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基于西門子S7-200PLC在間歇式染色機(jī)溫度控制系統(tǒng)的應(yīng)用

時間:2009-03-04 09:25:39來源:yangliu

導(dǎo)語:?針對染色過程溫度控制的復(fù)雜性,設(shè)計了基于PLC 的染色機(jī)溫度控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對染色過程溫度的控制,從而減少織物疵點(diǎn),提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本。
1 引言   染色工序在紡織品生產(chǎn)中占有重要地位,染色質(zhì)量直接決定了紡織品的色澤、外觀,甚至還影響紡織品的生產(chǎn)成本。在染色工序中,影響染色的因素主要有染液濃度、溫度、液位等,其中溫度控制是很重要而又復(fù)雜的控制過程。染色過程實(shí)際上是執(zhí)行由工藝人員針對不同織物的一條溫度曲線,每個工藝對染色的溫度、升降溫過程都有嚴(yán)格的要求,否則,容易使織物產(chǎn)生色差、缸差、條痕等疵點(diǎn),造成復(fù)染率上升,生產(chǎn)成本的增加。針對染色過程溫度控制的復(fù)雜性,設(shè)計了基于PLC 的染色機(jī)溫度控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對染色過程溫度的控制,從而減少織物疵點(diǎn),提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本。 2 系統(tǒng)控制要求   1)溫度曲線存儲要求對于不同的染色品種,其對溫度的要求是不同的,因此對應(yīng)的溫度工藝曲線也是不同的,若將所有染色品種的溫度工藝曲線都存入現(xiàn)場溫度控制器中,則對該控制器的內(nèi)存要求非常高,導(dǎo)致系統(tǒng)臃腫,因此本系統(tǒng)設(shè)計通過一臺中控機(jī),將工藝人員設(shè)定的不同的溫度工藝曲線,全部由工作人員在中控機(jī)上輸入后經(jīng)PROFIBUS—DP 現(xiàn)場總線下傳給現(xiàn)場控制器,現(xiàn)場控制器根據(jù)接收的溫度工藝曲線進(jìn)行溫度控制,同時現(xiàn)場控制器可以隨時向中控機(jī)申請修改溫度工 藝曲線的參數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)中斷時,現(xiàn)場控制器可以保存當(dāng)前的溫度工藝曲線,并且具有斷電長期保存當(dāng)前溫度曲線的功能。   2)溫度控制要求   在染色工藝過程中,典型的工藝曲線如圖1 下所示: [align=center] 圖1 典型的工藝曲線[/align]   由圖 1 可知,染色工藝可以分為多個曲線段,不同的曲線段對應(yīng)不同的溫度。對染色過程的溫度控制主要是對染槽升溫、保溫、降溫,結(jié)合生產(chǎn)的實(shí)際要求又將升溫分為直接升溫到指定溫度和按斜率準(zhǔn)確地升溫到指定溫度;同理,降溫也分為直接降溫到指定溫度和根據(jù)斜率準(zhǔn)確地降溫到指定溫度。因此溫度控制分為五個子程序:直接升溫、按斜率升溫、保溫、直接降溫、按斜率降溫。直接升溫還是斜率升溫、直接降溫還是斜率降溫根據(jù)實(shí)際需要通過中控機(jī)設(shè)定,而后由現(xiàn)場控制器PLC 的主程序調(diào)用相應(yīng)子程序。   3)報警及顯示功能   為系統(tǒng)設(shè)置了一個 TD 200 文本顯示器,顯示染色過程中的一些操作和報警信息,該顯示器適用于所有西門子S7-200 系列的PLC。   4)中控機(jī)監(jiān)控要求   采用西門子公司的WINCC 實(shí)現(xiàn)中控機(jī)對現(xiàn)場PLC 的監(jiān)控,主要實(shí)現(xiàn)當(dāng)前溫度顯示、動態(tài)溫度曲線顯示、溫度等參數(shù)設(shè)置、報警記錄和打印報表等功能。 3 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成   本系統(tǒng)采用西門子公司推出的 S7-200PLC 作為現(xiàn)場控制器,選用CPU226 主機(jī)模塊;通過CP5613 卡完成現(xiàn)場控制器同中控機(jī)之間的通信。現(xiàn)場控制器S7-200 擴(kuò)展了一塊智能溫度數(shù)據(jù)采集模塊EM231,該模塊帶有4 個模擬輸入點(diǎn),集成有16 位/轉(zhuǎn)換器,分辨率達(dá)0.1℃,能自動進(jìn)行線性化處理,有冷端補(bǔ)償功能,不再需要外部變送器,一個模塊就能完成數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理功能。系統(tǒng)的溫度信號的檢測采用鉑電阻PT100,鉑電阻具有測量精度高、性能穩(wěn)定可靠的特點(diǎn),在工業(yè)上廣泛用于-200℃~+500℃之間的溫度測量。由于現(xiàn)場控制器S7-200 不能直接同PROFIBUS—DP 現(xiàn)場總線相連,因而為S7-200 外擴(kuò)了PROFIBUSDP 模塊EM277。   對于不同的染色品種,對應(yīng)的溫度工藝曲線也是不同的,若將所有可能用到的溫度曲線存入現(xiàn)場控制器中,則對現(xiàn)場控制器的內(nèi)存要求很高,因此本系統(tǒng)設(shè)計通過中控機(jī),將工藝人員設(shè)定的不同的溫度工藝曲線,全部由工作人員在中控機(jī)上輸入后經(jīng)PROFIBUS—DP 現(xiàn)場總線下傳給現(xiàn)場控制器,現(xiàn)場控制器根據(jù)接收的溫度工藝曲線進(jìn)行溫度控制,同時現(xiàn)場控制器可以隨時向中控機(jī)申請修改溫度工藝曲線的參數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)中斷時,現(xiàn)場控制器可以保存當(dāng)前的溫度工藝曲線,并且具有斷電長期保存當(dāng)前溫度曲線的功能,同時可以將現(xiàn)場的溫度等信號上傳至中控機(jī),形成監(jiān)控界面,如果需要可以通過網(wǎng)卡將中控機(jī)同工廠信息網(wǎng)以及Internet 網(wǎng)相連,實(shí)現(xiàn)底層到高層的信息共享。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。
4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計   由圖 1 可知,染色工藝可以分為幾個曲線段,不同的曲線段對應(yīng)不同的目的溫度、升降溫時間、保溫時間。對染色過程的溫度控制主要是對染槽升溫、保溫、降溫,結(jié)合生產(chǎn)的實(shí)際要求又將升溫分為直接升溫到指定溫度和按斜率準(zhǔn)確地升溫到指定溫度;同理,降溫也分為直接降溫到指定溫度和根據(jù)斜率準(zhǔn)確地降溫到指定溫度。因此溫度控制分為五個子程序:直接升溫、按斜率升溫、保溫、直接降溫、按斜率降溫。直接升溫還是斜率升溫、直接降溫還是斜率降溫根據(jù)實(shí)際需要通過中控機(jī)設(shè)定,而后由現(xiàn)場控制器PLC 的主程序調(diào)用相應(yīng)子程序。由于間歇式染色機(jī)的染缸體積較大,加熱管道與冷水管道相對較小,造成比較大的溫度慣性,一般可將其認(rèn)為是一種具有純滯后大慣性的被控對象,因而在升/降溫段采用趨勢判斷補(bǔ)償法,如果是升溫,則在溫度到達(dá)T 目標(biāo)溫度-△Ti 時停止升溫;若是降溫,則在溫度到達(dá)T 目標(biāo)溫度+△Tj 時,停止降溫,其中△Ti、△Tj 為補(bǔ)償溫度。由于溫度控制的程序都在現(xiàn)場控制器PLC中,但是染色工藝參數(shù)是從中控機(jī)下傳給PLC的,因而在PLC 的主程序中,需要根據(jù)接收到的來自中控機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行判別,再執(zhí)行相應(yīng)的子程序。在下傳的數(shù)據(jù)中包括目標(biāo)溫度、斜率、保溫時間等,因而PLC 可以根據(jù)這些數(shù)值判斷升溫、保溫、還是降溫。但是判斷升溫、降溫、保溫,光憑目標(biāo)溫度、斜率、保溫時間不能得到精確的判斷,因而使用前一曲線段的目標(biāo)溫度輔助進(jìn)行判斷。由下面溫度控制判斷表1 表示。(說明:T*為本曲線段的目標(biāo)溫度,T*′為前一曲線段的目標(biāo)溫度) [align=center]表1 溫度控制判斷表 [/align] 根據(jù)表1,PLC 可以進(jìn)行染色過程的溫度控制。   下面以斜率降溫為例,說明 PLC 的溫控過程。首先在主程序中判斷當(dāng)前目標(biāo)溫度是否小于上一步目標(biāo)溫度,再判斷斜率不等于零,若滿足這兩個條件,就按照指定斜率降溫。在斜率降溫時,將降溫段曲線按時間分成若干個相等的小間隔,對每一小間隔計算出相應(yīng)的溫度作為這 一小段的溫度給定值,因而工藝曲線的降溫段可以用階梯性表示,如圖3 所示,又因為染機(jī)的大慣性,因而降溫曲線段可由圖4 表示。只要每一間隔的時間足夠小,則計算的每一間隔的溫度給定值與理想值的偏差就可忽略。本系統(tǒng)采用采樣時間將降溫段曲線分成相 兩次目標(biāo)溫度比較斜率K 保溫時間t 當(dāng)前動作圖示   K≠0 t="0" 按斜率升溫   T*-T*′>0 K≠0 t≠0 按斜率升溫后保溫   K=0 t="0" 直接升溫   K=0 t≠0 直接升溫后保溫   K≠0 t="0" ERROR   T*-T*′=0 K≠0 t≠0 保溫   K=0 t="0" ERROR   K=0 t≠0 保溫   K≠0 t="0" 按斜率降溫   T*-T*′<0 K≠0 t≠0 按斜率降溫后保溫   K=0 t="0" 直接降溫   K=0 t≠0 直接降溫后保溫      等的小間隔,每個間隔的溫度設(shè)定值可由下式計算(其中 T 設(shè)J 為每一間隔的溫度給定值): 同理,根據(jù)采樣周期、降溫斜率計算出降溫時間 t,再計算總采樣周期數(shù)N、溫差△T(其中T0 為溫控前的實(shí)際溫度,KJ 為降溫斜率,Tt 為采樣周期,T 為當(dāng)前溫度):      △T= T -T 設(shè)J   在斜率降溫時,為了能準(zhǔn)確的控制溫度值,設(shè)定了差溫報警值Te 和控制輸出域值Tc,根據(jù)溫差△T 與它們的比較,得出以下控制規(guī)律:   a. △T>0   1. △T≥Te,則全開冷卻閥并顯示“降溫太慢”,同時報警。   2. Tc<△T<Te,則開始PID 控制,得出控制量U 作為冷卻閥開啟時間。   3. △T<Tc,自然動作,當(dāng)前采樣周期數(shù)加1。   b. △T <0   1.|△T|≥Te,全開加熱閥并顯示“降溫太快”,同時報警。   2.|△T|<Te, 關(guān)閉冷卻閥,并將當(dāng)前采樣周期數(shù)加1。
5 結(jié)束語   本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活,通過PROFIBUS-DP 總線將現(xiàn)場控制器互連成網(wǎng),用戶可以在中控機(jī)上編輯各種條件下的溫度曲線,通過總線快速下傳給現(xiàn)場的控制器,使其依據(jù)接收到的溫度曲線控制染色過程中的溫度,同時可通過PROFIBUS—DP 控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的上載。   本系統(tǒng)不但可以實(shí)現(xiàn)溫度控制,而且根據(jù)需要還可擴(kuò)展其他染色工藝過程的控制如水位、液位等參數(shù)的控制,具有良好的發(fā)展前景。   本文作者創(chuàng)新點(diǎn):采用S7-200PLC 作為生產(chǎn)現(xiàn)場的控制器,完成溫度控制,本系統(tǒng)能及時準(zhǔn)確地控制染色產(chǎn)品的質(zhì)量,將產(chǎn)品的質(zhì)量隱患消滅在現(xiàn)場,保證染色一致性和一次準(zhǔn)確化;通過PROFIBUS—DP 總線實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)、高效率、低成本生產(chǎn),大大提高染整設(shè)備的自動化、連續(xù)化、智能化水平,同時,應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)可為間歇式染色機(jī)與染色廠企業(yè)信息管理層、互連網(wǎng)的連網(wǎng)提供了基礎(chǔ),使設(shè)備的控制系統(tǒng)具有開放性的體系結(jié)構(gòu)。   參考文獻(xiàn)   [1]商高平,馬伯淵.PROFIBUS—DP 現(xiàn)場總線在反滲透水處理中的應(yīng)用[J].微計算機(jī)信   息,2006,2-1:56-58。   [2] 荊濤,染整設(shè)備機(jī)電一體化【M】北京:中國紡織出版社,1997,P120-P250   [3] SIEMENS.SIMATIC S7-200 可編程序控制器系統(tǒng)手冊.2000 版

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