熱壓成型機PLC控制系統(tǒng)設計

1、可編程序控制器應用PLC Applications電氣自動化2010年第32卷第4期熱壓成型機PLC控制系統(tǒng)設計*寶雞文理學院電子電氣工程系(陜西寶雞721007吳宏岐秦少軍劉霞呂曉峰摘要:對熱壓成型機的結(jié)構(gòu)、原理及生產(chǎn)工藝進行了全面的分析,以OMRON公司CPM2A PLC為系統(tǒng)主機,采用一體化三相調(diào)壓模塊SCR、一體化溫度變送器SBW等集成模塊,設計了具有手動和自動兩種工作方式的熱壓成型機PLC控制系統(tǒng)。系統(tǒng)工作可靠,操作簡單,能有效的對熱壓成型機設備進行控制。關鍵詞:可編程序控制器熱壓成型機控制系統(tǒng)中圖分類號TP273+5文獻標識碼B文章編號1000-3886(201004-0044-0

2、3Design of PLC Control System for Hot-pressing Shaper(Deptof ElectronicsElectEng，Baoji CollArtsSci，Baoji Shanxi721007，ChinaWu Hongqi Qin Shaojun Liu Xia Lu Xiaofeng Abstract:The structure，working principle and manufacturing technique of hot-pressing shaper are roundly analyzed in order to realize th

3、e auto-matic control with high efficiency，high-accuracy and high reliability and to improve the quality of productA hot-pressing shaper PLC control system，with OMRON CPM2APLC being systems mainframe and manual mode and automatic mode，is designed by using inte-grated three-phase voltage regulator mod

4、ule SCR and integrated temperature transmitter SBWR and likesIt has many merits such as simply opretion，reliable work and effective controlKeywords:PLC hot-pressing shaper control system*基金項目:陜西省寶雞市自然科學基金項目08KG022圖1液壓回路控制原理圖0引言廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中的熱壓成型機,是利用帶有熱源的模具對加有固化劑的原材料(如玻璃纖維氈進行固化成型的設備。產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高,對模具溫度控制精度

5、及上模升降控制準確性和可靠性提出了更高的要求。原有的熱壓成型機控制系統(tǒng)采用繼電接觸器控制系統(tǒng)和常規(guī)儀表實現(xiàn)模具的升降控制及溫度位式控制,系統(tǒng)可靠性不高,溫度波動較大,恒壓時間不準。為此,采用專為工業(yè)環(huán)境下應用而設計的可編程序控制器(PLC、一體化溫度變送器和調(diào)壓模塊構(gòu)成控制系統(tǒng),實現(xiàn)對熱壓機高精度和高可靠性的自動控制。系統(tǒng)操作簡便,便于維護,控制質(zhì)量高,大大的提高了熱壓機的工作效率。1熱壓成型機基本工作原理及控制要求11基本工作原理如圖1所示,熱壓成型機通過電磁閥控制液壓缸驅(qū)動上模上下移動(電磁閥動作表1。工作時,先使模具中的加熱器帶電加熱,使其溫度升高到預定值,然后把材料放入下模中,啟動液壓

6、泵,上模下移與下模合在一起,并在一定溫度下保持壓力。達到規(guī)定的工藝時間后,上模自動上移到位停止等待,待成品取出后,填入材料進行下一個產(chǎn)品成型。如此循環(huán)工作,直到設備工作結(jié)束。12控制要求根據(jù)生產(chǎn)工藝,要求熱壓成型機的上、下模加熱系統(tǒng)均采用PID溫度控制;液壓泵在上下模溫度達到設定值時自動啟動;控制系統(tǒng)設置“手動調(diào)整”和“自動工作“兩種操作方式,用開關SA1進行選擇。要有上下模溫度顯示;各個部分工作時要有信號燈顯示;具有必要的連鎖保護環(huán)節(jié)。2熱壓成型機控制系統(tǒng)硬件電路設計及控制原理21硬件電路設計211系統(tǒng)組成圖2所示為以PLC為控制核心的控制系統(tǒng)框圖。由七部分組成:分別為主控制器PLC;驅(qū)動熱

7、壓成型機上模升降的液壓系統(tǒng);上模內(nèi)加熱系統(tǒng);下模內(nèi)加熱系統(tǒng);上下模溫度顯示裝置;上下模PID溫度控制的給定設定裝置;各個部分工作狀態(tài)的信號顯示。212系統(tǒng)主電路設計圖3所示為熱壓成型機主電路圖。由接觸器KM1觸點控制液壓系統(tǒng)中液壓泵的啟動與停止,為使其安全工作,采用了斷路器QF對其進行短路保護和欠壓保護,采用熱繼電器FR對其進行過載保護。 熱壓成型機里的上下模內(nèi)各自采用了一套一體化三相調(diào)壓模 44|Electrical Automation Electrical Automation |45可編程序控制器應用PLC Applications電氣自動化2010年第32卷第4期圖2熱壓成型機PLC

8、 控制系統(tǒng)框圖圖3主電路圖4熱壓成型機PLC 控制系統(tǒng)接線圖塊SCR (其內(nèi)部集三相移相觸發(fā)電路、單相可控硅、RC 阻容吸收回路及電源電路等于一體,其模塊上的電壓控制端,接受來自主控器PLC 輸給的控制電壓信號,改變模塊輸出端的電壓值,實現(xiàn)加熱器上的電壓調(diào)節(jié),從而控制加熱器輸出功率,達到模具內(nèi)溫度定值調(diào)節(jié)的目的。接觸器KM 2觸點和KM 3觸點實現(xiàn)調(diào)壓模塊SCR 1和調(diào)壓模塊SCR 2的帶電與失電控制,短路器FU 1和FU 2實現(xiàn)線路短路保護。213PLC 控制電路設計如圖4所示,本系統(tǒng)采用OMRON CPM2A-30CDR PLC ,增加二個擴展模塊MAD01,構(gòu)成18點開關量輸入、12點開

9、關量輸出及4點模擬量輸入和2點模擬量輸出的主控制器,實現(xiàn)對各個部分的集中控制。由開關SA 1進行手動和自動控制的切換,SB 1和SB 2分別是系統(tǒng)自動控制的啟動和停止按鈕,SB 3和SB 4分別是系統(tǒng)手動控制的啟動和停止工作按鈕;SB 5和SB 6分別是上模上升運動和下降運動的控制按鈕。SQ 是上模升降運動的上限位行程開關,電接點壓力繼電器SP 實現(xiàn)上下模合模時的壓力檢測,撥碼器實現(xiàn)上下模具內(nèi)的控制溫度設定。KM 1、KM 2、KM 3分別是液壓泵、上模加熱系統(tǒng)和下模加熱系統(tǒng)的電源控制開關;HL 1、HL 2和HL 3分別為液壓泵工作、上模加熱器工作和下模加熱器工作的信號顯示燈。電磁閥YV 1

10、和的YV 2控制液壓系統(tǒng),由YV 21和YV 22線圈實現(xiàn)上模上升和下降移動控制;HL 6、HL 7分別為上模下降和上升移動的指示信號燈。HL 4、HL 5分別為系統(tǒng)自動工作和合模保壓工作指示信號燈。鉑電阻Rt 對上模和下模的溫度進行檢測,SBW 為一體化溫度變送器,MAD 為模擬量輸入/輸出模塊,其模塊的輸出電壓V 1和V 2分別控制主電路中的調(diào)壓模塊SCR 1和調(diào)壓模塊SCR 2。采用二塊數(shù)字溫度顯示儀表分別顯示上模、下模溫度。轉(zhuǎn)換開關SA 2實現(xiàn)上模移動的緊急控制。22控制系統(tǒng)工作原理合上電源總開關QF (如圖3所示,熱壓成型機系統(tǒng)帶電。根據(jù)工藝要求,通過撥碼器設定控制溫度值(150。如

11、轉(zhuǎn)換開關SA 1是打到自動控制位置,如圖4所示,PLC 輸入點00002輸入信號“1”,經(jīng)PLC 內(nèi)部邏輯處理,其輸出點01003輸出信號“1”使HL 4亮,表示系統(tǒng)處于自動控制狀態(tài)。如轉(zhuǎn)換開關SA 1是打到手動控制位置,則PLC 輸入點00002輸入信號是“0”,經(jīng)PLC 內(nèi)部邏輯處理,其輸出點01003輸出信號“0”使HL 4滅,表示系統(tǒng)處理手動控制狀態(tài)。自動工作狀態(tài)時,按下啟動按紐SB 1,PLC 輸入點00000輸入信號“1”,經(jīng)內(nèi)部邏輯處理,PLC 輸出點01000、01001、01002分別輸出信號“1”,使接觸器KM 1、KM 2、KM 3帶電吸合,從而控制主電路中的液壓泵電機運

12、轉(zhuǎn)、上下模加熱器開始加熱。PLC 根據(jù)設定的溫度值進行上下模溫度PID 自動控制。在這一控制過程中,隨著模具溫度的變化,二個熱電阻溫度變送器SBW 1和SBW 2分別將溫度信號轉(zhuǎn)換成電流信號,傳給各自的顯示儀表顯示溫度,同時分別通過二個模擬量模塊MAD01轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸入進PLC 中,從而實現(xiàn)自動溫度調(diào)節(jié)。經(jīng)一定的調(diào)節(jié)過程,使其上下模的溫度保持在設定的數(shù)值上,也就是上下模的溫度達到了工藝要求的溫度值時，PLC 通過輸出點01005、01007分別輸出信號給電磁閥YV 1和YV 22。電磁閥控制液壓缸工作(如圖1所示,驅(qū)動上模向上移動,同時上模上升指示燈HL 7亮。當上模上升到位后碰限位開關SQ

13、 使其常開接點閉合,使PLC 的00005輸入點輸入信號為“1”,經(jīng)內(nèi)部邏輯運算后PLC 從01002輸出點輸出信號“0”,電磁閥的YV 22失電,上模停止移動,同時PLC 內(nèi)部定時器啟動開始定時。定時時間內(nèi),工作人員將玻璃纖維等材料置入下模具中。定時時間到,PLC 通過輸出點01005輸出信號給電磁閥YV 21,液壓缸活塞帶動上模下降(如置料過程因意外還沒完成,可操作轉(zhuǎn)換開關SA 2,通過00006接點輸入信號“1”給PLC ,使輸入點01005輸出“0”,上模將停止下降,同時上模下降指示燈HL 6亮。當上模下降到合模位置時,上模下降遇阻,電接點壓力表的壓力迅速升高(可看到其顯示數(shù)值。當合模

14、壓力達到設定值時,其接點SP 閉合,通過PLC 的00007輸入點輸入信號“1”。經(jīng)過內(nèi)部邏輯運算,PLC 輸出點01005輸出“0”信號給電磁閥YV 21,油路停止給液壓缸供油。在液壓鎖作用下,液壓缸開始保壓,PLC 輸出點01004輸出信號“1”給保壓狀態(tài)指示燈，HL 4亮。當合模保壓時間達到設定值時(材料在一定的保壓時間內(nèi)完成成型,PLC 輸出點01005輸出信號“1”給電磁閥YV 22,控制液壓缸帶動上模向上移動。此時,可以取出成型產(chǎn)品,如此循環(huán)工作。若按下停止按鈕SB2,系統(tǒng)將停止工作。如將開關SA 1打向手動位置,則可操作SB 3、SB 4啟動和停止液壓泵及加熱控制系統(tǒng)工作。按下S

15、B 5點動控制上模上升,按下SB 6點動控制上模下降。通過人工觀察,操作熱壓成型機完成材料 46|Electrical Automation可編程序控制器應用PLC Applications電氣自動化2010年第32卷第4期圖6系統(tǒng)等幅振蕩過程成型工作。在上模移動及合模過程中,上下模內(nèi)的溫度受各種干擾的影響會變化。此時PLC A /D 模塊接受的溫度信號不等于給定值,通過PID 控制程序?qū)ζ钚盘栠\算處理后,經(jīng)過D /A 模塊輸出電壓信號V 1和V 2分別控制加熱系統(tǒng)中的調(diào)壓模塊工作,從而調(diào)節(jié)加熱器的輸出功率,實現(xiàn)溫度的恒定控制。3熱壓成型PLC 控制系統(tǒng)軟件設計控制系統(tǒng)程序設計采用基于個人計

16、算機的CX-programmer 編程軟件,適用于OMRON PLC 的用戶程序編制。通過PC /PPI 電纜與PLC 編程口相連,支持梯型圖或指令編程。它還可以使用統(tǒng)一的WINDOWS 開發(fā)工具操作,其強大的監(jiān)控和調(diào)試功能使得程序開發(fā)簡單。其控制系統(tǒng)軟件設計流程圖如圖5所示。31PID 控制算法的PLC 實現(xiàn)用PLC 實現(xiàn)上模溫度和下模溫度兩個回路的PID 閉環(huán)控制。其PID 控制程序設計:通過PLC 的P I D 功能指令(PID (,有三個操作數(shù),分別是輸入數(shù)據(jù)字IW ,第一參數(shù)字P1,輸出數(shù)據(jù)字OW 實現(xiàn)。當它與模擬量輸入-輸出模塊一起使用時,不但能達到良好的PI D 控制效果,而且有

17、良好的經(jīng)濟性。程序設計時,必須給PID (提供從P1開始的總共33個連續(xù)字(P1P1+32,當執(zhí)行條件為ON 時,PID (指令根據(jù)P1P1+6中指定參數(shù)進行PID 控制,如表2所示。32PID 參數(shù)的確定系統(tǒng)調(diào)試時,上下模的P I D 溫度控制中,必須要進行P I D 參數(shù)整定,即確定最佳的比例度、積分時間T I 、微分時間T D 。我們采用臨界比例度法,把調(diào)節(jié)器的積分時間T I 置于最大,微分時間T D 置于零,比例度置于最大值,使系統(tǒng)投入閉環(huán)運行,然后將調(diào)節(jié)器比例度由大逐步減小,并反復調(diào)整得到如圖6所示的系統(tǒng)等幅振蕩過程。此時,調(diào)節(jié)器的比例度為r 臨界比例度k ,振蕩曲線的兩個波峰之間的

18、時間即為臨界振蕩周期T K ,根據(jù)這兩個臨界值,可通過下表3中經(jīng)驗公式進行PID 最佳參數(shù)計算。4結(jié)束語采用PLC 實現(xiàn)熱壓成型機的自動控制,簡化了控制系統(tǒng)硬件接線,增強了控制系統(tǒng)的控制功能。提高了系統(tǒng)的可靠性,延長了系統(tǒng)維護周期和使用壽命。其手動、自動兩種工作方式的設計,為調(diào)試和維修提供方便,也為生產(chǎn)提供可靠保障。其上下模溫度控制,采用了多個集成模塊,并運用PID 控制指令達到了較高的控制精度。實驗表明系統(tǒng)可以很好的滿足熱壓成型機工藝要求,能夠提高工作效率和其產(chǎn)品質(zhì)量,獲得較好的經(jīng)濟效率。參考文獻1廖常初主編,可編程序控制器編程方法與工程應用M 重慶:重慶大學出版社,20012孫增圻等,智能控制理論與技術M 北京:清華大學出版社,200113趙文峰編,控制系統(tǒng)設計及仿真M 西安:西安電子科技大學出版社，20024OMRON 公司CPM2A 可編程序控制器編程手冊M 2003125邵裕森、戴先中主編過程控制工程M 北京:機械工業(yè)出版社，200116黃俊王兆安編,電力電子變流技術M 北京:機械工業(yè)出版社,200427吳海燕PLC 閉環(huán)控制系統(tǒng)PID 控制器的實現(xiàn)J PLCFA200688徐瑾瑜PLC