塑料擠出機的多路溫度控制設計

塑料擠出機的多路溫度控制設計,塑料,擠出機,溫度,控制,節(jié)制,設計 哈爾濱理工大學學士學位論文 密級： 學號： 本科生畢業(yè)（設計）論文 塑料擠出機的多路溫度控制設計 系 別： 專 業(yè)： 班 級： 學生姓名： 指導老師： 完成日期： 學士學位論文原創(chuàng)性申明 本人鄭重申明：所呈交的設計（設計）是本人在指導老師的指導下獨立進行研究，所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本設計（設計）不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究作出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識到本申明的法律后果由本人承擔。 學位論文作者簽名（手寫）： 簽字日期： 年 月 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文屬于 保 密 □， 在 年解密后適用本授權書。 不保密 □。 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權學院可以將本論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 （請在以上相應方框內打“√” ） 學位論文作者簽名（手寫）： 指導老師簽名（手寫）： 簽字日期： 年 月 日 簽字日期： 年 月 日 摘 要 塑料制品在人們的生活中占有較大的比重，在工業(yè)、農業(yè)中得到廣泛的應用，如電視、電腦、玩具等主要配件使用塑料制品，以塑代鋼的塑料齒輪，汽車上使用的工程塑料等。塑料擠出機通過塑料模具注射出成型塑料制品，產品質量與塑料擠出機控制參數(shù)有直接的關系，控制系統(tǒng)是塑料擠出機的重要組成部分，目前塑料擠出機發(fā)展的主要特點是向精密化、低噪化高效率節(jié)能和高度自動化方向發(fā)展。本文第一章介紹了塑料擠出機的發(fā)展歷史與發(fā)展現(xiàn)狀。同時也著重介紹塑料擠出機的工作原理。第二章介紹了塑料擠出機控制系統(tǒng)的控制方式。第三章介紹了塑料擠出機的多溫度控制方式。第四章介紹了塑料擠出機的控制編程。 本文對塑料擠出機結構進行分析，并進對西門子S7-200 PLC的編程方法以及使用的方法進行簡單介紹。通過組態(tài)軟件的仿真配合，設計出一個完整的由PLC控制的注塑機系統(tǒng)，實現(xiàn)低能耗、低噪音、鎖模力容易控制、運行平穩(wěn)、安全可靠和便于維修。 關鍵字：塑料擠出機，西門子S7-200PLC，軟件 III ABSTRACT Injection products occupy a larger share of the people's lives, are widely used in industry, agriculture, such as televisions, computers, toys, and other major parts with plastic products, plastic gear with plastic instead of steel, engineering plastic used on the car, and so on. Injection molding machines injection molding machine by plastic molds for injection molding of plastic products, product quality and control parameters are directly related with injection molding machines, control systems are important components of injection molding machines, current development of injection molding machines are mainly characterized by precision, low noise and high efficiency energy saving and highly automated way. This chapter describes the history and development of injection molding machines injection molding machine status. Also focuses on injection moulding machine works. Chapter II control of injection molding machine control system is introduced. Chapter III describes the components of the injection molding machine control. The fourth chapter describes control programming of the injection molding machine. An analysis on the structure of injection moulding machines in this article, times for Siemens PLC programming techniques and the methods used are described in simple. Through simulation combined with configuration software, design a complete PLC control system of injection molding machines, low energy consumption, low noise, easy clamping force control, smooth operation, security, reliability and ease of maintenance. KEYWORDS: injection molding machine,SIEMENS S7-200PLC,software IV 目 錄 摘 要 III ABSTRACT IV 1． 緒論 5 1.1 課題研究的意義 5 1.2 塑料擠出機技術發(fā)展方向 6 2． 塑料擠出機硬件結構及工作原理 8 2.1 硬件結構 8 2.2 塑料擠出機分類 9 2.3 塑料擠出機的工作原理 9 3． 塑料擠出機控制系統(tǒng)硬件的選型 10 3.1 可編程控制器選擇 10 3.2變送器的選擇 11 3. 3 熱電偶的選擇 12 4． 塑料擠出機溫度控制系統(tǒng)的硬件設計 14 4.1 STEP7-Micro/WIN編程軟件介紹 14 4.2 控制要求 15 4.3 I/O地址分配 16 4.4 電氣主電路設計 17 5 塑料擠出機控制系統(tǒng)的多路溫度控制設計 18 5.1 PID控制的原理和特點 18 5.2 數(shù)字PID控制算法 20 5.3塑料擠出機溫度控制設計原理 22 5.4塑料擠出機溫度控制程序 24 6． 塑料擠出機的多路溫度控制設計仿真 32 6.1 系統(tǒng)調試的方法 32 6.2系統(tǒng)仿真運行分析 33 致 謝 36 參考文獻 37 1． 緒論 1.1 課題研究的意義 塑料擠出機起源于18世紀，英格蘭的JoseghBramah于1795年制造的用于制造無縫鉛管的手動活塞式壓出機被認為是世界上第一臺擠出機。從那時開始，在19世紀前50年內，擠出機基本上只應用于鉛管的生產、通心粉和其它食品的加工、制磚及陶瓷工業(yè)。?作為一種正在發(fā)展的制造方法過程，第1次有記載的是R.Brooman在1845年申請的用塑料擠出機生產電線的方法。固特波公司的H.Bewlgy隨后對該擠出機進行了改進，并于1851年將它用于包覆在Dover和Calais公司之間的第1根海底電纜的銅線上。 在中國塑料加工業(yè)中，幾乎一般的塑料產品用塑料擠出機完成。塑料擠出機作為第二大塑料設備，其產品的銷售額占了整個塑料制品銷售額的一半。塑料擠出機的品種占塑料機械品種的30%，這個比例還有逐年上升的趨勢。?中國現(xiàn)有100多家擠出機生產廠，多數(shù)為民營或鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)，塑料擠出機的生產加工集中在沿海發(fā)達地區(qū)。全國一百多家主要應用塑料擠出機的企業(yè)的工業(yè)生產總值達到38多億元。每年產值在300臺以上擠出機組的廠家只有三家企業(yè)，很多企業(yè)生產的產品檔次較低，很難達到市場要求。中國生產的塑料擠出機設備，應用在一般性能的小型機械上，而大型設備，精密度較高的設備主要靠國外進口。?中國政府在政策上給了市場支持，中國的塑料管材和塑料門窗等異型材料的發(fā)展非?？?，每年增長達到15%，位居世界前列。關于塑料門窗等塑料制品，在市場上占有率也較高。預計發(fā)展，將來塑料管材的增長速度將保持較高的增長速度。?目前中國塑料管材生產企業(yè)雖然已超過1000家，但萬噸級企業(yè)只有30多家，絕大多數(shù)企業(yè)的生產規(guī)模不足3000噸/年，達不到經濟規(guī)模（國外經濟規(guī)模一般在2萬噸/年以上）。中國塑料管生產設備最初是從國外引進的，近年來已基本上實現(xiàn)了國產化。除了用于大口徑波紋管的生產擠出機組外，基本能滿足市場需求。?與之相類似的是塑料門窗異型材巿場。中國現(xiàn)有型材年生產能力在180萬噸至200萬噸之間，實際生產量在80萬噸左右，總體表現(xiàn)是產能大，產量低。這既有管理和巿場的因素，也有因國產設備質量不穩(wěn)定造成的問題。 ?在塑料擠出成型設備中，塑料擠出機通常稱之為主機，而與其配套的后續(xù)設備塑料擠出成型機則稱為輔機。塑料擠出機經過100多年的發(fā)展，已由原來的單螺桿衍生出雙螺桿、多螺桿，甚至無螺桿等多種機型。塑料擠出機（主機）可以與管材、薄膜、捧材、單絲、扁絲、打包帶、擠網、板（片）材、異型材、造粒、電纜包覆等各種塑料成型輔機匹配，組成各種塑料擠出成型生產線，生產各種塑料制品。因此，塑料擠出成型機械無論現(xiàn)在或將來，都是塑料加工行業(yè)中得到廣泛應用的機種之一。 塑料擠出機包括（塑料管材擠出機，PVC管材擠出機，PE管材擠出機，PP-R管材擠出機，PVC給水排水管材擠出機，PE給水管材擠出機，PP-R給水管材擠出機，PVC管材生產線，PE管材生產線，PP-R管材生產線，塑料回收造粒機，塑料型材擠出機，家具藤條機，仿藤機，拉藤機，塑料飲料吸管機，塑料破碎機等。 1.2 塑料擠出機技術發(fā)展方向 模塊化和專業(yè)化： 塑料擠出機模塊化生產可以適應不同客戶的要求，對新產品研發(fā)的周期縮短，占有更多的市場份額，而且較為專業(yè)的加工生產可以將各種擠出機成型設備的系統(tǒng)模塊部件安排在一些生產基地或者在全球范圍訂購，這樣就可以保證產品整體質量，并且降低了生產成本，資金流轉都非常有好處。 高效化和多能化： 塑料擠出機的高效主要體現(xiàn)在高產出、低能耗、低制造成本方面。在功能方面，螺桿塑料擠出機已不僅用于高分子材料的加工和成型，它的用途已拓寬到建材、飼料、紙漿、炸藥、包裝、食品、電極、陶瓷等領域。 精密化和大型化： 實現(xiàn)塑料擠出機的大型化在生產成本方面可以得到控制，在大型吹膜機組、管材擠出機組、大型雙螺桿塑料造粒機組等方面具有較為明顯的優(yōu)勢。在重點的國家建設服務項目中，大型擠壓造粒機組經常依靠進口，所以要加快設備國產化進程，必須滿足各種行業(yè)的發(fā)展需求。 網絡化和智能化： 設備已普遍采用計算機控制和電子計數(shù)，對整個設備的工藝參數(shù)進行控制，包括 各段機身溫度、熔體壓力及溫度、各種螺桿的轉速、喂料量，各種原料的配比、電機的電流電壓等參數(shù)進行在線檢測，并采用微機閉環(huán)控制。這對保證工藝條件的穩(wěn)定、提高產品的精度都極為有利。 38 哈爾濱理工大學學士學位論文 2． 塑料擠出機硬件結構及工作原理 2.1 硬件結構 塑料擠出機是塑料加工業(yè)中使用量較多的加工機械，不僅有大量的產品可用塑料擠出機生產，而且還是組成注拉吹工藝的關鍵設備。中國已成為世界塑機臺件生產的第一大國，促進中國塑料設備制造業(yè)發(fā)展的原因在于：一是與國際著名企業(yè)進行合資及技術合作；二是中國企業(yè)逐漸適應了機械零部件的國際釆購方式，掌握了釆購渠道。同時，我國塑料擠出機的生產還呈現(xiàn)出很強的區(qū)域特色，浙江的寧波和廣東的東莞等地，已成為我國乃至全球重要的塑料加工基地 。塑料擠出機是將熱塑性塑料或熱固性料利用塑料通過擠出方式制成各種形狀的塑料制品的主要成型設備。 塑料擠出機的主機是擠塑機，它由擠壓系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和加熱冷卻系統(tǒng)組成。 擠壓系統(tǒng)包括機頭、螺桿、料斗、機筒、模具，塑材在擠壓系統(tǒng)中進行塑化，得到均勻的熔體，在這個過程中，在一定的壓力下，塑料被螺桿可以連續(xù)的擠出機頭。螺桿是最重要的部件，螺桿的好壞直接影響到塑料擠出機的應用范圍和生產效率。螺桿主要由高強度的合金鋼制成，具有耐腐蝕的性能。 機筒是一種金屬結構的圓筒，也由合金鋼或者復合鋼管制作而成，具有耐熱，耐壓，耐磨，耐腐蝕等性能。機筒和螺桿相互配合就可以實現(xiàn)對塑材的軟化，粉碎，熔融，排氣，壓實等功能。行成型設備的系統(tǒng)連續(xù)輸送熔體塑材。在一般情況下，機筒的長度是直徑的15倍以上。這樣可以使塑料充分加熱和充分融化。在料斗底部，安裝了一個裝置，稱為截斷裝置，此裝置可以調整和切斷塑料流體，視孔和標定計量裝置安裝在料斗的側面。機頭的材質為合金鋼，由合金鋼內套和碳素鋼外套組成，在機頭內安裝了成型模具，機頭具有自己特定的作用，可以將正在旋轉的塑料熔材變?yōu)槠叫兄本€運動的塑料熔材。這樣將塑料熔材導入模套中，再加上一定的成型壓力。在機筒內，塑料經過塑化壓實，再經過多孔濾板，按照預定的流道通過機頭流入成型模具，模型和模套要配合適當，在形成環(huán)形空隙，使塑料在芯線的周圍形成管狀的包覆層。 塑料擠出機按照機頭的塑料流向和螺桿的夾角，可以將機頭分成直角機頭和斜角機頭。而機頭的外殼固定在機床床體上，機頭的模具有模芯座，螺帽固定在機頭的端口上，在模芯座的前面安裝有模芯，模芯和模芯座的中心有孔，這個孔可以通過芯線，在機頭前部安裝均壓環(huán)，可以平衡壓力。成型部分可由模套和模套座構成，在模套的位置上，螺栓通過支撐座進行調節(jié)，這樣可以調整模套和模芯之間的空間位置。在機頭的外部安裝許多加熱器和測溫裝置。塑料擠出機傳動系統(tǒng)的作用就是驅動螺桿裝置，提供給螺桿所需要的轉速，力矩。螺桿通常由電動機和減速機等組成的。在結構相同的情況下，減速機的成本和外形尺寸成正比，如果減速機的外形大，重量高，則意味著成本高。同樣螺桿直徑的擠出機，高速高效的擠出機比常規(guī)的擠出機所消耗的能量多，電機功率加大一倍，減速機的機座號相應加大是必須的。但高的螺桿速度，意味著低的減速比。同樣大小的減速機，低減速比的與大減速比的相比，齒輪模數(shù)增大，減速機承受負荷的能力也增大。因此減速機的體積重量的增大，不是與電機功率的增大成線性比例的。如果用擠出量做分母，除以減速機重量，高速高效的擠出機得數(shù)小，普通擠出機得數(shù)大。以單位產量計，高速高效擠出機的電機功率小及減速機重量小，意味著高速高效擠出機的單位產量機器制造成本比普通擠出機低。加熱與冷卻是塑料擠出過程能夠進行的必要條件。 ⑴塑料擠出機使用電加熱方式，包括感應加熱方式和電阻加熱方式，在機身、機脖、機頭各部分安裝了加熱片。加熱裝置的功能就是對機筒內的塑料進行加熱，溫度升高，達到操作工藝要求的溫度，便于下一工序的加工。 ⑵冷卻裝置是為了達到塑料加工工藝要求而設置的，為了降低和排除螺桿旋轉摩擦產生的熱量，避免由于溫度太高而導紙塑料分解。機筒冷卻一般為水冷或者風冷。在小型設備中，風冷的使用廣泛，而在大型設備中，水冷的使用較為廣泛。，螺桿的冷卻要采用水冷，是為了增加塑材的固體輸送率。 圖2-1 塑料擠出機結構圖 2.2 塑料擠出機分類 塑料擠出機按其螺桿數(shù)量可以分為單螺桿擠出機、雙螺桿擠出機和多螺桿擠出機。目前以單螺桿擠出機應用最為廣泛，適宜于一般材料的擠出加工。雙螺桿擠出機由于具有由摩擦產生的熱量較少、物料所受到的剪切比較均勻、螺桿的輸送能力較大、擠出量比較穩(wěn)定、物料在機筒內停留長，混合均勻。 單螺桿擠出機無論作為塑化造粒機械還是成型加工機械都占有重要地位，近幾年業(yè)，單螺桿擠出機有了很大的發(fā)展。 雙螺桿擠出機喂料特性好，適用于粉料加工，且比單螺桿擠出機有更好的混煉、排氣、反應和自潔功能，特點是加工熱穩(wěn)定性差的塑料和共混料時更顯示出其優(yōu)越性。在雙螺桿擠出機的基礎上，為了更容易加工熱穩(wěn)定性差的共混料，開發(fā)出的多螺桿擠出機，如光華塑料擠出機等。 1、根據(jù)螺桿數(shù)目的多少，分為單螺桿擠出機、雙螺桿擠出機及多螺桿擠出機； 2、根據(jù)擠出機中是否有螺桿存在，分為螺桿式擠出機和柱塞式擠出機； 3、根據(jù)螺桿的運轉速度來分: 普通型擠出機：轉速在100r/min以下； 高速擠出機：轉速為100～300r/min； 超高速擠出機：轉速為300～l500r/min。 4、根據(jù)擠出機的裝配結構分類：有整體式擠 出機和分開式擠出機； 5、根據(jù)擠出機中螺桿所處的空間位置，可分為臥 式擠出機和立式擠出機； 6、根據(jù)擠出機在加工過程中是否排氣，分為排氣式擠出機和非排氣式擠出機。 2.3 塑料擠出機的工作原理 塑料擠出機的工作原理就是在200度左右的溫度下讓塑材融化，融化好的塑材通過螺桿擠出成型，加工出所需要形狀的塑材。擠出成型要求具備對塑料特性的深刻理解和模具設計的豐富經驗、是一種技術要求較高的成型方法。 擠出成型是通過加壓加熱使塑材流動，并且通過口模成型，此方法稱為“擠塑”。此方法具有效率高、單位成本低的優(yōu)點。擠出法主要用于熱塑性塑料的成型，也可用于某些熱固性塑料。擠出的制品都是連續(xù)的型材，如管、棒、絲、板、薄膜、電線電纜包覆層等。此外，還可用于塑料的混合、塑化造粒、著色、摻合等。 3． 塑料擠出機控制系統(tǒng)硬件的選型 要實現(xiàn)一個硬件系統(tǒng)，離開各種測量、控制設備是不可能的。設備選擇的恰當與否，直接影響到控制系統(tǒng)性能的好壞。但是，也并不是價格越昂貴、性能越可靠的設備就越好，實際的工程設計中，往往需要兼顧實現(xiàn)成本的問題。因此，選擇性價比較高、能夠完全滿足控制要求且不會造成資源浪費的合適的硬件設備，是控制系統(tǒng)設計中必須著重考慮的問題之一。 3.1 可編程控制器選擇 1969世界第一臺PLC在美國數(shù)據(jù)設備公司誕生。1975-1976年,德國、日本、美國等將微處理器作為控制器的中央處理單元應用到PLC中，并且去掉磁心存儲器改用了集成電路的存儲器，結合了微型計算機的技術與電控制器技術，從而實現(xiàn)了可編程控制器的規(guī)模集成化，使得處理器更能適用工業(yè)環(huán)境，更加的可靠，功能也更加強大，更加的靈活，成本卻大大下降，從而使得PLC進入了實用階段。 隨著科技的不斷進步，PLC的性能也飛速增強，其應用和研究現(xiàn)狀主要在以下方面體現(xiàn): 1.控制規(guī)模的擴大，控制大型機的規(guī)模越變越大，開關量高的達到了幾萬。 2.組成模塊的增多，現(xiàn)在PLC己經新增了很多模塊，如PDI控制、溫度以及運動模塊等等。 3.開放性和互操作性大大發(fā)展，在PLC的發(fā)展過程中，制造商為了壟斷和擴大各自市場，都各自發(fā)展自己的標準，開放是發(fā)展的一個趨勢，各廠商都意識到這一點，并形成了長時期的妥協(xié)與競爭，這一過程還將繼續(xù)。 4.工作速度的提高可以對系統(tǒng)實現(xiàn)實時控制。 5.聯(lián)網的能力增強，由于通信、信息及控制技術的大力發(fā)展，聯(lián)網也得到了的發(fā)展，己經可以實現(xiàn)的遠程控制。 正是由于這些性能、使得工業(yè)系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程化、自動化、控制信息化及智能化?，F(xiàn)在應用在不斷前進,尤其在運動控制、模擬量控制及驅動控制上廣泛使用，已經成為現(xiàn)在系統(tǒng)工作自動化中最有效的工具之一。 我國可編程控制器的引進、應用、研制、生產是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產設備及產品中不斷擴大了PLC的應用。目前，我國自己已可以生產中小型可編程控制器?？梢灶A期，隨著我國現(xiàn)代化進程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應用天地。PLC的特點如下： 1)可靠性高，抗干擾能力強 　　高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。 2)配套齊全，功能完善，適用性強 　　PLC發(fā)展到今天，已經形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 3)體積小，重量輕，能耗低 以超小型PLC為例，新近出產的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。 PLC的具體應用如下： 1)PLC開關量的邏輯控制 　　這是PLC開關量的邏輯控制是基本的控制方法。它可以實現(xiàn)各種邏輯控制工藝，順序控制工藝以及其他自動化生產線控制工藝等。PLC的開關量邏輯控制基本取代了接觸器-繼電器電路，廣泛應用于各行各業(yè)，如注塑機、訂書機械、機床、倉庫生產線、灌裝流水線等。 2)PLC模擬量控制 　　由于自然界存在許多連續(xù)變化的物理量，比如壓力、溫度、流量、液位等都是模擬量。要將模擬量轉換為數(shù)字量，才能在程序中進行計算和處理，將處理的結果轉換為模擬量。 3)PLC數(shù)據(jù)處理 可編程控制器具有各種各樣的計算方法，便于完成實際數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)傳送和轉換等，可以對數(shù)據(jù)進行采集和分析處理，具有很明顯優(yōu)勢。 4)PLC過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調節(jié)是模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)中，使用很頻繁的調節(jié)方法?？删幊炭刂破骶哂袑Ｓ玫腜ID子程序。 5)PLC通信及聯(lián)網 　　PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網絡發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網絡系統(tǒng)。新近生產的PLC都具有通信接口，通信非常方便。 PLC由三個基本部分組成：外部輸入采樣單元、內部邏輯計算處理單元、處理結果輸出執(zhí)行單元?？删幊炭刂破鞯腎/O輸入單元包含主令按鈕、限位開關、檢測器等外部輸入主令接口， 可編程控制器在對外部I/O輸入單元收集的各種邏輯信號和模擬量采樣數(shù)據(jù)，以及主令臺的各種命令等信息進行儲存和處理?？删幊炭刂破鞲鶕?jù)所設計的程序對這些輸入信號進行處理計算，并將結果通過輸出單元進行輸出。通常下都是輸出給繼電器，繼電器通過動作來控制外面的執(zhí)行單元。可編程控制器可根據(jù)外部工程需要建立通訊控制，通過通訊可以將某執(zhí)行機構的具體數(shù)據(jù)進行采樣和監(jiān)控，并計算和輸出。如圖2-2所示，可編程控制器的原理框圖。由圖可知，外部輸入變量都有開關量，模擬量，通訊接口傳送的變量數(shù)據(jù)，以及編程執(zhí)行器等。 CPU 開關量I/O接口 RAM 、 ROM 模擬量I/O接口 EPROM/E2ROM 通迅接口 編程器 電 源 圖3-1 可編程控制器原理框圖 編程工具一般就是電腦設計的編程軟件，我門可以根據(jù)編程軟件對可編程控制器進行硬件組態(tài)設計，輸入輸出點的分配設計，程序編寫設計，可以通過在線連接進行監(jiān)控，通過監(jiān)控可以調試程序，并修改程序。當可編程控制器啟動運行后，我們可以根據(jù)外部動作情況來判斷程序的錯誤和需要完善的地方。這也是現(xiàn)場調試工程師必須具備的技能?？删幊炭刂破骶幊誊浖际歉髯詮S家自主研發(fā)的，對這些軟件必須學習，了解指令含義和編程原則，技巧等。我們在編程時，一般要對系統(tǒng)進行總體設計，總體設計可以保證編程的思路清晰，明朗?？傮w設計完后進行分布設計，對各種功能實現(xiàn)進行單獨編程，有必要的時候對程序進行模塊化設計，節(jié)省編程空間和時間。分布設計完畢后，就進行系統(tǒng)的調試階段，在調試時，首先必須對系統(tǒng)調試步驟進行了解，對系統(tǒng)工藝進行了解，以免調試時出現(xiàn)差錯。 1．簡易編程器 簡易編程器就是很簡單的編程工具，在編程工具上我們可以看到功能輸入鍵，各種指令輸入鍵，各種指令地址數(shù)字輸入鍵，還有顯示屏顯示當前編程的具體情況。在編程時首先簡易編程器就可以直接接在可編程控制器的端口上，用專用的通訊電纜與可編程控制器進行連接，通過設置可以對可編程控制器進行程序設計調試工作。在編程時，首先對各種按鍵進行熟悉，在編程過程中必須進行記錄，以便后面的調試修改。在編程的時候必須對輸入輸出點的地址分配進行詳細說明，以免編寫程序過程中，思路混亂。在編寫程序結束后，就要對系統(tǒng)進行調試，調試的時候，必須判斷系統(tǒng)功能實現(xiàn)是否準確，如果不準確，對相應部分進行修改。使其準確。如果修改完畢，程序運行正常，就可以將簡易編程器拔下，保存。 2．圖形編程器 常用的圖形編程器是液晶顯示圖形編程器(手持式的)，它有一個大型的點陣式液晶顯示屏。除具有簡易型的功能外，還具有可以直接打入和編輯梯形圖程序，使用起來更方便，直觀。但它的價格較高，操作也較復雜。也有用CRT作顯示器的臺式圖形編程器，它實質是一臺專用計算機，它的功能更強，使用更方便，但價格也十分昂貴。 3．用專用編程軟件在個人計算機(PC)上實現(xiàn)編程功能 隨著PC的日益普及，最新發(fā)展趨勢是使用專用的編程軟件，在通用的PC上實現(xiàn)圖形編程器的功能。這一編程方法的最大特點是：充分利用PC機的軟、硬件資源(如：硬盤、打印及各種功能軟件)，大大降低了編程器的成本，同時也大大增強了編程器的功能，使用十分方便。一般的PC添置一套專用的“編程軟件”后就可進行編制、修改PLC的梯形圖程序，存貯、打印程序文件(清單)，與PLC聯(lián)機調試及系統(tǒng)仿真等。并且用戶程序可在PC、PLC之間互傳。具有以上功能后，PLC的程序(特別是大型程序)編程、調試就顯得十分方便和輕松。 輸入輸出 數(shù)字輸入6~24 數(shù)字輸出4~16 模擬輸入16~32 模擬輸出8~28 輸入輸出映像（可擴展） 128輸入 128輸出 硬件擴展 最多7臺擴展模塊 中斷輸入 4 脈沖數(shù)出 2（20k~100k） CPU特性 8個PID控制器 最多2個串行端口 實時時鐘 運行中編輯 浮點運算 狀態(tài)LED指示 CPU處理時間 位處理：0.22us 程序存儲器 4~25k 數(shù)據(jù)存儲器 2~10k 定時器 256 溫度模塊 16位分辨率 網絡擴展 串行通訊 AS-interface MPI Profibus-DP從站 Modbus主站/從站 通訊速率 PPI/MPI：187.5kbps 自由口：115.2kbps 編程軟件 Step7-MicroWIN 安裝方式 IEC導軌 工作電壓 DC24V/AC220V 本次設計的塑料擠出機機，通過計算，需要6個模擬量輸入點、5個模擬量輸出點，15個數(shù)字量輸入點、15個數(shù)字量輸出點?？紤]到要留有適量的余量以做備用，因此，一般可以按實際需要的10%～15%選擇。根據(jù)上述幾條，通過市場調查，發(fā)現(xiàn)注塑機中德國產的PLC在價格、售后服務和產品質量的綜合評比中，穩(wěn)居第一。通過綜合比較，選用西門子S7-200，CPU226，并且選用EM231CN這種擴展模塊4塊。具體如下表： 表3-1 CPU及其擴展模塊的選擇 序號 模塊名稱級描述 備注 1 CPU226 24DI∕16DO M1 2 EM235CN 4AIW∕1AQW M2 3.2變送器的選擇 根據(jù)塑料擠出機的溫度控制要求，8通道模擬量輸入模塊EM231輸入信號形式可以為電壓和電流，但由于模擬量的輸入模塊各通道輸入信號類型同步變化，因此在選擇傳感器（變送器）要考慮所有傳感器的輸出信號要盡量統(tǒng)一，即均為電壓信號0～5（10）V，或電流信號0（4）～20mA。若不能做到傳感器的輸出信號統(tǒng)一，則模擬量模塊的組態(tài)開關選擇為電壓輸入信號，再根據(jù)選擇的電壓范圍為0～5V還是0～10V輸出，在相應的電流輸入通道并接精密電阻（250Ω～500Ω）,以便將電流信號轉變?yōu)橄鄳碾妷盒盘?。溫度變送器是一種將溫度變量轉換為可傳送的標準化輸出信號的儀表。主要用于工業(yè)過程溫度參數(shù)的測量和控制。 變送器由兩部分組成：信號轉換器和傳感器。熱電偶和熱電阻作為溫度傳感器，測量單元和信號處理轉換作為信號轉換器，根據(jù)科技的發(fā)展，現(xiàn)在的變送器增加了許多輔助功能，比如顯示單元和現(xiàn)場總線功能。 溫度變送器選擇PT100變送一體化的變送器即可，溫度量程范圍為0～200℃，DC24V供電，4～20mA電流信號輸出，電力變送器可以選擇硅結構形式，量程范圍0～1.0MPa，輸出4～20mA的電流信號。溫度變送器的供電電源不得有尖峰，否則容易損壞變送器。變送器的校準應在加電5分鐘后進行，并且要注意當時環(huán)境溫度。測高溫時(>>100℃)傳感器腔與接線盒間應用填充材料隔離，防止接線盒溫度過高燒壞變送器。在干擾嚴重的情況下使用傳感器，外殼應牢固接地避免干擾，電源及信號輸出應采用Ф10屏蔽電纜傳輸，壓線螺母應旋緊以保證氣密性。只有RWB型溫度變送器有0～10mA輸出，為三線制，在量程值的5%以下,由于三極管的關斷特性造成不線性。溫度變送器每6個月應校準一次，如果DWB因受電路限制不能進行線性修正，最好按說明選擇量程以保證其線性 3. 3 熱電偶的選擇 熱電偶是工程上應用最廣泛的溫度傳感器。它具有結構簡單，使用方便，準確度高，熱慣性小，穩(wěn)定性和復現(xiàn)性好，溫度測量范圍寬，適用于信號的遠傳自動記錄和集中控制的優(yōu)點，在溫度測量中占有重要的地位。此外，通過熱輻射來測溫，不會破壞被測介質的溫度場。 熱電偶的測溫原理的以熱電效應為基礎的，將任意兩種不同的導體A/ B組成一閉合回路只要其連接點1、2溫度不同，在回路就產生熱電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱效應，我們就是利用熱電偶的熱效應來測量溫度的。從物理上看，熱電偶回路產生的熱電動勢主要是由接觸電動勢組成的。當兩種不同導體A，B接觸是時，由于導體兩邊的自由電子密度不同，在交界上邊產生電子的互相擴散。在接觸物體的一剎那，若導體Ａ中自由電子的密度大于導體Ｂ中自由電子的密度，則Ａ導體向Ｂ導體擴散的電子數(shù)將比導體Ｂ向導體Ａ擴散的電子數(shù)多，因而使導體Ａ失去較多的電子而帶正電荷，導體Ｂ得到較多的電子而帶負電荷，致使在導體Ａ、Ｂ接觸外產生電場，以阻礙電子在導體Ｂ中的進一步積累，最后達到平衡。平衡時，在Ａ、Ｂ兩個導體間的電位差稱為接觸電動勢。其值決定于兩個導體的材料種類和接觸點的溫度。 在熱電偶回路中，當接觸1、2的溫度不一樣，就產生兩個電動勢eAB(t)和eAB(0)。這時回路中的總電勢。 E(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0) (3-1) 式中：e下標字母表示電勢的方向。 在實際使用熱電偶時，在熱電偶回路中總要接入測量儀表及導線，如圖3-2所示：1為熱電偶ABC；2為測量儀表；3為連接熱電偶和測量儀表的導線。 圖3-1 圖3-2 熱電偶是由兩種不同導線或半導體材料焊接而成。焊接的一端稱為熱端（或工作端）與導線連接的一端稱為冷端。熱端插入需要測量的設備之中，冷端置于設備之外。 E(t,t0)=eAB(t)+eBC(t0)+eCA(t0) (3-2) 如果回路中各接點溫度相同，即t=t0，則回路總電勢E(t,t0)必為零，即 E(t,t0)=eAB(t)+eBC(t0)+eCA(t0)=0 (3-3) eBC(t0)+eCA(t0) = -AB(t0) (3-4) 2-4代入2-3可得 E(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0) (3-5) 式3-2同式3-3完全一樣，由此可見，在熱電偶回路中接入第三種導體的兩個接點溫度相等，回路中總電勢值不變。 但是，如果圖3-2中導體Ｂ、Ｃ和導體Ｃ、Ａ接點處溫度不同時，回路中總電勢會發(fā)生變化。所以，在使用熱電偶測溫時，冷端溫度應該使之相等。一般熱電偶很短(幾百mm～幾千mm)，熱電偶冷端溫度會隨設備和環(huán)境溫度不斷變化。為了保證測量精度，必須采取措施，使熱電偶冷端溫度保持恒定，可以把熱電偶做得很長，使冷端遠離被測物體，并連同測量儀表一起放到恒溫或溫度波動較小的儀表控制室。但是，這種方法是不經濟的，因為從現(xiàn)場到儀表室一般較遠，這將要耗費許多貴重的熱電板材料。所以一般要冷端補償。 哈爾濱理工大學學士學位論文 4． 塑料擠出機溫度控制系統(tǒng)的硬件設計 4.1 STEP7-Micro/WIN編程軟件介紹 PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP7-Micro/WIN 32 V3.1編程軟件開發(fā)。該軟件的SIMATIC指令集包括三種語言，即語句表（STL）語言、梯形圖（LAD）語言和功能塊圖（FWD）語言。下面著重介紹STEP7-Micro/WIN編程軟件。 （1）特點 （a）在Windows平臺上運行的SIMATIC S7-200 軟件簡單易學； （b）對于復雜的自動化工藝要求，能夠得到解決； （c）編程容易，易掌握； （d）可以擴展8個模塊； （e）在標準的Windows系統(tǒng)( 類似于Winword、Outlook)中運行。 （2）設計 STEP 7-Micro/WIN 有以下兩種版本： （a）STEP 7-Micro/WIN16 V2.1 用于Windows 3.1、Windows3.11、Windows 95、Windows 98或Windows NT，需要10MB存儲空間。 （b）STEP 7-Micro/WIN32 V3.1 用于Windows 95、Windows 98或Windows NT，需要35MB存儲空間。 STEP 7-Micro/WIN16 V2.1可以編制S7-21x 系列的全部功能。對于S7-22x 系列的附加功能不能編程。CPU與PG/PC通過PC/PPI電纜進行連接，不支持SIMATICCP、CP5511/5611。在Windows 3.1和Windows3.11下通過PC/PPI 電纜可以實現(xiàn)多主站模式。 STEP 7-Micro/WIN32 V3.1可以對S7-200的所有功能進行編程。CPU通過PC/PPI電纜或通過插在PG/PC上的CP 5511或CP 5611與PG/PC連接，通過PC/PPI 電纜可以在Windows 95 或Windows 98下實現(xiàn)多主站模式。 （3）功能 簡單的程序結構通過一個主程序調用其他子程序或中斷程序，保證了程序結構的清晰，此外，還可以生產數(shù)據(jù)塊； 可以用語句表(STL)和梯型圖(LAD)編程； 可以進行符號編程，通過符號表分配符號和絕對地址，并可打印輸出； 支持三角函數(shù)、開方、對數(shù)運算功能； 易學的指令集：指令由容易記的縮寫組成，相同的指令只需稍加修改就可用于不同的功能(例如指令MOVE根據(jù)傳送的方式不同有不同的形式)； 易于使用的組態(tài)向導。 STEP 7-Micro/WIN32 V3.1還支持以下功能： （1）附加的FBD顯示方法； （2）可以按照IEC 1131-3方式或S7-200方式運行LAD和FBD； （3）S7-22x CPU在子程序中使用局部變量； （4）向/從子程序傳送和回檢參數(shù)； （5）可以集成到STEP7 V4.x或STEP7 V5.x； （6）對于CP 5511和CP 5611支持S7-200 協(xié)議； （7） PG/PC接口的參數(shù)化與STEP7相似； （8）在線和離線調用SIMATIC STEP7管理器； （9）按IE瀏覽器的樣式使用項目管理和指令瀏覽； （10）從指令瀏覽器中將指令拖拽到工作面上； （11）所有的項目數(shù)據(jù)存儲在一個文件中； （12）STEP 7-Micro/WIN 的多種啟動設施，這將允許無故障地將語句和段落從一個項目傳送到另一個項目； （13）顯著地增加了打印功能，包括可以打印預覽。 4.2 控制要求 在本次設計中，我們的任務是用PLC來控制塑料擠出機的在完成一次擠出過程中經歷的幾個環(huán)節(jié)中的自動化控制。 移動 移動到位 電磁換向閥 接近開關輸入 熱電耦1 熱電耦3 熱電耦1 S7-200PLC及其擴展模塊 熱電耦2 圖4-1 塑料擠出機控制系統(tǒng)組成框圖 塑料擠出機的溫度控制主要是控制塑化部件的前部溫度，塑化部件的中部溫度和塑化部件的后部溫度。塑化部件的溫度經熱電耦的采集，將溫度信號送給溫度變送器，經溫度變速器的處理后，將模擬信號變成與溫度成線性關系的4～20mA電流信號輸出，輸出的信號送給S7-200PLC及其擴展模塊，經過S7-200PLC及其擴展模塊的處理后將輸出的數(shù)字量信號來控制固態(tài)繼電器，繼而控制塑料擠出機的加熱器的工作來時塑化部件的溫度達到一定的水平。 其硬件配置下圖所示： 圖4-2塑料擠出機溫度控制系統(tǒng)硬件配置圖 而分析控制的各個過程和環(huán)節(jié)，列出需要控制的量的分析表，如下所示： 表4-1 塑機控制系統(tǒng)測控點表 序號 測控點名稱 所需設備 AI AO DI DO 1 塑化部件前部溫度 熱電耦1 1 2 塑化部件前部溫度到達設定值 固態(tài)繼電器制 的電阻絲2 1 3 塑化部件中部溫度 熱電耦2 1 4 塑化部件中部溫度到達設定值 固態(tài)繼電器制 的電阻絲3 1 5 塑化部件后部溫度 熱電耦3 1 6 塑化部件后部溫度到達設定值 固態(tài)繼電器制 的電阻絲4 1 4.3 I/O地址分配 所選用的PLC及其擴展模塊的特點，在本次控制中所需要控制的量，可以將I∕O地址分配如下。 表4-2 模塊變量地址分配表 模塊 型號 測控點 PLC端子 備注 M1 CPU226 主電機啟動 I0.0 M1 CPU226 主電機停止 I0.1 M1 CPU226 輔電機啟動 I0.2 M1 CPU226 輔電機停止 I0.3 數(shù)字/模擬 輸入 M1 CPU226 加熱器1啟停 I0.4 M1 CPU226 加熱器2啟停 I0.5 M1 CPU226 加熱器3啟停 I0.6 M1 CPU226 接近開關1 I0.7 M1 CPU226 接近開關2 I1.0 M1 CPU226 接近開關3 I1.1 M1 CPU226 接近開關4 I1.2 M1 CPU226 接近開關5 I1.3 M1 CPU226 手動自動轉換 I1.4 M1 CPU226 水泵啟動 I1.5 M1 CPU226 水泵停止 I1.6 M1 CPU226 風機啟動 I1.7 M1 CPU226 風機停止 I2.0 M1 CPU226 油泵啟動 I2.1 M1 CPU226 油泵停止 I2.2 M2 EM235CN 塑化部件前部溫度 熱電耦1 AIW2 M2 EM235CN 塑化部件中部溫度 熱電耦2 AIW4 M2 EM235CN 塑化部件后部溫度 熱電耦3 AIW6 M2 EM235CN 壓力監(jiān)測 AIW8 M2 EM235CN 流量監(jiān)測 AIW10 M1 CPU226 主電機運行 Q0.0 數(shù)字/模擬 輸出 M1 CPU226 輔電機運行 Q0.1 M1 CPU226 加熱器1運行 Q0.2 M1 CPU226 電熱器2運行 Q0.3 M1 CPU226 加熱器3運行 Q0.4 M1 CPU226 電磁閥1DT Q0.5 M1 CPU226 電磁閥2DT Q0.6 M1 CPU226 電磁閥3DT Q0.7 M1 CPU226 電磁閥4DT Q1.0 M1 CPU226 電磁閥5DT Q1.1 M1 CPU226 電磁閥6DT Q1.2 M1 CPU226 加熱器1指示 Q1.3 M1 CPU226 加熱器2指示 Q1.4 M1 CPU226 加熱器3指示 Q1.5 M1 CPU226 水泵運行 Q1.6 M1 CPU226 風機運行 Q1.7 M1 CPU226 油泵運行 Q2.0 M2 EM235CN 主電機速度輸出 AQW0 M2 EM235CN 輔電機速度輸出 AQW2 M2 EM235CN 加熱器1輸出 AQW4 M2 EM235CN 加熱器2輸出 AQW6 M2 EM235CN 加熱器3輸出 AQW8 5 塑料擠出機控制系統(tǒng)的多路溫度控制設計 5.1 PID控制的原理和特點 所謂PID控制器：將偏差的比例（P）,積分（I）和微分（D）通過線性組合構成控制量，用這一控制量對控制對象進行控制，這樣的控制器就是PID控制器。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或是不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或是不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例，積分和微分計算出控制量進行控制的。 (1) 比例控制 比例控制能迅速反應誤差，從而減少穩(wěn)態(tài)誤差。系統(tǒng)的控制輸入如果為零，和系統(tǒng)過程值為期望值，這兩種情況下，比例控制的穩(wěn)態(tài)誤差進行輸出，當給定期望值發(fā)生變化，那么系統(tǒng)過程值也產生穩(wěn)態(tài)誤差，比例控制是不能消除穩(wěn)態(tài)誤差的，如果系數(shù)放大，那么就會導致控制系統(tǒng)震蕩。 圖5-1 比例控制 （2）積分控制 為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在積分控制過程中，PID控制器輸出的和輸入的誤差信號的積分為正比例的關系。所以為了達到穩(wěn)態(tài)誤差減小的目的，在PID控制器中就要加入積分控制，積分項主要取決于積分的時間值，當時間值加大，那么積分項也會加大，這樣誤差很小的情況下，積分項也隨著時間增大而加大。它推動了整個控制器的輸出增大，從而誤差進一步減小，知道穩(wěn)態(tài)誤差為零。 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。為了減小穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中加入積分項，積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加， 積分(I)和比例(P)通常一起使用，稱為比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。如果單獨用積分(I)的話，由于積分輸出隨時間積累而逐漸增大，故調節(jié)動作緩慢，這樣會造成調節(jié)不及時，使系統(tǒng)穩(wěn)定裕度下降。 圖5-2 積分控制 （3）微分控制 微分控制情況下，PID控制器的輸出信號和輸入誤差信號的微分成正比關系，由于在溫度控制中，有較大的慣性環(huán)節(jié)，或者滯后環(huán)節(jié)，在調節(jié)的時候可能出現(xiàn)震蕩。那么就引進微分控制方法，在誤差較大的時候，可以抑制誤差。知道誤差接近零，抑制誤差也就為零。 圖5-3 微分控制 5.2 數(shù)字PID控制算法 數(shù)字PID控制算法可以分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。增量式控制算法相較于位置式來說有許多優(yōu)點，因此采用增量式PID算法來實現(xiàn)。所謂增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量 。以T作為采樣周期，K作為采樣序號，則離散采樣時間t,用求和的形式代替積分，用增量的形式代替微分，在此，先對采樣周期的幾點要求有必要在此說明：采樣一數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)中，采樣速率為1/T設采樣周期為T。采樣周期作為重要的參數(shù)，控制系統(tǒng)和采樣周期有著很大的關系。 （1）香農（Shannon）采樣定理 （Wmax--被采樣信號的上限角頻率） 此定理要設置采樣周期的上限，為了使用這個定理，采樣信號可以恢復為原有的模擬信號。而不丟失很重要的信息。采樣周期時間越短，性能越接近于連續(xù)時間控制系統(tǒng)。 （2）閉環(huán)系統(tǒng)要求采樣周期小，以便于對信號的跟蹤。 （3）如果采樣周期小些，就可以達到抑制擾動的要求。 （4）對于執(zhí)行元件來說，采樣周期要有一定的寬度。 （5）計算機控制精度要求下，采樣周期也不宜過短。 （6）系統(tǒng)成本上考慮，采樣周期越長越有利。 考慮到上面的各種因素，采樣周期應該滿足系統(tǒng)的要求，盡可能降低成本的選擇采樣周期。 t≈kT (K=0,1,2,3,……….) 則可得離散的PID表達式為： （5-1） （5-2） 上式中 k-----采樣序號，k=0,1,2,3……..； ----第k次采樣時刻的計算機的輸出值； ----第k次采樣時刻輸入偏差值； ----第k-1次采樣時刻輸入偏差值； ------積分系數(shù)，; -----微分系數(shù)，; -----開始進行PID控制時的原始初值。 由式（5-1）可得孔子其在K-1個采樣值為： （5-3） 將式（5-1）與式（5-3）相減，并整理，可得增量式PID控制算法公式為： (5-4) 上式可以寫成： (5-5) 由于電阻爐一般都屬于一階對象，為了求出幾個系數(shù)，我們用到擴充響應曲線整定PID參數(shù)。式3-5可以改寫成： (5-6) PID控制算法