塑料擠出機(jī)的多路溫度控制機(jī)械設(shè)計(jì)

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哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 密級(jí)： 學(xué)號(hào)： 本科生畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 塑料擠出機(jī)的多路溫度控制設(shè)計(jì) 系 別： 專 業(yè)： 班 級(jí)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)老師： 完成日期： 學(xué)士學(xué)位論文原創(chuàng)性申明 本人鄭重申明：所呈交的設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)）是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究，所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)）不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。對(duì)本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識(shí)到本申明的法律后果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名（手寫(xiě)）： 簽字日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文屬于 保 密 □， 在 年解密后適用本授權(quán)書(shū)。 不保密 □。 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)學(xué)院可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 （請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“√” ） 學(xué)位論文作者簽名（手寫(xiě)）： 指導(dǎo)老師簽名（手寫(xiě)）： 簽字日期： 年 月 日 簽字日期： 年 月 日 摘 要 塑料制品在人們的生活中占有較大的比重，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，如電視、電腦、玩具等主要配件使用塑料制品，以塑代鋼的塑料齒輪，汽車上使用的工程塑料等。塑料擠出機(jī)通過(guò)塑料模具注射出成型塑料制品，產(chǎn)品質(zhì)量與塑料擠出機(jī)控制參數(shù)有直接的關(guān)系，控制系統(tǒng)是塑料擠出機(jī)的重要組成部分，目前塑料擠出機(jī)發(fā)展的主要特點(diǎn)是向精密化、低噪化高效率節(jié)能和高度自動(dòng)化方向發(fā)展。本文第一章介紹了塑料擠出機(jī)的發(fā)展歷史與發(fā)展現(xiàn)狀。同時(shí)也著重介紹塑料擠出機(jī)的工作原理。第二章介紹了塑料擠出機(jī)控制系統(tǒng)的控制方式。第三章介紹了塑料擠出機(jī)的多溫度控制方式。第四章介紹了塑料擠出機(jī)的控制編程。 本文對(duì)塑料擠出機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并進(jìn)對(duì)西門子S7-200 PLC的編程方法以及使用的方法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。通過(guò)組態(tài)軟件的仿真配合，設(shè)計(jì)出一個(gè)完整的由PLC控制的注塑機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)低能耗、低噪音、鎖模力容易控制、運(yùn)行平穩(wěn)、安全可靠和便于維修。 關(guān)鍵字：塑料擠出機(jī)，西門子S7-200PLC，軟件 III ABSTRACT Injection products occupy a larger share of the peoples lives, are widely used in industry, agriculture, such as televisions, computers, toys, and other major parts with plastic products, plastic gear with plastic instead of steel, engineering plastic used on the car, and so on. Injection molding machines injection molding machine by plastic molds for injection molding of plastic products, product quality and control parameters are directly related with injection molding machines, control systems are important components of injection molding machines, current development of injection molding machines are mainly characterized by precision, low noise and high efficiency energy saving and highly automated way. This chapter describes the history and development of injection molding machines injection molding machine status. Also focuses on injection moulding machine works. Chapter II control of injection molding machine control system is introduced. Chapter III describes the components of the injection molding machine control. The fourth chapter describes control programming of the injection molding machine. An analysis on the structure of injection moulding machines in this article, times for Siemens PLC programming techniques and the methods used are described in simple. Through simulation combined with configuration software, design a complete PLC control system of injection molding machines, low energy consumption, low noise, easy clamping force control, smooth operation, security, reliability and ease of maintenance. KEYWORDS: injection molding machine,SIEMENS S7-200PLC,software IV 目 錄 摘 要 III ABSTRACT IV 1． 緒論 5 1.1 課題研究的意義 5 1.2 塑料擠出機(jī)技術(shù)發(fā)展方向 6 2． 塑料擠出機(jī)硬件結(jié)構(gòu)及工作原理 8 2.1 硬件結(jié)構(gòu) 8 2.2 塑料擠出機(jī)分類 9 2.3 塑料擠出機(jī)的工作原理 9 3． 塑料擠出機(jī)控制系統(tǒng)硬件的選型 10 3.1 可編程控制器選擇 10 3.2變送器的選擇 11 3. 3 熱電偶的選擇 12 4． 塑料擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 14 4.1 STEP7-Micro/WIN編程軟件介紹 14 4.2 控制要求 15 4.3 I/O地址分配 16 4.4 電氣主電路設(shè)計(jì) 17 5 塑料擠出機(jī)控制系統(tǒng)的多路溫度控制設(shè)計(jì) 18 5.1 PID控制的原理和特點(diǎn) 18 5.2 數(shù)字PID控制算法 20 5.3塑料擠出機(jī)溫度控制設(shè)計(jì)原理 22 5.4塑料擠出機(jī)溫度控制程序 24 6． 塑料擠出機(jī)的多路溫度控制設(shè)計(jì)仿真 32 6.1 系統(tǒng)調(diào)試的方法 32 6.2系統(tǒng)仿真運(yùn)行分析 33 致 謝 36 參考文獻(xiàn) 37 1． 緒論 1.1 課題研究的意義 塑料擠出機(jī)起源于18世紀(jì)，英格蘭的JoseghBramah于1795年制造的用于制造無(wú)縫鉛管的手動(dòng)活塞式壓出機(jī)被認(rèn)為是世界上第一臺(tái)擠出機(jī)。從那時(shí)開(kāi)始，在19世紀(jì)前50年內(nèi)，擠出機(jī)基本上只應(yīng)用于鉛管的生產(chǎn)、通心粉和其它食品的加工、制磚及陶瓷工業(yè)。作為一種正在發(fā)展的制造方法過(guò)程，第1次有記載的是R.Brooman在1845年申請(qǐng)的用塑料擠出機(jī)生產(chǎn)電線的方法。固特波公司的H.Bewlgy隨后對(duì)該擠出機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，并于1851年將它用于包覆在Dover和Calais公司之間的第1根海底電纜的銅線上。 在中國(guó)塑料加工業(yè)中，幾乎一般的塑料產(chǎn)品用塑料擠出機(jī)完成。塑料擠出機(jī)作為第二大塑料設(shè)備，其產(chǎn)品的銷售額占了整個(gè)塑料制品銷售額的一半。塑料擠出機(jī)的品種占塑料機(jī)械品種的30%，這個(gè)比例還有逐年上升的趨勢(shì)。中國(guó)現(xiàn)有100多家擠出機(jī)生產(chǎn)廠，多數(shù)為民營(yíng)或鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)，塑料擠出機(jī)的生產(chǎn)加工集中在沿海發(fā)達(dá)地區(qū)。全國(guó)一百多家主要應(yīng)用塑料擠出機(jī)的企業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)總值達(dá)到38多億元。每年產(chǎn)值在300臺(tái)以上擠出機(jī)組的廠家只有三家企業(yè)，很多企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品檔次較低，很難達(dá)到市場(chǎng)要求。中國(guó)生產(chǎn)的塑料擠出機(jī)設(shè)備，應(yīng)用在一般性能的小型機(jī)械上，而大型設(shè)備，精密度較高的設(shè)備主要靠國(guó)外進(jìn)口。中國(guó)政府在政策上給了市場(chǎng)支持，中國(guó)的塑料管材和塑料門窗等異型材料的發(fā)展非常快，每年增長(zhǎng)達(dá)到15%，位居世界前列。關(guān)于塑料門窗等塑料制品，在市場(chǎng)上占有率也較高。預(yù)計(jì)發(fā)展，將來(lái)塑料管材的增長(zhǎng)速度將保持較高的增長(zhǎng)速度。目前中國(guó)塑料管材生產(chǎn)企業(yè)雖然已超過(guò)1000家，但萬(wàn)噸級(jí)企業(yè)只有30多家，絕大多數(shù)企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模不足3000噸/年，達(dá)不到經(jīng)濟(jì)規(guī)模（國(guó)外經(jīng)濟(jì)規(guī)模一般在2萬(wàn)噸/年以上）。中國(guó)塑料管生產(chǎn)設(shè)備最初是從國(guó)外引進(jìn)的，近年來(lái)已基本上實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。除了用于大口徑波紋管的生產(chǎn)擠出機(jī)組外，基本能滿足市場(chǎng)需求。與之相類似的是塑料門窗異型材巿場(chǎng)。中國(guó)現(xiàn)有型材年生產(chǎn)能力在180萬(wàn)噸至200萬(wàn)噸之間，實(shí)際生產(chǎn)量在80萬(wàn)噸左右，總體表現(xiàn)是產(chǎn)能大，產(chǎn)量低。這既有管理和巿場(chǎng)的因素，也有因國(guó)產(chǎn)設(shè)備質(zhì)量不穩(wěn)定造成的問(wèn)題。 在塑料擠出成型設(shè)備中，塑料擠出機(jī)通常稱之為主機(jī)，而與其配套的后續(xù)設(shè)備塑料擠出成型機(jī)則稱為輔機(jī)。塑料擠出機(jī)經(jīng)過(guò)100多年的發(fā)展，已由原來(lái)的單螺桿衍生出雙螺桿、多螺桿，甚至無(wú)螺桿等多種機(jī)型。塑料擠出機(jī)（主機(jī)）可以與管材、薄膜、捧材、單絲、扁絲、打包帶、擠網(wǎng)、板（片）材、異型材、造粒、電纜包覆等各種塑料成型輔機(jī)匹配，組成各種塑料擠出成型生產(chǎn)線，生產(chǎn)各種塑料制品。因此，塑料擠出成型機(jī)械無(wú)論現(xiàn)在或?qū)?lái)，都是塑料加工行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用的機(jī)種之一。 塑料擠出機(jī)包括（塑料管材擠出機(jī)，PVC管材擠出機(jī)，PE管材擠出機(jī)，PP-R管材擠出機(jī)，PVC給水排水管材擠出機(jī)，PE給水管材擠出機(jī)，PP-R給水管材擠出機(jī)，PVC管材生產(chǎn)線，PE管材生產(chǎn)線，PP-R管材生產(chǎn)線，塑料回收造粒機(jī)，塑料型材擠出機(jī)，家具藤條機(jī)，仿藤機(jī)，拉藤機(jī)，塑料飲料吸管機(jī)，塑料破碎機(jī)等。 1.2 塑料擠出機(jī)技術(shù)發(fā)展方向 模塊化和專業(yè)化： 塑料擠出機(jī)模塊化生產(chǎn)可以適應(yīng)不同客戶的要求，對(duì)新產(chǎn)品研發(fā)的周期縮短，占有更多的市場(chǎng)份額，而且較為專業(yè)的加工生產(chǎn)可以將各種擠出機(jī)成型設(shè)備的系統(tǒng)模塊部件安排在一些生產(chǎn)基地或者在全球范圍訂購(gòu)，這樣就可以保證產(chǎn)品整體質(zhì)量，并且降低了生產(chǎn)成本，資金流轉(zhuǎn)都非常有好處。 高效化和多能化： 塑料擠出機(jī)的高效主要體現(xiàn)在高產(chǎn)出、低能耗、低制造成本方面。在功能方面，螺桿塑料擠出機(jī)已不僅用于高分子材料的加工和成型，它的用途已拓寬到建材、飼料、紙漿、炸藥、包裝、食品、電極、陶瓷等領(lǐng)域。 精密化和大型化： 實(shí)現(xiàn)塑料擠出機(jī)的大型化在生產(chǎn)成本方面可以得到控制，在大型吹膜機(jī)組、管材擠出機(jī)組、大型雙螺桿塑料造粒機(jī)組等方面具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。在重點(diǎn)的國(guó)家建設(shè)服務(wù)項(xiàng)目中，大型擠壓造粒機(jī)組經(jīng)常依靠進(jìn)口，所以要加快設(shè)備國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，必須滿足各種行業(yè)的發(fā)展需求。 網(wǎng)絡(luò)化和智能化： 設(shè)備已普遍采用計(jì)算機(jī)控制和電子計(jì)數(shù)，對(duì)整個(gè)設(shè)備的工藝參數(shù)進(jìn)行控制，包括 各段機(jī)身溫度、熔體壓力及溫度、各種螺桿的轉(zhuǎn)速、喂料量，各種原料的配比、電機(jī)的電流電壓等參數(shù)進(jìn)行在線檢測(cè)，并采用微機(jī)閉環(huán)控制。這對(duì)保證工藝條件的穩(wěn)定、提高產(chǎn)品的精度都極為有利。 38 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2． 塑料擠出機(jī)硬件結(jié)構(gòu)及工作原理 2.1 硬件結(jié)構(gòu) 塑料擠出機(jī)是塑料加工業(yè)中使用量較多的加工機(jī)械，不僅有大量的產(chǎn)品可用塑料擠出機(jī)生產(chǎn)，而且還是組成注拉吹工藝的關(guān)鍵設(shè)備。中國(guó)已成為世界塑機(jī)臺(tái)件生產(chǎn)的第一大國(guó)，促進(jìn)中國(guó)塑料設(shè)備制造業(yè)發(fā)展的原因在于：一是與國(guó)際著名企業(yè)進(jìn)行合資及技術(shù)合作；二是中國(guó)企業(yè)逐漸適應(yīng)了機(jī)械零部件的國(guó)際釆購(gòu)方式，掌握了釆購(gòu)渠道。同時(shí)，我國(guó)塑料擠出機(jī)的生產(chǎn)還呈現(xiàn)出很強(qiáng)的區(qū)域特色，浙江的寧波和廣東的東莞等地，已成為我國(guó)乃至全球重要的塑料加工基地 。塑料擠出機(jī)是將熱塑性塑料或熱固性料利用塑料通過(guò)擠出方式制成各種形狀的塑料制品的主要成型設(shè)備。 塑料擠出機(jī)的主機(jī)是擠塑機(jī)，它由擠壓系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和加熱冷卻系統(tǒng)組成。 擠壓系統(tǒng)包括機(jī)頭、螺桿、料斗、機(jī)筒、模具，塑材在擠壓系統(tǒng)中進(jìn)行塑化，得到均勻的熔體，在這個(gè)過(guò)程中，在一定的壓力下，塑料被螺桿可以連續(xù)的擠出機(jī)頭。螺桿是最重要的部件，螺桿的好壞直接影響到塑料擠出機(jī)的應(yīng)用范圍和生產(chǎn)效率。螺桿主要由高強(qiáng)度的合金鋼制成，具有耐腐蝕的性能。 機(jī)筒是一種金屬結(jié)構(gòu)的圓筒，也由合金鋼或者復(fù)合鋼管制作而成，具有耐熱，耐壓，耐磨，耐腐蝕等性能。機(jī)筒和螺桿相互配合就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)塑材的軟化，粉碎，熔融，排氣，壓實(shí)等功能。行成型設(shè)備的系統(tǒng)連續(xù)輸送熔體塑材。在一般情況下，機(jī)筒的長(zhǎng)度是直徑的15倍以上。這樣可以使塑料充分加熱和充分融化。在料斗底部，安裝了一個(gè)裝置，稱為截?cái)嘌b置，此裝置可以調(diào)整和切斷塑料流體，視孔和標(biāo)定計(jì)量裝置安裝在料斗的側(cè)面。機(jī)頭的材質(zhì)為合金鋼，由合金鋼內(nèi)套和碳素鋼外套組成，在機(jī)頭內(nèi)安裝了成型模具，機(jī)頭具有自己特定的作用，可以將正在旋轉(zhuǎn)的塑料熔材變?yōu)槠叫兄本€運(yùn)動(dòng)的塑料熔材。這樣將塑料熔材導(dǎo)入模套中，再加上一定的成型壓力。在機(jī)筒內(nèi)，塑料經(jīng)過(guò)塑化壓實(shí)，再經(jīng)過(guò)多孔濾板，按照預(yù)定的流道通過(guò)機(jī)頭流入成型模具，模型和模套要配合適當(dāng)，在形成環(huán)形空隙，使塑料在芯線的周圍形成管狀的包覆層。 塑料擠出機(jī)按照機(jī)頭的塑料流向和螺桿的夾角，可以將機(jī)頭分成直角機(jī)頭和斜角機(jī)頭。而機(jī)頭的外殼固定在機(jī)床床體上，機(jī)頭的模具有模芯座，螺帽固定在機(jī)頭的端口上，在模芯座的前面安裝有模芯，模芯和模芯座的中心有孔，這個(gè)孔可以通過(guò)芯線，在機(jī)頭前部安裝均壓環(huán)，可以平衡壓力。成型部分可由模套和模套座構(gòu)成，在模套的位置上，螺栓通過(guò)支撐座進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣可以調(diào)整模套和模芯之間的空間位置。在機(jī)頭的外部安裝許多加熱器和測(cè)溫裝置。塑料擠出機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的作用就是驅(qū)動(dòng)螺桿裝置，提供給螺桿所需要的轉(zhuǎn)速，力矩。螺桿通常由電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)等組成的。在結(jié)構(gòu)相同的情況下，減速機(jī)的成本和外形尺寸成正比，如果減速機(jī)的外形大，重量高，則意味著成本高。同樣螺桿直徑的擠出機(jī)，高速高效的擠出機(jī)比常規(guī)的擠出機(jī)所消耗的能量多，電機(jī)功率加大一倍，減速機(jī)的機(jī)座號(hào)相應(yīng)加大是必須的。但高的螺桿速度，意味著低的減速比。同樣大小的減速機(jī)，低減速比的與大減速比的相比，齒輪模數(shù)增大，減速機(jī)承受負(fù)荷的能力也增大。因此減速機(jī)的體積重量的增大，不是與電機(jī)功率的增大成線性比例的。如果用擠出量做分母，除以減速機(jī)重量，高速高效的擠出機(jī)得數(shù)小，普通擠出機(jī)得數(shù)大。以單位產(chǎn)量計(jì)，高速高效擠出機(jī)的電機(jī)功率小及減速機(jī)重量小，意味著高速高效擠出機(jī)的單位產(chǎn)量機(jī)器制造成本比普通擠出機(jī)低。加熱與冷卻是塑料擠出過(guò)程能夠進(jìn)行的必要條件。 ⑴塑料擠出機(jī)使用電加熱方式，包括感應(yīng)加熱方式和電阻加熱方式，在機(jī)身、機(jī)脖、機(jī)頭各部分安裝了加熱片。加熱裝置的功能就是對(duì)機(jī)筒內(nèi)的塑料進(jìn)行加熱，溫度升高，達(dá)到操作工藝要求的溫度，便于下一工序的加工。 ⑵冷卻裝置是為了達(dá)到塑料加工工藝要求而設(shè)置的，為了降低和排除螺桿旋轉(zhuǎn)摩擦產(chǎn)生的熱量，避免由于溫度太高而導(dǎo)紙塑料分解。機(jī)筒冷卻一般為水冷或者風(fēng)冷。在小型設(shè)備中，風(fēng)冷的使用廣泛，而在大型設(shè)備中，水冷的使用較為廣泛。，螺桿的冷卻要采用水冷，是為了增加塑材的固體輸送率。 圖2-1 塑料擠出機(jī)結(jié)構(gòu)圖 2.2 塑料擠出機(jī)分類 塑料擠出機(jī)按其螺桿數(shù)量可以分為單螺桿擠出機(jī)、雙螺桿擠出機(jī)和多螺桿擠出機(jī)。目前以單螺桿擠出機(jī)應(yīng)用最為廣泛，適宜于一般材料的擠出加工。雙螺桿擠出機(jī)由于具有由摩擦產(chǎn)生的熱量較少、物料所受到的剪切比較均勻、螺桿的輸送能力較大、擠出量比較穩(wěn)定、物料在機(jī)筒內(nèi)停留長(zhǎng)，混合均勻。 單螺桿擠出機(jī)無(wú)論作為塑化造粒機(jī)械還是成型加工機(jī)械都占有重要地位，近幾年業(yè)，單螺桿擠出機(jī)有了很大的發(fā)展。 雙螺桿擠出機(jī)喂料特性好，適用于粉料加工，且比單螺桿擠出機(jī)有更好的混煉、排氣、反應(yīng)和自潔功能，特點(diǎn)是加工熱穩(wěn)定性差的塑料和共混料時(shí)更顯示出其優(yōu)越性。在雙螺桿擠出機(jī)的基礎(chǔ)上，為了更容易加工熱穩(wěn)定性差的共混料，開(kāi)發(fā)出的多螺桿擠出機(jī)，如光華塑料擠出機(jī)等。 1、根據(jù)螺桿數(shù)目的多少，分為單螺桿擠出機(jī)、雙螺桿擠出機(jī)及多螺桿擠出機(jī)； 2、根據(jù)擠出機(jī)中是否有螺桿存在，分為螺桿式擠出機(jī)和柱塞式擠出機(jī)； 3、根據(jù)螺桿的運(yùn)轉(zhuǎn)速度來(lái)分: 普通型擠出機(jī)：轉(zhuǎn)速在100r/min以下； 高速擠出機(jī)：轉(zhuǎn)速為100～300r/min； 超高速擠出機(jī)：轉(zhuǎn)速為300～l500r/min。 4、根據(jù)擠出機(jī)的裝配結(jié)構(gòu)分類：有整體式擠 出機(jī)和分開(kāi)式擠出機(jī)； 5、根據(jù)擠出機(jī)中螺桿所處的空間位置，可分為臥 式擠出機(jī)和立式擠出機(jī)； 6、根據(jù)擠出機(jī)在加工過(guò)程中是否排氣，分為排氣式擠出機(jī)和非排氣式擠出機(jī)。 2.3 塑料擠出機(jī)的工作原理 塑料擠出機(jī)的工作原理就是在200度左右的溫度下讓塑材融化，融化好的塑材通過(guò)螺桿擠出成型，加工出所需要形狀的塑材。擠出成型要求具備對(duì)塑料特性的深刻理解和模具設(shè)計(jì)的豐富經(jīng)驗(yàn)、是一種技術(shù)要求較高的成型方法。 擠出成型是通過(guò)加壓加熱使塑材流動(dòng)，并且通過(guò)口模成型，此方法稱為“擠塑”。此方法具有效率高、單位成本低的優(yōu)點(diǎn)。擠出法主要用于熱塑性塑料的成型，也可用于某些熱固性塑料。擠出的制品都是連續(xù)的型材，如管、棒、絲、板、薄膜、電線電纜包覆層等。此外，還可用于塑料的混合、塑化造粒、著色、摻合等。 3． 塑料擠出機(jī)控制系統(tǒng)硬件的選型 要實(shí)現(xiàn)一個(gè)硬件系統(tǒng)，離開(kāi)各種測(cè)量、控制設(shè)備是不可能的。設(shè)備選擇的恰當(dāng)與否，直接影響到控制系統(tǒng)性能的好壞。但是，也并不是價(jià)格越昂貴、性能越可靠的設(shè)備就越好，實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，往往需要兼顧實(shí)現(xiàn)成本的問(wèn)題。因此，選擇性價(jià)比較高、能夠完全滿足控制要求且不會(huì)造成資源浪費(fèi)的合適的硬件設(shè)備，是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須著重考慮的問(wèn)題之一。 3.1 可編程控制器選擇 1969世界第一臺(tái)PLC在美國(guó)數(shù)據(jù)設(shè)備公司誕生。1975-1976年,德國(guó)、日本、美國(guó)等將微處理器作為控制器的中央處理單元應(yīng)用到PLC中，并且去掉磁心存儲(chǔ)器改用了集成電路的存儲(chǔ)器，結(jié)合了微型計(jì)算機(jī)的技術(shù)與電控制器技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了可編程控制器的規(guī)模集成化，使得處理器更能適用工業(yè)環(huán)境，更加的可靠，功能也更加強(qiáng)大，更加的靈活，成本卻大大下降，從而使得PLC進(jìn)入了實(shí)用階段。 隨著科技的不斷進(jìn)步，PLC的性能也飛速增強(qiáng)，其應(yīng)用和研究現(xiàn)狀主要在以下方面體現(xiàn): 1.控制規(guī)模的擴(kuò)大，控制大型機(jī)的規(guī)模越變?cè)酱螅_(kāi)關(guān)量高的達(dá)到了幾萬(wàn)。 2.組成模塊的增多，現(xiàn)在PLC己經(jīng)新增了很多模塊，如PDI控制、溫度以及運(yùn)動(dòng)模塊等等。 3.開(kāi)放性和互操作性大大發(fā)展，在PLC的發(fā)展過(guò)程中，制造商為了壟斷和擴(kuò)大各自市場(chǎng)，都各自發(fā)展自己的標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)放是發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，各廠商都意識(shí)到這一點(diǎn)，并形成了長(zhǎng)時(shí)期的妥協(xié)與競(jìng)爭(zhēng)，這一過(guò)程還將繼續(xù)。 4.工作速度的提高可以對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。 5.聯(lián)網(wǎng)的能力增強(qiáng)，由于通信、信息及控制技術(shù)的大力發(fā)展，聯(lián)網(wǎng)也得到了的發(fā)展，己經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程控制。 正是由于這些性能、使得工業(yè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程化、自動(dòng)化、控制信息化及智能化?，F(xiàn)在應(yīng)用在不斷前進(jìn),尤其在運(yùn)動(dòng)控制、模擬量控制及驅(qū)動(dòng)控制上廣泛使用，已經(jīng)成為現(xiàn)在系統(tǒng)工作自動(dòng)化中最有效的工具之一。 我國(guó)可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開(kāi)放開(kāi)始的。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來(lái)在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了PLC的應(yīng)用。目前，我國(guó)自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器?？梢灶A(yù)期，隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的深入，PLC在我國(guó)將有更廣闊的應(yīng)用天地。PLC的特點(diǎn)如下： 1)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 　　高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。 2)配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) 　　PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來(lái)PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 3)體積小，重量輕，能耗低 以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。 PLC的具體應(yīng)用如下： 1)PLC開(kāi)關(guān)量的邏輯控制 　　這是PLC開(kāi)關(guān)量的邏輯控制是基本的控制方法。它可以實(shí)現(xiàn)各種邏輯控制工藝，順序控制工藝以及其他自動(dòng)化生產(chǎn)線控制工藝等。PLC的開(kāi)關(guān)量邏輯控制基本取代了接觸器-繼電器電路，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，如注塑機(jī)、訂書(shū)機(jī)械、機(jī)床、倉(cāng)庫(kù)生產(chǎn)線、灌裝流水線等。 2)PLC模擬量控制 　　由于自然界存在許多連續(xù)變化的物理量，比如壓力、溫度、流量、液位等都是模擬量。要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能在程序中進(jìn)行計(jì)算和處理，將處理的結(jié)果轉(zhuǎn)換為模擬量。 3)PLC數(shù)據(jù)處理 可編程控制器具有各種各樣的計(jì)算方法，便于完成實(shí)際數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)傳送和轉(zhuǎn)換等，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析處理，具有很明顯優(yōu)勢(shì)。 4)PLC過(guò)程控制 過(guò)程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)中，使用很頻繁的調(diào)節(jié)方法。可編程控制器具有專用的PID子程序。 5)PLC通信及聯(lián)網(wǎng) 　　PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展，工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。 PLC由三個(gè)基本部分組成：外部輸入采樣單元、內(nèi)部邏輯計(jì)算處理單元、處理結(jié)果輸出執(zhí)行單元?？删幊炭刂破鞯腎/O輸入單元包含主令按鈕、限位開(kāi)關(guān)、檢測(cè)器等外部輸入主令接口， 可編程控制器在對(duì)外部I/O輸入單元收集的各種邏輯信號(hào)和模擬量采樣數(shù)據(jù)，以及主令臺(tái)的各種命令等信息進(jìn)行儲(chǔ)存和處理?？删幊炭刂破鞲鶕?jù)所設(shè)計(jì)的程序?qū)@些輸入信號(hào)進(jìn)行處理計(jì)算，并將結(jié)果通過(guò)輸出單元進(jìn)行輸出。通常下都是輸出給繼電器，繼電器通過(guò)動(dòng)作來(lái)控制外面的執(zhí)行單元。可編程控制器可根據(jù)外部工程需要建立通訊控制，通過(guò)通訊可以將某執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣和監(jiān)控，并計(jì)算和輸出。如圖2-2所示，可編程控制器的原理框圖。由圖可知，外部輸入變量都有開(kāi)關(guān)量，模擬量，通訊接口傳送的變量數(shù)據(jù)，以及編程執(zhí)行器等。 CPU 開(kāi)關(guān)量I/O接口 RAM 、 ROM 模擬量I/O接口 EPROM/E2ROM 通迅接口 編程器 電 源 圖3-1 可編程控制器原理框圖 編程工具一般就是電腦設(shè)計(jì)的編程軟件，我門可以根據(jù)編程軟件對(duì)可編程控制器進(jìn)行硬件組態(tài)設(shè)計(jì)，輸入輸出點(diǎn)的分配設(shè)計(jì)，程序編寫(xiě)設(shè)計(jì)，可以通過(guò)在線連接進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)監(jiān)控可以調(diào)試程序，并修改程序。當(dāng)可編程控制器啟動(dòng)運(yùn)行后，我們可以根據(jù)外部動(dòng)作情況來(lái)判斷程序的錯(cuò)誤和需要完善的地方。這也是現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工程師必須具備的技能?？删幊炭刂破骶幊誊浖际歉髯詮S家自主研發(fā)的，對(duì)這些軟件必須學(xué)習(xí)，了解指令含義和編程原則，技巧等。我們?cè)诰幊虝r(shí)，一般要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，總體設(shè)計(jì)可以保證編程的思路清晰，明朗。總體設(shè)計(jì)完后進(jìn)行分布設(shè)計(jì)，對(duì)各種功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行單獨(dú)編程，有必要的時(shí)候?qū)Τ绦蜻M(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，節(jié)省編程空間和時(shí)間。分布設(shè)計(jì)完畢后，就進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試階段，在調(diào)試時(shí)，首先必須對(duì)系統(tǒng)調(diào)試步驟進(jìn)行了解，對(duì)系統(tǒng)工藝進(jìn)行了解，以免調(diào)試時(shí)出現(xiàn)差錯(cuò)。 1．簡(jiǎn)易編程器 簡(jiǎn)易編程器就是很簡(jiǎn)單的編程工具，在編程工具上我們可以看到功能輸入鍵，各種指令輸入鍵，各種指令地址數(shù)字輸入鍵，還有顯示屏顯示當(dāng)前編程的具體情況。在編程時(shí)首先簡(jiǎn)易編程器就可以直接接在可編程控制器的端口上，用專用的通訊電纜與可編程控制器進(jìn)行連接，通過(guò)設(shè)置可以對(duì)可編程控制器進(jìn)行程序設(shè)計(jì)調(diào)試工作。在編程時(shí)，首先對(duì)各種按鍵進(jìn)行熟悉，在編程過(guò)程中必須進(jìn)行記錄，以便后面的調(diào)試修改。在編程的時(shí)候必須對(duì)輸入輸出點(diǎn)的地址分配進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，以免編寫(xiě)程序過(guò)程中，思路混亂。在編寫(xiě)程序結(jié)束后，就要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試的時(shí)候，必須判斷系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)是否準(zhǔn)確，如果不準(zhǔn)確，對(duì)相應(yīng)部分進(jìn)行修改。使其準(zhǔn)確。如果修改完畢，程序運(yùn)行正常，就可以將簡(jiǎn)易編程器拔下，保存。 2．圖形編程器 常用的圖形編程器是液晶顯示圖形編程器(手持式的)，它有一個(gè)大型的點(diǎn)陣式液晶顯示屏。除具有簡(jiǎn)易型的功能外，還具有可以直接打入和編輯梯形圖程序，使用起來(lái)更方便，直觀。但它的價(jià)格較高，操作也較復(fù)雜。也有用CRT作顯示器的臺(tái)式圖形編程器，它實(shí)質(zhì)是一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)，它的功能更強(qiáng)，使用更方便，但價(jià)格也十分昂貴。 3．用專用編程軟件在個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)上實(shí)現(xiàn)編程功能 隨著PC的日益普及，最新發(fā)展趨勢(shì)是使用專用的編程軟件，在通用的PC上實(shí)現(xiàn)圖形編程器的功能。這一編程方法的最大特點(diǎn)是：充分利用PC機(jī)的軟、硬件資源(如：硬盤(pán)、打印及各種功能軟件)，大大降低了編程器的成本，同時(shí)也大大增強(qiáng)了編程器的功能，使用十分方便。一般的PC添置一套專用的“編程軟件”后就可進(jìn)行編制、修改PLC的梯形圖程序，存貯、打印程序文件(清單)，與PLC聯(lián)機(jī)調(diào)試及系統(tǒng)仿真等。并且用戶程序可在PC、PLC之間互傳。具有以上功能后，PLC的程序(特別是大型程序)編程、調(diào)試就顯得十分方便和輕松。 輸入輸出 數(shù)字輸入6~24 數(shù)字輸出4~16 模擬輸入16~32 模擬輸出8~28 輸入輸出映像（可擴(kuò)展） 128輸入 128輸出 硬件擴(kuò)展 最多7臺(tái)擴(kuò)展模塊 中斷輸入 4 脈沖數(shù)出 2（20k~100k） CPU特性 8個(gè)PID控制器 最多2個(gè)串行端口 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 運(yùn)行中編輯 浮點(diǎn)運(yùn)算 狀態(tài)LED指示 CPU處理時(shí)間 位處理：0.22us 程序存儲(chǔ)器 4~25k 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 2~10k 定時(shí)器 256 溫度模塊 16位分辨率 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展 串行通訊 AS-interface MPI Profibus-DP從站 Modbus主站/從站 通訊速率 PPI/MPI：187.5kbps 自由口：115.2kbps 編程軟件 Step7-MicroWIN 安裝方式 IEC導(dǎo)軌 工作電壓 DC24V/AC220V 本次設(shè)計(jì)的塑料擠出機(jī)機(jī)，通過(guò)計(jì)算，需要6個(gè)模擬量輸入點(diǎn)、5個(gè)模擬量輸出點(diǎn)，15個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)、15個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)?？紤]到要留有適量的余量以做備用，因此，一般可以按實(shí)際需要的10%～15%選擇。根據(jù)上述幾條，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)注塑機(jī)中德國(guó)產(chǎn)的PLC在價(jià)格、售后服務(wù)和產(chǎn)品質(zhì)量的綜合評(píng)比中，穩(wěn)居第一。通過(guò)綜合比較，選用西門子S7-200，CPU226，并且選用EM231CN這種擴(kuò)展模塊4塊。具體如下表： 表3-1 CPU及其擴(kuò)展模塊的選擇 序號(hào) 模塊名稱級(jí)描述 備注 1 CPU226 24DI∕16DO M1 2 EM235CN 4AIW∕1AQW M2 3.2變送器的選擇 根據(jù)塑料擠出機(jī)的溫度控制要求，8通道模擬量輸入模塊EM231輸入信號(hào)形式可以為電壓和電流，但由于模擬量的輸入模塊各通道輸入信號(hào)類型同步變化，因此在選擇傳感器（變送器）要考慮所有傳感器的輸出信號(hào)要盡量統(tǒng)一，即均為電壓信號(hào)0～5（10）V，或電流信號(hào)0（4）～20mA。若不能做到傳感器的輸出信號(hào)統(tǒng)一，則模擬量模塊的組態(tài)開(kāi)關(guān)選擇為電壓輸入信號(hào)，再根據(jù)選擇的電壓范圍為0～5V還是0～10V輸出，在相應(yīng)的電流輸入通道并接精密電阻（250Ω～500Ω）,以便將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓信號(hào)。溫度變送器是一種將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)的儀表。主要用于工業(yè)過(guò)程溫度參數(shù)的測(cè)量和控制。 變送器由兩部分組成：信號(hào)轉(zhuǎn)換器和傳感器。熱電偶和熱電阻作為溫度傳感器，測(cè)量單元和信號(hào)處理轉(zhuǎn)換作為信號(hào)轉(zhuǎn)換器，根據(jù)科技的發(fā)展，現(xiàn)在的變送器增加了許多輔助功能，比如顯示單元和現(xiàn)場(chǎng)總線功能。 溫度變送器選擇PT100變送一體化的變送器即可，溫度量程范圍為0～200℃，DC24V供電，4～20mA電流信號(hào)輸出，電力變送器可以選擇硅結(jié)構(gòu)形式，量程范圍0～1.0MPa，輸出4～20mA的電流信號(hào)。溫度變送器的供電電源不得有尖峰，否則容易損壞變送器。變送器的校準(zhǔn)應(yīng)在加電5分鐘后進(jìn)行，并且要注意當(dāng)時(shí)環(huán)境溫度。測(cè)高溫時(shí)(>>100℃)傳感器腔與接線盒間應(yīng)用填充材料隔離，防止接線盒溫度過(guò)高燒壞變送器。在干擾嚴(yán)重的情況下使用傳感器，外殼應(yīng)牢固接地避免干擾，電源及信號(hào)輸出應(yīng)采用Ф10屏蔽電纜傳輸，壓線螺母應(yīng)旋緊以保證氣密性。只有RWB型溫度變送器有0～10mA輸出，為三線制，在量程值的5%以下,由于三極管的關(guān)斷特性造成不線性。溫度變送器每6個(gè)月應(yīng)校準(zhǔn)一次，如果DWB因受電路限制不能進(jìn)行線性修正，最好按說(shuō)明選擇量程以保證其線性 3. 3 熱電偶的選擇 熱電偶是工程上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，準(zhǔn)確度高，熱慣性小，穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性好，溫度測(cè)量范圍寬，適用于信號(hào)的遠(yuǎn)傳自動(dòng)記錄和集中控制的優(yōu)點(diǎn)，在溫度測(cè)量中占有重要的地位。此外，通過(guò)熱輻射來(lái)測(cè)溫，不會(huì)破壞被測(cè)介質(zhì)的溫度場(chǎng)。 熱電偶的測(cè)溫原理的以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)的，將任意兩種不同的導(dǎo)體A/ B組成一閉合回路只要其連接點(diǎn)1、2溫度不同，在回路就產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱效應(yīng)，我們就是利用熱電偶的熱效應(yīng)來(lái)測(cè)量溫度的。從物理上看，熱電偶回路產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)主要是由接觸電動(dòng)勢(shì)組成的。當(dāng)兩種不同導(dǎo)體A，B接觸是時(shí)，由于導(dǎo)體兩邊的自由電子密度不同，在交界上邊產(chǎn)生電子的互相擴(kuò)散。在接觸物體的一剎那，若導(dǎo)體Ａ中自由電子的密度大于導(dǎo)體Ｂ中自由電子的密度，則Ａ導(dǎo)體向Ｂ導(dǎo)體擴(kuò)散的電子數(shù)將比導(dǎo)體Ｂ向?qū)wＡ擴(kuò)散的電子數(shù)多，因而使導(dǎo)體Ａ失去較多的電子而帶正電荷，導(dǎo)體Ｂ得到較多的電子而帶負(fù)電荷，致使在導(dǎo)體Ａ、Ｂ接觸外產(chǎn)生電場(chǎng)，以阻礙電子在導(dǎo)體Ｂ中的進(jìn)一步積累，最后達(dá)到平衡。平衡時(shí)，在Ａ、Ｂ兩個(gè)導(dǎo)體間的電位差稱為接觸電動(dòng)勢(shì)。其值決定于兩個(gè)導(dǎo)體的材料種類和接觸點(diǎn)的溫度。 在熱電偶回路中，當(dāng)接觸1、2的溫度不一樣，就產(chǎn)生兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)eAB(t)和eAB(0)。這時(shí)回路中的總電勢(shì)。 E(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0) (3-1) 式中：e下標(biāo)字母表示電勢(shì)的方向。 在實(shí)際使用熱電偶時(shí)，在熱電偶回路中總要接入測(cè)量?jī)x表及導(dǎo)線，如圖3-2所示：1為熱電偶ABC；2為測(cè)量?jī)x表；3為連接熱電偶和測(cè)量?jī)x表的導(dǎo)線。 圖3-1 圖3-2 熱電偶是由兩種不同導(dǎo)線或半導(dǎo)體材料焊接而成。焊接的一端稱為熱端（或工作端）與導(dǎo)線連接的一端稱為冷端。熱端插入需要測(cè)量的設(shè)備之中，冷端置于設(shè)備之外。 E(t,t0)=eAB(t)+eBC(t0)+eCA(t0) (3-2) 如果回路中各接點(diǎn)溫度相同，即t=t0，則回路總電勢(shì)E(t,t0)必為零，即 E(t,t0)=eAB(t)+eBC(t0)+eCA(t0)=0 (3-3) eBC(t0)+eCA(t0) = -AB(t0) (3-4) 2-4代入2-3可得 E(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0) (3-5) 式3-2同式3-3完全一樣，由此可見(jiàn)，在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體的兩個(gè)接點(diǎn)溫度相等，回路中總電勢(shì)值不變。 但是，如果圖3-2中導(dǎo)體Ｂ、Ｃ和導(dǎo)體Ｃ、Ａ接點(diǎn)處溫度不同時(shí)，回路中總電勢(shì)會(huì)發(fā)生變化。所以，在使用熱電偶測(cè)溫時(shí)，冷端溫度應(yīng)該使之相等。一般熱電偶很短(幾百mm～幾千mm)，熱電偶冷端溫度會(huì)隨設(shè)備和環(huán)境溫度不斷變化。為了保證測(cè)量精度，必須采取措施，使熱電偶冷端溫度保持恒定，可以把熱電偶做得很長(zhǎng)，使冷端遠(yuǎn)離被測(cè)物體，并連同測(cè)量?jī)x表一起放到恒溫或溫度波動(dòng)較小的儀表控制室。但是，這種方法是不經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)閺默F(xiàn)場(chǎng)到儀表室一般較遠(yuǎn)，這將要耗費(fèi)許多貴重的熱電板材料。所以一般要冷端補(bǔ)償。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4． 塑料擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 4.1 STEP7-Micro/WIN編程軟件介紹 PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP7-Micro/WIN 32 V3.1編程軟件開(kāi)發(fā)。該軟件的SIMATIC指令集包括三種語(yǔ)言，即語(yǔ)句表（STL）語(yǔ)言、梯形圖（LAD）語(yǔ)言和功能塊圖（FWD）語(yǔ)言。下面著重介紹STEP7-Micro/WIN編程軟件。 （1）特點(diǎn) （a）在Windows平臺(tái)上運(yùn)行的SIMATIC S7-200 軟件簡(jiǎn)單易學(xué)； （b）對(duì)于復(fù)雜的自動(dòng)化工藝要求，能夠得到解決； （c）編程容易，易掌握； （d）可以擴(kuò)展8個(gè)模塊； （e）在標(biāo)準(zhǔn)的Windows系統(tǒng)( 類似于Winword、Outlook)中運(yùn)行。 （2）設(shè)計(jì) STEP 7-Micro/WIN 有以下兩種版本： （a）STEP 7-Micro/WIN16 V2.1 用于Windows 3.1、Windows3.11、Windows 95、Windows 98或Windows NT，需要10MB存儲(chǔ)空間。 （b）STEP 7-Micro/WIN32 V3.1 用于Windows 95、Windows 98或Windows NT，需要35MB存儲(chǔ)空間。 STEP 7-Micro/WIN16 V2.1可以編制S7-21x 系列的全部功能。對(duì)于S7-22x 系列的附加功能不能編程。CPU與PG/PC通過(guò)PC/PPI電纜進(jìn)行連接，不支持SIMATICCP、CP5511/5611。在Windows 3.1和Windows3.11下通過(guò)PC/PPI 電纜可以實(shí)現(xiàn)多主站模式。 STEP 7-Micro/WIN32 V3.1可以對(duì)S7-200的所有功能進(jìn)行編程。CPU通過(guò)PC/PPI電纜或通過(guò)插在PG/PC上的CP 5511或CP 5611與PG/PC連接，通過(guò)PC/PPI 電纜可以在Windows 95 或Windows 98下實(shí)現(xiàn)多主站模式。 （3）功能 簡(jiǎn)單的程序結(jié)構(gòu)通過(guò)一個(gè)主程序調(diào)用其他子程序或中斷程序，保證了程序結(jié)構(gòu)的清晰，此外，還可以生產(chǎn)數(shù)據(jù)塊； 可以用語(yǔ)句表(STL)和梯型圖(LAD)編程； 可以進(jìn)行符號(hào)編程，通過(guò)符號(hào)表分配符號(hào)和絕對(duì)地址，并可打印輸出； 支持三角函數(shù)、開(kāi)方、對(duì)數(shù)運(yùn)算功能； 易學(xué)的指令集：指令由容易記的縮寫(xiě)組成，相同的指令只需稍加修改就可用于不同的功能(例如指令MOVE根據(jù)傳送的方式不同有不同的形式)； 易于使用的組態(tài)向?qū)А? STEP 7-Micro/WIN32 V3.1還支持以下功能： （1）附加的FBD顯示方法； （2）可以按照IEC 1131-3方式或S7-200方式運(yùn)行LAD和FBD； （3）S7-22x CPU在子程序中使用局部變量； （4）向/從子程序傳送和回檢參數(shù)； （5）可以集成到STEP7 V4.x或STEP7 V5.x； （6）對(duì)于CP 5511和CP 5611支持S7-200 協(xié)議； （7） PG/PC接口的參數(shù)化與STEP7相似； （8）在線和離線調(diào)用SIMATIC STEP7管理器； （9）按IE瀏覽器的樣式使用項(xiàng)目管理和指令瀏覽； （10）從指令瀏覽器中將指令拖拽到工作面上； （11）所有的項(xiàng)目數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)文件中； （12）STEP 7-Micro/WIN 的多種啟動(dòng)設(shè)施，這將允許無(wú)故障地將語(yǔ)句和段落從一個(gè)項(xiàng)目傳送到另一個(gè)項(xiàng)目； （13）顯著地增加了打印功能，包括可以打印預(yù)覽。 4.2 控制要求 在本次設(shè)計(jì)中，我們的任務(wù)是用PLC來(lái)控制塑料擠出機(jī)的在完成一次擠出過(guò)程中經(jīng)歷的幾個(gè)環(huán)節(jié)中的自動(dòng)化控制。 移動(dòng) 移動(dòng)到位 電磁換向閥 接近開(kāi)關(guān)輸入 熱電耦1 熱電耦3 熱電耦1 S7-200PLC及其擴(kuò)展模塊 熱電耦2 圖4-1 塑料擠出機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖 塑料擠出機(jī)的溫度控制主要是控制塑化部件的前部溫度，塑化部件的中部溫度和塑化部件的后部溫度。塑化部件的溫度經(jīng)熱電耦的采集，將溫度信號(hào)送給溫度變送器，經(jīng)溫度變速器的處理后，將模擬信號(hào)變成與溫度成線性關(guān)系的4～20mA電流信號(hào)輸出，輸出的信號(hào)送給S7-200PLC及其擴(kuò)展模塊，經(jīng)過(guò)S7-200PLC及其擴(kuò)展模塊的處理后將輸出的數(shù)字量信號(hào)來(lái)控制固態(tài)繼電器，繼而控制塑料擠出機(jī)的加熱器的工作來(lái)時(shí)塑化部件的溫度達(dá)到一定的水平。 其硬件配置下圖所示： 圖4-2塑料擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)硬件配置圖 而分析控制的各個(gè)過(guò)程和環(huán)節(jié)，列出需要控制的量的分析表，如下所示： 表4-1 塑機(jī)控制系統(tǒng)測(cè)控點(diǎn)表 序號(hào) 測(cè)控點(diǎn)名稱 所需設(shè)備 AI AO DI DO 1 塑化部件前部溫度 熱電耦1 1 2 塑化部件前部溫度到達(dá)設(shè)定值 固態(tài)繼電器制 的電阻絲2 1 3 塑化部件中部溫度 熱電耦2 1 4 塑化部件中部溫度到達(dá)設(shè)定值 固態(tài)繼電器制 的電阻絲3 1 5 塑化部件后部溫度 熱電耦3 1 6 塑化部件后部溫度到達(dá)設(shè)定值 固態(tài)繼電器制 的電阻絲4 1 4.3 I/O地址分配 所選用的PLC及其擴(kuò)展模塊的特點(diǎn)，在本次控制中所需要控制的量，可以將I∕O地址分配如下。 表4-2 模塊變量地址分配表 模塊 型號(hào) 測(cè)控點(diǎn) PLC端子 備注 M1 CPU226 主電機(jī)啟動(dòng) I0.0 M1 CPU226 主電機(jī)停止 I0.1 M1 CPU226 輔電機(jī)啟動(dòng) I0.2 M1 CPU226 輔電機(jī)停止 I0.3 數(shù)字/模擬 輸入 M1 CPU226 加熱器1啟停 I0.4 M1 CPU226 加熱器2啟停 I0.5 M1 CPU226 加熱器3啟停 I0.6 M1 CPU226 接近開(kāi)關(guān)1 I0.7 M1 CPU226 接近開(kāi)關(guān)2 I1.0 M1 CPU226 接近開(kāi)關(guān)3 I1.1 M1 CPU226 接近開(kāi)關(guān)4 I1.2 M1 CPU226 接近開(kāi)關(guān)5 I1.3 M1 CPU226 手動(dòng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換 I1.4 M1 CPU226 水泵啟動(dòng) I1.5 M1 CPU226 水泵停止 I1.6 M1 CPU226 風(fēng)機(jī)啟動(dòng) I1.7 M1 CPU226 風(fēng)機(jī)停止 I2.0 M1 CPU226 油泵啟動(dòng) I2.1 M1 CPU226 油泵停止 I2.2 M2 EM235CN 塑化部件前部溫度 熱電耦1 AIW2 M2 EM235CN 塑化部件中部溫度 熱電耦2 AIW4 M2 EM235CN 塑化部件后部溫度 熱電耦3 AIW6 M2 EM235CN 壓力監(jiān)測(cè) AIW8 M2 EM235CN 流量監(jiān)測(cè) AIW10 M1 CPU226 主電機(jī)運(yùn)行 Q0.0 數(shù)字/模擬 輸出 M1 CPU226 輔電機(jī)運(yùn)行 Q0.1 M1 CPU226 加熱器1運(yùn)行 Q0.2 M1 CPU226 電熱器2運(yùn)行 Q0.3 M1 CPU226 加熱器3運(yùn)行 Q0.4 M1 CPU226 電磁閥1DT Q0.5 M1 CPU226 電磁閥2DT Q0.6 M1 CPU226 電磁閥3DT Q0.7 M1 CPU226 電磁閥4DT Q1.0 M1 CPU226 電磁閥5DT Q1.1 M1 CPU226 電磁閥6DT Q1.2 M1 CPU226 加熱器1指示 Q1.3 M1 CPU226 加熱器2指示 Q1.4 M1 CPU226 加熱器3指示 Q1.5 M1 CPU226 水泵運(yùn)行 Q1.6 M1 CPU226 風(fēng)機(jī)運(yùn)行 Q1.7 M1 CPU226 油泵運(yùn)行 Q2.0 M2 EM235CN 主電機(jī)速度輸出 AQW0 M2 EM235CN 輔電機(jī)速度輸出 AQW2 M2 EM235CN 加熱器1輸出 AQW4 M2 EM235CN 加熱器2輸出 AQW6 M2 EM235CN 加熱器3輸出 AQW8 5 塑料擠出機(jī)控制系統(tǒng)的多路溫度控制設(shè)計(jì) 5.1 PID控制的原理和特點(diǎn) 所謂PID控制器：將偏差的比例（P）,積分（I）和微分（D）通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制，這樣的控制器就是PID控制器。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或是不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或是不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例，積分和微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 (1) 比例控制 比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減少穩(wěn)態(tài)誤差。系統(tǒng)的控制輸入如果為零，和系統(tǒng)過(guò)程值為期望值，這兩種情況下，比例控制的穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)行輸出，當(dāng)給定期望值發(fā)生變化，那么系統(tǒng)過(guò)程值也產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差，比例控制是不能消除穩(wěn)態(tài)誤差的，如果系數(shù)放大，那么就會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)震蕩。 圖5-1 比例控制 （2）積分控制 為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在積分控制過(guò)程中，PID控制器輸出的和輸入的誤差信號(hào)的積分為正比例的關(guān)系。所以為了達(dá)到穩(wěn)態(tài)誤差減小的目的，在PID控制器中就要加入積分控制，積分項(xiàng)主要取決于積分的時(shí)間值，當(dāng)時(shí)間值加大，那么積分項(xiàng)也會(huì)加大，這樣誤差很小的情況下，積分項(xiàng)也隨著時(shí)間增大而加大。它推動(dòng)了整個(gè)控制器的輸出增大，從而誤差進(jìn)一步減小，知道穩(wěn)態(tài)誤差為零。 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。為了減小穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中加入積分項(xiàng)，積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加， 積分(I)和比例(P)通常一起使用，稱為比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。如果單獨(dú)用積分(I)的話，由于積分輸出隨時(shí)間積累而逐漸增大，故調(diào)節(jié)動(dòng)作緩慢，這樣會(huì)造成調(diào)節(jié)不及時(shí)，使系統(tǒng)穩(wěn)定裕度下降。 圖5-2 積分控制 （3）微分控制 微分控制情況下，PID控制器的輸出信號(hào)和輸入誤差信號(hào)的微分成正比關(guān)系，由于在溫度控制中，有較大的慣性環(huán)節(jié)，或者滯后環(huán)節(jié)，在調(diào)節(jié)的時(shí)候可能出現(xiàn)震蕩。那么就引進(jìn)微分控制方法，在誤差較大的時(shí)候，可以抑制誤差。知道誤差接近零，抑制誤差也就為零。 圖5-3 微分控制 5.2 數(shù)字PID控制算法 數(shù)字PID控制算法可以分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。增量式控制算法相較于位置式來(lái)說(shuō)有許多優(yōu)點(diǎn)，因此采用增量式PID算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。所謂增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量 。以T作為采樣周期，K作為采樣序號(hào)，則離散采樣時(shí)間t,用求和的形式代替積分，用增量的形式代替微分，在此，先對(duì)采樣周期的幾點(diǎn)要求有必要在此說(shuō)明：采樣一數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)中，采樣速率為1/T設(shè)采樣周期為T。采樣周期作為重要的參數(shù)，控制系統(tǒng)和采樣周期有著很大的關(guān)系。 （1）香農(nóng)（Shannon）采樣定理 （Wmax--被采樣信號(hào)的上限角頻率） 此定理要設(shè)置采樣周期的上限，為了使用這個(gè)定理，采樣信號(hào)可以恢復(fù)為原有的模擬信號(hào)。而不丟失很重要的信息。采樣周期時(shí)間越短，性能越接近于連續(xù)時(shí)間控制系統(tǒng)。 （2）閉環(huán)系統(tǒng)要求采樣周期小，以便于對(duì)信號(hào)的跟蹤。 （3）如果采樣周期小些，就可以達(dá)到抑制擾動(dòng)的要求。 （4）對(duì)于執(zhí)行元件來(lái)說(shuō)，采樣周期要有一定的寬度。 （5）計(jì)算機(jī)控制精度要求下，采樣周期也不宜過(guò)短。 （6）系統(tǒng)成本上考慮，采樣周期越長(zhǎng)越有利。 考慮到上面的各種因素，采樣周期應(yīng)該滿足系統(tǒng)的要求，盡可能降低成本的選擇采樣周期。 t≈kT (K=0,1,2,3,……….) 則可得離散的PID表達(dá)式為： （5-1） （5-2） 上式中 k-----采樣序號(hào)，k=0,1,2,3……..； ----第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)的輸出值； ----第k次采樣時(shí)刻輸入偏差值； ----第k-1次采樣時(shí)刻輸入偏差值； ------積分系數(shù)，; -----微分系數(shù)，; -----開(kāi)始進(jìn)行PID控制時(shí)的原始初值。 由式（5-1）可得孔子其在K-1個(gè)采樣值為： （5-3） 將式（5-1）與式（5-3）相減，并整理，可得增量式PID控制算法公式為： (5-4) 上式可以寫(xiě)成： (5-5) 由于電阻爐一般都屬于一階對(duì)象，為了求出幾個(gè)系數(shù)，我們用到擴(kuò)充響應(yīng)曲線整定PID參數(shù)。式3-5可以改寫(xiě)成： (5-6) PID控制算法