PLC在封口包装机变频节能控制系统中的应用论文.docx

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PLC在封口包装机变频节能控制系统中的应用论文

本科毕业论文

题目:

PLC在封口包装机变频节能控制系统中的应用

PLC在封口包装机变频节能控制系统中的应用

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【摘要】：

封口包装机是指在包装容器盛装产品之后对容器进行封口的机械。

随着生产、生活水平的提高，我国封口包装机械近几年发展较快。

通过参考国外同类型产品，在消化吸收的基础上自行开发研制，技术上有了很大的提高，但在高新技术应用和新工艺开发方面与国外还有较大差距，如整机的自动化程度不高，有些还大量使用继电控制系统——耗能、费时、工作还不安全可靠。

本文将从节能、省时、人性化设计三个方面，用先端自动控制设备——PLC和变频器改造以往的继电控制系统，从而推动技术更新、更快的发展。

【关键词】：

S7—200PLC、变频器、封口包装机、温度控制、固态继电器SSR

一.项目背景及分析

（一）封口包装的工艺流程

结合上图，其工艺流程包括如下几个步骤：

1.接通电源，封口包装机各机构开始工作，电热元件通电加热，使上下加热块急剧升温，并通过温度PID控制系统调整到所需温度，压印轮转动，根据需要，冷却系统开始工作，输送带启动，并由调速装置调整到低速状态。

2.当装有物品的包装被前级设备运送至封口包装机输送带上时，袋的封口部分通过导向槽H被自动送入运转中的两根封口带F之间，并带入加热区E，加热块的热量通过封口带传输到袋的封口部分使薄膜受热熔软，再通过冷却区D，使薄膜表面温度适当下降，然后经过滚花轮滚压，使封口部分上下塑料薄膜黏合并压制出网状花纹，再由导向橡胶带B与输送带将封好的包装袋送出机外，封口包装机完成封口作业。

3.当封口包装机在低速运行取得满意效果后，可逐步提高封口速度至最高工作速度，同时根据工艺要求适当提高封口加热温度（根据不同材料，其设定温度不同）。

（二）控制要求

4.输入电源为三相380V电源.

5.主动导向轮、被动轮和各个传动机构间通过机械连接，最后由一台三相380V/1.5KW的异步电动机驱动，封口速度要求能调速（0~15m/min），调速精度为1﹪.

6.测温范围为0~400℃，温度控制精度为±2℃。

二．封口包装机的温度检测

温度是封口包装机控制过程中最常见的一种模拟量，由于温度传感器在测温过程中输出的不是标准意义上0~10V或4~20mA等线性信号，因此都需要对此进行转换。

（一）模块选型

本课题选用K型热电偶传感器和西门子S7—200的EM231热电偶模块。

K型热电偶图示：

西门子S7—200的EM231热电偶模块：

结合上图，其工艺流程包括如下几个步骤：

接通电源，封口包装机各机构开始工作，电热元件通电加热，使上下加热块急剧升温，并通过温度PID控制系统调整到所需温度，压印轮转动，根据需要，冷却系统开始工作，输送带启动，并由调速装置调整到低速状态。

当装有物品的包装被前级设备运送至封口包装机输送带上时，袋的封口部分通过导向槽H被自动送入运转中的两根封口带F之间，并带入加热区E，加热块的热量通过封口带传输到袋的封口部分使薄膜受热熔软，再通过冷却区D，使薄膜表面温度适当下降，然后经过滚花轮滚压，使封口部分上下塑料薄膜黏合并压制出网状花纹，再由导向橡胶带B与输送带将封好的包装袋送出机外，封口包装机完成封口作业。

当封口包装机在低速运行取得满意效果后，可逐步提高封口速度至最高工作速度，同时根据工艺要求适当提高封口加热温度（根据不同材料，其设定温度不同）。

（二）控制要求

1.输入电源为三相380V电源.

2.主动导向轮、被动轮和各个传动机构间通过机械连接，最后由一台三相380V/1.5KW的异步电动机驱动，封口速度要求能调速（0~15m/min），调速精度为1﹪.

3.测温范围为0~400℃，温度控制精度为±2℃。

温度是封口包装机控制过程中最常见的一种模拟量，由于温度传感器在测温过程中输出的不是标准意义上0~10V或4~20mA等线性信号，因此都需要对此进行转换。

本课题选用K型热电偶传感器和西门子S7—200的EM231热电偶模块。

K型热电偶图示：

西门子S7—200的EM231热电偶模块：

EM231热电偶模块提供了一个方便的、隔离的接口，用于七种热电偶类型：

J、K、E、N、S、T和R型。

它允许S7—200连接微小的模拟量信号，电压范围为±80mV。

用户必须用DIP配置开关来选择热电偶的类型，断线检查，测量单位，冷端补偿和确定开路故障方向。

所有连接到模块上的热电偶必须是相同类型的。

组态DIP开关位于模块的下部。

（二）热电偶与PLC的硬件接线

由于本课题需要采用晶体管输出的PLC（固态继电器输出），因此选择PLC为CPU224DC/DC/DC,工作电源为24VDC，扩展模块EM2314TC的电源也为24VDC。

（注意：

热电偶电线的方向不能接反）

接线完成后，设置EM2314TC的DIP设置：

SW3为1，SW1/2/5/6/7/8为0。

三.封口包装机的温度控制

在封口包装机的温度控制中，采用了具有结构简单、测温范围大、响应快的热电偶作为测温传感器。

当PLC采样到实际温度之后，再与设定值进行比较，进行PID控制，就可以来控制固态继电器，来进行加热器的通与断。

延伸知识：

（固态继电器），（PID控制）

固态继电器简称SSR，它是现代微电子技术与电力电子技术发展起来的一种新型无触点开关。

它为四端有源器件，两个输入控制端，两个输出端。

输入、输出间为光电隔离，输入端加上直流或脉冲信号，输出端从断态转为通态。

整个器件没有任何可动部件和触电，实现了相当于电磁继电器的功能。

PID控制的原理和特点

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

比例（P）控制

　　比例控制是一种最简单的控制方式。

其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。

积分（I）控制

　　在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。

对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。

为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。

积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。

这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。

因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

微分（D）控制

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。

其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。

解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。

这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。

所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

PID控制器的参数整定

　　PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。

它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。

PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：

一是理论计算整定法。

它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。

这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。

二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。

PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。

两种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。

但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。

现在一般采用的是临界比例法。

利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：

（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；

（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

　　在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。

　　对于温度系统：

P（%）20--60，I（分）3--10，D（分）0.5--3

　　对于流量系统：

P（%）40--100，I（分）0.1--1

　　对于压力系统：

P（%）30--70，I（分）0.4--3

　　对于液位系统：

P（%）20--80，I（分）1--5

　　参数整定找最佳，从小到大顺序查

　　先是比例后积分，最后再把微分加

　　曲线振荡很频繁，比例度盘要放大

　　曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳

　　曲线偏离回复慢，积分时间往下降

　　曲线波动周期长，积分时间再加长

　　曲线振荡频率快，先把微分降下来

　　动差大来波动慢。

微分时间应加长

　　理想曲线两个波，前高后低4比1

一看二调多分析，调节质量不会低

四.项目设计思路

（一）封口包装机控制系统的设计原则

1.深入了解和分析被控对象—封口包装机

2.确定I/O设备

根据控制要求，确定输入设备（4个控制信号）有按钮、选择开关、传感器，输出设备（6个输出信号）有三相交流接触器、中间继电器、固态继电器和指示灯。

3.设备选型

PLC：

西门子S7—200CPU224DC/DC/DC（EM231热电偶模块）

变频器：

西门子MM440变频器

4.分配I/O点（见下文的I/O符号分配表）

5.设计应用程序梯形图

在编程器或PC机上，借助编程软件，根据工作功能图或状态流程图等设计出梯形图，即编程。

6.借助通讯电缆，将梯形图程序下载到PLC中

7.进行软件测试

8.应用系统整体调试

在PLC软、硬件设计和控制柜及现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试。

9.编制技术文件

系统技术文件包括说明书、电气原理图、电器布置图、电气元件明细表、PLC梯形图等

（二）封口包装机的硬件部分

1.电控原理图

2.I/O配置

3.外部接线示意图

（三）封口包装机的软件部分

用STEP7micro/win软件对PLC进行编程

{主程序：

}

{子程序：

}

{中断程序：

}

中断程序的触发时间为SMB34，触发事件为10

{变频器参数设定：

}

直接在BOP面板上设定

P0010=30

P0970=1恢复出厂默认值

P0003=2设用户访问级为扩展级

P0004=7命令和二进制I/O

P0700=2命令源选择由端子排输入

P0701=1定义5号端口为ON接通正转，OFF停止

P0702=17

P0703=17

P0704=17选择固定频率（二进制编码+ON命令）

P1000=3选择固定频率设定值

P1080=0（HZ）设定最低频率

P1082=50（HZ）设定最高频率

P1001=5（HZ）设置固定频率5（HZ）

P1002=10（HZ）设置固定频率10（HZ）

P1003=20（HZ）设置固定频率20（HZ）

P1004=30（HZ）设置固定频率30（HZ）

P1005=35（HZ）设置固定频率35（HZ）

P1006=40（HZ）设置固定频率40（HZ）

P1007=50（HZ）设置固定频率50（HZ）

结束语：

针对实际生产中出现的一些问题，本文采用了西门子S7—200PLC和MM440变频器对原有继电控制系统进行了技术改造，将PLC中的串口驱动程序与相应组态软件的需求响应相结合，加载驱动，使设置的控件能够按照真实情况动作。

实践证明，在生产机械中采用PLC控制的变频调速，编程灵活，控制方便，实现了生产的自动化和批量生产的集成化。

如果经济成本允许，还可以加装PLC人机界面—触摸屏（HMI），借助Winccflexble组态软件来实现更加人性化的生产。

它可以一改PLC控制系统一贯的开放性不足的弱点，使系统运行的人机对话/监控问题得以根本解决，实现真正意义上的“自动化生产”。

作为一名技术工人，深知“学无止境”的道理，我们只有与时俱进、扎扎实实才能在以后的实际工作中发挥所能。

随着科技的发展，新的电气设备、电气技术层出不穷，维修电工也被赋予了新的含义，我们只有终生学习才能成为一名合格的“维修人员”。

参考文献及网站：

1.可编程序控制器使用指南吉敬华、赵文祥主编2009.6机械工业出版社

2.变频调速技术基础教程曾允文主编2010.1电子工业出版社

3.电动机节能方法与PLC变频器应用实例姚志松、吴军编著

2009.6机械工业出版社

4.设备和系统安装的电磁兼容技术、技巧和工艺王守三编著

5.S7系列PLC和变频器综合应用技术刘瑞华编著机械工业出版社

6.电工安全作业与技巧郎永强编著劳动和社会保障部出版社

7.PLC技术网、西门子中国资料中心、触摸屏天地、中国工控网PLC资料中心、中国传动网、5iPLC论坛