基于PLC和DSP的电子灌胶机控制系统设计.pdf

l lI8 化 基于P L C 和DS P 的电子灌胶机控制系统设计 Desi gn o f cont r ol sy s t em i n el ect r oni c gl ue m achi ne bas ed on PLC and DSP 张宏涛，王瑞娟 Z H ANG H o n g ． t a o ．WA N G R u i - j u a n 郑州大学，郑州 4 5 0 0 0 2 摘要 从分析国内市场上电子灌胶机控制系统普遍存在的问题出发，介绍了一种采用P L C 和D S P E ] 结合的电子灌胶机控制系统设计方案，文中详细论述了电子灌胶机的工作原理、控制系统的 设计结构，以及P L C 和D S P 的工作流程和设计思路。由于P L O 具有控制功能强、可靠性高等优 点，保证了电子灌胶机整体的控制协调性和监控能力；而D S P 的高速、强数据处理、高运算精 度特点有效地提高了系统在加热和出胶控制上的精度和实时性 ，两者的结合大大提高了电子 灌胶机控制系统的性能。 关键词电子灌胶机；P L C；D S P；出胶控制；加热控制 中图分类号T P 2 3 文献标识码B 文章编号1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 1 4 0 5 上 -o 1 1 7 -0 4 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 9 4 ． 2 0 1 4 ． 0 5 上 ． 3 3 0 引言 电子灌胶机是一种 日用 电子器具制造业的封 胶灌装 系统 ，它广泛用于各类高频 电子线路 、信 号模拟 电子模块、电力电子设备 、照 明电子设备 等电子产品的局部或整体灌封。 目前国 内市场上的电子灌胶机大多缺乏 系统 性的设计 ，采用的控制 系统普遍为P L C 温控仪的 方式 ，使得整机 的控制协调性较弱 ，并且 出胶控 制设计简单 ，出胶量误差较大，实时性差。 本文 针对 以上问题设计实现 了一种采用P L C控制器和 DS P 处理器相结合的电子灌胶机控制系统 。 1 电子灌胶机的组成和工作原理 电子灌胶机主要 由加热 系统 、搅拌 系统 、出 胶 系统 、保护 系统和显示系统 等组成 。加热 系统 用于实现对黑胶材料的加 热，并且在黑胶温度达 到设定值后进行恒温控制 ；搅拌 系统是在黑胶达 到液态后进行搅拌控制 ，保证液态黑胶材料受热 均匀 ，充分进行热 交换 ；出胶 系统是根据设定的 出胶量控制 出胶 装置进行精确 出胶 ；保护系统是 对设备的安全运行提供全面监控 ；显示系统使操 作人员通过人机界面对 出胶量 等一 系列数据进行 设定，并且可以对设备的运行状态进行显示。 电子灌胶机的基本工作流程如图1 所示。 2 电子灌胶机的控制系统 该电子灌胶机 的控制系统采用了P L C 控制器和 图l 系统工作 流程 图 DS P 处理器相结合 的方法构成 整个设备 的控制平 台，其控制结构图如图2 所示 。 P L C 可编程控制器是一种专 门为工业现场 应用而设计的数字运算操作的电子装置 ，它能通 过数字式或模拟式的输入和输出，控制 各种 类型 的机械或生产过程 。P L C 具有可靠性高、抗干扰能 力强 、功能强大 、设计灵活 ，体积小 ，重量轻 ， 能耗低等诸多优点 ，被选 作该设备控制 系统 的主 收稿日期2 0 1 3 -1 1 - 2 2 作者简介张宏涛 1 9 7 7一，男，陕西西安人，讲师，硕士，研究方向为基于微处理器的信息采集、传输和处理。 第3 6 卷第5 期2 0 1 4 0 5 上 [ 1 1 7 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m I 遘 匐 化 1 2 3 1 胶 2 胶 3 胶加热器 出料柱塞泵 搅拌机 温度 温度 温度 温度 温度 温度 u 衙 面付仕蘑承 ⋯ ⋯ 图2 系统控制 结构 图 控制器。 P L C 作为逻辑动作和状态控制核心 ，主要完成 整个 系统控制流程 的监控、与触摸屏和DS P 进行通 讯、驱动搅拌器的工作 ，并依靠通用工业产 品的 可靠性完善整机 的执行安全性和稳定性 ，具体包 括了各个系统 的故 障保护 、过载保护 、紧急停机 保护 以及安全继电器保护等。 D S P 数字信号处理器是一种特别适合于进 行数 字信号处理运 算的微处理器 ，它可 以实时快 速地 实现各种数 字信号处理算法 ，并且具有高 的 运算精度和低的功耗。 DS P 处理器作为控制系统的下层控制器 ，充分 利用了DS P 的实时能力、单指令计算能力进行控制 算法的运算和事件处理，主要 完成加热油和液 态 黑胶温度数据的采集处理 、加热 系统温度 的恒温 控制、 出胶系统 中出胶量控制算法运算和 出胶控 制等功能 。 3 P L C 控制设计 P L C控 制 器 选 用 的 是 西 门 子 公 司 的 S 7 3 0 0 P L C，它作 为整个系统 的主控制器主要完成系 统流程 的控制，其基本工作流程如图3 所示。 3 ． 1通讯设计 P L C的通讯设计主要是通过P r o fi b u s 现场总线 同触摸屏和DS P 处理器 进行数据通讯 。P r o f i b u s 现场总线是世 界上 应用最广泛 的现场 总线技术 ， 它提供 了DP、P A和F MS 三种通讯协 议方式 ，其 中P r o f i b u s ． DP 是被设计用于现场级的快速数据交 换 ，具 有高速低成本 的特点。使用该现场 总线技 术进行系统 监控 ，可 以很好地满足实时控制 的要 求 ，还能使用一对双绞线替代 了传统 的大量的传 【 1 1 8 1 第3 6 卷第5 期2 0 1 4 - 0 5 上 输 电缆 ，减少了电缆的使 用，节 省费用 ，也能避 免现场信号在长距离传输过程中的干扰。 图3 P L CT _ 作流程 图 3 ．2搅拌控制 该 电子灌胶机 使用 了一个小型电机和铝合金 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、l 生 匐 化 减速机构作为搅拌的动力源，当P L C读取的加热油 温度达到黑胶液化温度时 ，便 由P L C控制搅拌机构 开启，并在P L C 的每个扫描周期 内通过检测装置检 测搅拌机构的运行状态，保 证搅拌不会处于堵转 的状态。另外，当设备进入休眠模式后 ，P L C将关 闭搅拌机构的运行 ，以延长搅拌机构 的寿命和节 能降耗。 3 ． 3 保护设计 由于电子灌胶机 中的加热油会在2 1 5 ℃的情况 下发生热膨胀 ，从 而产生 1 --2 公斤 的压力 ，所 以 设备采用了多重温控 的安全保护 系统 ，该保护 系 统由P L C控制器直接控制。P L C通过读取由DS P 采 集的加热 油和 黑胶温度 以及检测外胆压力和压力 泵运行状 态来判断加热油 的温度状态 ，这四重检 测模式互相独立 ，防止系统互相干扰。 当检测到超温状 态，任何一种 检测模式均可 以提前进行紧急停机，并发出警报，同时由P L C控 制打开紧急放 气阀对热膨胀后热传导油进行快速 气体卸压。 4 D S P 控制设计 DS P 处理器选用的是T I 的T MS 3 2 O L F 2 8 0 9 ，系 统时钟为1 5 0 MHz ，作为控制系统下层的控制器 ， 其基本工作流程如图4 所示。 开始 初始化D S P 与P L C 通讯读取出胶量等设定值 检测加热油和液态黑胶的温度 通过双闭环P I D 控制器控制黑胶温度 与P L C 通讯传送温度数据 L 蜜 厂 出胶控制 竺 图4 DS P 3 2 作流程图 4 ． 1加热控制 固体黑胶 只有在受热 后，才能变 成粘稠 的液 体 ，实现对 电子产 品的封装 。为 了准确控 制黑胶 胶体 的温度 设定值为1 5 5 C，使黑胶材料受热 迅速均匀 ，减小局部分解的概率，加热 系统采用 了双闭环控制 加热的方式 ，即通过对媒介加热油 进行加热，实现黑胶 的精确温控 。加热 系统 的设 计结构图如图5 所示 。 图5 加热 系统设计结构 图 图 中标号1 为用于存储 黑胶 的内胆 ；标号2 为 位于 内胆外部的外胆，在外 胆与内胆之 间存储有 加热油 ；标号3 为外胆 中设置 的电热丝 ，用于加热 液态加热油 ，由DS P 处理器控制 ；标号4 为位于内 胆中的搅拌机构 ，由P L C 控制器控制 ；标号5 为出 胶活塞缸 ，位于 内胆的 内部并且压于黑胶的液面 上 ；标号6 为活塞驱动机构，用于驱动 出胶活塞缸 中活塞的运动 ，由DS P 处理器控制 ；标号7 为出料 管，贯穿于 内胆和外胆 ；标号8 为DS P 处理器 ；标 号9 为设置于内胆和外胆中的温度传感器，由DS P 处理器采集加热油和液态黑胶的温度数据。 加热控制 由内外两个P I D闭环组成 ，由于加热 油 的热惯量较小 ，反应较快，作为内环 ，其反馈 信号为加热油反馈温度，设定值为加热 油设 定温 度 以及外环的输 出结果；黑胶 的热惯量较大 ，反 应较慢 ，作为外环 ，反馈 信号为黑胶反馈温度 ， 设定值为黑胶设定温 度。这样 的设计可 以实现液 态黑胶温度精确的恒温控制 ，加热控制框 图如 图6 所示 。 加热 油设定温度 何 I l l f l 黑胶 度L l 图6 加热控 制框 图 第3 6 卷第5 期2 0 1 4 0 5 上 [ 1 1 9 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 訇 似 根据加热控制框图所涉及的P I D算法 ，在DS P 处理器 中转换成离散数字量的计算，充分利用DS P 快速 的乘加运算能力 。在实 际使用 中加热控制的 精度在正负1 ℃范围内。 4 ．2 出胶控制 出胶控制的工 作原理是通过控制 出胶活塞缸 中活塞 的运动行程改变黑胶容积来挤压 出定量的 黑胶 。出胶控制算法 的运算和柱塞泵的驱动控制 是由DS P 处理器完成，保证了较高的出胶精度和重 复性。 控制活塞行程的计算公式如式 1 所示 Lc ／ n S 1 公式 中L 表示活塞行程 ，s 表示活塞面积 ，G 表示设定的单位 出胶重量 ， p表示一定温度下 的 液体黑胶密度。 由于液体黑胶 的密 度 p会 随温度 发生变化 ， 所以假设液态黑胶的温度系数为 Q ， p 。 为常温2 5 ℃ 时的液体黑胶密度 ，则不 同温度下控制活塞行程 的计算公式如式 2 所示 L C 1 ／ p n S 2 柱塞泵中活塞的运动速度曲线如图7 所示 ，图 中的横轴表示活塞运动时间t ，纵轴表示柱塞泵的 活塞运动的速度V。 速度v 时 间t 图7 活塞运动速度 曲线 图 活塞运动速度 曲线使用MA T L AB 软件进行多 项式拟合，其拟合公式如式 3 所示 V t a o t a 1 t a 2 3 对活塞运动速度式 3 进行积分 ，可以得到 活塞的运行行程如式 4 所示 f V t G 1 ／ p s 4 对式 4 进行转换可以得出单位 出胶重量G和活 塞运动时间t 之 间的对应关系如式 5 所示 G a o t 。 a 1 t 4 - a 2 t P n - s ／ 1Ⅱ 5 如果能精确控制活塞运动时 间，就能准确控 制活塞运动 行程 ，从 而达到精确控制单位 出胶重 量的 目的 。由于式 5 是单位 出胶重量G和时间t 之 间的单调 函数 ，没有十分 复杂 的计算 ，很容易用 DS P 处理器来实现 。 设定DS P 程序单位采样时间为，c t n ，则在 [ 1 2 0 1 第3 6 卷第5 期2 0 1 4 - 0 5 上 同 一 柱 塞 泵 和 统 一 配 方 的 条 件 下 ， 参 数 a 0 、 a l 、a 2 、 p n 、 S 、 均 可 视 为 常 数， 如 设 KP s ／ 1 ，则 式 5可 以转 换 为 便 于 DS P 乘累加运算的式 6 ，即 G A0 n A 1 n A 2 n 6 其 中A 0 a o K ／ T 。 ，A 1 a l K ／ T ，A 2 a 2 K ／ t 。 由于DS P 处理器是定点DS P ，首先必须将浮点 参数A。 、A 、A 按照计算方法转换成定点参数 ， 当DS P 得到设 定的出胶重量G，根据式 6 利用 DS P 的乘累加指令为单字节指令这一特点，快速计 算出n ，从而计算出活塞活动时间，即 t n ／ ， c 以此参数 定时控制 柱塞泵 。出胶控制的实 际 测量误差在正负1 克范围内，比其他同类型产品的 正负5 克出胶误差小很多。 4 ． 3 温度数据采集 在整个设备工作过程中，DS P 处理器会实时采 集加热油和液态黑胶的温度，通过P I D调节器恒温 控制黑胶的温度，并将采 集处理后 的温 度数据传 送给P L C 控制器，使P L C 可以根据温度信息判断设 备运行状态。为了简化 电路减少干扰 ，温度传感 器选用的是AD公司的数字温度传感器 。 5 结论 该 电子灌胶机的控制 系统根据设备 功能需求 采用了上下两层的控制方式，充分利用了P L C 控制 器和DS P 处理器 的优势，并结合了 自控、测控和过 程控制多种控制方式 ，大大提高了整机 的控制协 调性 ，使系统具有较高的出胶精 度和实 时性 ，并 且提高 了整机的智能化 和 自动化程 度。采用该控 制 系统的电子灌胶机产品已在很 多电子 产品制造 厂使用，具有很高的用户评价。 参考文献 【 1 】张 宏涛 ． 一种 黑 胶 机定 量 出胶 方 法 【 P】 ． 专 利 申请 号 2 0 0 8 1 0 0 4 1 4 2 5 ． 1 ． [ 2 】张 宏 涛 ． 一 种 黑 胶 机 定 量 出 胶 系 统 [ P】 ． 专 利 申请 号 2 0 0 8 1 0 0 4 1 4 2 4 ． 7 ． 【 3 ]陈海霞， 等编著． 西门子s 7 3 0 0 ／ 4 0 0 P L C编程技术及工程 应用【 M】 ． 北京 机械工业 出版社， 2 0 1 0 ． 【 4 】许邦建， 唐涛， 张坤赤， 编著． DS P 处理器算法概论【 M】 ． 北 京 国防工业 出版社， 2 0 1 2 ． 【 5 】林静然， 编著． 基于T I DS P 的通用算 法实现 [ M】 ． 北京 电子 工业 出版社， 2 0 0 8 ． 【 6 ]赫德尔斯顿 美编著． 智能传感器设计【 M】 ． 北京 人民邮 电出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 7 】邹伯敏， 等． 自动控制理论 第3 版[ MJ ． 北京 机械工业 出版社， 2 0 1 1 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m