基于PLC 的溫度控制系統(tǒng)

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　　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(guò)程。染色過(guò)程實(shí)際上是執(zhí)行由工藝人員針對(duì)不同織物的一條溫度曲線，每個(gè)工藝對(duì)染色的溫度、升降溫過(guò)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(duì)染色過(guò)程溫度控制的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)了基于PLC 的染色機(jī)溫度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)染色過(guò)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(chǔ)要求對(duì)于不同的染色品種，其對(duì)溫度的要求是不同的，因此對(duì)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(chǎng)溫度控制器中，則對(duì)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(jì)通過(guò)一臺(tái)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(chǎng)總線下傳給現(xiàn)場(chǎng)控制器，現(xiàn)場(chǎng)控制器根據(jù)接收的溫度工藝曲線進(jìn)行溫度控制，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)控制器可以隨時(shí)向中控機(jī)申請(qǐng)修改溫度工
藝曲線的參數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)控制器可以保存當(dāng)前的溫度工藝曲線，并且具有斷電長(zhǎng)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(guò)程中，典型的工藝曲線如圖1 下所示：
　　

　　圖1 典型的工藝曲線

　　由圖 1 可知，染色工藝可以分為多個(gè)曲線段，不同的曲線段對(duì)應(yīng)不同的溫度。對(duì)染色過(guò)程的溫度控制主要是對(duì)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(gè)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(guò)中控機(jī)設(shè)定，而后由現(xiàn)場(chǎng)控制器PLC 的主程序調(diào)用相應(yīng)子程序。
　　3）報(bào)警及顯示功能
　　為系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè) TD 200 文本顯示器，顯示染色過(guò)程中的一些操作和報(bào)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)PLC 的監(jiān)控，主要實(shí)現(xiàn)當(dāng)前溫度顯示、動(dòng)態(tài)溫度曲線顯示、溫度等參數(shù)設(shè)置、報(bào)警記錄和打印報(bào)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(chǎng)控制器，選用CPU226 主機(jī)模塊；通過(guò)CP5613 卡完成現(xiàn)場(chǎng)控制器同中控機(jī)之間的通信?，F(xiàn)場(chǎng)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(gè)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(dòng)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(gè)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(hào)的檢測(cè)采用鉑電阻PT100，鉑電阻具有測(cè)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(cè)量。由于現(xiàn)場(chǎng)控制器S7-200 不能直接同PROFIBUS—DP 現(xiàn)場(chǎng)總線相連，因而為S7-200 外擴(kuò)了PROFIBUSDP 模塊EM277。
　　對(duì)于不同的染色品種，對(duì)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(chǎng)控制器中，則對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制器的內(nèi)存要求很高，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)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(chǎng)總線下傳給現(xiàn)場(chǎng)控制器，現(xiàn)場(chǎng)控制器根據(jù)接收的溫度工藝曲線進(jìn)行溫度控制，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)控制器可以隨時(shí)向中控機(jī)申請(qǐng)修改溫度工藝曲線的參數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)控制器可以保存當(dāng)前的溫度工藝曲線，并且具有斷電長(zhǎng)期保存當(dāng)前溫度曲線的功能，同時(shí)可以將現(xiàn)場(chǎng)的溫度等信號(hào)上傳至中控機(jī)，形成監(jiān)控界面，如果需要可以通過(guò)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(jì)
　　由圖 1 可知，染色工藝可以分為幾個(gè)曲線段，不同的曲線段對(duì)應(yīng)不同的目的溫度、升降溫時(shí)間、保溫時(shí)間。對(duì)染色過(guò)程的溫度控制主要是對(duì)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(gè)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(guò)中控機(jī)設(shè)定，而后由現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(duì)象，因而在
升/降溫段采用趨勢(shì)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(shí)停止升溫；若是降溫，則在溫度到達(dá)T 目標(biāo)溫度+△Tj 時(shí)，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(chǎng)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(lái)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(shí)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(shí)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(shuō)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）

　　表1 溫度控制判斷表

　　根據(jù)表1，PLC 可以進(jìn)行染色過(guò)程的溫度控制。
　　下面以斜率降溫為例，說(shuō)明 PLC 的溫控過(guò)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(gè)條件，就按照指定斜率降溫。在斜率降溫時(shí)，將降溫段曲線按時(shí)間分成若干個(gè)相等的小間隔，對(duì)每一小間隔計(jì)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?yàn)槿緳C(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(shí)間足夠小，則計(jì)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(shí)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(shí)間t 當(dāng)前動(dòng)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(gè)間隔的溫度設(shè)定值可由下式計(jì)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(jì)算出降溫時(shí)間 t，再計(jì)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(shí)，為了能準(zhǔn)確的控制溫度值，設(shè)定了差溫報(bào)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(kāi)冷卻閥并顯示“降溫太慢”，同時(shí)報(bào)警。
　　2． Tc＜△T＜Te，則開(kāi)始PID 控制，得出控制量U 作為冷卻閥開(kāi)啟時(shí)間。
　　3． △T＜Tc，自然動(dòng)作，當(dāng)前采樣周期數(shù)加1。
　　b． △T ＜0
　　1．|△T|≥Te，全開(kāi)加熱閥并顯示“降溫太快”，同時(shí)報(bào)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(yǔ)
　　本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活，通過(guò)PROFIBUS-DP 總線將現(xiàn)場(chǎng)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(guò)總線快速下傳給現(xiàn)場(chǎng)的控制器，使其依據(jù)接收到的溫度曲線控制染色過(guò)程中的溫度，同時(shí)可通過(guò)PROFIBUS—DP 控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(chǎng)的控制器，完成溫度控制，本系統(tǒng)能及時(shí)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(chǎng)，保證染色一致性和一次準(zhǔn)確化；通過(guò)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(dòng)化、連續(xù)化、智能化水平，同時(shí)，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(kāi)放性的體系結(jié)構(gòu)。