电泳涂漆槽温度控制系统改造转正论文.docx
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电泳涂漆槽温度控制系统改造转正论文
本科生实习论文
题目电泳涂漆槽温度控制系统改造(初稿)
本文介绍了钢带车间电泳涂漆槽的温度过程控制系统。
电泳涂漆槽的温度在一定程度上反映了涂漆带的质量。
为了提高涂漆带的质量,应尽量保证电泳涂漆槽的温度在电泳涂漆所要求的温度范围内。
通过调节加热器加热漆液和冷却水阀门调节循环泵,保证循环漆液在所要求的温度范围内。
在本温度控制系统中,采用西门子S7-200,将两个温控形成闭环PID。
后期可以采用HMI模块做即时显示功能。
关键词:
涂漆温度控制,PID,PLC
目录
1前言1
2系统分析1
3系统设计2
3.1硬件部分设计2
3.2软件部分设计4
3.3系统PID仿真5
6参考文献9
附:
系统构成图9
1前言
电泳涂漆是把工件和对应电极放入水溶液树脂制成电泳漆液中,接上直流电源后,在电场的作用下,涂料在工件上沉积形成均匀涂膜的一种先进的施工工艺,具有漆膜均匀,附着力强,质量好,涂料利用率高,施工速度快优点;涂料以水为溶剂。
电泳槽为一高900mm的不锈钢制槽子,内含导向装置,加热装置,电泳槽配备有漆液循环净化装置,漆液冷却装置。
电泳槽入口处有阳极装置。
涂漆带在此槽内进行涂漆工艺。
电泳涂漆槽在涂漆过程中充当十分重要的角色,其槽内温度升高,漆液粘度下降,电泳漆树脂离子的运动加快,沉积速度加快,有利于涂膜增厚。
但是温度过高也可能导致杂质离子传递过快,水解反应加剧使漆膜出现针孔、桔皮等缺陷。
电泳过程一般伴随着放热,漆液温度会不断升高,因此必须进行冷却。
因此,通过调节加热器和冷却水来控制稳定漆液的温度,从而保证漆液正常附着在钢带上,进而保证涂漆带的质量要求
2系统分析
现有的电泳涂漆槽温度控制系统为两个加热管持续加热,冷却水循环泵冷却循环漆液,根据机械测温表来开关加热管和冷却水。
采用固定接线的逻辑控制,存在系统体积大、耗能大、效率不高等缺点。
随着计算机控制和自动化程度的提高及PLC的出现,使得温度控制系统变得高效稳定且可控可调。
电泳涂漆槽内的漆液温度为系统的控制量,其温度由槽内的加热器和冷却循环泵决定。
漆液的温度在一定程度上决定着涂漆的效果。
电泳涂漆过程中要求漆液温度控制在33-35℃以内。
涂漆槽内温度过高时打开冷却水循环,温度低时打开加热器。
设冷却漆液出口温度为TT1,槽内漆液温度为TT2,加热器开关为TC1,冷却水开关为TC2。
调节器采用PLC控制,对两处温度进行闭环PID控制调节。
通过检测出的温度TT1和TT2送入PLC中进行PID运算,输出控制TC1和TC2,从而完成对槽内漆液温度的控制。
同时可在软件设置中设计报警装置,高于涂漆温度和低于涂漆温度即触发报警装置。
报警装置可采用信号灯指示,未在涂漆温度内信号灯常亮,在涂漆温度区域内信号灯灭。
图2.1系统框架
3系统设计
3.1硬件部分设计
选用仪器设备:
S7-200CPU224
EM235模块
MXSBWZ热电阻温度变送器,SBWZ-2460(PT100)
ZDLP-16K电动调节阀
MXSBWZ热电阻温度变送器采用二线制传送,工作电源电压在12-35V,额定工作电压24V。
环境温度影响
℃,额定电压24V工作时额定负载250Ω。
环境温度-25℃~80℃(常温型)。
测温范围:
-200℃~600℃。
热电阻信号变换成输入电信号线性输出4-20mA信号,变送盒可以一体式安装。
其主要特点为:
1、采用环氧树脂密封结构,因此抗震、耐温,适合在恶劣现场环境中安装使用。
2、现场安装直接输出4-20mA,这样省去了信号转换步骤,提高了信号传输过程中的抗干扰能力。
3、精度高、功耗低、使用环境温度范围宽、工作稳定可靠。
4、具有线性化校正功能,具有冷端自动补偿功能。
ZDLP电动单座调节阀,使用220V电源,利用被调介质自身能量,直接对蒸汽、热气、热油与气体等介质的温度实行自动调节和控制,该阀结构简单,操作方便,选用调温范围广、响应时间快、密封性可靠。
公称直径由20到250mm,公称压力有1.0、1.6、4.0/6.4MPA,使用温度范围为-20℃~350℃,产生信号为4~20mA。
控制器件采用西门子S7-200CPU224带EM235模块,CPU224有14个输入,10个继电输出,EM235可以把变送器传送的信号直接转换成数字信号,有4个模拟输入,1个模拟输出。
EM235输入模块可以通过拨码开关设置为不同的测量方法。
开关的设置应用于整个模块,一个模块只能设置为一种测量范围。
(注:
开关设置在重新上电后才能生效)。
输入阻抗与连接有关:
电流测量时,需要将Rx和x短接,阻抗降到250Ω。
为避免共模电压,须将M端与所有信号负端连接,未连接传感器的通道要短接,如下图。
图3.1EM235接线图
模拟模块中0~32000对应0~20mA;其中6400~32000对应4~20mA,对应-200℃~600℃;这就必须进行相关的计算,33℃~35℃电流计算方式:
(20-4):
[600-(-200)]=(X-4):
33;
X=9.28(mA)。
设定值:
VD204=9.28/20=0.464.
(20-4):
[600-(-200)]=(X-4):
35;
X=9.6(mA)。
设定值:
VD204=9.6/20=0.48.
表3.2S7-200端子分配
IN
I/O
OUT
I/O
系统开
I0.0
报警灯
Q1.0
系统关
I0.1
3.2软件部分设计
在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节。
比例(P)控制
比例控制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。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
积分(I)控制
在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。
为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。
这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。
因此,比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分(D)控制
在微分控制中,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。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。
这就是说,在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
串级控制系统是改善和提高控制品质的一种极为有效的控制方案,在工业生产过程自动化中得到了广泛的应用。
串级控制系统的结构特点在于“串级”,它是把两个单回路控制系统以一定的结构形式串联在一起。
串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器,前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定,后一个调节器的输出送往调节阀。
前一个调节器称为主调节器,它所检测和控制的变量称主变量(主被控参数),即工艺控制指标;后一个调节器称为副调节器,它所检测和控制的变量称副变量(副被控参数),是为了稳定主变量而引入的辅助变量。
整个系统包括两个控制回路,主回路和副回路。
副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成;主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。
串级控制系统的主回路是定值控制,其设计单回路控制系统的设计类似,设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。
这里主要解决如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问题。
本次设计主要为温度控制系统。
为了保证产品质量,控制反应温度,主回路的选择即确定主变量,根据温度控制系统的工艺要求,选取槽内温度为主变量。
由于副回路是随动系统,对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力,二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小,在电泳涂漆槽温控系统中,控制漆液温度的主变量选取的是炉内温度,使用槽内漆液温度控制器的输出信号作为冷却水流量控制器的设定值。
选取冷却漆液出口温度作为副变量,构成串级控制系统。
在S7-200中PID功能是通过PID指令功能块实现。
通过定时(按照采样时间)执行PID功能块,按照PID运算规律,根据当时的给定、反馈、比例-积分-微分数据,计算出控制量。
PID功能块通过一个PID回路表交换数据,这个表是在V数据存储区中的开辟,长度为36字节。
因此每个PID功能块在调用时需要指定两个要素:
PID控制回路号,以及控制回路表的起始地址(以VB表示)。
由于PID可以控制温度、压力等等许多对象,它们各自都是由工程量表示,因此有一种通用的数据表示方法才能被PID功能块识别。
S7-200中的PID功能使用占调节范围的百分比的方法抽象地表示被控对象的数值大小。
3.3系统PID仿真
通过经验试凑法得到,副对象传递函数为
,主对象的传递函数
。
主、副调节器传递函数分别为
表3.3常见被调量PID参数经验选择范围
被调量
特 点
参数
Kp
Ti/min
Td/min
流量
时间常数小,并有噪声,故Kp比较小,Ti较小,不用微分
1~2.5
0.1~1
温度
对象有较大滞后,常用微分
1.6~5
3~10
0.5~3
压力
对象的滞后不大,不用微分
1.4~3.5
0.4~3
液位
允许有静差时,不用积分和微分
1.25~5
在串级调节中,采用了两级调节器,这两级调节器在一起工作,各有其特殊任务。
调节阀直接受调节器GC2的控制,而调节器TC2的设定值则受调节器GC1的控制,GC1称为主调节器,GC2称为副调节器。
串级控制的方框图如下所示。
图3.4串级控制系统结构图
图3.5设定输入和干扰后的系统框图
点击运行后,三个示波器的图形如下。
图3.6扰动1处示波器图
图3.7副回路处示波器图
图3.8系统输出曲线图
串级调节系统是一个双回路系统,两个调节器串联协调工作,使最终的被控量准确稳定在给定值,一般副环的对象惯性小,工作频率高,主环对象惯性大,工作频率低一些。
串级调节系统副环可以被视为用一个闭合回路代替原来的一部分对象,当扰动出现在副环内时,可以由中间变量反映出来,被负调节器及时抵消掉,从而达到改善对象特征的目的。
与单回路系统相比,串级系统不但能够有效降低对被控量的干扰,还能够提高整个系统的工作频率,缩短过渡过程。
由上图可以看出,在使用串级控制后,系统的振荡小,达到稳定的时间短。
4参考文献
[1]邹伯敏.自动控制理论.北京:
机械工业出版社.2005
[2]李宜达.控制系统设计与仿真.北京:
清华大学出版社.2004
[3]何离庆.过程控制系统与装置.重庆:
重庆大学出版社.2003
[4]施仁.过程控制系统与装置.北京机械工业出版社.2003
[5]童启明.控制系统数字仿真与监控组态软件应用.北京:
科学出版社.2006
致谢
本文的完成,要附:
系统构成图
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