东莞市常平镇松柏塘村华立工业村 523561
【摘要】介绍了sIMATlcs7—200可编程控制器在塑料挤出机温度控制系统中的应用，控制回路采用PID参数自整定和脉宽词功法．控制系统把传统的PID控制和PLC的逻辑判断指令结合起来，使PID控制更为灵活．能满足生产过程的要求。详细描述了系统的工作原理和PLC的硬件组成、软件编制，简单介绍了上机的组态软件wincc。
【关键词】挤出机 PLC 温控压力调速
可编程控制器PIC(ProgranUnable Logic controller)是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器…。目前，国内的塑料挤出机生产厂家大都是采用简单的温控仪表和温控电路进行控制，这种温度控制存在精度差、超调量大等缺点，很难满足生产高质量塑料制品的要求。本文介绍了PLC在塑料型材生产线温度控制系统中的应用。采用PJ．c作为温度控制系统的接心，克服了以往仪表控制的单回路凋节器的缺点；同时利用PT．c逻辑控制的优点，与输人、输出信号通过简单的编程实现联锁，可以对各种情况及时做出反应，使控制系统更加稳定可靠。在设计中，我们选用了sIMATlcs7—200可编程序控制器，s7—200是模块化中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。
1硬件构成
中央处理单元(cPu)采用cPu一314IFM，带有一个MPl接口，可以连接编程器、Pc机、操作面板，集成有20个数字输入端、16个数字输出端、4模拟输入端、1模拟输出端、闭环控制功能块PID控制器。数字量输出模块选用sM322，DO8×230vACREL。模拟量输入模板选用SM331，AI8×12位，参数可通过模板上的量程模块和用STEP7设定；通道按两路一纽划分，每次只能给一组通道设定参数；输A的热电偶可以是类型N、E、J、K、L，可以通过sTEP7设定；温度补偿可以用内部补偿，也可用外部补偿，外部补偿比内部补偿更精确。
本系统中温度传感器选用K型热电偶，其测温范围适中，线性度较好，相应的模人模板量程模块上的位置置于“A”。温度补偿方式采用内部补偿。输出控制电路是通过固态继电器(SSR)凋功方式完成的。只要在给定周期内改变固态继电器的通断时间比，就能达到改变加热功率的目的，从而实现温度调节。硬件配置如表I所示。
表1
2工作原理
该系统是一个闭环反馈控制系统，温度传感器(热电偶)检测到的料筒和机头温度信号，送给温度模块，PLC从温度模块中读取温度值PV与设定温度SP进行比较，得到偏差e(￡)=VP—Pv。如果存在差值，就要对此偏差e(￡)按PID算法进行修正，求得相应的控制量去控制固态继态器的通断时间，调节电加热器的加热功率，从而实现对料筒和机头温度的控制。
PID控制是过程控制中应用最广泛、最基本的一种控制方法；虽然控制理论和控制技术目趋完善和成熟，但目前大多数工业过程仍采用PID控制，其原因是这种控制方法并不要求精确的受控对象的数学模型，简单易行、稳定性好、可靠性高，并能满足大多数工业过程控制的要求。在PID控制中，控制器系数的整定和自适应问题，是提高工业过程控制品质的关键。
传统的PID控制调节规律的算式为：
式中，e(f)=SP—PV为PID控制器的输入信号；U(t)为控制器输出信号，Kp为比例系数，Ti为积分系数，Td为微分系数。
比例环节是成比例的反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差；微分环节能反映偏差信号的变化趋势，按照偏差的变化趋势来控制，改善控制对象的品质，增强系统的稳定性；积分环节主要用于消除误静差，提高系统的无差度，它对误差进行积分，对系统控制有一定的滞后作用．积分作用过强，会造成系统超凋增大，甚至引起振荡。
本系统中，为了防止积分饱和，将积分环节分离出来，当偏差减少至一定范围内，才加入积分环节。因此．当偏差︳e(t)︳较大时，为避免系统超调，不加入积分环节；当︳e(t)︳较小时，积分环节有效，随︳e(t)︳的减少而增大．以消除系统的稳态误差。同时，为保证温度控制能迅速达到额定值，而不出现大的超调量，采取的措施是：在温度从室温到离额定温度还差50℃的自由升温过程中，固态继电器一直是导通的，猛加速升温；当温度偏差小于50℃而太于7．5％设定温度时，进行PD控制；当温度偏差不到7．5％设定温度时，采用PID调节，以减小超调量，提高控温精度。
控制器参数的整定[2]采用一种对输入输出关系在线辨识而整定系数的调谐方法来产生多回路系统的控制系数，具体过程如下：给系统加入一阶跃输入(100％功率)，测量料简的温度变化情况，由于温度阶跃响应曲线具有s型曲线特性。其传递函数可表示如下：
根据ziegler—NIchols调谐法：
直线斜率 R=(T2-T1)／(t2-t1)
滞后时间 r=t1-(T1-T0)／R
PID参数 Kp=1．2／(Rt)
Ti=2t
Td=O．5t
T0、T1、T2分别是料筒O、t1、t2时刻的温度。根据上述算法，可得到PID控制算法的三个主要参数Kp，Ti，Td 。
T1、T2、T3乃分别是料筒O、t1、t2时刻的温度。根据上述算法，可得到PID控制算法的三个主要参数Kp、Kj、Kd。
温度到达设定温度后，系统进入衰减振荡期。如果PID参数选取适当，会得到一个超调小、衰减快、静差小的响应；如果有较大扰动或系统的滞后太大会使系统控制品质变坏。本系统中采用了一种简单适应的控制方法(图2)，用下式表述：
按比例通断；其它情况下，进行PlD控制。
式中，e(t)为温度偏差，e为死区阈值(本系统中取2℃)。这种控制方法考虑了实际温度的变化趋势，达到了减少超凋和波动的目的，有一定的自适应效果。
3系统的软件控制程序
软件部分是整个温控系统的重要组成部分，编程工具采用STEP7v5．1。STEP7为用户实施自动化工程提供了不同的工具，有SIMATIc管理器、符号编辑器、硬件配置、通讯、信息功能等，可提供语句表(STL)、梯形图(LAD)、功能块图(FBn)三种PLc编程语言。STEP7在PC机上应用，必须配置PC适配器，可运行于WINDOWS95／98／NT下。PC适配器实现计算机的串行口与PLC的MPI口连接，实现对PLC进行数据实时监控、修改、在线编辑等，方便地方程序下载到PLC中或从PLC中读出。
软件的控制程序包括滨模拟输入量程序PID参数自整定程序，PID控制程序．温度报警程序四个功能块。
读模拟输入量程序块[1]，把模人模块输入量读回，转变为实际温度值并顺序存人数据块，模人模块的起始地址、通道数、存储数据号及数据在数据块中的存储起始位置均是可变的。在温度模块中，一个数字量代表测量值0．1℃。参数自整定块根据前面介绍的方法整定出三个参数传递给PⅢ控制器CONT-C(功能块FB41)，cONT—c输出值送给PULS-CEN(功能块FB43)，PULSE—GEN输出为控制固态继电器的脉冲信号。PID控制程序块运用PLc的逻辑判断指令进行积分分离的PID控制或自适应PID控制。温度报警程序控制测量温度大于上限值或小于下限值时，分别置位上限或下限报警标志，进行声光报警；当测量温度小于上限值扣除死区后的数值，复位上限报警；测量温度大于下限值加上死区后的数值，复位下限报警。
4上位机系统
上位机监控系统选用WinCC组态软件，winCC是一个“真正开放的”HMISCADA软件。winCC软件主要包括数据采集、数据管理起始画面：2个基本功能。
起始画面：
1、此画面为首次开机后显示的画面，可以切换至本系统任何一幅画面。
2、此画面显示设备厂家的名称、地址和电话等，并可以切换至目录、帮助、密码、设置、温度曲线画面。
3、按一下计数清零可以清除当前的切割次数计数测量值。
4、按下 F1 键
·进入 PAGE－F1 画面。
此画面即为开机启动时的画面。
·可观察软件的版本、机型是否正确。
·按F13键进入 PAGE－F01B 画面，此画面为帮助信息画面。
·按F14键进入 PAGE－F11E 画面，此画面为帮助信息画面。
·按F15键进入 PAGE－F01C 画面，此画面为密码设置画面。
·按F16键进入 PAGE－F01D 画面，此画面为系统设置画面。
·按F17键进入 PAGE－F05A 画面，此画面为主机、加料、牵引、机头4小时压力曲线画面。
·按F18键进入 PAGE－F11A 画面，此画面为工艺存取画面。
·按F19键进入 PAGE－F11E 画面，此画面为流言记录画面。
·按F20键返回
一、数据采集是指从现场采集数据并进行相应处理，数据采集主要由下位机PLC完成，
帮助画面
·屏幕两侧 F1 ～ F12 键标为对应键的中文解释。
·本画面为功能键 F* 键提示画面，从中可了解到 F* 键的意义。
·按 F13键进入 PAGE－F01B 画面。
·按 F14进入 PAGE－F11E 画面。
·按 F20 键进入 PAGE－F01 画面。
设置画面：
在此画面中可以设定主机的额定转速和电流，加料额定转速，牵引额定速度，保温时间，牵引微调单位，熔体额定压力和各区温度修正值，可以选择切割方式，还可以对机筒四区、机头七区的使用情况做出选择。
winCC通过变量标签与PLC进行数据交换:数据管理是把从现场采集到的数据送到上位机的数据库以及由数据库访问函数读取数据，然后再送到应用中，比如显示、打印、报警等。
主机画面
按下 F02 键。
·进入画面 PAGE－F02 。
按下 F02 键。
·本画面用于设备正常运行中操作人员监视设备工作状态时使用。
·本画面还显示挤出机主机各部位温度棒图。
参数监视
按下 F03 键。
·进入画面 PAGE－F03 。
1、在此画面中可以设定主机、加料、牵引速度并显示各自的实测速度。
2、电机的速度设定以底色为白色为标志，显示以底色为蓝色为标志
参数检测
按下 F5 键。
·进入画面 PAGE－F05 。
·显示挤出机主机运行状态:包括双螺杆主机的机头压力、转速及电流； 加料机的电机转速及电流；牵引机的电机转速及电流等的实测值、设定值和速比值，以及主机，加料机和牵引电流极限值，熔体 压力极限值。
·显示挤出系统温度参数:包括主机料筒(EH)一、二、三区、四区料筒温度，合流体温度(EA)和机头(ED)一、二、三、四、五、六区的温度等。
·本画面用于设备正常运行中操作人员监视设备工作状态及修改参数时使用。
按下 F7 键。
·进入画面 PAGE－F01 报警信息画面
·显示报警清单，按 F13 键可以显示此前500条报警历史记录，按ESC 键返回本画面。
·发生报警时，将在本屏幕中出现提示对话框。
1、故障报警:
·报警灯闪亮。
·各屏幕状态指示屏中的报警符号将被激活。
·屏幕上会自动弹出对话框，说明警告或报警的内容，产生的原因及排除方法。
2、清除报警器和清除报警:
·按下黄色 ACK 键，可清除报警对话框。
·按下 F10 键，可清除报警灯，同时调出报警画面，报警内容前灯会点亮。
·按下 F12 键，可清除报警灯，同时会有下列两种可能出现
A: 如报警故障已排除，报警提示会自动消失。
B: 如报警故障未排除，报警灯仍会显示。
注：通常应答报警的步骤是，先按 F10 键，再按黄色 ACK 键。
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5结沦
本系统是为北京化工大学塑料机械研究所管材挤出生产线开发的温度控制系统。该系统投人运行后，各项性能指标有较大提高，温度超调不超过3℃．静差小于±l℃，提高了系统的可靠性和抗干扰能力；同时，良好的操作界面，使操作人员可以在较短时间内掌握整个操作过程。
【参考文献】
[1] 尹新正， 王伟明 PLC在塑料挤出机温度控制系统中的应用 塑料工业 CHINA PLASTICS INDUSTRY 2002,30(5) 北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所,北京,100029
[2] 邢晓波， 胡少平 基于PLC和变频传动的自控技术橡塑 技术与装备CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY & EQUIPMENT 2010,36(12) 杭州中策橡胶有限公司萧山分厂,浙江,杭州,310052
[3]梁耀光 余文烋 主编 电工新技术教程
论文作者:唐辉文
论文发表刊物:《基层建设》2015年15期
论文发表时间:2015/9/23
标签：画面论文; 温度论文; 系统论文; 偏差论文; 按下论文; 参数论文; 控制器论文; 《基层建设》2015年15期论文;