求能調(diào)速（015m/min），調(diào)速精度為1.3. 測(cè)溫范圍為0400，溫度控制精度為2。溫度是封口包裝機(jī)控制過程中最常見的一種模擬量，由于溫度傳感器在測(cè)溫過程中輸出的不是標(biāo)準(zhǔn)意義上010V或420mA等線性信號(hào)，因此都需要對(duì)此進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本課題選用K型熱電偶傳感器和西門子S7200的EM231熱電偶模塊。K型熱電偶圖示：西門子S7200的EM231熱電偶模塊：EM231熱電偶模塊提供了一個(gè)方便的、隔離的接口，用于七種熱電偶類型：J、K、E、N、S、T和R型。它允許S7200連接微小的模擬量信號(hào)，電壓范圍為80mV。用戶必須用DIP配置開關(guān)來選擇熱電偶的類型，斷線檢查，測(cè)量單位，冷端補(bǔ)償和確定開路故障方向。所有連接到模塊上的熱電偶必須是相同類型的。組態(tài)DIP開關(guān)位于模塊的下部。（二）熱電偶與PLC的硬件接線由于本課題需要采用晶體管輸出的PLC（固態(tài)繼電器輸出），因此選擇PLC為CPU224 DC/DC/DC,工作電源為24V DC，擴(kuò)展模塊EM231 4TC的電源也為24V DC。（注意：熱電偶電線的方向不能接反）接線完成后，設(shè)置EM231 4TC的DIP設(shè)置：SW3為1，SW1/2/5/6/7/8為0。三.封口包裝機(jī)的溫度控制在封口包裝機(jī)的溫度控制中，采用了具有結(jié)構(gòu)簡單、測(cè)溫范圍大、響應(yīng)快的熱電偶作為測(cè)溫傳感器。當(dāng)PLC采樣到實(shí)際溫度之后，再與設(shè)定值進(jìn)行比較，進(jìn)行PID控制，就可以來控制固態(tài)繼電器，來進(jìn)行加熱器的通與斷。延伸知識(shí)：（固態(tài)繼電器），（PID控制）固態(tài)繼電器簡稱SSR，它是現(xiàn)代微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)發(fā)展起來的一種新型無觸點(diǎn)開關(guān)。它為四端有源器件，兩個(gè)輸入控制端，兩個(gè)輸出端。輸入、輸出間為光電隔離，輸入端加上直流或脈沖信號(hào)，輸出端從斷態(tài)轉(zhuǎn)為通態(tài)。整個(gè)器件沒有任何可動(dòng)部件和觸電，實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)于電磁繼電器的功能。PID控制的原理和特點(diǎn)在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 比例（P）控制比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。 積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。 PID控制器的參數(shù)整定PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。兩種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。 在實(shí)際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。 對(duì)于溫度系統(tǒng)：P（%）20-60，I（分）3-10，D（分）0.5-3 對(duì)于流量系統(tǒng)：P（%）40-100，I（分）0.1-1 對(duì)于壓力系統(tǒng)：P（%）30-70，I（分）0.4-3 對(duì)于液位系統(tǒng)：P（%）20-80，I（分）1-5 參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查 先是比例后積分，最后再把微分加 曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大 曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳 曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降 曲線波動(dòng)周期長，積分時(shí)間再加長 曲線振蕩頻率快，先把微分降下來 動(dòng)差大來波動(dòng)慢。微分時(shí)間應(yīng)加長 理想曲線兩個(gè)波，前高后低4比1 一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低四.項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路（一）封口包裝機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則1.深入了解和分析被控對(duì)象封口包裝機(jī)2.確定I/O設(shè)備根據(jù)控制要求，確定輸入設(shè)備（4個(gè)控制信號(hào)）有按鈕、選擇開關(guān)、傳感器，輸出設(shè)備（6個(gè)輸出信號(hào)）有三相交流接觸器、中間繼電器、固態(tài)繼電器和指示燈。3.設(shè)備選型PLC：西門子S7200 CPU224 DC/DC/DC（EM231熱電偶模塊）變頻器：西門子MM440變頻器4.分配I/O點(diǎn)（見下文的I/O符號(hào)分配表）5.設(shè)計(jì)應(yīng)用程序梯形圖在編程器或PC機(jī)上，借助編程軟件，根據(jù)工作功能圖或狀態(tài)流程圖等設(shè)計(jì)出梯形圖，即編程。6.借助通訊電纜，將梯形圖程序下載到PLC中7.進(jìn)行軟件測(cè)試8.應(yīng)用系統(tǒng)整體調(diào)試在PLC軟、硬件設(shè)計(jì)和控制柜及現(xiàn)場施工完成后，就可以進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)調(diào)試。9.編制技術(shù)文件系統(tǒng)技術(shù)文件包括說明書、電氣原理圖、電器布置圖、電氣元件明細(xì)表、PLC梯形圖等（二） 封口包裝機(jī)的硬件部分1.電控原理圖2.I/O配置3.外部接線示意圖（三） 封口包裝機(jī)的軟件部分用STEP7 micro/win軟件對(duì)PLC進(jìn)行編程主程序：子程序：中斷程序：中斷程序的觸發(fā)時(shí)間為SMB34，觸發(fā)事件為10變頻器參數(shù)設(shè)定：直接在BOP面板上設(shè)定P0010=30P0970=1 恢復(fù)出廠默認(rèn)值P 0003=2 設(shè)用戶訪問級(jí)為擴(kuò)展級(jí)P0004=7 命令和二進(jìn)制I/OP0700=2 命令源選擇由端子排輸入P0701=1 定義5號(hào)端口為ON接通正轉(zhuǎn)，OFF停止P0702=17 P0703=17 P0704=17 選擇固定頻率（二進(jìn)制編碼+ON命令）P1000=3 選擇固定頻率設(shè)定值P1080=0（HZ） 設(shè)定最低頻率P1082=50（HZ） 設(shè)定最高頻率P1001=5（HZ） 設(shè)置固定頻率5（HZ）P1002=10（HZ） 設(shè)置固定頻率10（HZ）P 1003=20（HZ） 設(shè)置固定頻率20（HZ）P1004=30（HZ） 設(shè)置固定頻率30（HZ）P1005=35（HZ） 設(shè)置固定頻率35（HZ）P1006=40（HZ） 設(shè)置固定頻率40（HZ）P1007=50（HZ） 設(shè)置固定頻率50（HZ）結(jié)束語：針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的一些問題，本文采用了西門子S7200 PLC和MM440變頻器對(duì)原有繼電控制系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改造，將PLC中的串口驅(qū)動(dòng)程序與相應(yīng)組態(tài)軟件的需求響應(yīng)相結(jié)合，加載驅(qū)動(dòng)，使設(shè)置的控件能夠按照真實(shí)情況動(dòng)作。實(shí)踐證明，在生產(chǎn)機(jī)械中采用PLC控制的變頻調(diào)速，編程靈活，控制方便，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的自動(dòng)化和批量生產(chǎn)的集成化。如果經(jīng)濟(jì)成本允許，還可以加裝PLC人機(jī)界面觸摸屏（HMI），借助Wincc flexble組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)更加人性化的生產(chǎn)。它可以一改PLC控制系統(tǒng)一貫的開放性不足的弱點(diǎn)，使系統(tǒng)運(yùn)行的人機(jī)對(duì)話/監(jiān)控問題得以根本解決，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“自動(dòng)化生產(chǎn)”。作為一名技術(shù)工人，深知“學(xué)無止境”的道理，我們只有與時(shí)俱進(jìn)、扎扎實(shí)實(shí)才能在以后的實(shí)際工作中發(fā)揮所能。隨著科技的發(fā)展，新的電氣設(shè)備、電氣技術(shù)層出不窮，維修電工也被賦予了新的含義，我們只有終生學(xué)習(xí)才能成為一名合格的“維修人員”。參考文獻(xiàn)及網(wǎng)站：1.可編程序控制器使用指南 吉敬華、趙文祥主編 2009.6 機(jī)械工業(yè)出