基于PLC-的溫度控制系統(tǒng)

1、基于PLC的溫度控制系統(tǒng)時(shí)間：2009-03-10 16:11:56 來(lái)源：控制工程網(wǎng) 作者：朋友強(qiáng)在電話里有氣無(wú)力地告訴我：砸了！筆試、面試總成績(jī)排在第八名；慧同公 司還按照招聘簡(jiǎn)章，通知他明天帶50元錢參加體檢。他已經(jīng)不想再花冤枉錢，去當(dāng)映襯紅花的綠葉了。1引言染色工序在紡織品生產(chǎn)中占有重要地位，染色質(zhì)量直接決定了紡織品的色澤、外觀，甚至還影響紡織品的生產(chǎn)成本。在染色工序中，影響染色的因素主要有染液濃度、溫度、 液位等，其中溫度控制是很重要而又復(fù)雜的控制過程。染色過程實(shí)際上是執(zhí)行由工藝人員針對(duì)不同織物的一條溫度曲線，每個(gè)工藝對(duì)染色的溫度、升降溫過程都有嚴(yán)格的要求，否則，容易使織物產(chǎn)生色差、

2、缸差、條痕等疵點(diǎn)，造成復(fù)染率上升，生產(chǎn)成本的增加。針對(duì)染色過程溫 度控制的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)了基于 PLC的染色機(jī)溫度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)染色過程溫度的控制， 從而減少織物疵點(diǎn)，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。2系統(tǒng)控制要求1）溫度曲線存儲(chǔ)要求對(duì)于不同的染色品種，其對(duì)溫度的要求是不同的，因此對(duì)應(yīng)的溫度工藝曲線也是不同的， 若將所有染色品種的溫度工藝曲線都存入現(xiàn)場(chǎng)溫度控制器中，則對(duì)該控制器的內(nèi)存要求非常高，導(dǎo)致系統(tǒng)臃腫，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過一臺(tái)中控機(jī)，將工藝人員設(shè)定的不同的溫度工藝曲線， 全部由工作人員在中控機(jī)上輸入后經(jīng)PRoFIBUS DP現(xiàn)場(chǎng)總線下傳給現(xiàn)場(chǎng)控制器， 現(xiàn)場(chǎng)控制器根據(jù)接收的溫度工藝曲線進(jìn)行溫度控

3、制，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)控制器可以隨時(shí)向中控機(jī)申請(qǐng)修改溫度工 藝曲線的參數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)控制器可以保存當(dāng)前的溫度工藝曲線，并且具有斷電長(zhǎng)期保存當(dāng)前溫度曲線的功能。2）溫度控制要求在染色工藝過程中，典型的工藝曲線如圖1下所示：0tl 乜to時(shí)間t/s圖1典型的工藝曲線由圖1可知，染色工藝可以分為多個(gè)曲線段，不同的曲線段對(duì)應(yīng)不同的溫度。對(duì) 染色過程的溫度控制主要是對(duì)染槽升溫、保溫、降溫，結(jié)合生產(chǎn)的實(shí)際要求又將升溫分為直接升溫到指定溫度和按斜率準(zhǔn)確地升溫到指定溫度；同理，降溫也分為直接降溫到指定溫度和根據(jù)斜率準(zhǔn)確地降溫到指定溫度。因此溫度控制分為五個(gè)子程序：直接升溫、按斜率升溫、保溫、直接降溫、按斜率降溫

4、。直接升溫還是斜率升溫、直接降溫還是斜率降溫根據(jù)實(shí)際需 要通過中控機(jī)設(shè)定，而后由現(xiàn)場(chǎng)控制器PLC的主程序調(diào)用相應(yīng)子程序。3）報(bào)警及顯示功能為系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè) TD 200文本顯示器，顯示染色過程中的一些操作和報(bào)警信息，該 顯示器適用于所有西門子S7-200系列的PLC o4）中控機(jī)監(jiān)控要求采用西門子公司的 WINCC 實(shí)現(xiàn)中控機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng) PLC的監(jiān)控，主要實(shí)現(xiàn)當(dāng)前溫度顯示、 動(dòng)態(tài)溫度曲線顯示、溫度等參數(shù)設(shè)置、報(bào)警記錄和打印報(bào)表等功能。3系統(tǒng)的硬件構(gòu)成本系統(tǒng)采用西門子公司推出的S7-200PLC作為現(xiàn)場(chǎng)控制器，選用CPU226主機(jī)模塊；通過CP5613卡完成現(xiàn)場(chǎng)控制器同中控機(jī)之間的通信?，F(xiàn)場(chǎng)控制器S

5、7-200擴(kuò)展了一塊智能溫度數(shù)據(jù)采集模塊 EM231 ,該模塊帶有4個(gè)模擬輸入點(diǎn)，集成有16位/轉(zhuǎn)換器，分辨率達(dá) 0.1 C ,能自動(dòng)進(jìn)行線性化處理，有冷端補(bǔ)償功能，不再需要外部變送器，一個(gè)模塊就能完 成數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理功能。系統(tǒng)的溫度信號(hào)的檢測(cè)采用鉑電阻PT100,鉑電阻具有測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，在工業(yè)上廣泛用于-200 C +500 C之間的溫度測(cè)量。由于現(xiàn)場(chǎng)控制器S7-200不能直接同PRoFIBUS DP現(xiàn)場(chǎng)總線相連，因而為 S7-200外擴(kuò)了 PRoFlBUSDP 模塊 EM277。對(duì)于不同的染色品種，對(duì)應(yīng)的溫度工藝曲線也是不同的，若將所有可能用到的溫度曲線存入現(xiàn)場(chǎng)控制器

6、中，則對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制器的內(nèi)存要求很高，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過中控機(jī)，將工藝人員設(shè)定的不同的溫度工藝曲線，全部由工作人員在中控機(jī)上輸入后經(jīng)PROFIBUS DP現(xiàn)場(chǎng)總線下傳給現(xiàn)場(chǎng)控制器，現(xiàn)場(chǎng)控制器根據(jù)接收的溫度工藝曲線進(jìn)行溫度控制，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)控制器可以隨時(shí)向中控機(jī)申請(qǐng)修改溫度工藝曲線的參數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)控制器可以保存當(dāng)前的溫度工藝曲線，并且具有斷電長(zhǎng)期保存當(dāng)前溫度曲線的功能，同時(shí)可以將現(xiàn)場(chǎng)的溫度等信號(hào)上傳至中控機(jī)，形成監(jiān)控界面，如果需要可以通過網(wǎng)卡將中控機(jī)同工廠信息網(wǎng)以及 In ternet網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)底層到高層的信息共享。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)由圖1可知，染色工藝可以分為幾個(gè)曲線

7、段，不同的曲線段對(duì)應(yīng)不同的目的溫度、升 降溫時(shí)間、保溫時(shí)間。對(duì)染色過程的溫度控制主要是對(duì)染槽升溫、保溫、降溫，結(jié)合生產(chǎn)的 實(shí)際要求又將升溫分為直接升溫到指定溫度和按斜率準(zhǔn)確地升溫到指定溫度；同理，降溫也分為直接降溫到指定溫度和根據(jù)斜率準(zhǔn)確地降溫到指定溫度。因此溫度控制分為五個(gè)子程 序：直接升溫、按斜率升溫、保溫、直接降溫、按斜率降溫。直接升溫還是斜率升溫、直接 降溫還是斜率降溫根據(jù)實(shí)際需要通過中控機(jī)設(shè)定，而后由現(xiàn)場(chǎng)控制器PLC的主程序調(diào)用相應(yīng)子程序。由于間歇式染色機(jī)的染缸體積較大，加熱管道與冷水管道相對(duì)較小，造成比較大的溫度慣性，一般可將其認(rèn)為是一種具有純滯后大慣性的被控對(duì)象，因而在 升/降溫

8、段采用趨勢(shì)判斷補(bǔ)償法，如果是升溫，則在溫度到達(dá)T目標(biāo)溫度- Ti時(shí)停止升溫；若是降溫，則在溫度到達(dá) T目標(biāo)溫度+ Tj時(shí)，停止降溫，其中 Ti、 Tj為補(bǔ)償溫度。 由于溫度控制的程序都在現(xiàn)場(chǎng)控制器PLC中，但是染色工藝參數(shù)是從中控機(jī)下傳給PLC的,因而在PLC的主程序中，需要根據(jù)接收到的來(lái)自中控機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，再執(zhí)行相應(yīng)的子 程序。在下傳的數(shù)據(jù)中包括目標(biāo)溫度、斜率、保溫時(shí)間等，因而PLC可以根據(jù)這些數(shù)值判斷升溫、保溫、還是降溫。但是判斷升溫、降溫、保溫，光憑目標(biāo)溫度、斜率、保溫時(shí)間不 能得到精確的判斷，因而使用前一曲線段的目標(biāo)溫度輔助進(jìn)行判斷。由下面溫度控制判斷表1表示。（說(shuō)明：T*為本曲線

9、段的目標(biāo)溫度，T* 為前一曲線段的目標(biāo)溫度）表1溫度控制判斷表需叩嗣門I竟保料時(shí)間t用示IT*-*h Kftr=0/K-OtG按斜卓口溫斤化溫K=OIFoWt0l fl-亍保溫TMTo1=0ERRORL0K=OL=OERROFtoL(ftikT*-P,切K刈1=0按外率礙溫、or07X ：!FOr(根據(jù)表1, PLC可以進(jìn)行染色過程的溫度控制。下面以斜率降溫為例，說(shuō)明PLC的溫控過程。首先在主程序中判斷當(dāng)前目標(biāo)溫度是否小于上一步目標(biāo)溫度，再判斷斜率不等于零，若滿足這兩個(gè)條件，就按照指定斜率降溫。在斜率降溫時(shí)，將降溫段曲線按時(shí)間分成若干個(gè)相等的小間隔，對(duì)每一小間隔計(jì)算出相應(yīng)的溫度作為這一小段的溫

10、度給定值，因而工藝曲線的降溫段可以用階梯性表示，如圖3所示，又因?yàn)槿緳C(jī)的大慣性，因而降溫曲線段可由圖4表示。只要每一間隔的時(shí)間足夠小，則計(jì)算的每一間隔的溫度給定值與理想值的偏差就可忽略。本系統(tǒng)采用采樣時(shí)間將降溫段曲線分成相 兩次目標(biāo)溫度比較斜率K保溫時(shí)間t當(dāng)前動(dòng)作圖示K 0 t=0按斜率升溫T*- T* 0 K 0 t 按斜率升溫后保溫K=O t=0 直接升溫K=O t 0直接升溫后保溫K 0 t=0 ERRoRT*-T* =0 K 0 t 保溫K=0 t=0 ERRORK=0 t 0保溫K 0 t=0按斜率降溫T*- T* 01. TTe,則全開冷卻閥并顯示降溫太慢”，同時(shí)報(bào)警。2. TC

11、T V Te,則開始PID控制，得出控制量 U作為冷卻閥開啟時(shí)間。3. T TC,自然動(dòng)作，當(dāng)前采樣周期數(shù)加1。b. T 01. | T| Te,全開加熱閥并顯示降溫太快”，同時(shí)報(bào)警。2. | T| Te,關(guān)閉冷卻閥，并將當(dāng)前采樣周期數(shù)加1。XCi扇C閣45結(jié)束語(yǔ)本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活，通過 PROFIBUS-DP 總線將現(xiàn)場(chǎng)控制器互連成網(wǎng)，用戶可以在中控 機(jī)上編輯各種條件下的溫度曲線，通過總線快速下傳給現(xiàn)場(chǎng)的控制器，使其依據(jù)接收到的溫度曲線控制染色過程中的溫度，同時(shí)可通過PROFIBUS DP控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的上載。本系統(tǒng)不但可以實(shí)現(xiàn)溫度控制，而且根據(jù)需要還可擴(kuò)展其他染色工藝過程的控制如水 位、液位等參數(shù)的控制，具有良好的發(fā)展前景。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用S7-200PLC作為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的控制