基于PLC的丝光机控制系统毕业设计说明书.docx
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基于PLC的丝光机控制系统毕业设计说明书
毕业设计说明书
丝光机的PLC控制系统设计
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摘要
近年来,我国纺织工业有了很大的发展,己成为世界上第一纺织大国。
丝光机是国内纺织印染行业大量采用的印染设备,由可控交流调速系统实施驱动与控制,因为直流调速系统存在着许多的弊端:
比如需要长期维护、可靠性比较低、灵活性比较差、响应速度比较慢、故障停车时间长而且没有故障自检测功能,所以严重影响着生产线上正常的运行。
在本设计提出了基于PLC控制的交流变频调速系统,系统中主令机和各从动机都采用交流电动机,采用高功能性v/f控制的通用变频器,由此构建了一种新型丝光织染系统。
本设计的丝光机是对针织物进行丝光处理,织布车间织出的布比较硬且手感不好,另有许多斑点,需要经过一系列处理,如碱洗、去斑点。
因为经过浸碱的布,碱性大,则需要用酸中和,丝光机就是完成上述工艺的联合机。
本文首先介绍了国内外印染行业发展的状况,其次介绍电动机调速技术的发展和现状,对丝光机交流变频调速系统的方案进行了论证,再介绍本设计所需硬件的型号和性能,最后,介绍了系统的生产流程、系统的电气结构,硬件配置和软件实现。
关键词:
丝光机;可编程控制器;通用变频器;变频调速
ABSTRACT
Inrecentyears,China'stextileindustryhasmadegreatdevelopment,hasbecometheworld'sfirsttextilebigcountry.Mercerizerdyeingequipmentisextensiveuseofthedomestictextileindustry,implementationdrivenbyacontrollableACspeedcontrolsystem,becausetherearemanyDCdrivesystemdrawbacks:
suchastheneedtomaintainlong-termreliabilityisrelativelylow,relativelypoorflexibility,theresponseisslow,longtimeandnotroubleparkingfaultself-testfunction,soseriouslyaffectedthenormaloperationoftheproductionline.
InthisdesignproposesPLCACvariablespeedcontrolsystembasedonthesystemfromthemastermachineandthevariousmotivesareACmotors,highfunctionalityusingacommoninverterv/fcontrol,therebyconstructedanewsilkZhiransystem.Themachineisdesignedsilkknittedfabricmercerized,weaveclothweavingworkshoprelativelyhardandfeelgood,whilemanyspots,needtogothroughaseriesofprocessing,suchascaustic,gotospots.Becausethebaseclothsoakedthroughalkalinebig,youneedtouseanacidneutralization,mercerizingmachineiscompletionofthejointprocess.
Thispaperdescribesthestatusofthedevelopmentofdomesticprintinganddyeingindustry,thenintroducesthedevelopmentandcurrentstatusofthemotorspeedcontroltechnology,themercerizerACvariablespeedsystemsolutionsweredemonstrated,andthenintroducethemodelandtheperformanceofthehardwarerequiredforthedesign,andfinally,introducedthesystemoftheproductionprocess,theelectricalstructureofthesystemhardwareconfigurationandsoftware.
Keywords:
mercerizer;programmablecontroller;niversalConverter;frequencycontrol
1概述
1.1课题背景
自改革开放后,中国的印染行业已经进入了高速增长期,印染制造业也开始兴起。
但是,当我国的印染市场低端产品的需求逐渐趋于饱和以后,又随着我国加入世贸组织,国际市场也逐步打开,中国的印染行业融入了全球贸易链,成为世界的加工车间。
但是当面临经济危机时陷入窘境时,中国的劳动力优势不再,印染行业也进入了转型升级的关键时期。
对印染行业来说,2013年依然是接受考验的一年,也是印染行业实现大跨步的一年。
行业锐意进取,坚持产业结构调整与创新升级,实现了行业基本平稳的增长,经济效益明显好转,利润、投资、出口等主要经济指标增速较2012年有较大提升。
2014年行业面临的国内经济环境有望趋好,三中全会改革号角的吹起也将给行业带来新的发展契机。
2013年1-9月,规模以上印染企业印染布产量419.15亿米,同比减少2.11%,增速较2012年同期回落2.62个百分点。
1-9月份,规模以上1899家印染企业主营业务收入2623.07亿元,同比增加8.53%,增速与去年同期相比上升1.89百分点;实现利润总额110.79亿元,同比增加20.75%,增速与去年同期相比上升9.56百分点;出口交货值441.20亿元,同比增加3.86%,增速与去年同期相比上升5.25个百分点。
1-9月份,规模以上印染企业实际完成投资217.10亿元,同比增加30.60%,高于纺织工业投资增幅17.20个百分点;施工项目数589个,同比增加35.09%;新开工项目数455个,同比增加44.44%;竣工项目数169个,同比增加11.92%。
出口继续保持平稳增长。
1-9月份印染八大类产品进出口总额182.88亿美元,同比增加11.35%,增速较去年同期上升11.55个百分点;贸易顺差141.41亿美元,同比增加18.27%,增幅较去年同期上升14.72个百分点。
2013年1-9月份,印染八大类产品出口数量、出口金额较2013年1-5月分别小幅增长0.93个百分点、1.42个百分点。
出口平均单价1.17美元/米,增速较去年同期上升1.27个百分点,出口平均单价从2012年开始到现在一直处于平稳增长状态
在此背景下,为了进一步促进我国纺织业的健康发展,使我国从一个纺织大国转变成一个纺织强国。
我们因此提出了丝光机控制系统的设计。
1.2丝光工艺和丝光设备
1.2.1丝光工艺简介
纺织工业在我国的国民经济中占有重要的地位,是创收入的重点行业,而所有的纺织品几乎都需经过染整加工后才能满足服装和装饰对纺织品性能和质量的要求。
随着人们物质文化和生活水平的不断提高以及工业生产的发展,在国际中,纺织品竞争日趋激烈,对染整产品的需求正在从产量向质量转移,所以要对染整产品的质量提出更高的要求。
丝光是印染工艺中的基础工序之一,它对产品的质量起着重要作用,大部分棉及其混纺织物在进行染色和印花加工前都需进行丝光处理。
丝光是指棉及其混纺织物在经纬向都受到一定张力的情况下,用浓烧碱或其它化学药品处理,以改变棉纤维的结构和形态,从而达到改善纤维性能的加工过程。
丝光工艺是用氢氧化纳溶液对纯棉或高含棉量的纱线和织物进行处理以增加其表面光泽的工艺。
墨塞丝光处理法,即在摄氏15-25度下,将棉制品置入烧碱溶液中浸泡25-40秒。
在这种状况下,棉纱或者棉布完全浸于烧碱溶液中,对于机织织物,通常使用烧碱的浓度是20-24%,对于纱线,使用烧碱的溶液浓度是24-26%。
用高浓度的烧碱处理后,将会破坏纤维的螺旋形状,增强其染色时候的附着力。
同时还可以使织物产生光泽,并具有稳定的尺寸(防缩水性)。
对于有效的丝光处理过程,其一是需要将棉纤维完全被高浓度烧碱溶液渗入(润湿),同时还需要其它的湿润剂去除溶液的表面张力。
丝光工艺条件不同所获得的丝光效果是不一致的,多年来为了达到丝光的理想效果,实现丝光工艺的高效,国内外有关方面均作了大量试验研究和探讨。
得出影响丝光效果的因素有很多,主要是烧碱的浓度、温度、作用时间、光时的张力和丝光后去碱等。
1.2.2丝光设备
常用丝光机有布铗丝光,弯辊丝光和直辊丝光机。
以布铗丝光机效果最好,应用最广。
(1)布铗丝光机
由前轧碱槽、绷布辊、后轧碱槽、布铗扩幅装置、去碱箱、平洗机等部分组成。
优点:
张力易控制,织物缩水率、去碱效果比具它丝光机理想。
缺点:
布铗部分易产生机械性疵布,设备占地大。
(2)弯辊丝光机
与布铗丝光机的区别主要在于扩幅与初洗部分,其扩幅部分是由一个浅平阶梯铁槽和10~12对弯辊组成。
扩幅作用是依照织物绕经弯辊套筒弧形斜面时所产生的纬向分力将其门幅展宽。
优点:
弯辊丝光机加工时,常常两层织物叠在一起进行,产量较高,有机身短、结构筒单的优点,
缺点:
洗碱效率低,扩幅效果差。
易产生经密不匀,纬纱成弯月状,染色易有阴阳面,应用远不如布铗丝光机广。
(3)直辊丝光机
与前两种不同的是,没有轧车和绷布辊筒,也没有扩幅装置。
特点:
常以双层进行,产量较高,丝光均匀,不会产生破边。
缺点:
机身较短,传动简单,操作方便,但扩幅作用差(纬回缩水率难达国标)。
但国内有的厂采用布铗与直辊并用,较好的解决了这一问题。
2系统总体方案
2.1丝光机调速系统方案的论证
丝光机的动力主要是由电动机驱动,根据生产设备对电动机转速的要求进行控制和调节,这对生产的产品质量是一个非常有影响的因素。
电动机调速性能的好坏,对产品质量的提高、生产效率的提高和节能有着极其重要的影响。
以前的丝光机调速系统大多采用直流调速系统,但是直流调速系统存在比较多的弊端。
如果采用交流调速系统,不仅会提高丝光机的质量,而且可以大大减少系统的能耗,大幅度的节约电能。
2.1.1直流调速系统所存在的问题
在一段比较长的时期内,直流调速系统凭着调速范围比较广、小的静差率、好的稳定性以及有着良好的动态性能,在调速的领域中,直流调速在这段时间内占据着主导的地位。
生产设备所具有的高性能调速系统基本上是都采用了直流调速系统。
但是直流调速系统却解决不了直流电动机本身的换向问题和在恶劣环境下的不适用问题,随着时代的发展,我们对调速系统的要求也愈来愈高,比如要制造容量大、转速高以及电压高的直流电动机是十分困难的,这给直流调速系统的发展和应用带来了许多的不利。
再加上直流电机的一些缺点,如机械式的换向器表面线速度及换向电流、电压有一个极限值,这就限制了直流电动机的转速和功率;机械式换向器要能可靠正常的工作,就要增大电机的电枢和换向器直径,这会导致电机转动惯量增大;机械式换向器还必须要长期的进行检查和维修,电刷也必须定期更换;还有在一些易燃、易爆、多粉尘、多腐蚀性气体的生产环境下都不能或不宜使用直流电动机。
这都限制直流调速系统的发展。
2.1.2交流调速系统的发展和现状及优点
自1885年发明了交流电动机,因为没有找到理想的调速方案,所以交流电动机一直只在恒速拖动领域应用到了。
到20世纪70年代时期,解决了交流电动机调速方案中的问题所在,所以交流调速马上就得到迅速的发展,现在在生产设备上的调速系统都使用了交流调速系统,可见交流调速系统正在逐步取代直流调速系统。
目前,交流调速系统与直流调速系统相比,交流调速系统更受欢迎,其静、动态特性都可以与直流调速系统相媲美了。
交流调速系统还具有如下优点:
容量比直流电机大;转速比直流电机高且还耐高温,更好应用与生产设备中;交流电动机的体积、重量比同等容量的直流电动机都要小,而且交流电机结构简单、经济可靠、惯性小,比直流电机更实用些;交流电动机比直流电动机适应环境的能力更强些,且坚固耐用,可以在十分恶劣的环境下使用,这让交流电机的应用非常广;交流调速系统比直流调速系统更节能些。
从各方面来看,交流调速系统最终将取代直流调速系统。
从交流异步电动机的转速表达式:
(1)
由式
(1)可归纳出交流异步电动机具有三种调速方法:
变极对数的调速、变转差率调速及变电源频率调速。
本设计是要求各电机调速功能由变频器完成。
交流变频调速凭着优异的调速性能和平稳性能及高效率、高功率因数、节能效果和广泛的适用范围等优点,使国内外把交流变频调速认为是在各个领域中最具有发展前途的调速方法。
交流变频调速控制的优点主要有:
(1)交流变频调速是使用异步电动机,和同容量的直流电动机相比,具有体积小、占空间小、可靠性高、维护方便、结构简单和价格低等优点。
(2)交流变频调速的电源是使用先进的SPWM技术,显著地改善了电机运行的质量和性能,加上控制精度提高、调速范围变宽,动态性能更好,正逐步取代直流电机调速。
(3)交流变频调速的电源是使用先进的SPWM技术,显著改善了电动机供电电源的质量,减少了谐波,提高了效率和功率因数,明显节能了。
(4)容易对现在的电动机实现调速控制,可以大范围的实现高效连续调速控制,实现精确的控制速度。
(5)容易实现电动机正转反转的切换,可以进行高频率的起停运转,可以实现电气制动,可以对电动机实现高速驱动。
(6)电机在带动较大的负载启动时,会产生较大的冲击电流,但采用变频时,可以实现软启动,减小冲击电流,可以解决大负载的启动问题。
(7)电源功率因素高,所需的容量小,对电网的损害比较小。
(8)具有比较完善的系统保护功能:
变频器很强的保护功能,能够使电机在运行过程中随时随地的检测到各种故障,而且还可以显示故障的类别,如电网瞬时电压降低、功率模块过热、直流过电压、电网缺相、电机短路等,并立即封锁输出电压。
这种保护功能,不仅保护了变频器,而且保护了电机不易被损坏。
2.1.3基于PLC的丝光机交流变频调速系统
20世纪80年代,国外大量使用PLC控制的交流变频调速系统,在节能和节约维护设备的成本上都取得了非常可观的效益。
20世纪90年代,在国内部分厂家的生产设备在生产上也正使用由PLC控制的交流变频调速系统。
近些年来,PLC控制设备在我国得到了迅速的发展,在我国引进外国的设备中,有很大一部分都是由PLC控制的,国外的PLC产品已经进入我国的市场。
我国各行业得生产设备中也出现了大批使用PLC改造设备的成果,如机械行业,采用PLC作为控制装置的生产设备越来越多。
使用PLC控制后,可以在生产时在控制的软件中把生产上规定的工序和加工时间写进去,这样就可以减少了中间人为因素的影响,可以提高产品的质量。
变频调速技术已成为节能和提高产品质量的有效措施。
实践证明:
交流变频调速比直流调速更具有优越性,且PLC控制比传统的继电接触器控制也更具有优越性。
在国内外不仅大量的使用了基于PLC控制的交流变频调速技术,而且带来了良好的经济效益。
所以,丝光机所采用PLC控制的交流变频调速系统是必要的和可行的。
2.1.4系统的同步设计
本设计所设计的丝光机是指对针织物进行处理,而针织物一旦受力不均产生拉力,即使拉力虽小一般也容易变形。
所以在生产过程中要采取松式处理,即要求每个生产单元的针织物速度相同,以保证织物在运行过程中不会受到张力。
所以生产设备的每个电动机要求速度相同,或者说保持一定的速度比值。
本设计各单元电机均采用线速度跟随系统。
即先设置给定电机M1的速度,再根据生产线上松紧架反馈的速度和M1的速度来确定M2的速度,以此类推,可得出5个从电机的速度,这样实现通常所说的“同步”传动方式。
即先调节主令机M1的速度,再调节其它从动机M2-M6的速度,使它们的速度与M1的速度达到协调一致。
如图1所示。
图1同步系统图
2.2系统的结构框图
本设计丝光过程设备流程:
丝光过程是由一条生产流水线自动完成,其中主要包括进布、浸碱、反应、稳定、水洗、出布等六个环节,每一个工艺都需要拖动系统,从而每一个工艺都需要电动机,工艺上要求各个电动机保持相同的线速度,或者保持一定的速度比值运行,这就是我们常说的“同步”传动方式,因为针织物弹性较大,受到拉力容易变形。
系统中主令机和各从动机均采用交流电动机,其中M1为主令机,M2-M6为从动机,M1还要负责带动测速发电机,通常先调节主令机速度,再调节其它从动机,使它们的速度保持与主令机一致,其中各电机调速均由变频器来完成。
PLC负责采集电机速度及各单元的线速度,并进行处理计算,从而向变频器发出起停等信号。
系统的结构框图如图2所示
图2系统的结构框图
3硬件设计
3.1变频器的选择
3.1.1变频器的功能与构成
变频器实现的功能:
(1)节能的应用
通过变频器实现调速运行能够节能,这是变频器应用最典型的一个优点。
其中有风机和泵类机械运行时的节能效果最为显著。
(2)提高生产效率
变频器最重要的目的是提高生产效率:
①保证加工时的最佳转速
②适应在不同负载时有最佳转速的工作状态
采用变频器能够实现多种速度运行,往往可以解决快速和准确停车之间的转换。
高速运行时可以缩短搬运物品的时间,低速运行时速度虽慢但有利于提高准确停车的精度。
③原有设备的增速运转
设备运行的速度往往直接影响到产品的生产质量。
但异步电动机的额定速度会限制设备的运行速度。
如果要机械设备在工作时保持最大的生产能力,则要使异步电动机保持在额定状态下工作。
但在现实中不可能实现,但如果采用变频器传动,适当的提高转速,则很容易提高产品质量和生产的效率。
④高精度准确停车
生产过程中在预定的位置能够准确停车,对减小间歇时间来说是十分必要的。
而减少间歇时间又对提高生产效率起着很大的作用。
(3)提高产品质量
生产过程中如果引入变频器传动,则可以使装置、机械性能得到提高,而装置、机械性能的提高又可以提高生产过程中的产品质量。
变频器可以通过提供加工对象的最佳速度、平滑的加速或减速、高精度的转矩来提高产品的质量。
(4)设备的合理化
高性能的交流调速系统实现,则注定要取代直流电动机,交流电动机可以克服直流电动机电刷、换向器不易维护等困难。
而且通过充分利用变频器的功能,使大部分生产机械的具有更多的功能。
(5)适应和改善环境
对环境的适应性强,并且对环境引起的危害小,是变频传动的又一个特点。
变频器可用于某些有爆炸危险性的气体和可燃性溶剂的生产设备,也可用于具有腐蚀性气体的场合,还可以用于户外、极度潮湿的场合或者水中电动机的调速传动。
变频器的基本原理见图3。
图3变频器基本原理图
3.1.2变频器的型号选择
由于变频调速存在着诸多的优点,使得交流变频调速在印染行业也得到广泛的应用。
在本设计中,选用了通用变频器,目前,市场流行的通用变频器有着许多的种类,在印染行业中使用的通用变频器的类型也不少,其控制系统的结构虽然存在着些许的不同,但其总的控制思想却是大同小异。
VS-616G5型变频器是安川公司在21世纪在面向世界时所研制的通用型变频器。
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①该变频器是基于现代控制理论的磁通观测器、神经元控制,直接控制转矩,真正的电流矢量控制达到高精度转矩控制
速度控制范围:
1:
1000
速度控制精度:
土0.02%
起动转矩:
150%/r/min
②操作设置简单
③多种控制功能以满足各种机械需要。
④应
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