基于PLC的真空挤砖机进料湿度控制系统的设计.pdf

第 1 期 2 0 1 1年 1月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i ne r y De s i g nMa nu f a c t u r e 3 5 文章编 号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 o l 一 0 0 3 5 0 3 基 于 P L C的真空挤砖机进料湿度控制 系统的设计 术 马明陈海峰 陕西科技大学 机 电工程学院， 西安 7 1 0 0 2 1 Th e d e s i g n o f f e e d moi s t u r e c o n t r o I s y s t e m f o r v a c u u m e x t r u d e r b a s e d o n PL C MA Mi n g， CHEN Ha l f e n g S c h o o l o f Me c h a t r o n i c E n g i n e e r i n g ， S h a a n x i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， X i ’ a n 7 1 0 0 2 1 ， C h i n a 、 ， ／v 、 ， ， vv v 、 ， ， √v 、～ ， ， vv 、 ， 、 ， 、、 ， v、 ～ ， 、、 ， v 、 ， v 、 ，， v 、 ， v 、 ， 、 、 ， 、 ～、 ，， 、 ， 、 ， ～ 、 ，， 、 ～ ， vv 、 【 摘要 】 针对人工凭经验控制真空挤砖机进料湿度的不足， 采用西门子 P L C开发 了一套真空挤 砖机进料湿度 自动控制 系统。 通过功率变送器对双轴搅拌机 电机和真空挤砖机搅拌部分电机的有功功 率进行检测来间接判别进料湿度 ， 并结合 P L C构成一个具有主、 副调 节器的串级控制 系统 ， 实现 了对 挤砖机进料湿度的 自动控制。应用结果表明， 该 系统安装 简单 ， 对进料湿度控制的精度高， 可降低企业 的人力成本和提 高企业产品的质量， 具有一定的实用价值。 关键词 P L C； 真空挤砖机 ； 进料湿度 ； 串级控制 【 Ab s t r a c t 】 A i mi n g a t t h e s h o r t a g e o f ma n u a l a n d r u l e o f t h u mb c o n t r o l l i n g ’ u u m e x t r u d e r f e e d mo i s t u r e， u s i n g S i e me m PLC t o d e v e l o p a v a c u u m e x t r u de r e d mo i s t u r e c o n t r o l s y s t e m． T h r o u g h po we r t r a n s m i t t e r s d e t e c t e d a c t i v e p o w e r of t h e d u al a x i s mi x e r m o t o r a n d t h e m i x i n g p a r t m o t o r of v acu u m e x t r u d e r t o i n d i r e c t l y d e t e r m i n e e d m o i s t u r e ， c o mb i n e d w i t h P L C t o f o r m a c a s c a d e c o n t r o l s y s t e m w h i c h h a s l o r d ， v i c e r e g u l at o r , a n d r e ali z e d e d m o i s t u r e a u t o m ati c c o n t r o l f o r v acu u m e x t r u d e r ． An d i t s v ali d i t y an d r e l i a b i l i t y h as b e en pr o v e d i n t he pr ac t i c e ． Ke y wo r d s PLC ； Va c uu m e x t r ude r； Fe e d m o i s t ur e； Cas c a de c o nt r o l 中图分类号 T H1 6 ， T P 2 7 1 ． 6 文献标识码 A i引言 某公 司的 J K系列全钢双级真空挤砖机是 以粘土 、页岩 ， 煤 矸石等为原料， 利用真空挤出原理将原料通过螺旋绞刀挤压成型 的制砖设备。在实际生产中由于初始原料的湿度变化范围较大， 这样会造成进入砖机的原料湿度不一 ，最终影响产出砖的质量。 原来是采用人工凭经验的办法， 通过调节原料搅拌时的加水量来 控制进料湿度， 近似保证产出砖的质量一致。但该方法在实际生 产中可靠性低， 很难保证产出砖的质量稳定。 由于在线直接检测进料湿度较为困难，根据能够间接反映出 进料湿度的双轴搅拌机和真空挤砖机搅拌部分电机工作时所消耗 的有功功率， 以西门子 7 - 2 0 0 P L C为核心元件， 设计了能够 自动、 连续地调节进料湿度的控制系统，该系统可保证在原料不囤积 、 连 续地供给挤砖机的前提下，实现对搅拌过程加水量的自动调节， 使 进料的湿度保持在允许范围内， 最终保障了产出砖的质量。 2系统构成及工作原理 如图 1 所示 ， 为系统构成 图。 本系统采用西门子 P L C S 7 2 0 0 系列 C P U 2 2 4 X P为系统核 心控 制元件 。该机 型不仅秉 承了西门 子系列 小型 P L C性能稳定 ， 结构紧凑 ， 指令强大 的优 良性 能 ， 并 且本机模块集成了2路模拟量输入 1 0位， _ D C 1 0 V ， 1 路模拟量 输出 1 0位 ， D C 0 ～ 1 0 V或 0 2 0 m A ， 且较原来型号的 C P U 2 2 4 运算速度提高了4 0 ％， 同时支持 P I D自整定等功能ll l。可以说几 乎完美的满足中小型控制系统的需求。并且西门子 s 7 2 0 0系列 P L C业 已实现国产化 ， 价格较为低廉 罕 二 ] 下 j 液 位 开 关 触模屏 I C P U 2 2 4 X P 卜 - _ 一 l 电动调节阀开度 电机功率送器 1 卜 l 电机功率变送器 2 l l 搅拌部分加水量 双轴搅拌机电机 l I 真空挤砖机搅拌部分电机 图 1 系统构成 图 系统的工作原理为 系统正常工作时， P L C读取来自电机功 率变送器 1的模拟信号并转换为数字量， 由于双轴搅拌电机的瞬 时有功功率与原料湿度有关 ， P L C将 转换后的数字量同存在于 自 身 V存储区的搅拌电机功率设定值进行比较，对差值进行比例 调节规律运算 ， 并负作用输出 4 - 2 0 m A模拟量， 控制电动调节 阀执行 0 ～ 1 o 0 ％的开度， 从而调节加入到搅拌部分的水量， 达到 了控制进料湿度的目的。存在于 P L c V存储区的搅拌电机功率 设定值由P L C根据电机功率变送器 2的值与 v存储区的真空挤 砖机搅拌部分电机功率设定值进行差值然后 P I D运算所设定。 即 系统实际在原 理上 为由两套检测变送器 、 两个 调节器 、 两个被控 对象 和一个调节 阀组成 的串级控制系统 ， 进行 比例调节 的过程 回 路为副回路， 其调节器为副调节器， 在系统工作过程起着“ 粗调” 的作用， 进行 P I D运算的过程回路为主回路， 其调节器为主调节 器， 用来完成“ 细调” 任务。液位开关和水泵用于保持水池内液位 -k 来稿 日期 2 0 1 0 0 3 ～ 2 9 ★基金项 目 陕西农 产品加工技术研究院项 目 N C Y 一 0 8 0 2 0 8 ， 陕西科技大学研究生创新基金资助 3 6 马 明等 基于 P L C的真空挤砖机进料湿度控制 系统的设计 第 1 期 在某个允许范围， 当水池内液位低于低 限位时， 水泵工作 ， 向水池 内注水， 当液位达到高限位时， 水泵停止工作。 控制水池内水位的 目的是为了维持电动调节阀人口端的水压在某一范围， 这样可使 调节阀稳定地调节水流量 。 3主 、 副调节器的算法 主调 P I D调节器 采用了P I D算法 ， 副调节器 P调节器 采用了积分时间很大， 微分时间为零的P I D算法， 即比例算法。 P I D P r o p o r t i o n I n t e g r a t i o n D i ff e r e n t i a t i o n 是典型的闭环控制 算法， 是连续系统中应用最成熟、 最广泛的调节方式， 有人估计有 9 0 ％以上的闭环控制都采用了P I D控制算法口 。P I D算法的表达式 有三种 位置式、 增量式和速度式。 由于主控制器输出的控制信号是 用于控制副调节器来完成电动调节阀阀门开度的调节， 即其输出值 与阀门的开度有着对应的关系， 故采用位置式P I D算法。 位置式P I D算法的控制规律为[3 1 u ￡ 1 d t l 1 式中 r 时间； n 一 P I D算法的输出； e 一系统设定值与过程 检测值的偏差； 大系数 增益或放大倍数 ； 盱一 积分 时间常数； 微分时间常数。 在数字化控制系统中， 因为是采样控制 ， P I D控制器根据采样 时刻的偏差值计算控制量， 式 I 中的积分和微分项是不能够直接 准确计算出的， 只能用数值计算的方法逼近， 用数字形式的差分方 程来代替连续系统的微分方程。可得到离散化的位置式 P I D算法 ， k 一 、 u {e ∑e [ e _ e 一 1 ] } 2 L 』 1 』 J 式中 |j} 采样时刻序号， k O ， 1 ， 2 ， ⋯； u 第 次采样时刻调 节器的输出数字量 ； e k 第 k次采样时刻的控制偏差量 ； e k 一 1 第 k - 1 次采样时刻的控制偏差量； 采样周期。 如图2 所示， 系统正常工作时， 主调节器在每个采样周期读取 来自电机功率变送器2的电机有功功率测量值，同人工设定的电机 功率值进行差值运算， 再通过 2 式进行P I D运算， 并将计算结果作 为副调节器的给定值。副调节器在每个采样周期读取来自电机功率 变送器 1 的电机有功功率测量值， 同主调节器输入的给定值差值后， 通过令 为无穷大和 ％为零的 2 式运算后， 比例输 出控制电动调 节阀阀门开度的的信号， 完成对搅拌过程加水量的调节， 最终实现对 进料湿度的控制。如图2 r 7P , ， 进料湿度串级控制系统方框图。 图 2进料湿度 串级控制系统方框图 4 系统软硬件设计说明 4 ． 1系统硬件设计 经统计， 本系统共需要开关量输入点 1 O个， 开关量输出点 l O 个， 模拟量输入 2 路， 模拟量输出 1 路。由于使用触摸屏做为人 机交流设备， 故可用 P L C的位存储区 M 来代替一部分 P L C的 物理开关量输入辟 俞出点 在 S T E P 7 M i c r o WI N的系统块中应设 置好位存储区M的断电数据保持范围 ， 故本系统的物理开关量 输入偷 出点分别用了 2 个厂 7 个， 模拟量输入偷 出用了2 路l， 1 路。 系统的输 输出信号地址分配表， 如表 1 所示。 表 1系统的输入 ／ 输 出信号地址分配表 笪当 地址 作用 地址 作用 M1 4 ． 0 手动 M1 5 ． 1 自动指示 M1 4 ． 1 自动 M1 5 ． 2 手动指示 M1 4 ． 2 电动调节阀上 电 M1 5 ． 3 电磁阀上电指示 M1 4 ． 3 电动调节阀断电 Q O ．0 设备故障报警 M1 4 ． 4 功率变送器上电 Q O ． 1 进料湿度高限报警 M1 4 ． 5 功率变送器断 电 Q O ．2 进料湿度适 中指示 MI 5 ． 0 辅助手动／ 自动直接切换 Q O ．3 进料湿度低限报警 1 0 ．0 水池低限位开关 Q 0 ． 4 中间继电器 1 通／ 断 1 0 ． 1 水池高限位开关 Q O ． 5 中间继电器 2 通／ 断 A IW O 募 言 藐 豸 Q O ．7 交 流 接 触 器 i臣 ／断 A I W2 双轴搅拌机电机功率测量值 A Q w0控制电动调节阀开度信号 系统的硬件接线图 图略 ， T A1 、 T A 2和 T A 3为仪用电流互 感器， 用于将搅拌电机工作时的大电流转换为可供二次仪表功 率变送器检测的较小电流。 电流互感器在使用时应注意同名端的 正确接法 。功率变送器应根据电流互感器的变比和接人的电力 线相数设置相应的倍率。 开关电源为触摸屏提供直流电。 触摸屏 用于接收用户输入命令和显示相关工艺参数。S H1 和 S H 2为液 位开关。 控制电路要求具有以下功能 1 可通过 自动和手动两种 方式对加水量的进行调节， 来实现对进料湿度的控制； 2 系统工 作过程 中显示双轴搅拌机和真空挤砖机搅拌部分电机 的有功功 率值， 并且可以手动实时修改后者的设定值。 3 自动调节水池水 位； 4 进料湿度超限报警和设备故障报警。 4 ． 2系统软件设计 4 ． 2 ． 1 程序 主体方案 本系统的软件部分设计分为触摸屏组态和 P L C程序设计， 触摸屏组态较为简单 ， 在此不予说明。本系统的P L C程序分为一 个主程序、 一个主回路 P I D配置初始化子程序、 一个副回路 P I D 配置初始化子程序和一个 P I D运算中断程序组成。 主程序 的流程 图， 如图 3所示 ， 主要完成对水池水位的控制 和根据操作命令实现对电动调节阀开度的调节。 在s 7 2 0 0中P I D功能是通过 P I D指令功能块实现。 通过定 时 按照采样时间 执行 P I D功能块 ， 按照 P I D运算规律， 根据当 时的给定、 反馈、 比例一 积分一 微分数据计算出控制量。 P I D功能块 通过一个 P I D回路表交换数据，这个表是在 v数据存储区中的 开辟的长度为 1 2 0的字节。P I D功能是通过 S T E P 7 - Mi c I N 提供的P I D Wi z a r d P I D指令向导 生成， 其中两个 P I D配置初始 化子程序在每个扫描周期都被 P L C通过 S MO ． 0调用 ， 完成对 P I D 运算的采样时间、 比例增益、 积分时间和微分时间等的初始化。 在 对副 回路 P I D参数进行配置时 ， 积分时间应为无穷大 ， 微分时间 应为零， 因为副回路的P调节为反作用调节 当搅拌电机功率的 检测值低于搅拌电机功率的设定值时， 应关小电动调节阀门的开 度， 反之， 应增大开度。 ， 故其比例增益的设置值应为负值日 。 在对 主回路 P I D参数进行配置时，因为主回路的调节为正作用调节， No ． 1 J a n ． 2 0 1 1 机 械 设 计 与 制 造 3 7 故其比例增益的设置值应为正值。 P I D运算中断程序由 P I D配置 初始化子程序 中定义的定时 中断事件触发 ， 两个 P I D配置初始化 子程序公用一个 P I D运算中断程序， 触发的时间间隔为采样时问 间隔。 P I D运算中断程序主要用于完成对监测模拟量进行读取以 及对其与设定值的差值进行 P I D运算 ， 并输出运算结果。 图 3系统 主程序流程 图 4 ．2 ． 2自动／ 手 动切换 的处理 如图 3 所示 ， 系统有三个状态位 自动 、 停止和手动。 自动， 手 动的切换可以经过“ 停止” 这个中间位来实现， 也可直接实现切 换， 但这两种切换的意义是不同的。 添加 了手动功能的副 回路 P I D指令有一个能流记忆位 Au t o Ma n u a l ， 如图4所示。当M1 4 ． 1 为 0时， P I D为手动工作方 式， P I D将停止运算 ，输出 A Q W0中的值将对应于 VD 2 5 0中的 值， 可通过手动修改 V D 2 5 0中的值来实现对输出量的手动调节。 当 M1 4 ． 1为 1 时， P I D为 自动工作方式 ，读取 A I W2中的值 ， 经 P I D运算后 由 A Q W0输 出结果 ，实现对输 出量 的 自动调节 。当 M1 4 ． 1由0到 1 正跳变时， P I D指令可实现手动方式到自动方式 的无扰动切换 ， 因为在切换 时， P I D指令执行 了如下操作日 。 1 令给定值 过程变量； 2 令上一次的过程变量 过程变 量 的当前值 ； 3 令积分和 输 出值。 r I PID INIT EN AIW2． PV 1 0utp VD30f -Setpoin- M14．1 ．Auto～ VD25 一Manual 图 4 P I D指令梯形图 当 自动／ 手动切换经过 “ 停止” 这个 中间位时 ， 由于在停 止状 态时， P I D的输出为最低限 4 mA ， 再切换到自动时， 系统要经历 较多的时问来实现其输出量的稳定。 而如果先在手动工作方式中 把 P I D的输出量手动调到一个合适的值， 然后直接无扰动切换到 自动工作方式， 那么系统只需经较短的调节时间就可实现输出量 的稳定。 本系统在程序设计时，在停止位对应的支路上串入 M1 5 ．0 的常闭触点 ， 如 图 5 所示 。在手动工作方式中把输出量调整到合 适的值后， 按下触摸屏上对应于 M1 5 ．0的按钮， 同时切换工作方 式到自动， 则可实现手动到自动的直接无扰动切换， 使系统快速 进入稳定状态。 图 5在停止位对应的支路 中串入 M1 5 ． 0 5系统调试说 明 系统调试的主要 内容是对 主回路 P I D控制 的采样 时间、 比 例增益、积分时间和微分时间以及副回路的比例增益进行整定。 对于采样时间的选取， 应使它远小于系统阶跃响应的纯滞后时间 或上升时间。 采用时间越小 ， 系统越能及时反映模拟量的变化， 但 是太小会增加 C P U的运算负担，且相邻的两次采样的差值几乎 没有什么变化m 。具体采样时间的设置值要根据经验和检测设备 的精度来定， 本系统所使用的电机功率变送器的采样速率为 3 ～ 4 次 眇， 可取 3 0 0 ms 作为系统的采样时间。 对于比例增益、 积分时间和微分时间的确定， 由于本系统采 用的 P L C具有 P I D参数 自整定功能，结合 V 4 ．0版 S T E P Mi c r o ／ WI N编程软件的 P I D整定控制面板，可使用户能实现对 P I D参 数的自整定 ， P I D自整定算法可以提供接近最优的增益、积分时 间和微分 时间 。 启动自整定之前， ， 过程变量应接近设 定值， 理想的情况是系统回路输出值在控制范围的中点附近 进行自 整定时， 回路 须处于自动模式， 且回路输出必须由P I D指令 乏 j 空 } 旨 4 。 6结论 通过采用 S 7 - 2 0 0 P L C和功率变送器构成的串级控制系统， 并应用 P I D算法实现了对真空挤砖机进料湿度的自动控制， 改善 了原来由人工控制的不足。经过现场调试和生产运行， 该系统不 仅安装简单、 操作方便 ， 而且对进料湿度的控制效果也令人满意， 不仅为企业节约了人力成本 ， 而且提高了企业产品的质量 ， 具有 较大的实用性和推广价值。 参考文献 1 廖常初．P L C编程及应用．北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 5 2 吴文红．基于 P L C的 P I D 算法在恒水位控制上的实现[ J J ．微计算机信息， 2 0 0 5 3 王毅．过程装备控制技术及应用．北京 化学工业出版社， 2 0 0 1 4白公． 电工仪表技术 3 6 5问．北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 7 5西门子 中国 有限公司S I MA T I C 7 - 2 0 0 可缔隘制器系统手册s I EME N s ， 2 0 0 7