基于PLC的刨花拌膠控制系統(tǒng)設(shè)計黃強

1、 PAGE26 / NUMPAGES30師學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目 基于PLC的刨花板生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計 專 業(yè) 電氣工程與其自動化 院 系 物理與電子工程學(xué)院 學(xué) 號 0809430417姓 名 黃 強 指 導(dǎo) 教 師 袁 亮 講師 答 辯 時 間 二零一二年五月 工作時間：2011年12月至2012年5月基于PLC的刨花板生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生：黃強 指導(dǎo)老師：袁亮 摘 要：隨著我國十二五規(guī)劃的進一步推進，國家對各項基礎(chǔ)設(shè)施投資力度的進一步加大，市場對優(yōu)質(zhì)刨花板的需求將進一步提高。為此，如何提供質(zhì)優(yōu)價廉、性能可靠、節(jié)能環(huán)保、維護方便的刨花板生產(chǎn)設(shè)備，變成了設(shè)備廠商急需解決的問題。本

2、文中的刨花生產(chǎn)線控制系統(tǒng)應(yīng)用了西門子S7-200系列的PLC完成該系統(tǒng)中刨花拌膠、攪拌控制。攪拌機生產(chǎn)控制系統(tǒng)的刨花由螺旋給料機提供，壓力傳感器負責(zé)檢測刨花量。膠由膠泵抽給，電磁流量計檢測膠流量；刨花和膠按一定的比例送到攪拌機攪拌，然后將混和料供給下一道工序蒸壓成型。要求膠量和刨花量恒定，并有一定比例關(guān)系，即膠量隨刨花量的變化而變化，誤差要求3%；刨花回路采用比例控制，膠回路采用PI控制。雙軸攪拌機利用兩根呈對稱狀的螺旋軸同步旋轉(zhuǎn)，攪拌機的噴膠器使膠呈霧狀噴射到刨花中。該系統(tǒng)配備的混膠器可以使固化劑與膠在其中混合，而不是把固化劑直接加到調(diào)膠罐中。本系統(tǒng)具有攪拌均勻、施膠量低等功能。調(diào)膠系統(tǒng)采用

3、PLC集中控制，PLC根據(jù)各部傳感器得到刨花的重量、含水率，來調(diào)整施膠量。使施膠后的刨花含水率控制在理想的狀態(tài)上。這樣的優(yōu)點是在生產(chǎn)線臨時停機時，可以避免膠的浪費，節(jié)省了大量的資金和生產(chǎn)原料。關(guān)鍵詞：PLC；PID；變頻器The Design of the Particleboard Production LineControl System Based on PLCUndergraduate:Qiang HuangSupervisor:Liang YuanABSTRACT:As to Chinese 12th Five-Year Plan, the state go on increasin

4、g the infrastructure investment, and market will need more good quality particleboard. So how to provide cheap, reliable performance, energy saving and easy maintenance particleboard production equipment need to be resolved. This thesisintroducethe production line control system based on Siemens S7-

5、200 Series PLC. In this system, pressure sensors responsible for detecting wood shavings amount. Glue from the glue pump, the electromagnetic flowmeters responsible for the detection of flow; wood shavings and glue should be put in the mixer with a certain proportion, and then getthe mixed material

6、into a process autoclave molding. Wood shavings and glue keep contently, whichhas a certain percentage, the glue changes with the wood shavings, error 3%; the shavings loop use proportion to control, the plastic loop use PI to control. Biaxial mixer use two symmetrical shape of the spiral axis to ro

7、tate synchronously, mixer spray adhesive allows glue to be sprayed into the wood shavings. This system is equipped with glue mixing machinethat mixthe curing agent and glue in it, instead of gettingcuring agent add to the glue. This system stirs regularly, which can save glue. The gel stiring system

8、 is centrally controlled by PLC, the PLC get the shavings weight, moisture content according to the ministries sensor to adjust the amount of size. Shavings after sizing moisture control in the ideal state. The advantage of the temporary shutdown of production lines, can avoid wasting glum, which sa

9、ving much of money and raw materials.key words： PLC；PID； Frequency Converter目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc324332908HYPERLINK l _Toc3243329091 緒論 PAGEREF _Toc324332909 h 1HYPERLINK l _Toc3243329142拌膠機控制系統(tǒng)的技術(shù)概述 PAGEREF _Toc324332914 h 3HYPERLINK l _Toc3243329152.1 PLC 技術(shù)概述 PAGEREF _Toc324332915 h

10、 3HYPERLINK l _Toc3243329162.1.1可編程控制器 PAGEREF _Toc324332916 h 3HYPERLINK l _Toc3243329172.1.2 PLC的結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc324332917 h 3HYPERLINK l _Toc3243329202.1.3 PLC的特點 PAGEREF _Toc324332920 h 4HYPERLINK l _Toc3243329222.1.4 PLC的基本功能 PAGEREF _Toc324332922 h 5HYPERLINK l _Toc3243329232.2 變頻器簡介 PAGEREF _T

11、oc324332923 h 6HYPERLINK l _Toc3243329242.3 S7-200編程軟件概述 PAGEREF _Toc324332924 h 6HYPERLINK l _Toc3243329252.3.1 STEP 7- Micro/WIN32(西門子S7-200編程軟件) PAGEREF _Toc324332925 h 6HYPERLINK l _Toc3243329272.3.2 STEP 7- Micro/WIN32梯形圖簡介 PAGEREF _Toc324332927 h 7HYPERLINK l _Toc3243329282.4 PID在模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

12、 PAGEREF _Toc324332928 h 7HYPERLINK l _Toc3243329292.4.1 PID控制的特點與常用方法 PAGEREF _Toc324332929 h 7HYPERLINK l _Toc3243329312.4.2 PID控制器的數(shù)字化 PAGEREF _Toc324332931 h 8HYPERLINK l _Toc3243329333拌膠機控制系統(tǒng)的設(shè)計方案 PAGEREF _Toc324332933 h 11HYPERLINK l _Toc3243329343.1 系統(tǒng)工藝流程 PAGEREF _Toc324332934 h 11HYPERLINK

13、l _Toc3243329353.2 拌膠控制系統(tǒng)硬件選型 PAGEREF _Toc324332935 h 11HYPERLINK l _Toc3243329363.2.1 PLC選型 PAGEREF _Toc324332936 h 11HYPERLINK l _Toc3243329373.2.2 變頻器選型 PAGEREF _Toc324332937 h 13HYPERLINK l _Toc3243329383.2.3 差壓變送器選型 PAGEREF _Toc324332938 h 13HYPERLINK l _Toc3243329393.2.4 電磁流量計選型 PAGEREF _Toc32

14、4332939 h 14HYPERLINK l _Toc3243329403.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 PAGEREF _Toc324332940 h 14HYPERLINK l _Toc3243329463.4 數(shù)模輸入輸出地址分配表 PAGEREF _Toc324332946 h 16HYPERLINK l _Toc3243329473.5 攪拌機系統(tǒng)程序流程圖 PAGEREF _Toc324332947 h 17HYPERLINK l _Toc3243329553.6 系統(tǒng)程序 PAGEREF _Toc324332955 h 18HYPERLINK l _Toc3243329563.7 拌膠

15、控制系統(tǒng)仿真 PAGEREF _Toc324332956 h 21HYPERLINK l _Toc324332957總結(jié) PAGEREF _Toc324332957 h 22HYPERLINK l _Toc324332958展望 PAGEREF _Toc324332958 h 23HYPERLINK l _Toc324332959致 PAGEREF _Toc324332959 h 24HYPERLINK l _Toc324332960參考文獻 PAGEREF _Toc324332960 h 251緒論刨花板是將木材等原材料切削成一定規(guī)格的碎片，經(jīng)過干燥，拌以膠粘劑、硬化劑、防水劑，在一定的溫度

16、下壓制而成的一種人造板材。普通刨花板的強度沒有同規(guī)格的膠合板強度高，但制造膠合板所使用的原木質(zhì)量要求較高，并且木材利用率較低。因此，在刨花板生產(chǎn)中開辟了一個新的分支，這就是采用特殊的加工工藝，用細徑劣質(zhì)材制造出具有定向結(jié)構(gòu)的高強度新型刨花板，即定向刨花板。定向刨花板是刨花板新品種之一，刨花鋪裝成型時，將攪拌刨花板按其纖維方向縱行排列，壓制而成的刨花板。定向刨花板表面覆以鋸末、碎屑等細料，芯部充以定向刨花的結(jié)構(gòu)板材，具有性價比高、產(chǎn)品性能優(yōu)良、產(chǎn)品用途廣泛等特點。本文在簡單介紹PLC的基礎(chǔ)上，通過分析控制系統(tǒng)的要求，采用了西門子S7-200系列PLC與擴展的EM231、EM232功能模塊，設(shè)計了

17、以PLC為核心的隨動控制系統(tǒng)（其中EM231有4個模擬量輸入通道，EM232有2個模擬量輸出通道）主要對刨花生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的拌膠、攪拌過程進行控制，以實現(xiàn)拌膠均勻、節(jié)省原料的目的。一 基于PLC的拌膠機控制系統(tǒng)的特點（一）施膠機具有如下主要特點：1 采用螺旋進料，保證先進料先施膠，后進料后施膠，避免有些刨花重復(fù)施膠；2 改進了冷卻系統(tǒng)，上、下殼體和中軸無不流動死角，冷卻均勻；3 低速攪拌，不使刨花破損；4 改進了注膠位置和方式，保證施膠均勻； 設(shè)備特別適用于施膠量少的麥秸桿生產(chǎn)線和保證刨花形態(tài)的定向刨花板生產(chǎn)線，對原刨花生產(chǎn)線也可以做到在保證同等物理力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，施膠量降低8%（二）拌膠機對比

18、傳統(tǒng)拌膠系統(tǒng)特點：1 樹脂消耗量減少58%；2對比前一代攪拌機有更好的板子技術(shù)性能；3 穩(wěn)定的技術(shù)指標；4 一周清理一次攪拌機；5 減小邊緣速度使得機器磨損減少50%；6 幾乎不因為混合而破壞刨花形態(tài)1。（三）PID控制具有以下的優(yōu)點：1不用求出控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。2PID控制器的結(jié)構(gòu)典型，程序設(shè)計簡單，易于實現(xiàn)，參數(shù)調(diào)整方便。3 有較強的靈活性和適應(yīng)性。用可編程控制器對模擬量進行PID控制時，可采用以下幾種方法：1 使用PID過程控制模塊PID模塊控制程序存放在擴展模塊中，用戶在使用時只需設(shè)置一些參數(shù)，使用起來非常方便，一個模塊可以控制多個閉環(huán)回路。2 自編程序?qū)崿F(xiàn)PID閉環(huán)控制有的可編程序

19、控制器沒有PID過程控制模塊與功能指令，如果要改進的PID控制算法，都需要用戶自己編制PID控制程序2。二 以下是各工段工藝流程的簡單說明：1備料工段刨花板生產(chǎn)線原料經(jīng)削片、篩選后送到木片料倉進行過渡儲存。2干燥篩選打磨工段濕刨花經(jīng)運輸機送到轉(zhuǎn)子式刨花干燥機進行干燥，經(jīng)過干燥的刨花在進行刨花分選（篩選）。3調(diào)膠施膠工段合格的表芯層干刨花經(jīng)刨花給料機量后送到拌膠機中，同時調(diào)供膠工段將工藝所要求的膠液送到拌膠機中，刨花和膠液在表芯層拌膠機的充分攪拌下，達到均勻混合充分施膠的效果。4鋪裝熱壓成型工段施膠后的刨花經(jīng)皮帶運輸機送至機械分級鋪裝機，由機械分級鋪裝機組鋪裝出均勻平整的板坯。板坯經(jīng)多道工序送到

20、裝板機的裝機吊籠中，由裝機吊籠將板坯送到多層熱壓機中進行熱壓成型。5后處理工段停留在卸板機中的毛板經(jīng)卸板運輸機送至冷卻進板運輸機，由冷卻進板運輸機送到?jīng)霭鍣C中進行冷卻。6 后期加工主要包括對從熱壓機中取出的板材進行冷卻、裁邊、砂光、檢驗、分等、修補等加工3。2拌膠機控制系統(tǒng)的技術(shù)概述2.1 PLC 技術(shù)概述2.1.1可編程控制器可編程控制器簡稱PC（英文全稱：Programmable Controller），是計算機家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計制造的。它采用一類可編程的存儲器，用于其部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控

21、制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。于上世紀中葉后被發(fā)明，在機床、各種流水線的輸送機械、發(fā)電、化工、電子等行業(yè)工藝設(shè)備的電氣控制方面得到了廣泛的應(yīng)用。它經(jīng)歷了可編程序矩陣控制器PMC、可編程序順序控制器PSC、可編程序邏輯控制器PLC和可編程序控制器PC幾個時期的發(fā)展。為與個人計算機（PC）相區(qū)別，現(xiàn)在仍然沿用可編程邏輯控制器這個名稱。 它具有功能強大、使用可靠、維修簡便等許多優(yōu)點。隨著科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，PLC也不斷得到完善和強大，同時它的功能也大大超過了邏輯控制的圍，如聯(lián)網(wǎng)通信功能和自診斷功能等。因此今天這種裝置被我們稱作可編程控制器，簡稱為PLC 4。2.1.2 PLC的結(jié)構(gòu)一 中央處理單元(C

22、PU)CPU是PLC的核心，負責(zé)完成邏輯運算、數(shù)字運算與協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部分工作。每套PLC至少有一個CPU。PLC的CPU一般分三類：通用微處理器、單片機和專用微處理器。小型PLC大多采用8位處理器和單片機；大中型PLC大多采用16位或32位微處理器和單片機。它在系統(tǒng)程序的管理下運行，主要功能有：1 接收并存儲由編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)；2 診斷電源故障與用戶程序的語法錯誤；3 讀取輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)并存儲到相應(yīng)的存儲區(qū)；4 讀取用戶程序指令，解釋執(zhí)行用戶程序，完成邏輯運算等。二 存儲器PLC的存儲器包括系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。1 系統(tǒng)程序存儲器 系統(tǒng)程序存儲器用于存放系統(tǒng)程序，系統(tǒng)程序在出

23、廠時已經(jīng)被固化在PROM和EPROM中。這部分存儲區(qū)不對用戶開放，用戶程序不能訪問和修改。2 用戶程序存儲器 用戶程序存儲器分為程序存儲區(qū)和數(shù)據(jù)存儲區(qū)。程序存儲區(qū)用于存放用戶編寫的控制程序，數(shù)據(jù)存儲區(qū)存放的是程序執(zhí)行所需要產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)，包括輸入輸出過程映像、定時器、計數(shù)器的預(yù)置值和當前值等。3PLC電源單元PLC電源單元為PLC提供工作電源。有些電源單元也可通過PLC的IO接口向負載提供直流24V電源。PLC的電源一般采用開關(guān)電源，輸入電壓圍寬，抗干擾力強。電源單元還提供掉電保護電路和后備電池電源，以維持部分RAM存儲器的容在外界電源斷電后不會丟失。4 輸入/輸出（I/O）模塊I/O單元是P

24、LC與工業(yè)現(xiàn)場的接口，現(xiàn)場信號與PLC之間的聯(lián)絡(luò)通過IO單元來實現(xiàn)。IO單元的輸入和輸出信號包括數(shù)字量和模擬量兩類，另外還包括一些功能模塊，例如PID控制模塊。中央處理器將輸入輸出的電信號轉(zhuǎn)換為電平信號，輸出至被控對象，如電磁閥，接觸器、執(zhí)行機構(gòu)等。作為抗干擾措施，輸入輸出單元都帶有光電耦合電路，將PLC與外部電路隔離。5 接口單元接口單元包括擴展接口、通信借口、編程器接口和存儲器接口等。PLC的IO單元也屬于借口單元疇，它完成PLC與工業(yè)現(xiàn)場之間電信號的聯(lián)系。另外，PLC與其他外接設(shè)備和信號的聯(lián)系都需要相應(yīng)的接口單元。主要包括IO擴展接口、通信借口、編程器借口、存儲器接口、其他外部設(shè)備借口。

25、6 外部設(shè)備PLC的外部設(shè)備主要包括編程設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、存儲設(shè)備、輸入輸出設(shè)備，這里主要介紹編程設(shè)備。編程器用來編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視用戶程序，并且能調(diào)用和顯示PLC的一些部狀態(tài)和系統(tǒng)參數(shù)。編程器分簡易型和智能型兩種。簡易型編程器只能聯(lián)機編程，它通過編程器接口與PLC連接。智能型編程器即可聯(lián)機編程又可脫機編程，還以遠離PLC插到現(xiàn)場控制站的相應(yīng)接口進行編程。采用個人計算機作為PLC系統(tǒng)的開發(fā)工具是目前的發(fā)展趨勢，各廠家均提供可安裝在個人計算機上的專用編程軟件，用戶可直接在計算機上聯(lián)機或脫機編程，開發(fā)功能強大，具備監(jiān)控能力、通信能力，還可對用戶程序進行仿真5。2.1.3 PLC的特點1具有可靠性

26、高，適用于工業(yè)環(huán)境可編程控制器在硬件設(shè)計方面，采用了一些提高可靠性的措施。一方面采用更先可靠的原件、加工工藝進行制造，加強了抗干擾能力；另一方面存儲器容可以自行警報、診斷、便于維修等；與此同時，系統(tǒng)的維修簡單，維修時間短，可靠性得到提高。2 控制程序可變，具有很好的柔性在生產(chǎn)工藝流程改變或生產(chǎn)設(shè)備更新的情況下，不必改變PLC的硬設(shè)備，只需改變程序就可滿足。因此，除單機控制外，PLC在柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）,以致工廠自動化（FA）中也被大量采用。且編程方法簡便易學(xué)，使用方便。3 功能完善現(xiàn)代PLC具有數(shù)字和模擬量輸入輸出、邏輯和算術(shù)運算、定時、計數(shù)、順序控制、PID調(diào)節(jié)、

27、各種智能模塊、遠程IO模塊、通信、人-機對話、自診斷、組態(tài)、記錄和圖形顯示等功能。處理適用于離散型開關(guān)量控制系統(tǒng)外，現(xiàn)在也能適用于流程控制系統(tǒng)，從而使設(shè)備的控制水平大大提高。4安裝簡單，維修方便 PLC不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與PLC相連，即可投入運行。由于PLC有完善的自診斷功能，輸入輸出均有明顯的指示，在線監(jiān)控軟件的功能很強。因此，很容易進行維修，能很快查找出故障的原因。5體積小，重量輕，省電與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，PLC的體積很小，而且PLC用軟件取代了繼電器控制系統(tǒng)量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，使控制柜的體積縮小。由于PLC體

28、積小，很容易裝在機械設(shè)備部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。由于減少了中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件線圈用電，PLC消耗的電能只是傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的1312。6 PLC的性價比高 隨著集成電路芯片功能的提高，價格的降低，PLC硬件的價格也一直不斷的在下降。雖然PLC的軟件價格在系統(tǒng)中所占的比重在不斷提升，但由于縮短了整個工程項目的設(shè)計和編程時間，減少了投運費用以與縮短了整個投運周期，因此，使用PLC的總造價是低廉的，而且還呈不斷下降的趨勢。PLC網(wǎng)絡(luò)具有較高的性能價格比，使得PLC在工廠中備受歡迎，用量高居首位，成為現(xiàn)代工業(yè)自動化三大支柱之首6。2.1.4 PLC的基本功能1 邏輯控制功能邏

29、輯控制功能就是位處理功能，是PLC的最基本功能之一。PLC設(shè)置有“與”（AND）、“或”（OR）、“非”（NOT）等邏輯指令，利用這些指令，根據(jù)外部現(xiàn)場（開關(guān)、按扭或其他傳感器）的狀態(tài)，按照指定的邏輯進行運算處理后，將結(jié)果輸出到現(xiàn)場的被控對象（電磁閥、電機等）。2 定時控制功能定時控制功能是PLC的最基本的功能之一。PLC中有許多可供用戶使用的定時器，其功能類似于繼電器線路中的時間繼電器。3 計數(shù)控制功能計數(shù)控制功能是PLC的最基本功能之一。PLC為用戶提供了許多計數(shù)器，計數(shù)器計數(shù)到某一數(shù)值時，產(chǎn)生一個狀態(tài)信號（計數(shù)值到），利用該狀態(tài)信號實現(xiàn)對某個操作的計數(shù)控制。4 數(shù)據(jù)處理功能PLC大部分都

30、具有數(shù)據(jù)處理功能，可以實現(xiàn)算術(shù)運算、數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)移位、數(shù)制轉(zhuǎn)換、譯碼編碼等操作。5 回路控制功能有些PLC具有模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，可以方便地完成對模擬量的控制和調(diào)節(jié)。6 監(jiān)控功能PLC設(shè)置了較強的監(jiān)控功能，利用編程器可對PLC運行狀態(tài)進行監(jiān)視。利用編程器，可以調(diào)整定時器、計數(shù)器的設(shè)定值和當前值，并可以根據(jù)需要改變PLC部邏輯信號的狀態(tài)與數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)容，為調(diào)試和維護提供了極大的方便。7 停電記憶功能PLC部的部分RAM設(shè)置了停電保持器件，以保持PLC斷電后的數(shù)據(jù)容不變；電源恢復(fù)后，PLC繼續(xù)工作。8 故障診斷功能PLC可以對系統(tǒng)硬件、指令等進行自診斷，發(fā)現(xiàn)異常情況，發(fā)出報警并顯示

31、錯誤類型，必要時則自動中止運行7。2.2 變頻器簡介變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。通過改變電源的頻率來達到改變電源電壓的目的，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。2.3 S7-200編程軟件概述2.3.1 STEP 7

32、- Micro/WIN32(西門子S7-200編程軟件)STEP 7- Micro/WIN32編程軟件是基于Windows的應(yīng)用軟件，支持32位Windos95/98/2000NT4.0使用環(huán)境，其基本功能是創(chuàng)建、編輯調(diào)試用戶程序、系統(tǒng)組態(tài)等。1硬件要求要求個人計算機（PC）配置：CPU為80586或更高的處理器，16MB的存；VGA顯示器；硬盤空間至少50MB；Microsoft Windos 所支持的鼠標。使用PC/PPI電纜可將計算機與PLC連接。2軟件要求STEP 7- Micro/WIN32可以安裝在下列操作系統(tǒng)平臺上；Microsoft Windows 1995Microsoft

33、Windows 1998Microsoft Windows 2000Microsoft Windows XP2.3.2 STEP 7- Micro/WIN32梯形圖簡介在西門子S7-200的圖形編程語言中，常見的有梯形圖、程序流程圖、順序功能圖，其中又以梯形圖最長用。梯形圖是PLC使用的最多的圖形編程語言，被稱為PLC第一編程語言。梯形圖與電氣控制系統(tǒng)的電路圖相似，具有直觀易懂的優(yōu)點，很容易被工廠電氣人員掌控，特別適用于開關(guān)量邏輯控制。梯形圖中左、右垂直線稱為左、右母線。STEP7-MicroWin32梯形圖編輯器在繪圖時，通常將右母線省略。在左右母線之間是由觸電、線圈或功能框組合的有序排列。

34、梯形圖的輸入總是在圖形的左邊，輸出總是在圖形的右邊，因而觸點與左母線相連，線圈或功能框終止右母線，從而構(gòu)成一個梯級。在一個梯級中，左右母線之間是一個完整的“電路”，不允許“短路”、“開路”，也不允許“能流”反向流動8。以下是梯形圖的程序界面:圖2.3.2 PLC梯形圖2.4 PID在模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用2.4.1 PID控制的特點與常用方法一 PID控制在工業(yè)生產(chǎn)中使用廣泛，用閉環(huán)控制方式來控制溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量， PID控制具有以下的優(yōu)點：1不用求出控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。2PID控制器的結(jié)構(gòu)典型，程序設(shè)計簡單，易于實現(xiàn)，參數(shù)調(diào)整方便。3 有較強的靈活性和適應(yīng)性。二 用可編

35、程控制器對模擬量進行PID控制時，可采用以下幾種方法：1 使用PID過程控制模塊PID模塊控制程序存放在擴展模塊中，用戶在使用時只需設(shè)置一些參數(shù)，使用起來非常方便，一個模塊可以控制多個閉環(huán)回路。2 自編程序?qū)崿F(xiàn)PID閉環(huán)控制有的可編程序控制器沒有PID過程控制模塊與功能指令，如果要改進的PID控制算法，都需要用戶自己編制PID控制程序。三 用可編程控制器對模擬量進行PID控制時，可采用以下幾種方法：1使用PID過程控制模塊這種模塊的PID控制程序是可編程序控制器生產(chǎn)廠家設(shè)計的，并存放在模塊中，用戶在使用時只需設(shè)置一些參數(shù)，使用起來非常方便，一塊模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環(huán)回路。但是這種模塊的

36、價格昂貴，一般在大型控制系統(tǒng)中使用。2用自編的程序?qū)崿F(xiàn)PID閉環(huán)控制有的可編程序控制器沒有PID過程控制模塊和PID控制用的功能指令，有時雖然可以使用PID控制指令，但是希望采用某種改進的PID控制算法。在上述情況下，都需要用戶自己編制PID控制程序7。2.4.2 PID控制器的數(shù)字化典型的PID模擬控制系統(tǒng)如圖(2.4.1)所示。圖中sp(t)是給定值，pv(t)為反饋量，c(t)為系統(tǒng)輸出量，PID控制器的輸入輸出關(guān)系式為： 式(2.1) 即輸出=比例項+積分項+微分項+輸出的初始值，(2.1)式中，M(t)是控制器的輸出，誤差信號e(t)=sp(t)-pv(t)，Minitial是回路輸

37、出的初始值，Kc是PID回路的增益，Ti和Td分別是積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)。式(2.1)中等號右邊前3項分別是比例、積分、微分部分，它們分別與誤差、誤差的積分和微分成比。如果取其中的一項或兩項，可以組成 P、PD或PI控制器。需要較好的動態(tài)品質(zhì)和較高的穩(wěn)態(tài)精度時，可以選用PI控制方式；控制對象的慣性滯后較大時，應(yīng)選擇PID控制方式。計算機模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖(2.4.2)所示，虛線部分在可編程控制器。圖中的sp(t)、pv(t)、e(t)、M(n)均為第n次采樣時的數(shù)字量，pv(t)、m(t)、c(t)為模擬量。假設(shè)采樣周期為Ts，系統(tǒng)開始運行的時間為t=0，用巨型積分來近似精確積分，用

38、差分近似精確微分，將式（2.1）離散化，第次采樣時控制器的輸出為： 式（2.2）式中，e(n)是第n次采樣時的誤差值，e(n-1)是第n-1次采樣時的誤差值，Kc、Ki和Ad分別是PID回路的增益、積分項的系數(shù)和微分項的系數(shù)。將式（2.2）化簡為式，每一次計算只需要保存上一次的誤差e(n-1)和上一次的積分項MX： 式（2.3）CPU 實際使用的改進型PID算法的算式為： 式（2.4）式中右邊3項依次是比例項、積分項和微分項。（1）比例項 式（2.5）式中的SPn和PVn分別是第n次采樣時的給定值和過程變量值（反饋值） SP(t) M(t) C(t) PV(t) PID調(diào)節(jié) 器執(zhí)行機構(gòu)控制對象

39、測量元件圖2.4.1模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖 執(zhí)行機 構(gòu)控制對 象測量元件 PID調(diào)節(jié)器D/AA/D圖3.3.2計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖圖2.4.2 PLC模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖（2）積分項積分項與誤差的累加和成正比，其計算公式為： 式（2.6）式（2.6）中，Ts是采樣時間隔，Ti是積分時間常數(shù)，MX是前面所有積分項之和。每次計算出后，需要用它去更新MXn在第一次計算時MXn的初值為控制器的初值Minitial。（3）微分項微分項MD與誤差的變化率成正比，其計算式為： 式（2.7）為了避免給定值變化引起的微分部分的跳變，可另給定值不便(SPn=SPn-1),微分項的算式變?yōu)椋?式（2.8）

40、為了下一次計算，必須保存過程變量PVn-1,而不是保存誤差。初始化時令PVn-1=PVn。在許多控制系統(tǒng)，可能只需要P、I、D中的一種或兩種控制類型。例如，可能只要求比例控制或比例與積分控制。通過設(shè)置參數(shù)可對回路控制類型進行選擇8。如果不需要積分作用，可將積分時間設(shè)為無窮大。因為有積分的初值MX，即使沒有積分運算，積分項得數(shù)值也可能不為零。如果不想要微分作用，可令微分時間為0.0。如果不想要比例作用，但是需要積分或需要積分和微分控制，應(yīng)將回路增益設(shè)為0.0。因為回路增益是計算積分與微分項公式的系數(shù)，系統(tǒng)在計算積分項與微分項時，令回路增益Kc為1.09。3拌膠機控制系統(tǒng)的設(shè)計方案3.1 系統(tǒng)工藝

41、流程隨動系統(tǒng)是指當某參量的變化規(guī)律為無法預(yù)先確定的時間函數(shù)，其被控量能以一定的精度跟該參量變化的控制系統(tǒng)，本文中以刨花拌膠控制過程為例。根據(jù)控制要求，刨花拌膠系統(tǒng)的特點是使刨花形態(tài)的質(zhì)量好，生產(chǎn)率高，刨削單位體積刨花的能耗低，自動化程度高，操作維修方便，安全可靠性高，是理想的高品質(zhì)刨花制備設(shè)備10。刨花由螺旋給料機供給，螺旋給料機由PLC模擬量輸出信號控制的變頻器來控制其調(diào)速，壓力傳感器檢測刨花量。膠由膠泵抽給，膠由電磁流量計檢測膠流量，膠泵由PLC模擬量輸出信號控制的變頻器來使其調(diào)速；膠量的設(shè)定可以進行隨動切換，一種是膠量直接給定方式，另一種是膠量與壓力傳感器測量值設(shè)定的比例關(guān)系。當給系統(tǒng)設(shè)

42、定一個刨花量后，在隨動方式確定后，膠量便會隨之產(chǎn)生。刨花回路采用比例控制，膠回路采用PI控制，刨花和膠要按一定的比率送到攪拌機攪拌，然后將混料供給下一道工序蒸壓成型。要求刨花量和膠量恒定，并有一定的比例關(guān)系，即膠量隨刨花量的變化而變化，誤差要求小于3%,其工藝流程如圖3.1所示： 圖3.1 刨花攪拌機工藝流程圖3.2拌膠控制系統(tǒng)硬件選型3.2.1 PLC選型 攪拌機控制系統(tǒng)的輸入信號有7個，其中用于啟動、停止、隨動3個開關(guān)量信號，其中刨花設(shè)定、壓力傳感器、膠設(shè)定、電磁流量計為4個模擬量信號；輸出信號有兩個，用以驅(qū)動膠泵電機調(diào)速器與螺旋給料機驅(qū)動器2兩個模擬量輸出信號。根據(jù)I/O信號的數(shù)量、類型

43、以與控制要求，選擇西門子S7-200系列CPU-224主機，因為PLC224型不含模擬量模塊，而EM231有4個模擬量輸入通道，EM232有2個模擬量輸出通道，所以增加了模擬量模塊EM231和EM232以滿足控制要求，詳細的外部接線圖所示。圖3.2.1 PLC-224型電源接線圖西門子S7-200系列PLC具有可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、易于維護等特點，以下是系西門子S7-200 CPU224型的電氣原理接線圖。圖3.2.3 PLC電氣原理接線圖圖3.2.3 PLC模擬量模塊接線圖說明: a、圖中接線模擬量輸入為0-20mA電流信號； b、圖中接線模擬量輸出為0-20mA電流信號；c、模

44、塊撥碼位置示意為0-20mA電流信號的情況。3.2.2變頻器選型根據(jù)系統(tǒng)的實際工藝與運用場合與系統(tǒng)經(jīng)濟性考慮，選擇了正泰NIO1系列通用變頻器，改型變頻器采用空間電壓矢量控制技術(shù)與死區(qū)補償技術(shù)，具有上電自動啟動和瞬時停電再啟動、檢測失速再同步、自動轉(zhuǎn)差補償、任意直線運轉(zhuǎn)、恒電壓控制、故障試恢復(fù)、多段速運行、節(jié)能運行等功能，配有RS232、485通訊接口，完全能滿足系統(tǒng)各種不同的需求11。3.2.3 差壓變送器選型 差壓變送器測量的是單個氣體或液體的壓強大小，是個絕對量。用于測量液體、氣體和蒸汽的液位、密度和壓力，然后將其轉(zhuǎn)變成4-20mADC的電流信號輸出。壓力傳感器在攪拌機控制系統(tǒng)主要測量刨

45、花的重量，壓力傳感器通常也稱差壓變送器。在刨花拌膠系統(tǒng)中，根據(jù)工藝要求與使用環(huán)境選擇EJA130A型差壓變送器來檢測刨花量，滿足系統(tǒng)需求。EJA130A型差壓變送器具有一下特點：1結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量小，且精確度和可靠性高。2不同規(guī)格產(chǎn)品的外形尺寸一樣，標準化、系列化程度高，裝配、調(diào)整、使用方便。3由于它采用開環(huán)技術(shù)，對測量元件和放大器的要求較高12。3.2.4電磁流量計選型電磁流量計攪拌機控制系統(tǒng)中主要測量膠的流量，攪拌機用的膠屬于腐蝕性介質(zhì),屬于粘稠液體，電磁流量計能夠滿足這一要求。根據(jù)系統(tǒng)控制要求即使用環(huán)境選擇了KY-LDE電磁流量計，可以輸出420mA電流信號供記錄、調(diào)節(jié)和控制用，其

46、具有以下特點：1 測量不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導(dǎo)率變化的影響 ；2 抗干擾性強，EMC（電磁兼容性）指標符合國家標準 3 使用壽命長，無故障運行時間30000小時；4 防護等級可達IP68，水下沉浸10米；5 多種通訊方式，通訊接口配置有RS232、RS485等13。3.3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 1 PI控制回路簡介根據(jù)系統(tǒng)控制要求，要求膠量和刨花量恒定，并有一定比例關(guān)系，即膠量隨刨花量的變化而變化，誤差要求3%；刨花回路采用比例控制，膠回路采用PI控制。圖 3.3 刨花量和膠量的PI控制回路2 PID控制器的參數(shù)設(shè)定隨動工作時，螺旋給料機是由電機拖動，通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)給料速度，而電

47、機調(diào)速應(yīng)該采用變頻調(diào)節(jié)，變頻器的加減速時間現(xiàn)場很少低于2秒，因此系統(tǒng)相應(yīng)最快1秒；另外掃描周期設(shè)定過快將刺激增益的產(chǎn)生，這樣更加難以控制。結(jié)合以上情況，將隨動比例關(guān)系設(shè)置為0.8倍。根據(jù)以上情況，在刨花生產(chǎn)控制系統(tǒng)中，將刨花回路和膠回路的PID回路參數(shù)都設(shè)定如圖3.3.3，PID模塊各參數(shù)配置如下：給定值圍:0.0-0.1，比例增益:0.1，采樣時間:1.0，積分時間:5分鐘。圖 3.3.3 PID參數(shù)設(shè)置圖3.4數(shù)模輸入輸出地址分配表根據(jù)系統(tǒng)工藝需求，得出模擬量、數(shù)字量輸入輸出地址分配表，如表3.4.1和表3.4.2所示。表3.4.1 模擬量輸入輸出地址分配表序號變量號變量名備注1AIW0刨

48、花給定量設(shè)定2AIW2壓力傳感器3AIW4膠水給定量4AIW6流量計5AQW0刨花機變頻器6AQW2膠泵變頻器表3.4.2 數(shù)字量輸入輸出地址分配表序號變量號變量名備注1I0.0系統(tǒng)啟動2I0.1系統(tǒng)停止3I0.3隨動切換閉合式隨動投入4Q0.1變頻器1啟動指示5Q0.2變頻器2啟動指示6Q0.3刨花機變頻器1啟動7Q0.4膠水泵變頻器2啟動3.5攪拌機系統(tǒng)程序流程圖根據(jù)系統(tǒng)的工藝流程和要求，得出了系統(tǒng)程序流程圖，如圖3.5所示。開始初始化PID表刨花調(diào)節(jié)刨花給料機是否隨動YESNO膠設(shè)定控制面板設(shè)定隨動比例值K隨動狀態(tài)結(jié)束膠調(diào)節(jié)圖3.5 系統(tǒng)程序流程圖3.6系統(tǒng)程序刨花拌膠生產(chǎn)控制系統(tǒng)梯形圖

49、程序語言：3.7 拌膠控制系統(tǒng)仿真S7-200的仿真軟件本身存在一定缺陷，不能識別一些指令和擴展的功能模塊，所以系統(tǒng)的仿真只能通過編程軟件STEP 7- Micro/WIN中的PID調(diào)節(jié)控制面板用圖形方式監(jiān)視PID回路。圖3.6給出了在自整定過程中PID控制器的給定值SP、輸出MV和過程變量PV的變化情況。使用控制面板時，首先應(yīng)將至少有一個PID回路的用戶程序下載到CPU，為了顯示PID回路的操作，STEP 7- Micro/WIN應(yīng)與S7-200建立起通信連接，PLC必須處于（RUN）模式。執(zhí)行菜單命令“工具”“PID調(diào)節(jié)控制面板”,打開控制面板后，可以觀察到過程變量PV、控制器輸出MV和設(shè)定值SP的變化曲線和當前的數(shù)字。圖3.6 PID調(diào)節(jié)過程變化曲線 根據(jù)圖3.6所示，系統(tǒng)設(shè)定初始值SP為80.00，隨著積分時間的變化，反饋量PV和給定量SP趨于相等，輸出量最終也趨于穩(wěn)定，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的仿真?？偨Y(jié)本文設(shè)計的攪拌機控制系統(tǒng)具有拌膠均勻、施膠量低等功能，在生產(chǎn)線臨時停機時，可以避免膠的浪費。而且還具有刨花形態(tài)的質(zhì)量好，生產(chǎn)率高，刨削體積刨花的單位能耗低，自動化程度高，操作維修方便，安全可靠性高等特點。 本文設(shè)計的攪拌控制