題目基于plc控制的橡膠雙螺桿擠出壓片控制系統(tǒng)軟件設(shè)計一、項目介紹摘 要橡膠雙螺桿擠出壓片是橡膠加工的關(guān)鍵工序傳統(tǒng)生產(chǎn)線控制精度低、協(xié)調(diào)性差、自動化水平不高。本文設(shè)計一套基于 PLC 的橡膠雙螺桿擠出壓片控制系統(tǒng)以西門子 S7-1500 PLC 為核心依托 TIA Portal 平臺完成軟件編程與人機界面開發(fā)。系統(tǒng)實現(xiàn)多段溫度 PID 閉環(huán)控制、擠出與壓片速度協(xié)同調(diào)節(jié)、堆積膠壓力穩(wěn)定控制并配置完善的安全聯(lián)鎖、故障診斷與抗干擾措施可完成手動 / 自動運行、參數(shù)設(shè)定、實時監(jiān)控、報警記錄等功能。經(jīng)設(shè)計驗證該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、控溫精準、速度匹配合理能顯著提升膠片質(zhì)量與生產(chǎn)效率降低能耗與人工成本滿足橡膠加工生產(chǎn)線高效、可靠、智能的控制需求具有良好工程應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞PLC橡膠雙螺桿擠出機壓片機控制系統(tǒng)主要研究內(nèi)容本文研究的主要內(nèi)容就是設(shè)計出一套高精度、穩(wěn)定可靠的橡膠雙螺桿擠出壓片全自動控制系統(tǒng)的方案用集成PLC技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)代驅(qū)動技術(shù)的方法達到從工藝流程分析到工程實施的全過程閉環(huán)設(shè)計。具體研究工作主要是從以下幾方面開展的首先是對橡膠雙螺桿擠出壓片整個工藝流程做詳細的剖析明確喂料、塑化、擠出、壓片等各個方面的工藝要求和控制目標并且分析各變量之間存在什么樣的耦合關(guān)系。在此基礎(chǔ)上完成控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計工作確定以西門子S7-1500 PLC為主控制器的硬件結(jié)構(gòu)采用TIA Portal平臺進行軟件設(shè)計制定合適的網(wǎng)絡(luò)通信方式。其次就是對多變量的協(xié)同控制策略進行研究與實現(xiàn)。對多段機筒溫度的強耦合、大慣性特點進行設(shè)計采用基于PID算法的閉環(huán)控制策略研究其參數(shù)整定的方法來保證控溫精度。為了使擠出速度和壓片速度保持一致采用速度鏈的主從跟隨控制策略來保證膠片張力的穩(wěn)定性。同時重點研究以壓力傳感器為依托的堆積膠控制算法把實際積膠壓力同設(shè)定的區(qū)間做比較動態(tài)調(diào)節(jié)擠出機轉(zhuǎn)速使得其與壓片機速度達到自適應(yīng)匹配進而保證積膠量穩(wěn)定提高壓片質(zhì)量的一致性。第三在TIA Portal平臺上用模塊化的編程思想來開發(fā)PLC控制程序從而達到手動或者自動切換、工藝流程順序控制、PID調(diào)節(jié)、故障診斷以及安全聯(lián)鎖等功能的實現(xiàn)。同步設(shè)計配備有觸摸屏人機界面的工藝參數(shù)設(shè)定、設(shè)備運行狀況監(jiān)控、報警記錄以及數(shù)據(jù)走勢顯示等各方面的交互操作。最后完成控制系統(tǒng)集成調(diào)試和性能測試保證系統(tǒng)達到所有設(shè)計指標。系統(tǒng)控制需求分析橡膠雙螺桿擠出壓片生產(chǎn)線的控制目的就是使膠料在連續(xù)流動過程中獲得足夠的塑化最后得到尺寸準確、質(zhì)量穩(wěn)定的連續(xù)膠片。為了達到以上總體目的控制系統(tǒng)必須要滿足許多具體的并且相互聯(lián)系的控制要求。溫度控制需求膠料從進入機筒到擠出模頭的全過程都要經(jīng)過按照工藝曲線變化的溫度過程。機筒一般分成若干個獨立的加熱或冷卻區(qū)段每一個區(qū)段都必須準確地控制在所定的溫度值上溫度過高會造成膠料焦燒、分解溫度過低會使膠料塑化不好、流動性差從而增大設(shè)備負載。因此控制系統(tǒng)要具有各個加熱段溫度獨立、準確的閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)速和速度同時被控制的需要。雙螺桿擠出機的轉(zhuǎn)速控制物料在模具中流動的速度、剪切的程度從而保證塑料制品優(yōu)良的質(zhì)量以及生產(chǎn)率。壓片機的輥筒轉(zhuǎn)速影響膠片的引出速度以及最后的輸出速度。速度必須保持嚴格相適應(yīng)的運動關(guān)系。擠出速度過快、壓片速度過慢使膠料在輥筒前大量堆積不但會造成膠片厚度不均嚴重時還會引起設(shè)備堵塞或者損壞反之擠出速度太慢就會造成膠片拉伸變薄甚至斷裂。所以控制系統(tǒng)要形成一個可靠的、動態(tài)平衡的擠出量和引出量的協(xié)同控制機制。另外喂料裝置轉(zhuǎn)速也要與主機轉(zhuǎn)速同步保證供料的穩(wěn)定性。核心需求就是壓力監(jiān)測和安全保護即機頭熔體壓力的監(jiān)測、壓片機輥筒壓力控制及安全保護。系統(tǒng)要實時監(jiān)測這些重要的壓力點數(shù)值在超限時發(fā)出報警或者安全停機信號來保護設(shè)備和人員的安全。該系統(tǒng)還要滿足順序控制和聯(lián)鎖保護的要求。生產(chǎn)線啟動、停止必須按嚴格的邏輯順序進行即先啟動潤滑系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)當溫度達到設(shè)定值后才能啟動擠出、壓片電機停止時先停止喂料等剩余物料排凈后停止主機。系統(tǒng)還要集成急停、安全門打開、安全片斷開等安全聯(lián)鎖信號在異常狀態(tài)下可以迅速、可靠地切斷動力源。另外下游設(shè)備與上游設(shè)備之間的聯(lián)絡(luò)控制也必須進行控制保證整條生產(chǎn)線的協(xié)調(diào)運行。因此完善的一個系統(tǒng)應(yīng)當能同時對溫度、速度、壓力、邏輯順序這四個方面的控制作出完整的考慮。控制系統(tǒng)總體架構(gòu)根據(jù)前面控制需求分析和指標本文提出了采用西門子S7-1500 PLC作為控制核心建立以現(xiàn)場設(shè)備層、控制層、管理層三大部分組成的工業(yè)控制系統(tǒng)。分層結(jié)構(gòu)把各個層次設(shè)備的功能明確地劃分出來利于系統(tǒng)開發(fā)、維護以及今后的擴充?，F(xiàn)場設(shè)備層就是系統(tǒng)感官、手腳即直接同生產(chǎn)過程、設(shè)備打交道的所有元件。檢測膠料溫度、機筒溫度的多路熱電偶或者熱電阻傳感器監(jiān)測機頭熔體壓力、輥筒壓力的應(yīng)變式壓力傳感器檢測輥筒間隙的位移傳感器檢測料位、膠料硬度以及各種限位、安全開關(guān)的離散量傳感器。執(zhí)行機構(gòu)包含驅(qū)動螺桿和輥筒的變頻電機控制加熱器通斷的固態(tài)繼電器或者接觸器調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)流量的電磁閥以及輥距調(diào)節(jié)的電動執(zhí)行器等?？刂茖邮窍到y(tǒng)的大腦主要使用西門子S7-1500 PLC。該PLC利用高速背板總線連接各個功能模塊數(shù)字量輸入輸出模塊用來采集開關(guān)量信號及控制繼電器、接觸器模擬量輸入模塊用來接收各種傳感器的模擬信號模擬量輸出模塊用來給變頻器等設(shè)備發(fā)送調(diào)速指令。PLC處理器運行用戶編寫的控制程序來完成邏輯運算、PID調(diào)節(jié)、速度協(xié)同計算等主要的工作。同時PLC是Profinet IO控制器用工業(yè)以太網(wǎng)交換機和觸摸屏、變頻器等Profinet設(shè)備進行實時數(shù)據(jù)交換。該種依靠Profinet的集成通信架構(gòu)相比傳統(tǒng)的硬接線或者串行通信方式有著數(shù)據(jù)傳輸速度快、抗干擾能力強、布線簡便和診斷信息豐富等諸多明顯優(yōu)點。管理層主要是由西門子觸摸屏組成的是操作人員和控制系統(tǒng)進行交互的界面。HMI使用Profinet協(xié)議同PLC形成高速的數(shù)據(jù)聯(lián)系及時獲取PLC的進程變量并借助圖形化的數(shù)字化的手段清晰展示在操作人員眼前。操作人員用HMI下發(fā)起動指令、停止指令來設(shè)置溫度、轉(zhuǎn)速等工藝條件讀取歷史報警記錄及趨勢曲線。另外管理層還在上行鏈路上留有接口可以以太網(wǎng)把生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳到工廠的制造執(zhí)行系統(tǒng)或者云端平臺上從而給生產(chǎn)過程數(shù)字化管理以及遠程運維打下基礎(chǔ)。整個系統(tǒng)架構(gòu)在保證實時性、可靠性的同時也具有開放性可以很好地滿足橡膠雙螺桿擠出壓片生產(chǎn)線復雜控制的要求。二、文檔介紹軟件開發(fā)環(huán)境與編程語言本系統(tǒng)軟件開發(fā)使用西門子全集成自動化平臺TIA Portal V17。該平臺把PLC編程、HMI組態(tài)、驅(qū)動器配置以及安全編程整合到一起開發(fā)人員不再要在不同的軟件之間切換所有的硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、變量定義都在一個項目的樹形結(jié)構(gòu)里完成。PLC和HMI共享同一個變量庫變量創(chuàng)建之后可以在HMI上直接拖拽使用從根本上杜絕了由于變量地址不同造成的通信錯誤大大縮短了開發(fā)調(diào)試的時間。本系統(tǒng)使用梯形圖進行程序編寫配合結(jié)構(gòu)化文本來完成復雜的算法。梯形圖起源于繼電器控制邏輯其表現(xiàn)形式和電氣原理圖比較接近直觀易懂特別適合于處理離散量邏輯控制、順序控制、互鎖和自鎖等問題。對于橡膠擠出壓片控制系統(tǒng)中大量的邏輯聯(lián)鎖、手動/自動模式切換、設(shè)備啟停順序控制等任務(wù)用梯形圖編程具有開發(fā)效率高、調(diào)試直觀、容易為運維人員所理解的優(yōu)勢。對復雜的控制算法如多段溫度PID控制、速度協(xié)同中的數(shù)值計算、模擬量信號線性化標定等使用梯形圖編程會導致代碼很長。此時結(jié)構(gòu)化的文本語言就顯得更有優(yōu)勢了。SCL像Pascal或者C語言一樣很適合做復雜的數(shù)學運算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計以及程序流程控制。在系統(tǒng)當中模擬量采集值的工程量化轉(zhuǎn)換采用SCL編寫功能塊完成代碼簡潔高效。采用梯形圖加結(jié)構(gòu)化文本的形式發(fā)揮出兩種語言各自的優(yōu)點使整個控制程序具有較好的邏輯性以及算法效率。三、項目截圖主監(jiān)控畫面設(shè)計主監(jiān)控畫面是操作員在正常生產(chǎn)過程中主要觀察的界面它的設(shè)計目的是使操作員能夠清楚地看到整個生產(chǎn)線的總體運行狀況也可以迅速地發(fā)出一些重要的操作指令。該畫面一般會作為開機后默認的畫面。畫面主體是清楚的、帶有動畫效果的工藝流程示意圖。圖中用圖形化的形式表示出了擠出機料斗、雙螺桿機筒、擠出模頭、壓片機兩輥筒、膠片引出等主要的設(shè)備單元。在示意圖相應(yīng)處實時顯示了各個工藝參數(shù)的值即各段機筒溫度、機頭熔體壓力、堆積膠壓力、當前輥筒間隙、擠出機和壓片機的轉(zhuǎn)速。為了加強直觀性參數(shù)顯示一般會結(jié)合顏色變化或者柱狀圖比如溫度在正常范圍內(nèi)用綠色表示接近報警值用黃色表示超過報警值用紅色表示。主監(jiān)控畫面頂部或者底部一般會出現(xiàn)一個全局的控制和狀態(tài)欄。該區(qū)域會顯示當前系統(tǒng)時間、當前登錄用戶姓名和所具有的權(quán)限級別、系統(tǒng)工作模式最重要的是系統(tǒng)的總體情況。主要操作按鈕比如“系統(tǒng)啟動”、“系統(tǒng)停止”、“故障復位”、“緊急停止”等等在這里布置保證了隨時可以被操作員所使用。畫面一側(cè)或者底部設(shè)有一個菜單可以用來選擇進入其它的功能畫面即參數(shù)設(shè)置、報警管理、數(shù)據(jù)趨勢、手動調(diào)試等。為了達到動態(tài)的效果在PLC程序中把狀態(tài)變量和圖形對象的動畫屬性進行綁定。擠出機電機運行時電機對應(yīng)的圖標會轉(zhuǎn)動膠料流過時管道上的箭頭會動加熱器工作時加熱圈的圖標變紅。積膠壓力值不但用數(shù)字顯示出來而且可以用模擬指針表盤或者動態(tài)變化的料位柱狀圖來形象地表示堆積量的多少。當系統(tǒng)出現(xiàn)報警的時候主監(jiān)控畫面的明顯處就會彈出報警條顯示出最近一次的報警信息操作員可以單擊報警條跳轉(zhuǎn)到報警畫面進行確認與處置。經(jīng)過精心的設(shè)計之后主監(jiān)控畫面不再是枯燥的報表而變成了一幅生動的、直觀的、具有很高集成度的生產(chǎn)指揮中心。參數(shù)設(shè)置畫面設(shè)計參數(shù)設(shè)置畫面為操作員或者工藝工程師配置生產(chǎn)配方優(yōu)化控制性能的重要界面。因為橡膠生產(chǎn)包含多種膠料配方和復雜的工藝參數(shù)所以參數(shù)設(shè)置畫面的設(shè)計要清晰有條理要有權(quán)限管理的功能不能被沒有權(quán)限的人員隨意修改。本系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置畫面用標簽頁或者分欄式方式來組織不同的參數(shù)。常見的分組有溫度參數(shù)組、壓力參數(shù)組、速度協(xié)同參數(shù)組、設(shè)備保護參數(shù)組、配方管理組等。每個分組里以表格或者列表的形式將參數(shù)名稱、當前值、單位、設(shè)定范圍、輸入域清楚地列出來。所有的可修改設(shè)定值都會通過HMI的I/O域控件來輸入該I/O域可以設(shè)置數(shù)值的上下限當操作員輸入的數(shù)值不在范圍之內(nèi)時系統(tǒng)會立刻顯示錯誤提示避免無效參數(shù)被寫入到PLC里。溫度參數(shù)設(shè)置區(qū)列出擠出機各個加熱段和模頭的設(shè)定溫度以及PID控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。為了便于使用系統(tǒng)有批量設(shè)置或者溫區(qū)復制的功能可使一組參數(shù)快速復制到其他的相似溫區(qū)。速度協(xié)同參數(shù)設(shè)置區(qū)域堆積膠壓力工作壓力下限、工作壓力上限、壓力上限保護值、壓力控制器比例增益、積分時間。這些參數(shù)的設(shè)定會影響速度協(xié)同的響應(yīng)速度快慢以及是否穩(wěn)定一般是由有經(jīng)驗的工藝工程師進行調(diào)節(jié)。輥筒間隙設(shè)定值或者目標值也可以在此畫面上輸入系統(tǒng)會自動驅(qū)動電動執(zhí)行器調(diào)整實時顯示當前的間隙反饋值。為了適應(yīng)多品種、小批生產(chǎn)的需要本文設(shè)計出簡單的配方管理系統(tǒng)。配方是組成工藝參數(shù)的一組完整的參數(shù)是符合某一膠料生產(chǎn)要求的一組參數(shù)。配方管理區(qū)的操作員可以將當前所有設(shè)置的參數(shù)保存成一個配方并給該配方命名。當需要生產(chǎn)另一種膠料的時候只需在配方列表里選擇相應(yīng)的配方點擊“下載”按鈕系統(tǒng)會把所有的參數(shù)全部寫入到PLC的數(shù)據(jù)區(qū)里。這大大地縮減了切換產(chǎn)品所花的時間以及由于人工操作失誤而造成的誤差。所有的參數(shù)設(shè)置畫面都被嚴格的權(quán)限保護起來。操作員只能查看、修改一部分基本參數(shù)核心的PID參數(shù)、保護限值等只能被工藝工程師或者管理員級別登錄的人員修改。該種設(shè)計可以保證生產(chǎn)安全不會由于操作失誤造成工藝事故?？?結(jié)本畢業(yè)設(shè)計以基于PLC控制的橡膠雙螺桿擠出壓片控制系統(tǒng)軟件設(shè)計為研究重點。項目從橡膠工業(yè)的實際生產(chǎn)需求出發(fā)在對雙螺桿擠出壓片工藝流程及控制難點進行詳細分析的基礎(chǔ)上完成系統(tǒng)總體方案設(shè)計、硬件選型和配置、控制策略研究、軟件編程實現(xiàn)、人機交互界面開發(fā)的全部設(shè)計過程。經(jīng)過本次工作成功創(chuàng)建起一套以西門子S7-1500PLC為主要控制器以TIAPortal為統(tǒng)一開發(fā)平臺集溫度閉環(huán)控制、速度協(xié)同控制、壓力監(jiān)測和安全保護于一體的新一代自動化控制系統(tǒng)。本設(shè)計的主要技術(shù)難題為多段溫度精確的PID控制、依靠堆積膠壓力的擠出與壓片速度動態(tài)同步控制等主要技術(shù)難題。用模塊化的思想把復雜的系統(tǒng)分解成初始化、手動/自動控制、PID調(diào)節(jié)、速度協(xié)同、安全保護等各個獨立功能模塊明顯提高程序的可讀性、可靠性、可維護性。尤其在速度協(xié)同控制模塊上采用了壓力區(qū)間閉環(huán)調(diào)節(jié)方式在壓片時給擠出量設(shè)置最小和最大值的約束保證壓片厚度均勻給連續(xù)膠片的制備提供技術(shù)支持。同時完善的多級安全保護系統(tǒng)采用急停、過載、超壓、安全片破裂等聯(lián)鎖裝置組成保證設(shè)備和人的安全。完成PLC、HMI、傳感器、變頻器等重要硬件的選擇與論證工作以TIA Portal為平臺開發(fā)出PLC控制程序及HMI人機界面。HMI界面主要布置有主監(jiān)控畫面、參數(shù)設(shè)置畫面、報警處理畫面、手動操作畫面等幾個畫面為操作人員提供一個直觀明了的、便利的、安全的操作平臺。另外設(shè)計出與上游、下游設(shè)備可靠聯(lián)絡(luò)的控制方案使整個生產(chǎn)線能協(xié)同運轉(zhuǎn)。經(jīng)過這次設(shè)計一方面鞏固、加深了在大學期間學到的有關(guān)自動控制、PLC編程、傳感器等專業(yè)知識另一方面也鍛煉了分析復雜的工業(yè)問題、提出系統(tǒng)性的解決方案、開展工程化設(shè)計的能力。本課題研究結(jié)果對提高橡膠雙螺桿擠出壓片生產(chǎn)線的自動化水平和產(chǎn)品質(zhì)量有較高的理論價值與工程參考意義。本文在理論分析、方案設(shè)計方面力求最好但由于時間、實驗條件所限部分控制算法的實際效果還要經(jīng)過在真實的生產(chǎn)環(huán)境里檢驗并加以改進。未來還可以采用更先進的控制算法、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來提高系統(tǒng)智能化程度以及它同制造執(zhí)行系統(tǒng)之間的集成能力。