第1章 引言

      上世紀(jì)80年代來(lái)自臺(tái)灣的塑膠吹膜機(jī)，其溫控電路采用的是溫控器加接觸器的方式，由于長(zhǎng)期工作在頻繁的大電流通斷狀態(tài)，接觸器損壞率非常高，而且每個(gè)溫控器只能控制一段溫度，造成很多溫控器散落在各處，操作非常不便。控制電路使用的是繼電器互鎖的方式，線路復(fù)雜，維修的難度很大，可靠性也非常低。調(diào)速是通過(guò)機(jī)械部分完成的，主要通過(guò)更換齒輪的減速比來(lái)實(shí)現(xiàn)，機(jī)械磨損很嚴(yán)重且非常耗能。這些落后的技術(shù)使得需要投入大量的人力物力進(jìn)行操作和維護(hù)，同時(shí)造成維護(hù)停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，零配件消耗費(fèi)用高等問(wèn)題。鑒于以上落后的技術(shù)無(wú)法滿足生產(chǎn)需求和使企業(yè)在市場(chǎng)上處于競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，本人采用了近年來(lái)在工業(yè)上使用越來(lái)越廣泛的PLC，觸摸屏及變頻器對(duì)該機(jī)進(jìn)行了改造。新的技術(shù)采用溫控模塊加固態(tài)繼電器的方法控制溫度，解決了長(zhǎng)期頻繁的大電流通斷所帶來(lái)的零件損壞問(wèn)題。變頻器調(diào)速的方式解決了機(jī)械磨損很嚴(yán)重且非常耗能的問(wèn)題。觸摸屏的使用有利于操作者直觀的了解機(jī)器目前的狀態(tài)解決了操作復(fù)雜，人員培訓(xùn)難的問(wèn)題。以上技術(shù)的綜合應(yīng)用可靠性高，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備長(zhǎng)期免維護(hù)，解決維護(hù)難，維護(hù)停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。

第2章 設(shè)計(jì)思路及選型

2.1　控制要求

      由于世界經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇，企業(yè)訂單的迅速增加，產(chǎn)品呈多樣化趨勢(shì)，加上珠三角地區(qū)

“招工難”情況的加劇。根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)控制系統(tǒng)提出以下幾點(diǎn)要求：

1.系統(tǒng)要穩(wěn)定可靠，可長(zhǎng)時(shí)間無(wú)故障運(yùn)行。

2.可以保存多組配方，并能按預(yù)先設(shè)定的配方自動(dòng)的調(diào)整各馬達(dá)的速度。

3.要操作簡(jiǎn)單，可以集中控制，節(jié)省人力。

4.要有故障報(bào)警及保護(hù)裝置。

2.2　系統(tǒng)分析

      本系統(tǒng)主要是通過(guò)PLC，觸摸屏及變頻器的綜合應(yīng)用結(jié)合吹膜機(jī)的實(shí)際需要來(lái)完成控制要求的。設(shè)計(jì)思路主要是：用PLC溫控模塊加固態(tài)繼電器來(lái)控制吹膜機(jī)各段的溫度。用PLC模擬量模塊加變頻器來(lái)控制各馬達(dá)的速度。使用觸摸屏來(lái)完成溫度的設(shè)置和顯示，速度的設(shè)置和顯示，故障的設(shè)置和顯示，配方功能的實(shí)現(xiàn)等等。

2.2.1　吹膜機(jī)介紹及工作流程圖

      塑膠吹膜機(jī)是一種把顆粒狀的塑膠原料制造成塑膠薄膜的機(jī)器，其工作流程如下：

      在入料口加入塑膠原料，同時(shí)加熱主螺桿和旋轉(zhuǎn)模頭。待各溫度值到達(dá)設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)機(jī)器，此時(shí)經(jīng)過(guò)高溫熔化后的塑膠原料在主螺桿的帶動(dòng)下由環(huán)狀的旋轉(zhuǎn)模頭擠出，擠出的薄膜經(jīng)過(guò)風(fēng)冷和水冷后被引取輪引出，再經(jīng)過(guò)壓花輪A和壓花輪B壓花后被引入輪引入到卷曲輪，最后由卷曲輪將薄膜卷成一卷卷的成品。

流程方框圖及實(shí)物圖如下：

圖2.2 吹膜機(jī)圖片

2.2.2　改造項(xiàng)目的控制方案及思路

      1. 將原有的溫控器加接觸器控制溫度的方式，改為PLC加溫度模塊加固態(tài)繼電器的方式。因?yàn)楣虘B(tài)繼電器是無(wú)觸點(diǎn)的控制器件，損壞率非常低，用于加熱時(shí)的頻繁大電流接通很適合。PLC加溫控模塊的方式很穩(wěn)定，控溫準(zhǔn)，并且溫度可以集中控制。

      2. 將原有的通過(guò)機(jī)械部分更換齒輪減速比的調(diào)速方式，改為用變頻器改變電機(jī)頻率調(diào)速。變頻器調(diào)速具有節(jié)能，穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)解決了機(jī)械調(diào)速的磨損和維修難問(wèn)題，而且通過(guò)用PLC模擬量輸出的功能控制變頻器，可以集中控制變頻器，操作簡(jiǎn)單。

      3.用觸摸屏做為上位機(jī)來(lái)完成各項(xiàng)溫度的設(shè)定，變頻器頻率的設(shè)定，配方功能，報(bào)警顯示，機(jī)器故障和狀態(tài)顯示等。使操作大為簡(jiǎn)化，節(jié)省人員。配方功能可以方便隨時(shí)更換新產(chǎn)品，節(jié)省新產(chǎn)品上線時(shí)間，提高效率。報(bào)警顯示和故障顯示可以隨時(shí)告知故障情況和故障點(diǎn)，便于維修和調(diào)試，同時(shí)避免了故障的擴(kuò)大化。

以下為控制方案圖：

圖2.3 控制方案圖

2.2.3　PLC，觸摸屏及變頻器的選型

（1）PLC的選型

      目前的PLC大致分為兩個(gè)流派。一個(gè)是日本派系，其代表有三菱，歐姆龍等品牌。

      另一個(gè)是歐美派系，它的代表主要是西門子，AB等。我國(guó)的PLC主要是日本派系的，有一些比如信捷，永宏，豐煒，臺(tái)達(dá)等品牌（永宏，豐煒，臺(tái)達(dá)為中國(guó)臺(tái)灣品牌）。

      PLC選型主要根據(jù)功能和性價(jià)比來(lái)決定，因?yàn)楣δ茉綇?qiáng)，價(jià)格就越高。本工程要

      求PLC具有RS485通信，可擴(kuò)展模塊，完成AD轉(zhuǎn)換，溫度控制，模擬量輸出等功能，而且要求PLC具備相應(yīng)指令系統(tǒng)和該公司必須有配套的相關(guān)模塊。

      根據(jù)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則，本工程選用了永宏電機(jī)的FBS-32MAT型PLC，F(xiàn)BS-TC6溫控模塊，F(xiàn)BS-4DA模擬量輸出模塊，F(xiàn)BS-6AD模擬量輸入模塊和FBS-CB5通信模板。

（2）．觸摸屏的選型

      目前市面上的觸摸屏種類很多，常用的品牌主要有FATEK,eView，GE， Proface ，HAKKO ，WEINVIEW， HITECH 等。

      和PLC一樣，觸摸屏的選型也是依靠功能和性價(jià)比來(lái)決定的，功能越強(qiáng)，價(jià)格就越高。本工程所要求的功能幾乎所有的品牌都可以做到，因此根據(jù)經(jīng)濟(jì)實(shí)用原則，本工程選用了價(jià)格相對(duì)較低的FATEK公司的FV070ST-T50觸摸屏。

（3）．變頻器的選型

變頻器選型時(shí)要注意的幾點(diǎn)：

　　1) 采用變頻的目的；恒壓控制或恒流控制等。

　　2) 變頻器的負(fù)載類型；如葉片泵或容積泵等，特別注意負(fù)載的性能曲線，性能曲線決定了應(yīng)用時(shí)的方式方法。

　   3) 變頻器與負(fù)載的匹配問(wèn)題；

　　I.電壓匹配；變頻器的額定電壓與負(fù)載的額定電壓相符。

　　II. 電流匹配；普通的離心泵，變頻器的額定電流與電機(jī)的額定電流相符。對(duì)于特殊的負(fù)載如深水泵等則需要參考電機(jī)性能參數(shù)，以最大電流確定變頻器電流和過(guò)載能力。

　　III.轉(zhuǎn)矩匹配；這種情況在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載或有減速裝置時(shí)有可能發(fā)生。

　　4) 在使用變頻器驅(qū)動(dòng)高速電機(jī)時(shí)，由于高速電機(jī)的電抗小，高次諧波增加導(dǎo)致輸出電流值增大。因此用于高速電機(jī)的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機(jī)的選型。

　　5) 變頻器如果要長(zhǎng)電纜運(yùn)行時(shí)，此時(shí)要采取措施抑制長(zhǎng)電纜對(duì)地耦合電容的影響，避免變頻器出力不足，所以在這樣情況下，變頻器容量要放大一檔或者在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。

      6) 對(duì)于一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，如高溫，高海拔，此時(shí)會(huì)引起變頻器的降容，變頻器容量要放大一擋。

      根據(jù)以上要求結(jié)合本工程實(shí)際情況，本工程選用的變頻器均為藍(lán)海華騰V5系列。如下圖所示：

圖2.6藍(lán)海華騰V5系列變頻器

第3章 應(yīng)用設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

3.1　觸摸屏與PLC實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的設(shè)計(jì)

      要想實(shí)現(xiàn)觸摸屏與PLC的人機(jī)交流，必須卻保PLC與觸摸屏的正常通訊，同時(shí)觸摸屏上畫面的各種元件必須一一對(duì)應(yīng)PLC上的各種軟元件。

3.1.1 FBS系列PLC與永宏FV系列觸摸屏的連接說(shuō)明

圖3.1 永宏觸摸屏軟件觸控大師設(shè)置圖

      FV系列觸摸屏的畫面編輯軟件為《觸控大師》，上圖3.1 是永宏觸摸屏與FBS系列PLC通訊時(shí)畫面編輯軟件《觸控大師》上的設(shè)置。圖3.2是FV系列觸摸屏與FBS系列PLC通訊的詳細(xì)接線圖，用RS232通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)通訊。

圖3.2 觸摸屏與FBS主機(jī)的RS232通訊接線圖

3.2　溫度控制的實(shí)現(xiàn)

      本工程要求溫度控制在一定的精度范圍，用觸摸屏輸入設(shè)定溫度值，同時(shí)通過(guò)觸摸屏畫面監(jiān)控溫度值。

3.2.1　PLC溫控模塊FBS-TC6的接線圖

      溫控模塊的作用是把熱電偶感知的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量信號(hào)送給PLC的裝置，溫度的精度與模塊的分辨率有關(guān)，分辨率越高精度就越高。下圖是FBS-TC6的接線圖。

圖3.3 PLC溫控模塊FBS-TC6的接線圖

3.2.3　觸摸屏溫控畫面

      圖3.4是觸摸屏的溫控畫面。圖中《設(shè)定值》用來(lái)設(shè)定所需溫度值，《感測(cè)值》用來(lái)顯示FBS-TC6所檢測(cè)到的溫度值，《手動(dòng)加熱》是用來(lái)選擇加熱的開關(guān)。

圖3.6觸摸屏溫控畫面

      上圖中《感測(cè)值》用來(lái)顯示FBS-TC6所檢測(cè)到的溫度值，也就是FBS-TC6測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)所得到的測(cè)量值經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換得來(lái)的，之所以要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，是因?yàn)镕BS-TC6測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)所得到的測(cè)量值是一個(gè)工程值，要想顯示實(shí)際的℃溫度，就必須轉(zhuǎn)換。該處需要注意一個(gè)問(wèn)題，觸摸屏里面的小數(shù)點(diǎn)只是個(gè)假象，參與程序運(yùn)算的實(shí)際上是個(gè)整數(shù)，比如觸摸屏設(shè)值33.3，那么在PLC中參與運(yùn)算的則是333.

3.2.4　PLC溫控程序的思路

      目前來(lái)講PLC控制溫度最為科學(xué)的方法應(yīng)當(dāng)是PID控制法。PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。

      PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行PID 控制器參數(shù)的整定步驟如下：

(1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；

(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；

(3)在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到PID 控制器的參數(shù)

PID溫控系統(tǒng)常見的一些問(wèn)題和對(duì)策：

1.加溫很迅速就達(dá)到目標(biāo)值，但溫度過(guò)沖很大

分析：A.比例系數(shù)過(guò)大，致使在未達(dá)到設(shè)定溫度前加溫比例過(guò)高。

B．微分系數(shù)過(guò)小，致使對(duì)對(duì)象反應(yīng)不敏感。

對(duì)策：減小比例系數(shù)或增加微分系數(shù)。

2.加溫經(jīng)常達(dá)不到目標(biāo)值，小于目標(biāo)值的時(shí)間較多。

分析：A.比例系數(shù)過(guò)小，加溫比例不夠。

B.積分系數(shù)過(guò)小，對(duì)恒偏差補(bǔ)償不足。

對(duì)策：增加比例系數(shù)或增加積分系數(shù)。

3．基本上在控制目標(biāo)上，但上下偏差偏大，經(jīng)常波動(dòng)。

分析:A.積分系數(shù)過(guò)小，對(duì)即時(shí)變化反應(yīng)不夠快，反映措施不力。

B．積分系數(shù)過(guò)大，使微分反應(yīng)被淹沒(méi)鈍化。

C.設(shè)定的基本定時(shí)周期過(guò)短，加熱沒(méi)有來(lái)得及傳到測(cè)溫點(diǎn)。

對(duì)策：改變積分系數(shù)，調(diào)整基本定時(shí)周期。

4． 受工作環(huán)境影響較大，在稍有變動(dòng)時(shí)就會(huì)引取溫度的波動(dòng)。

分析：A.積分系數(shù)過(guò)小，對(duì)即時(shí)變化反應(yīng)不夠快，反映措施不力。

B.設(shè)定的基本定時(shí)周期過(guò)長(zhǎng)，不能及時(shí)得到修正。

對(duì)策：改變微分系數(shù)，調(diào)整基本定時(shí)周期。

3.3馬達(dá)調(diào)速的實(shí)現(xiàn)

      觸摸屏，PLC，變頻器實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的調(diào)速，有以下幾點(diǎn)：1，通過(guò)觸摸屏輸入馬達(dá)速度的設(shè)定值和顯示馬達(dá)的當(dāng)前速度。2，用PLC的模擬量輸出模塊FBS-4DA輸出0-10V的電壓控制變頻器的輸出頻率。3，由變頻器驅(qū)動(dòng)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)及停止。

3.3.1　PLC模擬量輸出模塊FBS-4DA的接線圖

      模擬量輸出模塊的作用是將PLC給出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)并輸出電壓或電流的裝置，下圖是永宏電機(jī)FBS-4DA模擬量輸出模塊的接線圖。O0+和O0-端子輸出的0-10V電壓連接到變頻器的0-10V模擬量輸入端子上，來(lái)控制變頻器速度。

圖3.7 FBS-4DA模擬量輸出模塊接線圖

3.3.3 觸摸屏速度控制畫面

      下圖是觸摸屏的速度控制畫面，主要用來(lái)控制各馬達(dá)的速度。OFF 這牌按鈕是用來(lái)啟停相對(duì)應(yīng)得馬達(dá)的開關(guān)。A處的按鈕用來(lái)設(shè)定和顯示馬達(dá)頻率設(shè)定值。B處顯示馬達(dá)當(dāng)前運(yùn)行的頻率。 《加速》和《減速》按鈕分別用來(lái)在運(yùn)行時(shí)對(duì)馬達(dá)頻率進(jìn)行微調(diào)。

圖3.9觸摸屏的速度控制畫面

      《馬達(dá)頻率設(shè)定值》是觸摸屏對(duì)PLC主機(jī)給出的現(xiàn)場(chǎng)所需的馬達(dá)頻率，為一個(gè)現(xiàn)在值，需要根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)PLC主機(jī)程序運(yùn)算得到一個(gè)0-250的工程值，把這個(gè)工程值賦予FBC-4DA模塊，再由FBS-4DA模塊轉(zhuǎn)換為模擬量電壓或電流來(lái)控制變頻器。在這里同樣要注意觸摸屏的小數(shù)點(diǎn)問(wèn)題。

3.3.4 變頻器的接線及設(shè)置

變頻器接線示意圖：

圖3. 10 變頻器拖動(dòng)負(fù)載示意圖

變頻器的設(shè)置

      不同品牌的變頻器參數(shù)設(shè)置方法各不相同，但萬(wàn)變不離其中，主要有以下幾個(gè)方面：

1. 設(shè)定頻率指令來(lái)源，本工程應(yīng)設(shè)定為主頻率輸入由模擬信號(hào)DC 0- +10V 控制（AVI）。

2. 運(yùn)轉(zhuǎn)指令來(lái)源，本工程設(shè)定為運(yùn)轉(zhuǎn)指令由外部端子控制。

3. 馬達(dá)停機(jī)方式，本工程設(shè)定為自由停車。

4. 最高操作頻率，本工程設(shè)定為100HZ。

5. 最高輸出電壓，本工程設(shè)定為220V。

      另外一些比如加減速時(shí)間，禁止反轉(zhuǎn)等功能也需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定。

結(jié)論

      PLC，觸摸屏及變頻器的自動(dòng)控制綜合應(yīng)用技術(shù)提高了工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的品質(zhì)和生產(chǎn)設(shè)備的效率，解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)操作復(fù)雜，新產(chǎn)品生產(chǎn)周期長(zhǎng)等問(wèn)題，有利于人員培訓(xùn)及提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。本文結(jié)合現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中的實(shí)際情況，完成了對(duì)塑膠吹膜機(jī)的改造，應(yīng)用PLC，觸摸屏及變頻器的綜合控制技術(shù)完成了溫度，速度的控制，提高了電氣控制的可靠性，縮短了維修時(shí)間，減少了維修的工作量，降低了設(shè)備零部件的損壞率。因此該技術(shù)可以在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)當(dāng)?shù)玫綇V泛的應(yīng)用，具有廣闊的發(fā)展前景。