玻璃纤维浸润剂配制控制系统的设计

玻璃纤维浸润剂配制控制系统的设计 1112姜官武 聂诗良 冯聪杰 李 军 (1.西南科技大学 2.四川玻纤集团有限责任公司) (西南科技大学 信息工程学院 四川 绵阳 621010) 摘要:本文介绍了基于西门子PLC S7-200玻璃纤维浸润剂配制过程自动控制系统的设计。 详细介绍了浸润剂配制生产工艺过程和自动控制系统的解决方案;重点阐述了采用PID算法 控制配制过程中反应釜温度的方法;系统达到预期的技术要求，用户满意。 关键词:S7-200;浸润剂配制;自动控制系统;PID算法 中图分类号:Tp311 The design of the Glass Fiber Treating Compound Preparation Control System Jiang Guanwu Nie Shiliang Feng Congjie Li Jun (School of Information Engineering，SWUST Sichuan Mianyang 621010) Abstract: In this paper, the design of the glass fiber treating compound preparation automatic control system based on Siemens S7-200 was thoroughly introduced. The treating compound preparation production process and the solution of the automatic control system were expounded; It focused on the method of how to control the temperature of reaction kettle using the PID algorithm; the system achieved the expected effects and agreed with the requirement of the users. Keywords: S7-200; Treating Compound Preparation; Automatic Control System; PID algorithm 1 引言 我国自动化技术起步于20 世纪中期,在近几十年里,有了快速发展,但是与发达的工业 化国家相比，普及率仍然不是很高。在化工、医药、食品等行业中, 几种物料的合成、混合 及反应是很常见的工序, 随着计算机技术的普及和发展, 自动控制被广泛应用, 它可大大 降低工人的劳动强度, 减少操作误差, 严格按照操作 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 执行，提高和保证了产品质量。四 川省某玻璃纤维生产厂，在其玻璃纤维浸润剂生产过程中，仍然是通过人工操作，模糊经验 值的判断，从而使得浸润剂的质量差别大，生产效率不高，并且工人工作的劳动强度大，工 作条件艰苦，而且配制原料中还含有对人体有害的成分。鉴于以上原因，我们使用西门子PLC 对其改造,设计完成该生产过程的自动化控制系统，取得满意的效果。 2 浸润剂配制工艺过程和技术要求 配制过程是这样的:首先按照不同的配方定量的往反应釜中加入配制原料。再往反应釜 中通蒸汽。当加热到某一温度以后，启动搅拌机开始搅拌。当反应釜内温度达到另一数值时， 关闭蒸汽，声光提示加入另一种原料，然后继续蒸汽加热至另一特定温度，开始加水过程(往 反应釜内添加某温度的热水，加水存在时间间隔和次数，每次加水的质量不定)。在搅拌过 程中，判断转向点，当转向点来临往反应釜内加热水量有所变化，转向点过后往反映釜内加 大量热水达到应一定高度，停止加水，再多搅拌几分钟，整个系统全部停止，配制完毕。 浸润剂配制过程中，温度控制是整个过程中的重点，反应釜中的温度控制直接决定着浸 润剂的质量，不同阶段对应不同的温度曲线，并且在一定的范围内进行波动。往反应釜中所 加热水的温度也要与釜内的温度相对应，以便提高浸润剂的质量。反应釜采用夹层通蒸汽加 热方式，其升温过程受到蒸汽压力，外界环境温度等诸多因素的影响，而且温度变送器采集 到的温度存在着一定的滞后特性。 3 浸润剂配制自动控制系统的配置方案 根据工厂配制车间实际情况完成浸润剂配制自动控制系统的基本组成结构改造，系统硬 件主要由PLC控制箱、电磁阀、温度变送器、液位检测器等组成 (图 1) 。 自来水阀 1自来水水位上限检测 油箱水 箱蒸汽 水温变送器1蒸汽阀 2搅拌 热水阀 3电机 蒸汽阀 4机油阀 5 油温变送器 浸润剂上限检测 浸润剂配制反应釜 图 1 检测变送器与执行配置方案 4 控制系统配置方案 可编程控制器由于体积小，可靠性高以及灵活方便等优点，使它在工业领域得到了广泛的应用。本系统的输入 /输出点不是很多,所以选择了西门子 S7–200系列PLC模块。控制器选型 CPU226和模拟量模块EM235，人机界面选用TD200、按键以及指示灯显示。其中模拟量模块EM235对温度变送器采集的数据进行处理转换，TD200作为配方参数的输入和实时显示温度数据的界面。 CPU226有24个数字量输入和16个数字量的输出，系统中使用了5个输入和7个输出作为控制开关，EM235选用2路作为温度变送器的模拟信号输入。 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1为系统各控制信号的清单，图2为控制系统配制方案示意图。 表1 控制信号地址分配 地址 功能说明 地址 功能说明 I0.0 运行 Q0.0 自来水阀 I0.1 停止 Q0.1 水箱蒸汽阀 I0.2 转向点 Q0.2 热水阀 I0.3 水位上限检测 Q0.3 反应釜蒸汽阀 I0.4 反应釜上限检测 Q0.4 搅拌电机 AIW0 水温变送器 Q0,5 机油阀 AIW2 油温变送器 Q0.6 声光报警 油温水温变送器变送器 操作面板TD 200EM235 4xAI 按 钮 西门子S7-200 CPU 226开关量输出输入通道 8xDO 16 x DI 水油反水应位位搅自声箱机热转釜运停光上上拌来蒸向油水蒸报行止限限电水点汽阀阀警汽检检机阀阀 阀测测 图 2 浸润剂配制过程控制方案示意图 5 系统设计 5.1 控制柜界面设计 本控制系统操作界面有西门子TD200文本显示器和按键以及指示灯组成人机界面，TD200是西门子公司人机界面产品之一，支持汉字显示，功能强大，使用简单。TD200与CPU226连接简单，只需用连接电缆接到CPU226的PPI接口即可。该显示器选择确认的方法最多可以支持显示80条信息，用输入键可方便的对过程参数进行设定和修改，并提供密码保护功能。通过TD200进行编程组态，可方便的对机油量，温度，加水量设定修改;在调试过程中修改 能最大程度的满足控制系统要求;动态显示当前操作的过程名PID的控制参数，是PID运算 称，反应釜和水箱中的温度，便于工作人员检测配制过程。 5.2 PLC系统软件设计 本系统设计控制规律为顺序控制,后一过程的工作是以前面过程的完成为前提,当后一过程开始时，前一过程又迅速关断，不会对后一过程造成影响，这种设计方法大大提高了安全性,不因为用户的误操作和配制过程中的不稳定因素而导致控制出故障。从图 3 知，温度曲线的不同阶段对应的操作步骤，整个配制过程可以分成几个功能部分。因此，将程序分成“升温阶段函数”,“保持恒温阶段函数”“, 自然冷却阶段函数”，“加冷水冷却函数”,温度控制核心算法“PID 算法控制”等。整个温控系统中,最重要的是恒温阶段的控制,如果温度偏差太大,会影响产品质量。同时这也是难点,因为这个阶段化学反应比较剧烈,而且不同系统催化剂的活性、原料质量等,对系统的干扰比较大。因此,能找到实用的算法,是问题的关键。现在工业控制中有许多的优秀控制算法,PID 调节器按照偏差的比例、积分、微分进行控制。它结构简单,参数易于整定,是大多数工业控制难以建立数学模型,系统参数易于变化等特点,一般的控制理论综合分析要花大量的时间进行系统识别,往往达不到理想效果,所以常常使用PID 调节器。 tPID控制的计算原理公式为: MTKeKedtMKdedt()/,，，，int,ccialc 0为了能让数字计算机处理这个控制公式，连续算式必须离散化为周期采样偏差算式，才输出比例项积分项 + 微分项,，能用来计算输出值，数字计算机处理的算式如下， n MKeKeMKee,，，，,(),,1ncnIIinitialDnn,0 PID输出 MIn输出比例项积分项 + 微分项 ,， PID回路增益 Kc 在第n次采样时刻偏差值 en 在第n-1次采样时刻偏差值 en-1 积分比例常数 K I PID回路输出初值 Minitial 微分比例常数 KD 本系统温度曲线是非线形系统,考虑到工艺要求精度比较高,在PID 的基础上进行了智能化处理。根据系统在配制过程中分为温度上升阶段和下降阶段,温度变化的特点很不一样,随着反应釜内原料的添加，温度上升的趋势也不一样,在温度下降时也存在自然冷却和加水冷却,参数调整不同,我们将温度分段处理,分开控制。 根据工艺要求温度曲线将状态分成几个部分， A—B阶段: eee < 0 , < 0,nnn,1 B—C阶段: eee < 0 , > 0,nnn,1 C—D阶段: eee < 0 , > 0,nnn,1 D—E阶段: eee > 0 , < 0,nnn,1 A—F阶段: eee > 0 , < 0,nnn,1 根据偏差区间和温度改变的速率, 根据实际现场的多次实验获得的,加进了操作工的经 验因素。 ? CD 85BE7565 FA操作步骤 图 3 温度曲线操作步骤图 5.3 程序流程图 根据PLC控制特点和配制工艺要求设计控制流程图(图 4) 初始化 N判断模块是否正常 Y 设置参数 添加原料运行水箱进水 N反应釜开通蒸汽检测水箱液位 Y达到某温度停止加水开通蒸汽开搅拌机 N判断水箱温度继续加热至某温度停止蒸汽，加固色剂Y停止加热加热至某温度 热水加水过程 大量加水判断反应釜液位 Y继续搅拌5分钟停止加水 系统全部停止 图 4 浸润剂配制控制系统流程图 6 结束语 本文作者创新点:主要进行了利用PLC对玻璃纤维浸润剂配制生产自动控制系统设计的概述，重点部分是利用PID算法对反应釜温度控制，该系统使用后，浸润剂的质量有了很大的稳定和提高，有效的减轻了工人的劳动强度。 参 考 文 献 [1]张万忠，刘明芹. 电器与PLC控制技术.北京:化学工业出版社，2003 [2]J.斯特纳森.工业自动化及过程控制.王枞,张彬,郭燕慧,译.北京:科学出版社,2006 [3]何顶新，王维等. 基于S7-200的化学反应釜温控系统[J].电气传动 2007,37(2):43-46 [4]常宏杰，崔乃忠. PLC及TD200文本显示器在供水控制系统中的应用[J].电气传动自动化 2003,25(4): 55-56 [5]郭世钢.PLC的人机接口与编程[J].微计算机信息，2006，7-1:42-44 作者简介: 姜官武:1983年9月出生,男,籍贯山东,在读硕士研究生,主要研究方向:工业控制自动化 聂诗良:1968年9月出生,男,籍贯重庆,副教授,硕士生导师,主要研究方向:计算机控制系统 冯聪杰:1982年6月出生,男,籍贯河北,在读硕士研究生,主要研究方向:计算机控制技术 李 军:1983年5月出生,男,籍贯四川,工程师,主要研究方向:高分子 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 Biography: Jiang Guanwu:born in 1983.9,male,Shandong,graduated student,now engaged in the Industrial control automation Nie Shiliang:born in 1968.9,male,Chongqing,Associate Professor,the director of Master’s degree candidates,engaged in the system of computer control Feng Congjie: born in 1982.6,male,Hebei, graduated student, now engaged in the technology of computer control Li Jun: born in 1983.5,male,Sichuan, Engineer，engaged in High polymer material (621010 四川绵阳 西南科技大学信息工程学院)姜官武 聂诗良 冯聪杰 (The school of Information Engineering,Southwest University of Sinence and Technology,Sichuan Mianyang,621010) 通讯地址:(621010 四川绵阳 西南科技大学信息工程学院)姜官武 基金项目名称:硅基微型电渗泵三位阵列流动传热分析及优化设计 颁发部门:四川省教育厅重大培育项目 基金申请人:杨涛 基金编号:07ZD1101