尿不湿包装机封口温度控制系统的研究Word下载.docx
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用组态王软件设计一个尿不湿包装机封口温度控制系统的界面,软件仿真系统在启动之后的温度的动态曲线。
关键词:
上位机;
PLC;
自动化温控;
PID算法;
组态王
Researchontemperaturecontrolsystemforsealingthediaperpackagingmachine
Hulijie
(Electronic&
InformationEngineeringDepartment,Supervisor:
Wuxiao)
Abstract:
Becauseindustrializationperfectdegreeenhancesunceasinglythemachineinsteadofmanualalsophenomenonalsobecomecommonplace.Agoodcontrolsystemiscloselyrelatedtopeople'
slife.Itisnotonlyrelatedtotheeconomiccostsandevenrelatestopersonalsafety.Soaperfectcontrolsystemisparticularlyimportant.Thispaperdiaperofthetemperaturecontrolsystemisproposedinviewofthereliabilityoftheinstrument,thesecuritydepartmentandrigorhavethestrictrequirementsofthesystem.DiaperstemperaturecontrolsystemofPCsystemisPC.WecanusePLCtocontrolthetemperature.ThemainworkofPLCcoresystemisresponsibleforthetemperaturedisplay,temperaturemeasurementandsamplinganalysisofsignalconversionoutput.WecansealtemperaturecontrolsystemwithKingviewtodesignadiaperpackagingmachineinterface.Ithasthedynamiccurveoftemperatureinthestartupsoftwaresimulationsystem.
Keywords:
PC;
PLC;
Automatictemperaturecontrol;
PIDalgorithm;
Kingview
1引言
尿不湿是由具有强吸收性特点的树脂材料制造而成,它的主要特点就是能够吸收大量的水,储水能力强,因而作为婴幼儿的尿布大量生产。
现在市场上的尿不湿种类繁多,使用者多为婴幼儿和行动不便的老人。
尿不湿在包装过程中,质量很容易受到影响。
包装封口时,封口的温度至关重要,温度太高,会使产品的美观受到很大的影响,温度过低,会直接影响产品的质量,在潮湿环境中可能会滋生大量细菌,对使用者身体造成伤害。
在包装机发展领域中,包装机的自我调节控制不仅能增加产量,使质量得到保障,而且能大大减少人力成本,并使能源得到更好的利用。
自动化的出现对包装机械行业有着深远的影响,它改变了传统的制造方法,节省了时间,让工作效率得到飞跃提升[1]。
因为PLC具有控制能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单、使用方便、易于扩展等优点,成为了当今及今后工业控制领域的主要手段和自动化控制设备[2]。
在许多行业的工业控制系统中,温度控制都是要解决的问题之一。
在一些热处理行业,由于使用简单的温控仪表和温控电路进行控制,存在控制精度低、超调量大等缺点,这样就造成了产品质量不高,能源浪费等问题[3]。
基于PLC在工业控制领域的普及性和温度控制的重要性,设计一个基于PLC的智能温度控制系统,具有很广的应用空间。
同时,由于PLC具有自身的一些缺点,即数据的计算处理和管理能力较弱,不能提供良好的用户界面,因此妨碍了对现场温度变化的跟踪与监控,而计算机可以很好的弥补的这一缺点[4]。
用计算机与PLC组成的主从式实时监控系统,能够充分发挥各自在工业控制中的优势,实现分散控制、集中监控等全新功能[5]。
本系统采用西门子公司S7-200系列PLC,通过PLC串口通讯与计算机连接,监控界面友好,运行稳定。
随着科学技术的不断发展,人们对温度控制系统的要求愈来愈高,因此,高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展趋势[6]。
2系统的总体设计方案
一个温度控制系统一般具有温度信号采集、信号处理、温度调节等功能。
在PLC的温度控制系统中,温度信号的采集可以使用常用的温度传感器热电偶。
由温度传感器检测来的信号不是标准的电压(电流)信号,不能直接送给A/D转换模块。
因此温度传感器采集到的温度信号要经过变送器的处理后才能被A/D转换器识别并转换为相应的数字信号。
根据所使用的温度传感器选用对应的温度变送器,本系统中我们选用T型热电偶温度传感器,所以温度变送器选择型号为SBWR-2560。
S7-200系列PLC常用的模拟量输入输出混合模块为EM235。
PLC对温度信号进行处理后,通过模拟量模块输出电流信号,电流信号可以通过调压器来控制电源的开度(即一周期内的导通比率),从而控制电源的输出功率。
加热器根据电源输出功率调节加热强度,从而达到温度调节的效果。
其系统图如图1所示。
图1温度控制系统图
2.1西门子S7-200
S7-200系列的CPU模块包括一个中央处理单元,电源及数字I/O点,这些都被集中在一个紧凑,独立的设备中,CPU负责执行程序,输入部分从外面采集信号,输出部分则输出控制信号,驱动外部负载。
从CPU模块功能来看,CPU模块为CPU22X,它具有5中不同的结构配置单元,如表1。
其中CPU221有6个输入点,4个输出点,无扩展能力,程序和数据存储较小,有一定的高速计数处理能力,非常适合少点数的控制系统。
CPU222它有8个输入点,6个输出点,相较于221,它可以进行一定的模拟量控制和2个模拟量扩展,因此是应用更广泛的全功能控制器。
CPU224它有14个输入点,10个输出点,与前两个相比,存储容量扩大了一倍,它具有7个扩展模块,有内置时钟,它具有更强的模拟量和高速计数的能力,是使用的最多的S7-200产品。
CPU224XP在224的基础上增加了输入点和输出点数,存储容量有所扩大,是产品的功能更强。
CPU226有24个输入点和16个输出点,与CPU224相比,增加了通信口数量,通信能力大大增强。
它可用于点数较多,要求较高的小型或中型控制系统。
表1S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元
型号
输入点
输出点
可带扩展模块数
S7-200CPU221
6
4
S7-200CPU222
8
2个扩展模块
S7-200CPU224
14
10
7个扩展模块
S7-200CPU224XP
24
16
S7-200CPU226
24
本系统中有2输入点和3输出点,需要一个模拟量扩展,CPU222有8输入点和6个输出点,带2个扩展模块,可以达到系统技术要求,所以本系统选用CPU222DC/DC/DC。
CPU用24VDC电源,24VDC输入,24VDC输出,其功率为5W。
2.2传感器
热电偶是一种感温元件,它直接测量温度,并把温度信号转换成热电动势信号。
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。
所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶,它有与其配套的显示仪表可供选用。
非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量。
标准化热电偶我国从1988年1月1日起,热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产,并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。
T型热电偶又称铜-康铜热电偶(铜/镍铜热电偶,分度号T,测量范围-200~+350℃),也是一种最佳的测量低温的廉金属的热电偶。
T型热电偶具有线性度好,热电动势较大,灵敏度较高,温度近似线性和复制性好,传热快,稳定性和均匀性较好,价格便宜等优点。
系统要求温度控制在200℃左右,T型热电偶满足系统的要求。
故系统采用的是T型热电偶。
2.3EM235模块
传感器检测到温度转输出电压信号,系统需要配置模拟量输入模块把电压信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。
在这里,我们选用了西门子EM235模拟量输入输出模块。
EM235是最常用的模拟量扩展模块,它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。
模拟量扩展模块接线图如图2。
图2模拟量扩展模块接线图
图2演示了模拟量扩展模块的接线方法,对于电压信号,按正、负极直接接入X+和X-;
对于电流信号,将RX和X+短接后接入电流输入信号的“+”端;
未连接传感器的通道要将X+和X-短接。
EM235的常用技术参数如下表:
表2 EM235的常用技术参数
模拟量输入特性
模拟量输出特性
模拟量输入点数:
输入范围:
电压(单极性)0~10V0~5V0~1V0~500mV0~100mV0~50m
电压(双极性)±
10V±
5V±
2.5V±
1V±
500mV±
250mV±
100mV±
50mV±
25mV
电流0~20mA
数据字格式:
双极性全量程范围-32000~+32000
单极性全量程范围0~32000
分辨率:
12位A/D转换器
模拟量输出点数:
1
信号范围:
电压输出±
10V
电流输出0~20mA
电压-32000~+32000
电流0~32000
分辨率电流:
电压12位,电流11位
2.4温度PID控制的实现
模拟量闭环控制较好的方法之一是PID控制,PID在工业领域的应用已经有60多年,现在依然广泛地被应用。
人们在应用的过程中积累了许多的经验,PID的研究已经到达一个比较高的程度。
PID控制原理简单,使用方便,适应性强,鲁棒性强,其控制品质对被控对象的变化不太敏感,非常适用于环境恶劣的工业生产现场。
PID算法有一套完整的参数整定与设计方法,易于被工程技术人员掌握。
比例控制(P)是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
其特点是具有快速反应,控制及时,但不能消除余差。
在积分控制(I)中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
积分控制可以消除余差,但具有滞后特点,不能快速对误差进行有效的控制。
在微分控制(D)中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。
微分控制具有超前作用,它能预测误差变化的趋势。
避免较大的误差出现,微分控制不能消除余差。
PID控制,P、I、D各有自己的优点和缺点,它们一起使用的时候又和互相制约,但只有合理地选取PID值,就可以获得较高的控制质量。
2.5PID控制算法
图3 带PID控制器的闭环控制系统框图
如图3所示,PID控制器可调节回路输出,使系统达到稳定状态。
偏差e和输入量r、输出量c的关系:
(1)
控制器的输出为:
(2)
上式中,
——PID回路的输出;
——比例系数P;
——积分系数I;
——微分系数D;
PID调节器的传输函数为:
(3)
数字计算机处理这个函数关系式,必须将连续函数离散化,对偏差周期采样后,计算机输出值。
其离散化的规律如表3所示:
表3 模拟与离散形式
模拟形式
离散化形式
所以PID输出经过离散化后,它的输出方程为:
(4)
式4中,
称为比例项;
称为积分项;
称为微分项;
上式计算中,没有必要保留所有的采样周期的误差项,只需要保留积分项前值,计算机的处理就是按照这种思想。
故可利用PLC中的PID指令实现位置式PID控制算法量。
2.6PID参数整定
PID参数整定方法就是确定调节器的比例系数P、积分时间Ti和微分时间Td,改善系统的静态和动态特性,使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。
一般可以通过理论计算来确定,但误差太大。
目前,应用最多的还是工程整定法:
如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。
经验法又叫现场凑试法,它不需要进行事先的计算和实验,而是根据运行经验,利用一组经验参数,根据反应曲线的效果不断地改变参数,对于温度控制系统,工程上已经有大量的经验,其规律如表4所示。
表4 温度控制器参数经验数据
被控变量
规律的选择
比例度
积分时间(分钟)
微分时间(分钟)
温度
滞后较大
20~60
3~10
0.5~3
实验凑试法的整定步骤为“先比例,再积分,最后微分”。
1)整定比例控制
将比例控制作用由小变到大,观察各次响应,直至得到反应快、超调小的响应曲线。
2)整定积分环节
先将步骤1)中选择的比例系数减小为原来的50~80%,再将积分时间置一个较大值,观测响应曲线。
然后减小积分时间,加大积分作用,并相应调整比例系数,反复试凑至得到较满意的响应,确定比例和积分的参数。
3)整定微分环节环节
先置微分时间Td=0,逐渐加大Td,同时相应地改变比例系数和积分时间,反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。
3系统的程序设计
STEP7-MWIN32编程软件是基于Windows的应用软件,是西门子公司专门为SIMTICS7-200系列PLC设计开发的。
该软件功能强大,界面友好,并有方便的联机功能。
用户可以利用该软件开发程序,也可以实现监控用户程序的执行状态,该软件是SIMATICS7-200拥护不可缺少的开发工具。
3.1I/O点分配
该温度控制系统中I/O点分配表如表5所示:
表5I/O点分配表
DI
AI
DO
I0.1启动按钮
I0.2停止按钮
AIW0模拟电压存储地址
Q0.0运行指示灯(绿)
Q0.1停止指示灯(红)
Q0.3固态继电器
3.2设计思路
PLC运行时,通过特殊继电器SM0.0产生初始化脉冲进行初始化,将温度设定值,PID参数值等,存入有关的数据寄存器,使定时器复位。
按启动按钮,系统开始温度采样,采样周期为10秒。
T型热电偶传感器把所测量的温度进行标准量转换,模拟量输入通道AIW0通过读入模拟电压量送入PLC。
经过程序计算后得出实际测量的温度T,将T和温度设定值比较,根据偏差计算调整量,发出调节命令。
控制程序流程图如图4所示。
图4控制程序流程图
3.3梯形程序
图5 系统运行梯形图
上述程序中,I0.1和I0.2分别是启动和停止按钮,Q0.0和Q0.1分别是系统运行指示灯(绿灯)和系统停止指示灯(红灯),程序启动,绿灯亮,程序停止,则红灯亮。
M0.0和M0.1是中间继电器。
图6调用PID程序梯形图
这里用SM0.0直接调用了编程软件自带的PID子程序,即就是用PID指令向导编程。
上面的指令中,PV_I为反馈值,也就是热电偶将检测到的当前温度值送入温度模块后输出的模拟电压值AIW0;
Setpoint_R为设定值。
每个PID回路都有两个输入变量,给定值SP和过程变量PV。
执行PID指令前必须把它们转换成标准的浮点型实数。
即先把整数值转换成浮点型实数值,再把实数值进行归一化处理,使其为0.0-1.0之间的实数。
归一化的公式为
(5)
式中,R1为标准化的实数值;
R为未标准化的实数值;
M为偏置,单极性为0.0,双极性为0.5;
S为值域大小,为最大允许值减去最小允许值,单极性为32000,双极性为64000。
在本项目中,R=200,即设定的温度值为200℃,S=32000,M=0.0,所以按照归一化公式R1=200/32000+
0.0=0.00625,即Setpoint_R为0.00625。
图7 PID输出转化成占空比梯形图
该网络的程序功能是把PID回路输出转换成占空比。
因PID回路的输出PID0_Output为0.0-1.0之间的实数值,又因我们设置了采样时间为10秒,所以第一个指令MUL_R中INT2为100.0。
ROUND是将实数转换成双整数,DI_I是将双整数转换成整数。
VW2和VW4分别是采样周期内的加热时间和非加热时间。
图8定时器控制加热时间梯形图
上述程序用了两个100ms的定时器T241和T242来控制加热时间,其中Q0.3为连接固态继电器的输出端子。
图9温度当前显示和设定值显示梯形图
该网络的程序是为了在电脑上通过STEP7-Micro/WIN编程软件显示当前温度和设定温度值而写的,其实也就是归一化的逆过程。
若无该网络,则显示的温度值都是归一化的实数值,不便于记录和观察。
4软件仿真
HMI监控系统由监控主画面及相应的功能子画面组成,HMI画面设计对于HMI来说是非常关键的。
HMI画面是用组态软件来做的,常见的组态软件有西门子公司的Wincc、罗克韦尔公司的RsView及国产的组态王、力控等。
在本温度控制系统设计中,我们选择了组态王来完成监控画面的设计。
组态王和其他组态软件相比最大的优势是它操作方便,提供了资源管理器式的操作主界面,并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持,对于新手来说很容易上手。
用组态王设计一个尿不湿包装机封口温度控制系统的界面,里面包含温控曲线,温度计,当点击启动的时候,温度的示数将随着时间的变化而增加,到200℃的时候,将不再有大幅度变化,温度持续保持在200±
3℃,满足了包装机封口温度的要求。
设计的温度控制系统还具有报警功能,当温度低于197℃或者高于203℃时,警示灯会从绿色转变成红色,给人们以警示。
当按下“启动”键后,温度开始逐渐上升,组态软件设计的温度控制界面见下图10。
图10组态温度控制界面1
当温度上升至200℃后,开始趋于稳定,不再发生较大变化,只在200±
3℃范围内上下波动,如图11,图12。
图11组态温度控制界面2
图12组态温度控制界面3
当按下“停止”键时,温度缓慢下降,曲线呈下降趋势,直至为0,如图13。
图13组态温度控制界面4
5结论
本论文研制的尿不湿包装机封口温度控制系统基本上完成达到了系统设计的预期要求,使尿不湿包装机的封口温度在200±
3℃区域内,当高于此温度时,系统会发做出判断,自动调节作降温处理,当低于此温度时,系统会作出升温处理。
此系统控制温度较为稳定,当温度发生偏差时能够迅速地作出调整动作,控制效果好。
结束语:
温度控制对于小到人们的日常生活大到钢铁等大型工业生产过程都具有广阔的应用前景。
通过对本课题从理论上的研究到具体实现我感到自己无论在理论水平和实践经验上都有了很大的提高,尤其是课题要求不仅仅停留在原理设计上,而要求研制出可以实际应用到工业控制现场的温度控制系统,对我来说更是一次挑战。
让我增长了不少实践经验,通过应用所学的控制理论,对实际被控对象进行控制,对原来头脑中一些不清晰的理解的不透彻的概念的物理意义有了清楚的认识,使我对控制理论的理解更加深入。
致谢:
本论文是在吴老师的悉心指导下完成的。
一路上,碰到了不少的麻烦和困难,还好有吴老师及时指点迷津。
论文开始的时候,很多东西都不懂,吴老师为我毕业选题提供了意见,并指导我如何入门,不但给我提供了很好的意见,还在我碰到困难,难以解决的时候就给予指导。
在此衷心地感谢吴老师。
感谢我们的组长,在论文方面给了很多建议和帮助,感谢舍友们在我写论文期间提供的精神支持。
感谢含辛茹苦培养我的父母,他们在我过去的时间里,给予我无微不至的关怀和照顾,给我提供物质和精神上的支持。
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