1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 拉链挤出机的电气控制系统设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 生产出性能优良的塑料拉链，不但要正确使用原料，加工设备及工艺参数的选用也非常关键。实际生产中，受螺杆电机、所加工材料的特性 、材料的湿度、机筒温度、出口压力等诸多因素的影响，塑料制品质量存在一定的不稳定性。 本系统采用的是单螺杆挤出机系统。就加工设备和参数选择来说，单螺杆挤出机由于设备最简单，参数调节也最为方便，且操作简单、易改造、适应性广，因此该设备具有良好的性能价格比并将得到了最广泛的应用。 塑料挤出系统采
2、用的是以 PLC为控制核心的控制系统。本文在对 PLC控制系统 与继电器控制系统和计算机控制系统进行深入的比较 ,并且根据实际的要求 ,决定采用以 PLC作为控制核心来设计本控制系统，使控制可以集中管理，维修维护方便。 该系统加热器 温度控制采用 PID控制。 PID控制的采用能够在控制过程中根据预先设定好的控制规律不停地自动调整控制量以使被控系统朝着设定的平衡状态过渡。本系统在加热过程内采样四处温度点作为控制 ,增强了系统的可靠性和抗干扰能力 ,可以很好地满足生产的需要。 关键词： 单螺杆；挤出机； PLC； PID - 1 - Abstract Producing a plastics s
3、ilk with good function, not only want the right usage raw material, but also need the process equipments and the craft parameters to choose to use very key. In fact, the produce is subjected to the screw stem electrical motor, the degree of humidity, machine tube temperature, the characteristic of t
4、he material process, export the pressure etc. Because of the influence of many factors, unsteadies of the plastics product exists in the quantity. What this system adopts is the machine system of a single screw stem to extrude. Inregard to process equipments and parameters to choose, the single scre
5、w stem machine to extrude is simple most. The parameter regulate also is the most convenient to set, and simple and easy to reform, is wide in adaptability of operation, so the equipment will get the most extensive application. The plastics extruding system is the control system that takes PLC as to
6、 control the control system of the core. After the compare between the PLC control system and relay control system, computer control system, DCS control system deeply, and according to actual request, the control system is decided to adopt to take the PLC as control core, which makes the control cen
7、tralized management, maintain and maintenance convenience, and the price is lower. The systems temperature control is adopted the PID control. The adoptio n of PID control can adjust controlled variable, according to the pervious setting control regulation, without intermission and automatically, to
8、 make control system to transit to the setting balanced state during control process. This system samples four points to control the temperature in heat process. which strengthen the credibility and the anti-interference abilities of the system and can satisfy the demand of the production nicely. Ke
9、y words: Single Screw Stem; Extrusion; PLC; PID - 2 - 目 录 1 引言 .- 1 - 1.1 塑料挤出机的技术简介 .- 1 - 1.2 塑料挤出机技术在国内外的研究现状 .- 1 - 2 PLC 控制系统与其他工业控制系统的比较 .- 3 - 2.1 PLC 控制系统与继电器控制系统的比较 .- 3 - 2.2 PLC 控制系统与计算机控制系统的比较 .- 4 - 3 PLC 系统主要硬件和编程软件介绍 .- 6 - 3.1 PLC 系统主要硬件介绍 .- 6 - 3.1.1 PLC 模块介绍 .- 6 - 3.1.2 传动电机介绍 .-
10、 7 - 3.1.3 触摸屏的介绍 .- 7 - 3.2 PLC 温度控制系统的软件 .- 8 - 4 PID 算法及其实现 .- 9 - 4.1 PID 参数对控制性能的影响 .- 9 - 4.2 PID 控 制算法 .- 11 - 4.2 S7-200 PLC 中 PID 算法块应用方 法 .- 13 - 4.3 本系统的 PID 运算的实现方法 . - 14 - 5 塑料挤出机 PLC 控制系统设计方案 .- 15 - 5.1 电气部分设计方案 .- 15 - 5.2 PLC 系统软件设计方案 .- 16 - 5.2.1 主程序设计 .- 16 - 5.2.2 初始化子程序设计 .- 1
11、8 - 5.2.3 电机控制子程序 . - 18 - 5.2.4 中断程序 .- 19 - 5.2.5 系统资源分配 .- 20 - 5.3 实验分析 .- 21 - 5.3.1 温度控制分析 . - 21 - 5.3.2 转速匹配分析 .- 21 - 6 结 论 .- 23 - 致 谢 .错误 !未定义书签。 参考文献 . - 24 - 附录 1 系统实物图 .- 25 - 附录 2 系统原理图 .- 28 - 附录 3 毕业设计作品说明书 .- 29 - - - 1 - - 1 引言 1.1 塑料挤出机的技术简介 性能优良的塑料制品的生产，不但要正确使用原料，加工设备及工艺参数的选用也非常
12、关键。实际生产中，受螺杆转速、所加工材料的特性、材料的湿度、机筒温度、出口压力等诸多因 素的影响，塑料制品质量存在一定的不稳定性。在将原料的性能转移至产品的过程中，为了保证原料的性能在加工过程中不被损坏。在生产过程中不同的阶段，对物料的温度有严格的要求，对料筒温度的精确控制对挤出产量及制品质量的提高有积极意义 2-3。 对料筒这一控制对象，可选的温控方案是很多的。 PID控制简单、容易实现，在大多数情况下可以满足性能要求，由于它具有可以消除稳态误差的优点，在实际生产的控制方案中，它的使用率占 80%以上， PID控制的性能主要取决于参数的整定情况，只要控制参数选择合理，可以达到较高的稳态精度。
13、 本 文在分析了各种控制方案的优缺点后，采用了分离积分 PID控制方案，即在温度控制过程中，温度偏差较大时，分离积分作用，以减小超调，保证系统运行的稳定性。在实践中，该方案达到比较好的效果，快速升温时间保持较小的超调，且稳态误差小。 1.2 塑料挤出机技术在国内外的研究现状 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然己经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于 20世纪 80年代后期水平，成熟的温控产品主要以“点位” 控制及常规的 PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、
14、复杂、时变温度系统控制。而适用于较高要求控制场合的智能化、自适应温控仪表，虽然国外己有较多的成熟产品，但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，国内技术还不十分成熟。 挤出机温度的控制部位一般分为机筒温度控制与模头温度控制两大部分，模- - 2 - - 头温度直接影响产品的表面光亮度，机筒温度影响产品的内在塑化效果，两者原理一样，起主要作用的是机筒温度控制。 国内挤出机温度控制系统一般采用 “温控仪表 +接触器 +电加热器 ”的控制方式。早期的国产挤出机温控系统采用 二位式调节仪表，通过简单地接通继电器开关控制加热圈通断，以达到控制料筒温度的目的，该方案温控效果很不理想，超调量大，响应时间长，稳
15、态误差大 (达 10 )。后来，采用三位式调节仪表，它的控温精度为 5 。随着技术进步出现了使用时间比例式仪表，由于在温度逼近设定点时采用比例式调节，使温度的上冲下冲得到一定程度的缓和，能使控温精度达 3 。 目前，大部分挤出机温控仪表都采用 PID算法。控制精度有很大的提高，精度 达 1 ,但超调依然存在，且控制参数由人工现场整定，对精度要求高的挤出机温度控制系统大多采用进口温度控制 仪表，调整很费时间。这些调节仪表能够输出电压脉冲，并能以自适应数字 PID调节方式工作，可以在线整定控制参数，其最终的控温精度可控制在 1 以内 7。 由于采用温控表为主的分离元件控制系统，保养和维修困难，同时
16、，操作上也不方便。目前，国外的塑机厂商已基本上淘汰了以温控表为主的分离元件控制系统，转而采用集中控制系统，随着计算机工控技术的发展，这己成为塑料机控制系统发展的趋势。 可编程控制器具有可靠性高、使用方便、使用范围广的特点，将 PLC作为塑料机械控制器的方案己经得到业界的重视。 - - 3 - - 2 PLC 控制系统与其他工业控制系统的比较 目前，温度控制器可采用工业控制计算机、 PLC以及专用的温控仪表等。本文采用 PLC作为挤出机控制器，可编程控制器的主要特点 : （ 1）可靠性高、抗干扰能力强。 PLC是专为工业控制而设计的，能在一般高温、振动、冲击、粉尘、强电磁干扰等恶劣环境下工作，平
17、均无故障时间高达几十万小时。 （ 2） 功能完善、组合灵活。 PLC应用微电子技术和微计算机，具有逻辑、定时、计数等顺序控、模拟 I/O、 基本算术运算、通信能力等能。可编程控制器是系列化产品，可根据所控制任务的不同，选用不同的模块 组合。 （ 3）编程方便。 PLC适用针对工业控制的梯形图、功能块图、指令表编程，非常方便。 （ 4） 安装、维修简单。 PLC安装时只要各种器件连接无误，系统便可工作，各个模块上设有运行和故障指示装置，便于查找故障 ,大多数模块可以带电插拔，使用户可以在最短的时间内查出故障并排除。 2.1 PLC 控制系统与继电器控制系统的比较 传统的继电器控制系统被 PLC所
18、取代己是必然趋势，继电器控制柜是针对一定的生产机械、固定的生产工艺设计的，采用硬接线方式装配而成，只能完成既定的逻辑控制、定时、计数等功能，一旦生产工艺过 程改变，控制柜必须重新设计、重新配线。而 PLC由于应用了微电子技术和计算机技术，各种控制功能都是通过软件来实现的，只要改变程序并改动少量的接线端子，就可适应生产工艺的改变。从适应性、可靠性、方便性及设计、安装、维护等各方面比较， PLC都有显著的优势。 因此在用微电子技术改造传统产业的过程中，传统的继电器控制系统大多数将被 PLC所取代。 PLC 控制系统与继电器控制系统的比较见表 2-1 - - 4 - - 表 2-1 PLC 控制系统
19、与继电器控制系统的比较 比较项目 继电器控制系统 PLC 控制系统 控制功能的实现 由许多继电器 ,采 用接线的方式来完成控制功能 各种控制功能是通过编制的 程序来实现的 对生产工艺过程变更的适应性 适应性差 ,需要更新设计 ,改变继电器和接线 适应性强 ,只需对程序进行修改 控制速度 低 ,靠机械动作来实现 极快 .靠微处理器进行处理 计数及其他特殊功能 一般没有 有 安装，施工 连线多 ,施工繁 容易安装 ,施工方便 可靠性 差 ,触点多 ,故障多 高 ,因为器件采用筛选和防老 化等措施 寿命 短 长 可扩张性 困难 容易 维护 工作量大 ,故障不易查出 有自诊能力 ,维护工作量小 结论
20、:由于 PLC控制系统与继电器 控制系统相比具有无法比拟的优点，因此，在今后的控制系统中，传统的继电器控制系统被 PLC控制系统所替代是大势所趋。 2.2 PLC 控制系统与计算机控制系统的比较 20世纪 60年代，由于小型计算机的出现，有人试图用小型计算机来取代当时占统治地位的继电器系统，结果没获成功，代之的却是 PLC的出现。通用计算机与 PLC本身在工作目的、原理和方式上都存在着较大的差异，其比较结果见表(2-2) 表 2-2 PLC控制系统与通用计算机控制系统的比较 比较项目 通用计算机控制系统 PLC自动系统 工作目的 科学计算 ,数据 管理等 工业自动控制 工作环境 对科学环境的要
21、求较高 对环境要求较低 ,可在恶劣的工作现场工作 工作方式 中断处理方式 循环扫描方式 采用的特殊措施 掉电保护等一般性措施 采用多种抗干扰措施 ,自诊断 ,断电保护 ,可在线维护 编程语言 汇编语言 ,高级语言 ,如 ：BASIC,C等 梯形图 ,助记符语言 ,SFC标准化语言 对操作人员的要求 需专门的培训 ,并有一定的计算机基础 一般的技术人员 ,稍加培训即可操作使用 - - 5 - - 续表 2-2 对内存的要求 容量大 容量小 系统软件 需配置功能较强的系统软件 一般只需简单的 监控程序 价格 价格高 价格较低 其他 若用于控制 ,需自行设计 机种多 ,模块种类多 ,易于集成系统 结
22、论：一般在工业自动化工程中采用 PLC可靠、方便、易于维护。进入 20世纪 70年代，采用微处理器的工业控制机出现了，它与 PLC共同推动着传统工业的技术改造。经过长时间的技术改造和实践，人们又发现， PLC与一般工业控制计算机相比， PLC还是有着较强的优势，其原因是 PLC专为在工业环境下的应用而设计，在 PLC中采用了如下的硬件和软件措施 : 光电耦合隔离和 RC滤波器，有效地防止了干扰信号的进入。 内部采用 电磁屏蔽，防止辐射干扰。 采用优良的开关电源，防止电源引入的干扰。 具有良好的自诊断功能，可对 CPU等内部电路进行监测，一旦出错，立即报警。 对程序及有关数据用电池供电进行后备，
23、一旦断电或运行停止，有关状态及信息不会丢失。 对采用的器件都进行了严格的筛选和简化，排除了因器件问题而造成的故障。 采用了冗余技术进一步增强了可靠性。对某些大型的 PLC还采用了双 CPU构成冗余系统，或三 CPU构成表决式系统。 随着构成 PLC元器件性能的提高， PLC的可靠性也在相应地提高。一般 PLC的平均无故障时间 可达几万小时以上。某些 PLC的生产厂家甚至宣布，今后生产的PLC不再标明可靠性这一指标，因为对 PLC来讲这一指标己毫无意义了。经过大量实践发现 PLC系统在使用中发生的故障大多是由于 PLC的外部开关、传感器、执行机构引起的，而不是 PLC本身造成的。另外， PLC程
24、序设计简单，易学易懂易维护，更适合于工程技术人员。因此， PLC在工业控制中获得了极大的成功，成为工业控制中的主流。- - 6 - - 3 PLC 系统主要硬件和编程软件介绍 3.1 PLC 系统主要硬件介绍 本系统主要硬件有可编程控制器 PLC、伺服电机和触摸屏等，下面逐一进 行介绍： 3.1.1 PLC 模块介绍 本系统用的 PLC模块是 S7-226DC/DC/DC,该模块属于 S7-200系列 。 西门子公司S7-200系列 PLC是目前使用最广泛的产品之一，设计合理、性能可靠、体积小巧、指令功能丰富、运算速度较快、价格低廉、多功能和多用途，具有很高的性能价格比。特别是其提供基于 WI
25、NDOWS的编程软件 STEP7-WICRO/WIN32,非常容易使用，结构清晰，并有丰富的在线变量监测功能，这一点大大方便了今后的调试工作。相对于市场中常用的其他 PLC品牌，如日本三菱、欧母龙、法国施耐德 等，其有以下几个突出特点 : (1)强大的指令集功能。 指令内容包括逻辑指令、计数器、定时器、复杂数学运算指令、 PID指令、字符串指令、时钟指令、通讯指令以及和智能模块配合的专用指令。 (2)强大的通讯功能。 S7200提供了近 10种通讯方式以满足不同的应用需求。从简单的 S7-200之间的通讯到 S7-200通过 PROFIBUS-DP网络通讯，甚至通过以太网通讯。 (3)STEP7-MICRO/WIN32为用户提供了开发、编辑和监控的良好环境。全中文的键面、中立的在线帮助信息、 WINDOWS的界面风格以及丰富的 编程向导，能使用户快速进入状态，得心应手。 S7-226DC/DC/DC的主要技术指标如下 : 外形尺寸 ： 190mm x 80mm x 62mm本机数字量： 14入 /10出 最大数字量输入 /输出： 256入 /256出最大模拟量输入 /输出： 32入 /32出 程序空间 (永久保存 )： 4096字用户数据存储器： 2560字 扩展模块： 7个数字量 I/O映像区： 256
