基于PLC的刨花拌胶控制系统设计 黄强Word格式文档下载.docx

基于PLC的刨花拌胶控制系统设计 黄强Word格式文档下载.docx

《基于PLC的刨花拌胶控制系统设计 黄强Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC的刨花拌胶控制系统设计 黄强Word格式文档下载.docx（35页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

3%；

刨花回路采用比例控制，胶回路采用PI控制。

双轴搅拌机利用两根呈对称状的螺旋轴同步旋转，搅拌机的喷胶器使胶呈雾状喷射到刨花中。

该系统配备的混胶器可以使固化剂与胶在其中混合，而不是把固化剂直接加到调胶罐中。

本系统具有搅拌均匀、施胶量低等功能。

调胶系统采用PLC集中控制，PLC根据各部传感器得到刨花的重量、含水率，来调整施胶量。

使施胶后的刨花含水率控制在理想的状态上。

这样的优点是在生产线临时停机时，可以避免胶的浪费，节省了大量的资金和生产原料。

关键词：

PLC；

PID；

变频器

TheDesignoftheParticleboardProductionLine

ControlSystemBasedonPLC

Undergraduate:

QiangHuang

Supervisor:

LiangYuan

ABSTRACT:

AstoChinese12thFive-YearPlan,thestategoonincreasingtheinfrastructureinvestment,andmarketwillneedmoregoodqualityparticleboard.Sohowtoprovidecheap,reliableperformance,energysavingandeasymaintenanceparticleboardproductionequipmentneedtoberesolved.ThisthesisintroducetheproductionlinecontrolsystembasedonSiemensS7-200SeriesPLC.Inthissystem,pressuresensorsresponsiblefordetectingwoodshavingsamount.Gluefromthegluepump,theelectromagneticflowmetersresponsibleforthedetectionofflow;

woodshavingsandglueshouldbeputinthemixerwithacertainproportion,andthengetthemixedmaterialintoaprocessautoclavemolding.Woodshavingsandgluekeepcontently,whichhasacertainpercentage,thegluechangeswiththewoodshavings,error<

3%;

theshavingsloopuseproportiontocontrol,theplasticloopusePItocontrol.Biaxialmixerusetwosymmetricalshapeofthespiralaxistorotatesynchronously,mixersprayadhesiveallowsgluetobesprayedintothewoodshavings.Thissystemisequippedwithgluemixingmachinethatmixthecuringagentandglueinit,insteadofgettingcuringagentaddtotheglue.Thissystemstirsregularly,whichcansaveglue.ThegelstiringsystemiscentrallycontrolledbyPLC,thePLCgettheshavingsweight,moisturecontentaccordingtotheministriessensortoadjusttheamountofsize.Shavingsaftersizingmoisturecontrolintheidealstate.Theadvantageofthetemporaryshutdownofproductionlines,canavoidwastingglum,whichsavingmuchofmoneyandrawmaterials.

keywords：

PLC；

FrequencyConverter

1绪论

刨花板是将木材等原材料切削成一定规格的碎片，经过干燥，拌以胶粘剂、硬化剂、防水剂，在一定的温度下压制而成的一种人造板材。

普通刨花板的强度没有同规格的胶合板强度高，但制造胶合板所使用的原木质量要求较高，并且木材利用率较低。

因此，在刨花板生产中开辟了一个新的分支，这就是采用特殊的加工工艺，用细径劣质材制造出具有定向结构的高强度新型刨花板，即定向刨花板。

定向刨花板是刨花板新品种之一，刨花铺装成型时，将搅拌刨花板按其纤维方向纵行排列，压制而成的刨花板。

定向刨花板表面覆以锯末、碎屑等细料，芯部充以定向刨花的结构板材，具有性价比高、产品性能优良、产品用途广泛等特点。

本文在简单介绍PLC的基础上，通过分析控制系统的要求，采用了西门子S7-200系列PLC及扩展的EM231、EM232功能模块，设计了以PLC为核心的随动控制系统（其中EM231有4个模拟量输入通道，EM232有2个模拟量输出通道）主要对刨花生产环节中的拌胶、搅拌过程进行控制，以实现拌胶均匀、节省原料的目的。

一基于PLC的拌胶机控制系统的特点

（一）施胶机具有如下主要特点：

1采用螺旋进料，保证先进料先施胶，后进料后施胶，避免有些刨花重复施胶；

2改进了冷却系统，上、下壳体和中轴无不流动死角，冷却均匀；

3低速搅拌，不使刨花破损；

4改进了注胶位置和方式，保证施胶均匀；

设备特别适用于施胶量少的麦秸杆生产线和保证刨花形态的定向刨花板生产线，对原刨花生产线也可以做到在保证同等物理力学性能的基础上，施胶量降低8%

（二）拌胶机对比传统拌胶系统特点：

1树脂消耗量减少5～8%；

2对比前一代搅拌机有更好的板子技术性能；

3稳定的技术指标；

4一周清理一次搅拌机；

5减小边缘速度使得机器磨损减少50%；

6几乎不因为混合而破坏刨花形态[1]。

（三）PID控制具有以下的优点：

1不用求出控制系统的数学模型。

2PID控制器的结构典型，程序设计简单，易于实现，参数调整方便。

3有较强的灵活性和适应性。

用可编程控制器对模拟量进行PID控制时，可采用以下几种方法：

1使用PID过程控制模块

PID模块控制程序存放在扩展模块中，用户在使用时只需设置一些参数，使用起来非常方便，一个模块可以控制多个闭环回路。

2自编程序实现PID闭环控制

有的可编程序控制器没有PID过程控制模块及功能指令，如果要改进的PID控制算法，都需要用户自己编制PID控制程序[2]。

二以下是各工段工艺流程的简单说明：

1备料工段

刨花板生产线原料经削片、筛选后送到木片料仓进行过渡储存。

2干燥筛选打磨工段

湿刨花经运输机送到转子式刨花干燥机进行干燥，经过干燥的刨花在进行刨花分选（筛选）。

3调胶施胶工段

合格的表芯层干刨花经刨花给料机量后送到拌胶机中，同时调供胶工段将工艺所要求的胶液送到拌胶机中，刨花和胶液在表芯层拌胶机的充分搅拌下， 

达到均匀混合充分施胶的效果。

4铺装热压成型工段

施胶后的刨花经皮带运输机送至机械分级铺装机，由机械分级铺装机组铺装出均匀平整的板坯。

板坯经多道工序送到装板机的装机吊笼中，由装机吊笼将板坯送到多层热压机中进行热压成型。

5后处理工段

停留在卸板机中的毛板经卸板运输机送至冷却进板运输机，由冷却进板运输机送到凉板机中进行冷却。

6后期加工

主要包括对从热压机中取出的板材进行冷却、裁边、砂光、检验、分等、修补等加工[3]。

2拌胶机控制系统的技术概述

2.1PLC技术概述

2.1.1可编程控制器

可编程控制器简称PC（英文全称：

ProgrammableController），是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

于上世纪中叶后被发明，在机床、各种流水线的输送机械、发电、化工、电子等行业工艺设备的电气控制方面得到了广泛的应用。

它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC和可编程序控制器PC几个时期的发展。

为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个名称。

它具有功能强大、使用可靠、维修简便等许多优点。

随着科学技术的飞跃发展，PLC也不断得到完善和强大，同时它的功能也大大超过了逻辑控制的范围，如联网通信功能和自诊断功能等。

因此今天这种装置被我们称作可编程控制器，简称为PLC[4]。

2.1.2PLC的结构

一中央处理单元（CPU）

CPU是PLC的核心，负责完成逻辑运算、数字运算及协调系统内各部分工作。

每套PLC至少有一个CPU。

PLC的CPU一般分三类：

通用微处理器、单片机和专用微处理器。

小型PLC大多采用8位处理器和单片机；

大中型PLC大多采用16位或32位微处理器和单片机。

它在系统程序的管理下运行，主要功能有：

1接收并存储由编程器输入的用户程序和数据；

2诊断电源故障及用户程序的语法错误；

3读取输入状态和数据并存储到相应的存储区；

4读取用户程序指令，解释执行用户程序，完成逻辑运算等。

二存储器

PLC的存储器包括系统程序存储器和用户程序存储器。

1系统程序存储器

系统程序存储器用于存放系统程序，系统程序在出厂时已经被固化在PROM和EPROM中。

这部分存储区不对用户开放，用户程序不能访问和修改。

2用户程序存储器

用户程序存储器分为程序存储区和数据存储区。

程序存储区用于存放用户编写的控制程序，数据存储区存放的是程序执行所需要产生的中间数据，包括输入输出过程映像、定时器、计数器的预置值和当前值等。

3PLC电源单元

PLC电源单元为PLC提供工作电源。

有些电源单元也可通过PLC的I\O接口向负载提供直流24V电源。

PLC的电源一般采用开关电源，输入电压范围宽，抗干扰力强。

电源单元还提供掉电保护电路和后备电池电源，以维持部分RAM存储器的内容在外界电源断电后不会丢失。

4输入/输出（I/O）模块

I/O单元是PLC与工业现场的接口，现场信号与PLC之间的联络通过I\O单元来实现。

I\O单元的输入和输出信号包括数字量和模拟量两类，另外还包括一些功能模块，例如PID控制模块。

中央处理器将输入输出的电信号转换为电平信号，输出至被控对象，如电磁阀，接触器、执行机构等。

作为抗干扰措施，输入输出单元都带有光电耦合电路，将PLC与外部电路隔离。

5接口单元

接口单元包括扩展接口、通信借口、编程器接口和存储器接口等。

PLC的I\O单元也属于借口单元范畴，它完成PLC与工业现场之间电信号的联系。

另外，PLC与其他外接设备和信号的联系都需要相应的接口单元。

主要包括I\O扩展接口、通信借口、编程器借口、存储器接口、其他外部设备借口。

6外部设备

PLC的外部设备主要包括编程设备、监控设备、存储设备、输入输出设备，这里主要介绍编程设备。

编程器用来编制、编辑、调试和监视用户程序，并且能调用和显示PLC的一些内部状态和系统参数。

编程器分简易型和智能型两种。

简易型编程器只能联机编程，它通过编程器接口与PLC连接。

智能型编程器即可联机编程又可脱机编程，还以远离PLC插到现场控制站的相应接口进行编程。

采用个人计算机作为PLC系统的开发工具是目前的发展趋势，各厂家均提供可安装在个人计算机上的专用编程软件，用户可直接在计算机上联机或脱机编程，开发功能强大，具备监控能力、通信能力，还可对用户程序进行仿真[5]。

2.1.3PLC的特点

1具有可靠性高，适用于工业环境

　　可编程控制器在硬件设计方面，采用了一些提高可靠性的措施。

一方面采用更先可靠的原件、加工工艺进行制造，加强了抗干扰能力；

另一方面存储器内容可以自行警报、诊断、便于维修等；

与此同时，系统的维修简单，维修时间短，可靠性得到提高。

2控制程序可变，具有很好的柔性

在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改变程序就可满足。

因此，除单机控制外，PLC在柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）,以致工厂自动化（FA）中也被大量采用。

且编程方法简便易学，使用方便。

　　3功能完善

现代PLC具有数字和模拟量输入输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、PID调节、各种智能模块、远程I\O模块、通信、人-机对话、自诊断、组态、记录和图形显示等功能。

处理适用于离散型开关量控制系统外，现在也能适用于流程控制系统，从而使设备的控制水平大大提高。

4安装简单，维修方便

　　PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。

使用时只需将现场的各种设备与PLC相连，即可投入运行。

由于PLC有完善的自诊断功能，输入\输出均有明显的指示，在线监控软件的功能很强。

因此，很容易进行维修，能很快查找出故障的原因。

5体积小，重量轻，省电

与传统的控制系统相比，PLC的体积很小，而且PLC用软件取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的体积缩小。

由于PLC体积小，很容易装在机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

由于减少了中间继电器、时间继电器、计数器等器件线圈用电，PLC消耗的电能只是传统控制系统的1\3~1\2。

6PLC的性价比高

随着集成电路芯片功能的提高，价格的降低，PLC硬件的价格也一直不断的在下降。

虽然PLC的软件价格在系统中所占的比重在不断提升，但由于缩短了整个工程项目的设计和编程时间，减少了投运费用以及缩短了整个投运周期，因此，使用PLC的总造价是低廉的，而且还呈不断下降的趋势。

PLC网络具有较高的性能价格比，使得PLC在工厂中备受欢迎，用量高居首位，成为现代工业自动化三大支柱之首[6]。

2.1.4PLC的基本功能

1逻辑控制功能

逻辑控制功能就是位处理功能，是PLC的最基本功能之一。

PLC设置有“与”（AND）、“或”（OR）、“非”（NOT）等逻辑指令，利用这些指令，根据外部现场（开关、按扭或其他传感器）的状态，按照指定的逻辑进行运算处理后，将结果输出到现场的被控对象（电磁阀、电机等）。

2定时控制功能

定时控制功能是PLC的最基本的功能之一。

PLC中有许多可供用户使用的定时器，其功能类似于继电器线路中的时间继电器。

3计数控制功能

计数控制功能是PLC的最基本功能之一。

PLC为用户提供了许多计数器，计数器计数到某一数值时，产生一个状态信号（计数值到），利用该状态信号实现对某个操作的计数控制。

4数据处理功能

PLC大部分都具有数据处理功能，可以实现算术运算、数据比较、数据传送、数据移位、数制转换、译码编码等操作。

5回路控制功能

有些PLC具有模数转换、数模转换功能，可以方便地完成对模拟量的控制和调节。

6监控功能

PLC设置了较强的监控功能，利用编程器可对PLC运行状态进行监视。

利用编程器，可以调整定时器、计数器的设定值和当前值，并可以根据需要改变PLC内部逻辑信号的状态及数据区的数据内容，为调试和维护提供了极大的方便。

7停电记忆功能

PLC内部的部分RAM设置了停电保持器件，以保持PLC断电后的数据内容不变；

电源恢复后，PLC继续工作。

8故障诊断功能

PLC可以对系统硬件、指令等进行自诊断，发现异常情况，发出报警并显示错误类型，必要时则自动中止运行[7]。

2.2变频器简介

变频器（Variable-frequencyDrive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。

通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。

随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。

2.3S7-200编程软件概述

2.3.1STEP7-Micro/WIN32（西门子S7-200编程软件）

STEP7-Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，支持32位Windos95/98/2000NT4.0使用环境，其基本功能是创建、编辑调试用户程序、系统组态等。

1硬件要求

要求个人计算机（PC）配置：

CPU为80586或更高的处理器，16MB的内存；

VGA显示器；

硬盘空间至少50MB；

MicrosoftWindos所支持的鼠标。

使用PC/PPI电缆可将计算机与PLC连接。

2软件要求

STEP7-Micro/WIN32可以安装在下列操作系统平台上；

MicrosoftWindows1995

MicrosoftWindows1998

MicrosoftWindows2000

MicrosoftWindowsXP

2.3.2STEP7-Micro/WIN32梯形图简介

在西门子S7-200的图形编程语言中，常见的有梯形图、程序流程图、顺序功能图，其中又以梯形图最长用。

梯形图是PLC使用的最多的图形编程语言，被称为PLC第一编程语言。

梯形图与电气控制系统的电路图相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌控，特别适用于开关量逻辑控制。

梯形图中左、右垂直线称为左、右母线。

STEP7-Micro\Win32梯形图编辑器在绘图时，通常将右母线省略。

在左右母线之间是由触电、线圈或功能框组合的有序排列。

梯形图的输入总是在图形的左边，输出总是在图形的右边，因而触点与左母线相连，线圈或功能框终止右母线，从而构成一个梯级。

在一个梯级中，左右母线之间是一个完整的“电路”，不允许“短路”、“开路”，也不允许“能流”反向流动[8]。

以下是梯形图的程序界面:

图2.3.2PLC梯形图

2.4PID在模拟量闭环控制系统中的应用

2.4.1PID控制的特点及常用方法

一PID控制在工业生产中使用广泛，用闭环控制方式来控制温度、压力、流量等连续变化的模拟量，PID控制具有以下的优点：

二用可编程控制器对模拟量进行PID控制时，可采用以下几种方法：

有的可编程序控制器没有PID过程控制模块及功能指令，如果要改进的PID控制算法，都需要用户自己编制PID控制程序。

三用可编程控制器对模拟量进行PID控制时，可采用以下几种方法：

1使用PID过程控制模块

这种模块的PID控制程序是可编程序控制器生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。

但是这种模块的价格昂贵，一般在大型控制系统中使用。

2用自编的程序实现PID闭环控制

有的可编程序控制器没有PID过程控制模块和PID控制用的功能指令，有时虽然可以使用PID控制指令，但是希望采用某种改进的PID控制算法。

在上述情况下，都需要用户自己编制PID控制程序[7]。

2.4.2PID控制器的数字化

典型的PID模拟控制系统如图（2.4.1）所示。

图中sp（t）是给定值，pv（t）为反馈量，c（t）为系统输出量，PID控制器的输入输出关系式为：

式（2.1）

即输出=比例项+积分项+微分项+输出的初始值，（2.1）式中，M（t）是控制器的输出，误差信号e（t）=sp（t）-pv（t），Minitial是回路输出的初始值，Kc是PID回路的增益，Ti和Td分别是积分时间常数和微分时间常数。

式（2.1）中等号右边前3项分别是比例、积分、微分部分，它们分别与误差、误差的积分和微分成比。

如果取其中的一项或两项，可以组成P、PD或PI控制器。

需要较好的动态品质和较高的稳态精度时，可以选用PI控制方式；

控制对象的惯性滞后较大时，应选择PID控制方式。

计算机模拟量闭环控制系统如图（2.4.2）所示，虚线部分在可编程控制器内。

图中的sp（t）、pv（t）、e（t）、M（n）均为第n次采样时的数字量，pv（t）、m（t）、c（t）为模拟量。

假设采样周期为Ts，系统开始运行的时间为t=0，用巨型积分来近似精确积分，用差分近似精确微分，将式（2.1）离散化，第次采样时控制器的输出为：

式（2.2）

式中，e（n）是第n次采样时的误差值，e（n-1）是第n-1次采样时的误差值，Kc、Ki和Ad分别是PID回路的增益、积分项的系数和微分项的系数。

将式（2.2）化简为式，每一次计算只需要保存上一次的误差e（n-1）和上一次的积分项MX：

式（2.3）

CPU实际使用的改进型PID算法的算式为：

式（2.4）

式中右边3项依次是比例项、积分项和微分项。

（1）比例项

式（2.5）

式中的SPn和PVn分别是第n次采样时的给定值和过程变量值（反馈值）

图2.4.1模拟量闭环控制系统方框图

图3.3.2计算机闭环控制系统方框图

图2.4.2PLC模拟量闭环控制系统方框图

（2）积分项

积分项与误差的累加和成正比，其计算公式为：

式（2.6）

式（2.6）中，Ts