基于PLC的溫度控制系統

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(guān)，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雜的控制過(guò)程。染色過(guò)程實(shí)際上是執行由工藝人員針對不同織物的一條溫度曲線(xiàn)，每個(gè)工藝對染色的溫度、升降溫過(guò)程都有嚴格的要求，否則，容易使織物產(chǎn)生色差、缸差、條痕等疵點(diǎn)，造成復染率上升，生產(chǎn)成本的增加。針對染色過(guò)程溫度控制的復雜性，設計了基于PLC 的染色機溫度控制系統，實(shí)現對染色過(guò)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 系統控制要求

1）溫度曲線(xiàn)存儲要求對于不同的染色品種，其對溫度的要求是不同的，因此對應的溫度工藝曲線(xiàn)也是不同的，若將所有染色品種的溫度工藝曲線(xiàn)都存入現場(chǎng)溫度控制器中，則對該控制器的內存要求非常高，導致系統臃腫，因此本系統設計通過(guò)一臺中控機，將工藝人員設定的不同的溫度工藝曲線(xiàn)，全部由工作人員在中控機上輸入后經(jīng)PROFIBUS—DP 現場(chǎng)總線(xiàn)下傳給現場(chǎng)控制器，現場(chǎng)控制器根據接收的溫度工藝曲線(xiàn)進(jìn)行溫度控制，同時(shí)現場(chǎng)控制器可以隨時(shí)向中控機申請修改溫度工 藝曲線(xiàn)的參數。在網(wǎng)絡(luò )中斷時(shí)，現場(chǎng)控制器可以保存當前的溫度工藝曲線(xiàn)，并且具有斷電長(cháng)期保存當前溫度曲線(xiàn)的功能。

2）溫度控制要求

在染色工藝過(guò)程中，典型的工藝曲線(xiàn)如圖1 下所示：


圖1 典型的工藝曲線(xiàn)

由圖1 可知，染色工藝可以分為多個(gè)曲線(xiàn)段，不同的曲線(xiàn)段對應不同的溫度。對染色過(guò)程的溫度控制主要是對染槽升溫、保溫、降溫，結合生產(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斜率準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實(shí)際需要通過(guò)中控機設定，而后由現場(chǎng)控制器PLC 的主程序調用相應子程序。

3）報警及顯示功能

為系統設置了一個(gè) TD 200 文本顯示器，顯示染色過(guò)程中的一些操作和報警信息，該顯示器適用于所有西門(mén)子S7-200 系列的PLC。

4）中控機監控要求

采用西門(mén)子公司的WINCC 實(shí)現中控機對現場(chǎng)PLC 的監控，主要實(shí)現當前溫度顯示、動(dòng)態(tài)溫度曲線(xiàn)顯示、溫度等參數設置、報警記錄和打印報表等功能。

3 系統的硬件構成

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

對于不同的染色品種，對應的溫度工藝曲線(xiàn)也是不同的，若將所有可能用到的溫度曲線(xiàn)存入現場(chǎng)控制器中，則對現場(chǎng)控制器的內存要求很高，因此本系統設計通過(guò)中控機，將工藝人員設定的不同的溫度工藝曲線(xiàn)，全部由工作人員在中控機上輸入后經(jīng)PROFIBUS—DP 現場(chǎng)總線(xiàn)下傳給現場(chǎng)控制器，現場(chǎng)控制器根據接收的溫度工藝曲線(xiàn)進(jìn)行溫度控制，同時(shí)現場(chǎng)控制器可以隨時(shí)向中控機申請修改溫度工藝曲線(xiàn)的參數。在網(wǎng)絡(luò )中斷時(shí)，現場(chǎng)控制器可以保存當前的溫度工藝曲線(xiàn)，并且具有斷電長(cháng)期保存當前溫度曲線(xiàn)的功能，同時(shí)可以將現場(chǎng)的溫度等信號上傳至中控機，形成監控界面，如果需要可以通過(guò)網(wǎng)卡將中控機同工廠(chǎng)信息網(wǎng)以及Internet 網(wǎng)相連，實(shí)現底層到高層的信息共享。系統的結構圖如圖2 所示。



4 系統的軟件設計

由圖 1 可知，染色工藝可以分為幾個(gè)曲線(xiàn)段，不同的曲線(xiàn)段對應不同的目的溫度、升降溫時(shí)間、保溫時(shí)間。對染色過(guò)程的溫度控制主要是對染槽升溫、保溫、降溫，結合生產(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斜率準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實(shí)際需要通過(guò)中控機設定，而后由現場(chǎng)控制器PLC 的主程序調用相應子程序。由于間歇式染色機的染缸體積較大，加熱管道與冷水管道相對較小，造成比較大的溫度慣性，一般可將其認為是一種具有純滯后大慣性的被控對象，因而在升/降溫段采用趨勢判斷補償法，如果是升溫，則在溫度到達T 目標溫度-△Ti 時(shí)停止升溫；若是降溫，則在溫度到達T 目標溫度+△Tj 時(shí)，停止降溫，其中△Ti、△Tj 為補償溫度。由于溫度控制的程序都在現場(chǎng)控制器PLC中，但是染色工藝參數是從中控機下傳給PLC的，因而在PLC 的主程序中，需要根據接收到的來(lái)自中控機的數據進(jìn)行判別，再執行相應的子程序。在下傳的數據中包括目標溫度、斜率、保溫時(shí)間等，因而PLC 可以根據這些數值判斷升溫、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(xiàn)段的目標溫度輔助進(jìn)行判斷。由下面溫度控制判斷表1 表示。（說(shuō)明：T*為本曲線(xiàn)段的目標溫度，T*′為前一曲線(xiàn)段的目標溫度）