基于PLC 的溫度控制系統(tǒng)
染色工序在紡織品生產(chǎn)中占有重要地位与帆，染色質(zhì)量直接決定了紡織品的色澤度气、外觀映企，甚至還影響紡織品的生產(chǎn)成本悟狱。在染色工序中，影響染色的因素主要有染液濃度堰氓、溫度挤渐、液位等，其中溫度控制是很重要而又復(fù)雜的控制過程双絮。染色過程實(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挣菲，每個(gè)工藝對(duì)染色的溫度、升降溫過程都有嚴(yán)格的要求掷邦，否則白胀，容易使織物產(chǎn)生色差、缸差抚岗、條痕等疵點(diǎn)或杠，造成復(fù)染率上升，生產(chǎn)成本的增加研矗。針對(duì)染色過程溫度控制的復(fù)雜性赵溢，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)染色過程溫度的控制芒浪，從而減少織物疵點(diǎn)歧余，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本谦牛。
2 系統(tǒng)控制要求
1）溫度曲線存儲(chǔ)要求對(duì)于不同的染色品種跟努，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住建，若將所有染色品種的溫度工藝曲線都存入現(xiàn)場(chǎng)溫度控制器中垛撬，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)通過一臺(tái)中控機(jī)达快，將工藝人員設(shè)定的不同的溫度工藝曲線捏裂，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)行溫度控制甸胃，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
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：
圖1 典型的工藝曲線
由圖 1 可知徙鱼，染色工藝可以分為多個(gè)曲線段宅楞，不同的曲線段對(duì)應(yīng)不同的溫度。對(duì)染色過程的溫度控制主要是對(duì)染槽升溫袱吆、保溫厌衙、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绞绒；同理婶希，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：直接升溫蓬衡、按斜率升溫喻杈、保溫、直接降溫狰晚、按斜率降溫筒饰。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)定乒萝，而后由現(xiàn)場(chǎng)控制器PLC 的主程序調(diào)用相應(yīng)子程序捶益。
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，顯示染色過程中的一些操作和報(bào)警信息想预，該顯示器適用于所有西門子S7-200 系列的PLC锌拾。
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)前溫度顯示瞪卜、動(dòng)態(tài)溫度曲線顯示肴摊、溫度等參數(shù)設(shè)置、報(bào)警記錄和打印報(bào)表等功能畴文。
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)控制器碉晾，選用CPU226 主機(jī)模塊；通過CP5613 卡完成現(xiàn)場(chǎng)控制器同中控機(jī)之間的通信∥辈牵現(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腊尤，該模塊帶有4 個(gè)模擬輸入點(diǎn)鸭僧，集成有16 位/轉(zhuǎn)換器口溃，分辨率達(dá)0.1℃揩页，能自動(dòng)進(jìn)行線性化處理，有冷端補(bǔ)償功能烹俗，不再需要外部變送器爆侣，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幢妄，鉑電阻具有測(cè)量精度高兔仰、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)量蕉鸳。由于現(xiàn)場(chǎng)控制器S7-200 不能直接同PROFIBUS—DP 現(xiàn)場(chǎng)總線相連乎赴，因而為S7-200 外擴(kuò)了PROFIBUSDP 模塊EM277。
對(duì)于不同的染色品種潮尝，對(duì)應(yīng)的溫度工藝曲線也是不同的榕吼，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)存要求很高勉失，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過中控機(jī)羹蚣，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)控制器乱凿，現(xiàn)場(chǎng)控制器根據(jù)接收的溫度工藝曲線進(jìn)行溫度控制忘当，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)帝璃，現(xiàn)場(chǎng)控制器可以保存當(dāng)前的溫度工藝曲線圈蛹，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)茎陪，形成監(jiān)控界面杯削，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优隔。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示褐泊。
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)曲線段棋少，不同的曲線段對(duì)應(yīng)不同的目的溫度、升降溫時(shí)間儡特、保溫時(shí)間。對(duì)染色過程的溫度控制主要是對(duì)染槽升溫疏唾、保溫函似、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撇寞；同理堂氯，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蔑担。因此溫度控制分為五個(gè)子程序：直接升溫、按斜率升溫咽白、保溫啤握、直接降溫、按斜率降溫晶框。直接升溫還是斜率升溫排抬、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(chǎng)控制器PLC 的主程序調(diào)用相應(yīng)子程序授段。由于間歇式染色機(jī)的染缸體積較大蹲蒲，加熱管道與冷水管道相對(duì)較小，造成比較大的溫度慣性策见，一般可將其認(rèn)為是一種具有純滯后大慣性的被控對(duì)象镀材，因而在升/降溫段采用趨勢(shì)判斷補(bǔ)償法，如果是升溫忍具，則在溫度到達(dá)T 目標(biāo)溫度-△Ti 時(shí)停止升溫抖臭；若是降溫，則在溫度到達(dá)T 目標(biāo)溫度+△Tj 時(shí)殷感，停止降溫感戴，其中△Ti、△Tj 為補(bǔ)償溫度谐歪。由于溫度控制的程序都在現(xiàn)場(chǎng)控制器PLC中瓶逃，但是染色工藝參數(shù)是從中控機(jī)下傳給PLC的，因而在PLC 的主程序中厢绝，需要根據(jù)接收到的來自中控機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行判別契沫，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)溫度拴清、斜率贷掖、保溫時(shí)間等渴语，因而PLC 可以根據(jù)這些數(shù)值判斷升溫昆咽、保溫、還是降溫氛灸。但是判斷升溫剑碌、降溫张域、保溫，光憑目標(biāo)溫度呜款、斜率粤街、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)行判斷职颜。由下面溫度控制判斷表1 表示胞饭。（說明：T*為本曲線段的目標(biāo)溫度躬它，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)行染色過程的溫度控制虑凛。
下面以斜率降溫為例软啼，說明 PLC 的溫控過程延柠。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)溫度贞间，再判斷斜率不等于零增热，若滿足這兩個(gè)條件，就按照指定斜率降溫胧辽。在斜率降溫時(shí)嗤矾，將降溫段曲線按時(shí)間分成若干個(gè)相等的小間隔悄锈，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菌渐，如圖3 所示随去，又因?yàn)槿緳C(jī)的大慣性扔泵，因而降溫曲線段可由圖4 表示力浅。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榴弧。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
等的小間隔准瘪，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)采樣周期桅狠、降溫斜率計(jì)算出降溫時(shí)間 t讼载，再計(jì)算總采樣周期數(shù)N咨堤、溫差△T（其
中T0 為溫控前的實(shí)際溫度，KJ 為降溫斜率一喘，Tt 為采樣周期嗜暴，T 為當(dāng)前溫度）：
△T= T -T 設(shè)J
在斜率降溫時(shí)凸克，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闷沥，根據(jù)
溫差△T 與它們的比較萎战，得出以下控制規(guī)律：
a． △T＞0
1． △T≥Te咐容，則全開冷卻閥并顯示“降溫太慢”，同時(shí)報(bào)警蚂维。
2． Tc＜△T＜Te戳粒，則開始PID 控制，得出控制量U 作為冷卻閥開啟時(shí)間侦广。
3． △T＜Tc恼芙，自然動(dòng)作成猴，當(dāng)前采樣周期數(shù)加1。
b． △T ＜0
1．|△T|≥Te软殿，全開加熱閥并顯示“降溫太快”卒粮，同時(shí)報(bào)警巴锄。
2．|△T|＜Te, 關(guān)閉冷卻閥骨惫，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)靈活蜀勃，通過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狼棠，通過總線快速下傳給現(xiàn)場(chǎng)的控制器驼鳞，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(shí)可通過PROFIBUS—DP 控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的上載杯聚。
本系統(tǒng)不但可以實(shí)現(xiàn)溫度控制臼婆，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)的控制幌绍，具有良好的發(fā)展前景颁褂。
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，完成溫度控制傀广，本系統(tǒng)能及時(shí)準(zhǔn)確地控制染色產(chǎn)品的質(zhì)量颁独，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)確化伪冰；通過PROFIBUS—DP 總線實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)誓酒、高效率、低成本生產(chǎn)贮聂，大大提高染整設(shè)備的自動(dòng)化靠柑、連續(xù)化、智能化水平吓懈，同時(shí)歼冰，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)信息管理層捣染、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)饭糊。
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