基于PLC，觸摸屏及變頻器對吹膜機的改造

Based on PLC, touch screen and inverter on the transformation of blown film machine

范堤商貿(mào)（上海）有限公司 付承鄂

      摘 要：我國加入WTO以后，企業(yè)在國際市場上面臨前所未有的競爭，因此針對改善產(chǎn)品品質(zhì)和提高生產(chǎn)效率的技術革新勢在必行。傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)存在硬件繁雜、電氣線路多、人機交流困難、機械調(diào)速系統(tǒng)復雜而帶來的維護工作量大、時間長和可靠性差等問題。本論文根據(jù)目前工業(yè)自動控制領域比較先進的PLC,觸摸屏及變頻器技術對塑膠吹膜機進行電氣自動化改造及技術升級，解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)操作復雜，新產(chǎn)品生產(chǎn)周期長等問題，有利于人員培訓及提高企業(yè)市場競爭力。

第1章 引言

      上世紀80年代來自臺灣的塑膠吹膜機，其溫控電路采用的是溫控器加接觸器的方式，由于長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?？刂齐娐肥褂玫氖抢^電器互鎖的方式，線路復雜，維修的難度很大，可靠性也非常低。調(diào)速是通過機械部分完成的，主要通過更換齒輪的減速比來實現(xiàn)，機械磨損很嚴重且非常耗能。這些落后的技術使得需要投入大量的人力物力進行操作和維護，同時造成維護停機時間長，零配件消耗費用高等問題。鑒于以上落后的技術無法滿足生產(chǎn)需求和使企業(yè)在市場上處于競爭優(yōu)勢，本人采用了近年來在工業(yè)上使用越來越廣泛的PLC，觸摸屏及變頻器對該機進行了改造。新的技術采用溫控模塊加固態(tài)繼電器的方法控制溫度，解決了長期頻繁的大電流通斷所帶來的零件損壞問題。變頻器調(diào)速的方式解決了機械磨損很嚴重且非常耗能的問題。觸摸屏的使用有利于操作者直觀的了解機器目前的狀態(tài)解決了操作復雜，人員培訓難的問題。以上技術的綜合應用可靠性高，可實現(xiàn)設備長期免維護，解決維護難，維護停機時間長的問題。

第2章 設計思路及選型

2.1　控制要求

      由于世界經(jīng)濟的復蘇，企業(yè)訂單的迅速增加，產(chǎn)品呈多樣化趨勢，加上珠三角地區(qū)“招工難”情況的加劇。根據(jù)實際情況，對控制系統(tǒng)提出以下幾點要求：

1.系統(tǒng)要穩(wěn)定可靠，可長時間無故障運行。

2.可以保存多組配方，并能按預先設定的配方自動的調(diào)整各馬達的速度。

3.要操作簡單，可以集中控制，節(jié)省人力。

4.要有故障報警及保護裝置。

2.2　系統(tǒng)分析

      本系統(tǒng)主要是通過PLC，觸摸屏及變頻器的綜合應用結合吹膜機的實際需要來完成控制要求的。設計思路主要是：用PLC溫控模塊加固態(tài)繼電器來控制吹膜機各段的溫度。用PLC模擬量模塊加變頻器來控制各馬達的速度。使用觸摸屏來完成溫度的設置和顯示，速度的設置和顯示，故障的設置和顯示，配方功能的實現(xiàn)等等。

2.2.1　吹膜機介紹及工作流程圖

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

      在入料口加入塑膠原料，同時加熱主螺桿和旋轉(zhuǎn)模頭。待各溫度值到達設定值時啟動機器，此時經(jīng)過高溫熔化后的塑膠原料在主螺桿的帶動下由環(huán)狀的旋轉(zhuǎn)模頭擠出，擠出的薄膜經(jīng)過風冷和水冷后被引取輪引出，再經(jīng)過壓花輪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。

      流程方框圖及實物圖如下：

圖2.1  流程方框圖

圖2.2 吹膜機圖片

2.2.2　改造項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。因為固態(tài)繼電器是無觸點的控制器件，損壞率非常低，用于加熱時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，并且溫度可以集中控制。

2. 將原有的通過機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頻率調(diào)速。變頻器調(diào)速具有節(jié)能，穩(wěn)定的優(yōu)點。同時解決了機械調(diào)速的磨損和維修難問題，而且通過用PLC模擬量輸出的功能控制變頻器，可以集中控制變頻器，操作簡單。

3.用觸摸屏做為上位機來完成各項溫度的設定，變頻器頻率的設定，配方功能，報警顯示，機器故障和狀態(tài)顯示等。使操作大為簡化，節(jié)省人員。配方功能可以方便隨時更換新產(chǎn)品，節(jié)省新產(chǎn)品上線時間，提高效率。報警顯示和故障顯示可以隨時告知故障情況和故障點，便于維修和調(diào)試，同時避免了故障的擴大化。

      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大致分為兩個流派。一個是日本派系，其代表有三菱，歐姆龍等品牌。

      另一個是歐美派系，它的代表主要是西門子，AB等。我國的PLC主要是日本派系的，有一些比如信捷，永宏，豐煒，臺達等品牌（永宏，豐煒，臺達為中國臺灣品牌）。

      PLC選型主要根據(jù)功能和性價比來決定，因為功能越強，價格就越高。本工程要

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

      根據(jù)經(jīng)濟實用的原則，本工程選用了永宏電機的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比來決定的，功能越強，價格就越高。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)濟實用原則，本工程選用了價格相對較低的FATEK公司的FV070ST-T50觸摸屏。

（3）．變頻器的選型

      變頻器選型時要注意的幾點：

　　1) 采用變頻的目的；恒壓控制或恒流控制等。

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

　 3) 變頻器與負載的匹配問題；

　　I.電壓匹配；變頻器的額定電壓與負載的額定電壓相符。

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

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

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

　　5) 變頻器如果要長電纜運行時，此時要采取措施抑制長電纜對地耦合電容的影響，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) 對于一些特殊的應用場合，如高溫，高海拔，此時會引起變頻器的降容，變頻器容量要放大一擋。

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

圖2.6藍海華騰V5系列變頻器

第3章 應用設計及功能實現(xiàn)

3.1　觸摸屏與PLC實現(xiàn)人機對話的設計

      要想實現(xiàn)觸摸屏與PLC的人機交流，必須卻保PLC與觸摸屏的正常通訊，同時觸摸屏上畫面的各種元件必須一一對應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明

圖3.1  永宏觸摸屏軟件觸控大師設置圖

      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通訊時畫面編輯軟件《觸控大師》上的設置。圖3.2是FV系列觸摸屏與FBS系列PLC通訊的詳細接線圖，用RS232通訊協(xié)議實現(xiàn)通訊。

圖3.2  觸摸屏與FBS主機的RS232通訊接線圖

3.2　溫度控制的實現(xiàn)

      本工程要求溫度控制在一定的精度范圍，用觸摸屏輸入設定溫度值，同時通過觸摸屏畫面監(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轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量信號送給PLC的裝置，溫度的精度與模塊的分辨率有關，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《設定值》用來設定所需溫度值，《感測值》用來顯示FBS-TC6所檢測到的溫度值，《手動加熱》是用來選擇加熱的開關。

圖3.6觸摸屏溫控畫面

      上圖中《感測值》用來顯示FBS-TC6所檢測到的溫度值，也就是FBS-TC6測量現(xiàn)場所得到的測量值經(jīng)過轉(zhuǎn)換得來的，之所以要經(jīng)過轉(zhuǎn)換，是因為FBS-TC6測量現(xiàn)場所得到的測量值是一個工程值，要想顯示實際的℃溫度，就必須轉(zhuǎn)換。該處需要注意一個問題，觸摸屏里面的小數(shù)點只是個假象，參與程序運算的實際上是個整數(shù)，比如觸摸屏設值33.3，那么在PLC中參與運算的則是333.

3.2.4　PLC溫控程序的思路

      目前來講PLC控制溫度最為科學的方法應當是PID控制法。PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。

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

(1)首先預選擇一個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)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；

(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID 控制器的參數(shù)

      PID溫控系統(tǒng)常見的一些問題和對策：

1.加溫很迅速就達到目標值，但溫度過沖很大

分析：A.比例系數(shù)過大，致使在未達到設定溫度前加溫比例過高。

B．微分系數(shù)過小，致使對對象反應不敏感。

對策：減小比例系數(shù)或增加微分系數(shù)。

2.加溫經(jīng)常達不到目標值，小于目標值的時間較多。

分析：A.比例系數(shù)過小，加溫比例不夠。

B.積分系數(shù)過小，對恒偏差補償不足。

對策：增加比例系數(shù)或增加積分系數(shù)。

3．基本上在控制目標上，但上下偏差偏大，經(jīng)常波動。

分析:A.積分系數(shù)過小，對即時變化反應不夠快，反映措施不力。

B．積分系數(shù)過大，使微分反應被淹沒鈍化。

C.設定的基本定時周期過短，加熱沒有來得及傳到測溫點。

對策：改變積分系數(shù)，調(diào)整基本定時周期。

4． 受工作環(huán)境影響較大，在稍有變動時就會引取溫度的波動。

分析：A.積分系數(shù)過小，對即時變化反應不夠快，反映措施不力。

B.設定的基本定時周期過長，不能及時得到修正。

對策：改變微分系數(shù)，調(diào)整基本定時周期。

3.3馬達調(diào)速的實現(xiàn)

      觸摸屏，PLC，變頻器實現(xiàn)馬達的調(diào)速，有以下幾點：1，通過觸摸屏輸入馬達速度的設定值和顯示馬達的當前速度。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)動馬達運轉(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)換為模擬量信號并輸出電壓或電流的裝置，下圖是永宏電機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，來控制變頻器速度。

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，主要用來控制各馬達的速度。OFF 這牌按鈕是用來啟停相對應得馬達的開關。A處的按鈕用來設定和顯示馬達頻率設定值。B處顯示馬達當前運行的頻率。《加速》和《減速》按鈕分別用來在運行時對馬達頻率進行微調(diào)。

      《馬達頻率設定值》是觸摸屏對PLC主機給出的現(xiàn)場所需的馬達頻率，為一個現(xiàn)在值，需要根據(jù)實際情況通過PLC主機程序運算得到一個0-250的工程值，把這個工程值賦予FBC-4DA模塊，再由FBS-4DA模塊轉(zhuǎn)換為模擬量電壓或電流來控制變頻器。在這里同樣要注意觸摸屏的小數(shù)點問題。

3.3.4 變頻器的接線及設置

      變頻器接線示意圖：

變頻器的設置

      不同品牌的變頻器參數(shù)設置方法各不相同，但萬變不離其中，主要有以下幾個方面：

1. 設定頻率指令來源，本工程應設定為主頻率輸入由模擬信號DC 0- +10V 控制（AVI）。

2. 運轉(zhuǎn)指令來源，本工程設定為運轉(zhuǎn)指令由外部端子控制。

3. 馬達停機方式，本工程設定為自由停車。

4. 最高操作頻率，本工程設定為100HZ。

5. 最高輸出電壓，本工程設定為220V。

      另外一些比如加減速時間，禁止反轉(zhuǎn)等功能也需要根據(jù)實際情況進行設定。

結論

      PLC，觸摸屏及變頻器的自動控制綜合應用技術提高了工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的品質(zhì)和生產(chǎn)設備的效率，解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)操作復雜，新產(chǎn)品生產(chǎn)周期長等問題，有利于人員培訓及提高企業(yè)市場競爭力。本文結合現(xiàn)實生產(chǎn)中的實際情況，完成了對塑膠吹膜機的改造，應用PLC，觸摸屏及變頻器的綜合控制技術完成了溫度，速度的控制，提高了電氣控制的可靠性，縮短了維修時間，減少了維修的工作量，降低了設備零部件的損壞率。因此該技術可以在現(xiàn)代工業(yè)中應當?shù)玫綇V泛的應用，具有廣闊的發(fā)展前景。