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吹膜机 |
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基于PLC、触摸屏及变频器对吹膜机的改造 |
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作者：范堤商贸（上海）有限公司 |
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摘 要：我国加入WTO以后，企业在国际市场上面临前所未有的竞争，因此针对改善产品品质和提高生产效率的技术革新势在必行。传统的工业控制系统存在硬件繁杂、电气线路多、人机交流困难、机械调速系统复杂而带来的维护工作量大、时间长和可靠性差等问题。本论文根据目前工业自动控制领域比较先进的PLC,触摸屏及变频器技术对塑胶吹膜机进行电气自动化改造及技术升级，解决了传统控制系统操作复杂，新产品生产周期长等问题，有利于人员培训及提高企业市场竞争力。
关键词：PLC 触摸屏 变频器 自动化控制
1 引言
上世纪80年代来自台湾的塑胶吹膜机，其温控电路采用的是温控器加接触器的方式，由于长期工作在频繁的大电流通断状态，接触器损坏率非常高，而且每个温控器只能控制一段温度，造成很多温控器散落在各处，操作非常不便。控制电路使用的是继电器互锁的方式，线路复杂，维修的难度很大，可靠性也非常低。调速是通过机械部分完成的，主要通过更换齿轮的减速比来实现，机械磨损很严重且非常耗能。这些落后的技术使得需要投入大量的人力物力进行操作和维护，同时造成维护停机时间长，零配件消耗费用高等问题。鉴于以上落后的技术无法满足生产需求和使企业在市场上处于竞争优势，本人采用了近年来在工业上使用越来越广泛的PLC，触摸屏及变频器对该机进行了改造。新的技术采用温控模块加固态继电器的方法控制温度，解决了长期频繁的大电流通断所带来的零件损坏问题。变频器调速的方式解决了机械磨损很严重且非常耗能的问题。触摸屏的使用有利于操作者直观的了解机器目前的状态解决了操作复杂，人员培训难的问题。以上技术的综合应用可靠性高，可实现设备长期免维护，解决维护难，维护停机时间长的问题。
第2章 设计思路及选型
2.1控制要求
由于世界经济的复苏，企业订单的迅速增加，产品呈多样化趋势，加上珠三角地区 “招工难”情况的加剧。根据实际情况，对控制系统提出以下几点要求：
1.系统要稳定可靠，可长时间无故障运行。
2.可以保存多组配方，并能按预先设定的配方自动的调整各马达的速度。
3.要操作简单，可以集中控制，节省人力。
4.要有故障报警及保护装置。
2.2系统分析
本系统主要是通过PLC，触摸屏及变频器的综合应用结合吹膜机的实际需要来完成控制要求的。设计思路主要是：用PLC温控模块加固态继电器来控制吹膜机各段的温度。用PLC模拟量模块加变频器来控制各马达的速度。使用触摸屏来完成温度的设置和显示，速度的设置和显示，故障的设置和显示，配方功能的实现等等。
2.2.1吹膜机介绍及工作流程图
塑胶吹膜机是一种把颗粒状的塑胶原料制造成塑胶薄膜的机器，其工作流程如下：
在入料口加入塑胶原料，同时加热主螺杆和旋转模头。待各温度值到达设定值时启动机器，此时经过高温熔化后的塑胶原料在主螺杆的带动下由环状的旋转模头挤出，挤出的薄膜经过风冷和水冷后被引取轮引出，再经过压花轮A和压花轮B压花后被引入轮引入到卷曲轮，最后由卷曲轮将薄膜卷成一卷卷的成品。
流程方框图及实物图如下：
图2.1 流程方框图
图2.2 吹膜机图片
2.2.2改造项目的控制方案及思路
1. 将原有的温控器加接触器控制温度的方式，改为PLC加温度模块加固态继电器的方式。因为固态继电器是无触点的控制器件，损坏率非常低，用于加热时的频繁大电流接通很适合。PLC加温控模块的方式很稳定，控温准，并且温度可以集中控制。
2. 将原有的通过机械部分更换齿轮减速比的调速方式，改为用变频器改变电机频率调速。变频器调速具有节能，稳定的优点。同时解决了机械调速的磨损和维修难问题，而且通过用PLC模拟量输出的功能控制变频器，可以集中控制变频器，操作简单。
3.用触摸屏做为上位机来完成各项温度的设定，变频器频率的设定，配方功能，报警显示，机器故障和状态显示等。使操作大为简化，节省人员。配方功能可以方便随时更换新产品，节省新产品上线时间，提高效率。报警显示和故障显示可以随时告知故障情况和故障点，便于维修和调试，同时避免了故障的扩大化。
以下为控制方案图： 
图2.3 控制方案图
2.2.3PLC，触摸屏及变频器的选型
（1）PLC的选型
目前的PLC大致分为两个流派。一个是日本派系，其代表有三菱，欧姆龙等品牌。
另一个是欧美派系，它的代表主要是西门子，AB等。我国的PLC主要是日本派系的，有一些比如信捷，永宏，丰炜，台达等品牌（永宏，丰炜，台达为中国台湾品牌）。
PLC选型主要根据功能和性价比来决定，因为功能越强，价格就越高。本工程要求PLC具有RS485通信，可扩展模块，完成AD转换，温度控制，模拟量输出等功能，而且要求PLC具备相应指令系统和该公司必须有配套的相关模块。
根据经济实用的原则，本工程选用了永宏电机的FBS-32MAT型PLC，FBS-TC6温控模块，FBS-4DA模拟量输出模块，FBS-6AD模拟量输入模块和FBS-CB5通信模板。
（2）．触摸屏的选型
目前市面上的触摸屏种类很多，常用的品牌主要有FATEK,eView，GE， Proface ，HAKKO ，WEINVIEW， HITECH 等。
和PLC一样，触摸屏的选型也是依靠功能和性价比来决定的，功能越强，价格就越高。本工程所要求的功能几乎所有的品牌都可以做到，因此根据经济实用原则，本工程选用了价格相对较低的FATEK公司的FV070ST-T50触摸屏。
（3）．变频器的选型
变频器选型时要注意的几点：
1) 采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。
2) 变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。
3) 变频器与负载的匹配问题；
I.电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。
II. 电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。
III.转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。
4) 在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。
5) 变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。
6) 对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。
根据以上要求结合本工程实际情况，本工程选用的变频器均为蓝海华腾V5系列。
第3章 应用设计及功能实现
3.1触摸屏与PLC实现人机对话的设计
要想实现触摸屏与PLC的人机交流，必须却保PLC与触摸屏的正常通讯，同时触摸屏上画面的各种元件必须一一对应PLC上的各种软元件。
3.1.1 FBS系列PLC与永宏FV系列触摸屏的连接说明
图3.1 永宏触摸屏软件触控大师设置图
FV系列触摸屏的画面编辑软件为《触控大师》，上图3.1 是永宏触摸屏与FBS系列PLC通讯时画面编辑软件《触控大师》上的设置。图3.2是FV系列触摸屏与FBS系列PLC通讯的详细接线图，用RS232通讯协议实现通讯。
图3.2 触摸屏与FBS主机的RS232通讯接线图
3.2温度控制的实现
本工程要求温度控制在一定的精度范围，用触摸屏输入设定温度值，同时通过触摸屏画面监控温度值。
3.2.1PLC温控模块FBS-TC6的接线图
温控模块的作用是把热电偶感知的温度信号转变为数字量信号送给PLC的装置，温度的精度与模块的分辨率有关，分辨率越高精度就越高。下图是FBS-TC6的接线图。
图3.3 PLC温控模块FBS-TC6的接线图
3.2.3触摸屏温控画面
图3.4是触摸屏的温控画面。图中《设定值》用来设定所需温度值，《感测值》用来显示FBS-TC6所检测到的温度值，《手动加热》是用来选择加热的开关。
图3.6触摸屏温控画面
上图中《感测值》用来显示FBS-TC6所检测到的温度值，也就是FBS-TC6测量现场所得到的测量值经过转换得来的，之所以要经过转换，是因为FBS-TC6测量现场所得到的测量值是一个工程值，要想显示实际的℃温度，就必须转换。该处需要注意一个问题，触摸屏里面的小数点只是个假象，参与程序运算的实际上是个整数，比如触摸屏设值33.3，那么在PLC中参与运算的则是333.
3.2.4PLC温控程序的思路
目前来讲PLC控制温度最为科学的方法应当是PID控制法。PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID 控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。
PID 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID 控制器参数的整定步骤如下：
(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；
(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；
(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID 控制器的参数
PID温控系统常见的一些问题和对策：
1.加温很迅速就达到目标值，但温度过冲很大
分析：
A.比例系数过大，致使在未达到设定温度前加温比例过高。
B．微分系数过小，致使对对象反应不敏感。
对策：减小比例系数或增加微分系数。
2.加温经常达不到目标值，小于目标值的时间较多。
分析：
A.比例系数过小，加温比例不够。
B.积分系数过小，对恒偏差补偿不足。
对策：增加比例系数或增加积分系数。
3．基本上在控制目标上，但上下偏差偏大，经常波动。
分析:
A.积分系数过小，对即时变化反应不够快，反映措施不力。
B．积分系数过大，使微分反应被淹没钝化。
C.设定的基本定时周期过短，加热没有来得及传到测温点。
对策：改变积分系数，调整基本定时周期。
4． 受工作环境影响较大，在稍有变动时就会引取温度的波动。
分析：
A.积分系数过小，对即时变化反应不够快，反映措施不力。
B.设定的基本定时周期过长，不能及时得到修正。
对策：改变微分系数，调整基本定时周期。
3.3马达调速的实现
触摸屏，PLC，变频器实现马达的调速，有以下几点：1，通过触摸屏输入马达速度的设定值和显示马达的当前速度。2，用PLC的模拟量输出模块FBS-4DA输出0-10V的电压控制变频器的输出频率。3，由变频器驱动马达运转及停止。
3.3.1PLC模拟量输出模块FBS-4DA的接线图
模拟量输出模块的作用是将PLC给出的数字量转换为模拟量信号并输出电压或电流的装置，下图是永宏电机FBS-4DA模拟量输出模块的接线图。O0+和O0-端子输出的0-10V电压连接到变频器的0-10V模拟量输入端子上，来控制变频器速度。
图3.7 FBS-4DA模拟量输出模块接线图
3.3.3 触摸屏速度控制画面
下图是触摸屏的速度控制画面，主要用来控制各马达的速度。OFF 这牌按钮是用来启停相对应得马达的开关。A处的按钮用来设定和显示马达频率设定值。B处显示马达当前运行的频率。 《加速》和《减速》按钮分别用来在运行时对马达频率进行微调。 
图3.9触摸屏的速度控制画面
《马达频率设定值》是触摸屏对PLC主机给出的现场所需的马达频率，为一个现在值，需要根据实际情况通过PLC主机程序运算得到一个0-250的工程值，把这个工程值赋予FBC-4DA模块，再由FBS-4DA模块转换为模拟量电压或电流来控制变频器。在这里同样要注意触摸屏的小数点问题。
3.3.4 变频器的接线及设置
变频器接线示意图： 
图3. 10 变频器拖动负载示意图
变频器的设置
不同品牌的变频器参数设置方法各不相同，但万变不离其中，主要有以下几个方面：
1. 设定频率指令来源，本工程应设定为主频率输入由模拟信号DC 0- +10V 控制（AVI）。
2. 运转指令来源，本工程设定为运转指令由外部端子控制。
3. 马达停机方式，本工程设定为自由停车。
4. 最高操作频率，本工程设定为100HZ。
5. 最高输出电压，本工程设定为220V。
另外一些比如加减速时间，禁止反转等功能也需要根据实际情况进行设定。
结论
PLC，触摸屏及变频器的自动控制综合应用技术提高了工业生产产品的品质和生产设备的效率，解决了传统控制系统操作复杂，新产品生产周期长等问题，有利于人员培训及提高企业市场竞争力。本文结合现实生产中的实际情况，完成了对塑胶吹膜机的改造，应用PLC，触摸屏及变频器的综合控制技术完成了温度，速度的控制，提高了电气控制的可靠性，缩短了维修时间，减少了维修的工作量，降低了设备零部件的损坏率。因此该技术可以在现代工业中应当得到广泛的应用，具有广阔的发展前景。
参考文献
[1] 永宏可编程控制器使用手册 永宏电机股份有限公司 2010(end)
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(2/23/2011) |
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