基于PLC的溫度控制系統(tǒng)

1 引言

染色工序在紡織品生產(chǎn)中占有重要地位，染色質(zhì)量直接決定了紡織品的色澤、外觀，甚至還影響紡織品的生產(chǎn)成本。在染色工序中，影響染色的因素主要有染液濃度、溫度、液位等，其中溫度控制是很重要而又復(fù)雜的控制過程。染色過程實(shí)際上是執(zhí)行由工藝人員針對(duì)不同織物的一條溫度曲線，每個(gè)工藝對(duì)染色的溫度、升降溫過程都有嚴(yán)格的要求，否則，容易使織物產(chǎn)生色差、缸差、條痕等疵點(diǎn)，造成復(fù)染率上升，生產(chǎn)成本的增加。針對(duì)染色過程溫度控制的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)了基于PLC 的染色機(jī)溫度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)染色過程溫度的控制，從而減少織物疵點(diǎn)，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

2 系統(tǒng)控制要求

1）溫度曲線存儲(chǔ)要求對(duì)于不同的染色品種，其對(duì)溫度的要求是不同的，因此對(duì)應(yīng)的溫度工藝曲線也是不同的，若將所有染色品種的溫度工藝曲線都存入現(xiàn)場溫度控制器中，則對(duì)該控制器的內(nèi)存要求非常高，導(dǎo)致系統(tǒng)臃腫，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過一臺(tái)中控機(jī)，將工藝人員設(shè)定的不同的溫度工藝曲線，全部由工作人員在中控機(jī)上輸入后經(jīng)PROFIBUS—DP 現(xiàn)場總線下傳給現(xiàn)場控制器，現(xiàn)場控制器根據(jù)接收的溫度工藝曲線進(jìn)行溫度控制，同時(shí)現(xiàn)場控制器可以隨時(shí)向中控機(jī)申請(qǐng)修改溫度工 藝曲線的參數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，現(xiàn)場控制器可以保存當(dāng)前的溫度工藝曲線，并且具有斷電長期保存當(dāng)前溫度曲線的功能。

2）溫度控制要求

在染色工藝過程中，典型的工藝曲線如圖1 下所示：


圖1 典型的工藝曲線

由圖1 可知，染色工藝可以分為多個(gè)曲線段，不同的曲線段對(duì)應(yīng)不同的溫度。對(duì)染色過程的溫度控制主要是對(duì)染槽升溫、保溫、降溫，結(jié)合生產(chǎn)的實(shí)際要求又將升溫分為直接升溫到指定溫度和按斜率準(zhǔn)確地升溫到指定溫度；同理，降溫也分為直接降溫到指定溫度和根據(jù)斜率準(zhǔn)確地降溫到指定溫度。因此溫度控制分為五個(gè)子程序：直接升溫、按斜率升溫、保溫、直接降溫、按斜率降溫。直接升溫還是斜率升溫、直接降溫還是斜率降溫根據(jù)實(shí)際需要通過中控機(jī)設(shè)定，而后由現(xiàn)場控制器PLC 的主程序調(diào)用相應(yīng)子程序。

3）報(bào)警及顯示功能

為系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè) TD 200 文本顯示器，顯示染色過程中的一些操作和報(bào)警信息，該顯示器適用于所有西門子S7-200 系列的PLC。

4）中控機(jī)監(jiān)控要求

采用西門子公司的WINCC 實(shí)現(xiàn)中控機(jī)對(duì)現(xiàn)場PLC 的監(jiān)控，主要實(shí)現(xiàn)當(dāng)前溫度顯示、動(dòng)態(tài)溫度曲線顯示、溫度等參數(shù)設(shè)置、報(bào)警記錄和打印報(bào)表等功能。

3 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

本系統(tǒng)采用西門子公司推出的 S7-200PLC 作為現(xiàn)場控制器，選用CPU226 主機(jī)模塊；通過CP5613 卡完成現(xiàn)場控制器同中控機(jī)之間的通信?，F(xiàn)場控制器S7-200 擴(kuò)展了一塊智能溫度數(shù)據(jù)采集模塊EM231，該模塊帶有4 個(gè)模擬輸入點(diǎn)，集成有16 位/轉(zhuǎn)換器，分辨率達(dá)0.1℃，能自動(dòng)進(jìn)行線性化處理，有冷端補(bǔ)償功能，不再需要外部變送器，一個(gè)模塊就能完成數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理功能。系統(tǒng)的溫度信號(hào)的檢測采用鉑電阻PT100，鉑電阻具有測量精度高、性能穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，在工業(yè)上廣泛用于-200℃~+500℃之間的溫度測量。由于現(xiàn)場控制器S7-200 不能直接同PROFIBUS—DP 現(xiàn)場總線相連，因而為S7-200 外擴(kuò)了PROFIBUSDP 模塊EM277。

對(duì)于不同的染色品種，對(duì)應(yīng)的溫度工藝曲線也是不同的，若將所有可能用到的溫度曲線存入現(xiàn)場控制器中，則對(duì)現(xiàn)場控制器的內(nèi)存要求很高，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過中控機(jī)，將工藝人員設(shè)定的不同的溫度工藝曲線，全部由工作人員在中控機(jī)上輸入后經(jīng)PROFIBUS—DP 現(xiàn)場總線下傳給現(xiàn)場控制器，現(xiàn)場控制器根據(jù)接收的溫度工藝曲線進(jìn)行溫度控制，同時(shí)現(xiàn)場控制器可以隨時(shí)向中控機(jī)申請(qǐng)修改溫度工藝曲線的參數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，現(xiàn)場控制器可以保存當(dāng)前的溫度工藝曲線，并且具有斷電長期保存當(dāng)前溫度曲線的功能，同時(shí)可以將現(xiàn)場的溫度等信號(hào)上傳至中控機(jī)，形成監(jiān)控界面，如果需要可以通過網(wǎng)卡將中控機(jī)同工廠信息網(wǎng)以及Internet 網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)底層到高層的信息共享。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。



4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

由圖 1 可知，染色工藝可以分為幾個(gè)曲線段，不同的曲線段對(duì)應(yīng)不同的目的溫度、升降溫時(shí)間、保溫時(shí)間。對(duì)染色過程的溫度控制主要是對(duì)染槽升溫、保溫、降溫，結(jié)合生產(chǎn)的實(shí)際要求又將升溫分為直接升溫到指定溫度和按斜率準(zhǔn)確地升溫到指定溫度；同理，降溫也分為直接降溫到指定溫度和根據(jù)斜率準(zhǔn)確地降溫到指定溫度。因此溫度控制分為五個(gè)子程序：直接升溫、按斜率升溫、保溫、直接降溫、按斜率降溫。直接升溫還是斜率升溫、直接降溫還是斜率降溫根據(jù)實(shí)際需要通過中控機(jī)設(shè)定，而后由現(xiàn)場控制器PLC 的主程序調(diào)用相應(yīng)子程序。由于間歇式染色機(jī)的染缸體積較大，加熱管道與冷水管道相對(duì)較小，造成比較大的溫度慣性，一般可將其認(rèn)為是一種具有純滯后大慣性的被控對(duì)象，因而在升/降溫段采用趨勢判斷補(bǔ)償法，如果是升溫，則在溫度到達(dá)T 目標(biāo)溫度-△Ti 時(shí)停止升溫；若是降溫，則在溫度到達(dá)T 目標(biāo)溫度+△Tj 時(shí)，停止降溫，其中△Ti、△Tj 為補(bǔ)償溫度。由于溫度控制的程序都在現(xiàn)場控制器PLC中，但是染色工藝參數(shù)是從中控機(jī)下傳給PLC的，因而在PLC 的主程序中，需要根據(jù)接收到的來自中控機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，再執(zhí)行相應(yīng)的子程序。在下傳的數(shù)據(jù)中包括目標(biāo)溫度、斜率、保溫時(shí)間等，因而PLC 可以根據(jù)這些數(shù)值判斷升溫、保溫、還是降溫。但是判斷升溫、降溫、保溫，光憑目標(biāo)溫度、斜率、保溫時(shí)間不能得到精確的判斷，因而使用前一曲線段的目標(biāo)溫度輔助進(jìn)行判斷。由下面溫度控制判斷表1 表示。（說明：T*為本曲線段的目標(biāo)溫度，T*′為前一曲線段的目標(biāo)溫度）