基于PLC-的溫度控制系統(tǒng)

1、基于PLC的溫度控制系統(tǒng)時間：2009-03-10 16:11:56 來源：控制工程網(wǎng) 作者：朋友強(qiáng)在電話里有氣無力地告訴我：砸了！筆試、面試總成績排在第八名；慧同公 司還按照招聘簡章，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。染色過程實際上是執(zhí)行由工藝人員針對不同織物的一條溫度曲線，每個工藝對染色的溫度、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，造成復(fù)染率上升，生產(chǎn)成本的增加。針對染色過程溫 度控制的復(fù)雜性，設(shè)計了基于 PLC的染色機(jī)溫度控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對染色過程溫度的控制， 從而減少織物疵點，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。2系統(tǒng)控制要求1）溫度曲線存儲要求對于不同的染色品種，其對溫度的要求是不同的，因此對應(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)場溫度控制器中，則對該控制器的內(nèi)存要求非常高，導(dǎo)致系統(tǒng)臃腫，因此本系統(tǒng)設(shè)計通過一臺中控機(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)場總線下傳給現(xiàn)場控制器， 現(xiàn)場控制器根據(jù)接收的溫度工藝曲線進(jìn)行溫度控

3、制，同時現(xiàn)場控制器可以隨時向中控機(jī)申請修改溫度工 藝曲線的參數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)中斷時，現(xiàn)場控制器可以保存當(dāng)前的溫度工藝曲線，并且具有斷電長期保存當(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曲線段，不同的曲線段對應(yīng)不同的溫度。對 染色過程的溫度控制主要是對染槽升溫、保溫、降溫，結(jié)合生產(chǎn)的實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)實際需 要通過中控機(jī)設(shè)定，而后由現(xiàn)場控制器PLC的主程序調(diào)用相應(yīng)子程序。3）報警及顯示功能為系統(tǒng)設(shè)置了一個 TD 200文本顯示器，顯示染色過程中的一些操作和報警信息，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 實現(xiàn)中控機(jī)對現(xiàn)場 PLC的監(jiān)控，主要實現(xiàn)當(dāng)前溫度顯示、 動態(tài)溫度曲線顯示、溫度等參數(shù)設(shè)置、報警記錄和打印報表等功能。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)場控制器，選用CPU226主機(jī)模塊；通過CP5613卡完成現(xiàn)場控制器同中控機(jī)之間的通信?，F(xiàn)場控制器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個模擬輸入點，集成有16位/轉(zhuǎn)換器，分辨率達(dá) 0.1 C ,能自動進(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)的溫度信號的檢測采用鉑電阻PT100,鉑電阻具有測量精度高、性能穩(wěn)定可靠的特點，在工業(yè)上廣泛用于-200 C +500 C之間的溫度測量。由于現(xiàn)場控制器S7-200不能直接同PRoFIBUS DP現(xiàn)場總線相連，因而為 S7-200外擴(kuò)了 PRoFlBUSDP 模塊 EM277。對于不同的染色品種，對應(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)場控制器

6、中，則對現(xiàn)場控制器的內(nèi)存要求很高，因此本系統(tǒng)設(shè)計通過中控機(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)場總線下傳給現(xiàn)場控制器，現(xiàn)場控制器根據(jù)接收的溫度工藝曲線進(jìn)行溫度控制，同時現(xiàn)場控制器可以隨時向中控機(jī)申請修改溫度工藝曲線的參數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)中斷時，現(xiàn)場控制器可以保存當(dāng)前的溫度工藝曲線，并且具有斷電長期保存當(dāng)前溫度曲線的功能，同時可以將現(xiàn)場的溫度等信號上傳至中控機(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)計由圖1可知，染色工藝可以分為幾個曲線

7、段，不同的曲線段對應(yīng)不同的目的溫度、升 降溫時間、保溫時間。對染色過程的溫度控制主要是對染槽升溫、保溫、降溫，結(jié)合生產(chǎn)的 實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)實際需要通過中控機(jī)設(shè)定，而后由現(xiàn)場控制器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象，因而在 升/降溫

8、段采用趨勢判斷補(bǔ)償法，如果是升溫，則在溫度到達(dá)T目標(biāo)溫度- Ti時停止升溫；若是降溫，則在溫度到達(dá) T目標(biāo)溫度+ Tj時，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，若滿足這兩個條件，就按照指定斜率降溫。在斜率降溫時，將降溫段曲線按時間分成若干個相等的小間隔，對每一小間隔計算出相應(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，又因為染機(jī)的大慣性，因而降溫曲線段可由圖4表示。只要每一間隔的時間足夠小，則計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保溫時間t當(dāng)前動作圖示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”，同時報警。2. TC

11、T V Te,則開始PID控制，得出控制量 U作為冷卻閥開啟時間。3. T TC,自然動作，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”，同時報警。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)束語本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活，通過 PROFIBUS-DP 總線將現(xiàn)場控制器互連成網(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，同時可通過PROFIBUS DP控制網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的上載。本系統(tǒng)不但可以實現(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：采用S7-200PLC作為生產(chǎn)現(xiàn)場的控制