（機械工程專業(yè)論文）煙葉復烤設備電控系統的設計開發(fā).pdf

煙葉復烤設備電控系統的設計開發(fā) 摘要 煙葉復烤是煙葉初烤后的再調制加工過程 這直接關系到卷煙工業(yè)的生產 本文中設計了兩套獨立的控制系統 采用以p l c 控制為主 萬用數字控制器 u d c 控制為后備的方式 通過對控制系統功能的分析 確定了控制系統的配置 利用熱電偶 濕度 傳感器 壓力傳感器等 使用西門子p l c 和u d c 采用p i d 調節(jié)的控制方法 對生產過程參數進行控制 本控制系統使用了當前流行的p r o f i b u s 總線 將變 頻器與p l c 的數據交換通過總線來實現 節(jié)約了成本 使得系統擴展不受現場 狀況的限制 具有友好的人機界面 通過各種監(jiān)控畫面 使操作人員可以現場監(jiān)控設備 的工作狀況并實時做出調整 使用s t p l cs i m 仿真軟件和p r o t o o l p r or u n 運行軟件 對生產現場設備 進行了模擬運行 測試了p l c 程序的可執(zhí)行性 預先估算出p i d 調節(jié)的比例 積分參數 加快了現場對控制系統調整的進度 關鍵詞 煙葉復烤 電控系統 可編程控制器 軟件 仿真 t h ed e s i g na n dd e v e l o pme n to ft h ee l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m f o rt o b a c c or e d r y i n gm a c h i n e s a b s t r a c t t o b a c c or e d r y i n gi sar e c u r i n gp r o c e s sa f t e rt h et o b a c c od r y i n gf o rt h ef i r s t t i m e w h i c hh a sd i r e c ti m p a c to nt h ep r o d u c t i o no fc i g a r e t t ei n d u s t r i e s t h i st h e s i s d e s i g n st w os e p a r a t ec o n t r o ls y s t e m s a p p l y i n gt h ep l cc o n t r o la sc h i e fm e a n sa n d t h eu d cc o n t r o la ss t a n d b y b ya n a l y z i n gt h ef u n c t i o no fc o n t r o ls y s t e m s t h ec o n f i g u r a t i o no ft h ec o n t r o l s y s t e m si sd e t e r m i n e dt oc o n t r o lp a r a m e t e r si nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s i nw h i c h t h e r m o c o u p l e s h u m i d i t ys e n s o r sa n dp r e s s u r es e n s o r sa r eu s e d t h ep l cf r o m s i e m e n sa n du d c sa r eu t i l i z e d a n dt h ec o n t r o lo ft h ep i da d j u s t m e n ti sa d o p t e d t h ec o n t r o ls y s t e m sm a k eu s eo ft h ec u r r e n t l yp o p u l a rp r o f i b u s b yw h i c ht h e e x c h a n g eo fd a t ab e t w e e ni n v e r t e r sa n dp l ci sa c h i e v e d t h u st h ec o s tc a nb es a v e d a n dt h es y s t e me x t e n s i o nw i l ln o tb ec o n f i n e db yc o n d i t i o n so nt h es p o t w i t haf r i e n d l ym a n m a c h i n ei n t e r f a c e a no p e r a t o rc a nm o n i t o ra n dc o n t r o l t h er u n n i n go ft h em a c h i n ea n dm a k er e a l t i m ea d j u s t m e n to nt h es p o tb ye v e r y m o n i t o r i n ga n dc o n t r o li n t e r f a c e t h es i m u l a t i o nr u n n i n go ft h em a c h i n ew a sp e r f o r m e do nt h es p o tb yu s i n gt h e s 7 p l cs i me m u l a t i o ns o f t w a r ea n dt h ep r o t o o l p r or u nr u n n i n gs o f t w a r e p e r f o r m a b i l i t yo ft h ep l cp r o g r a mw a st e s t e d t h er a t i oa n di n t e g r a lp a r a m e t e r so f t h ep i da a j u s t m e n tw e r ee s t i m a t e di na d v a n c e a n dt h ea d j u s t m e n ts c h e d u l eo ft h e c o n t r o ls y s t e m so nt h es p o tw a sq u i c k e n e d k e y w o r d s t o b a c c or e d r y i n g e l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m p l c s o f t w a r e e m u l a t i o n 插圖清單 圖2 1 電控系統框圖 一6 圖2 2 工作模式轉換控制接線示意圖 7 圖2 3 電機控制回路接線 8 圖2 4 溫度控制信號示意圖 9 圖2 5c a m f l e x ri i 氣動閥簡圖 l0 圖2 6u d c 3 3 0 0 操作面板 1 0 圖2 7u d c 3 3 0 0 控制器輸入端子接線 1 1 圖2 8u d c 控制器4 2 0 m a 信號輸出端子接線 1 2 圖2 9 水份控制信號流程 1 2 圖2 1 0f b 4 l 功能塊圖 1 3 圖2 11 模擬信號標準化 一1 4 圖2 一1 2 死區(qū)寬度對誤差信號的影響 1 5 圖2 1 3 主屏幕菜單顯示 2 0 圖2 1 4p l c 模塊配置 2 2 圖2 1 5 主機架模塊配置 2 3 圖2 1 6p l c 通訊配置 2 4 圖3 1s t e p 7 操作界面 2 5 圖3 2c p u 程序框圖 2 6 圖3 3 設備啟?？刂飘嬅?2 6 圖3 4 設備工作模式控制塊調用 2 7 圖3 52 號電機自動模式下控制程序 2 8 圖3 62 號電機控制塊 2 8 圖3 7 模擬信號控制流程 一2 9 圖3 8 模擬量地址分配和信號轉換 3 0 圖3 9f b l 0 2 中時間單位轉換 3 1 圖3 一l o 烤片機模擬控制程序塊f c l 0 3 2 圖3 1 1p r o f i b u s 通訊網絡結構 3 3 圖3 1 2f b 5 6 功能塊的調用 3 3 圖3 1 3f b 5 6 功能塊中讀取變頻器數據程序 3 4 圖3 一1 4 故障報警信號程序段 3 5 圖4 一lp r t o t 0 0 l 典型應用 3 6 圖4 2 設備狀態(tài)畫面 3 7 圖4 3 設備狀態(tài)與地址關系 3 8 圖4 4 干燥區(qū)1 溫度設定 3 8 圖4 5 主網篩自動加油器控制按鈕組態(tài) 3 9 圖4 6 烤片機電機啟停控制畫面 4 0 圖4 7 模擬量控制管理畫面 4 0 圖4 8 烤片機干燥區(qū)1 的溫度p i d 控制界面 4 l 圖5 一ls 7 p l cs i m 操作界面 4 2 圖5 2 仿真功能塊f c l 4 3 圖5 3 設備啟停模擬控制 4 4 圖5 4 比例系數p 的估算 4 5 圖5 5 積分時間常數i 的估算 4 6 圖5 6p i 參數值較小時溫度藍線 4 7 圖5 7p i 參數值較大時溫度曲線 一4 8 表格清單 表2 一lf b 4 1 功能塊的輸入參數 一1 5 表2 2f b 4 1 功能塊的輸出參數 一1 6 表2 3s 7 3 0 0 模塊的電流耗量和功率損耗 2 4 v d c 負載電源 2 3 獨創(chuàng)性聲明 本人申明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的 研究成果 據我所知 除了文中特別加以標注和致謝的地方外 論文中不包含 其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得金目e 王些盍堂或其 它教育機構的學位或證書而使用過的材料 與我一同工作過的同志所做的任何 貢獻已經在論文中傲了說明并表示謝意 學位論文作者簽名 搠發(fā)遠簽字日期 砷年 月彥同 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解盒膽王些太堂 有關保留 使用學位論文的規(guī) 定 有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤 允許論文被 查閱和借閱 本a c a v 金膽王些太堂可以將學位論文的全部或部分內容編 入有關數據庫進行檢索 可以采用影印 縮印或掃描等復制手段保存 匯編學 位論文 保密的學位論文在解密后使用本授權書 學位論文作者簽名 粕霞乜 簽字1 3 期 扣7 年 月肛日 學位論文作者畢業(yè)后去向 工作單位 華環(huán)國際煙草有限公司 通訊地址 安徽鳳陽門臺子 導師虢聲 t 淺 電話 0 5 5 0 6 6 7 6 0 8 1 郵編 2 3 3 1 2 1 致謝 對于本論文的各項工作 我的導師尹志強教授和李濤高級工程師給予了熱 情的關懷和悉心指導 課題實施過程中得到了華環(huán)國際煙草有限公司全體員工 的大力協助 得到了愛人及家中其他人員的大力支持 在此表示深深的謝意 最后向百忙中評審本論文的各位專家 教授以誠摯的謝意 第一章緒論 1 1 項目來源 項目來源 華環(huán)國際煙草有限公司2 0 0 3 年 煙葉復烤機改造項目 1 2 煙葉復烤簡史 煙葉復烤是煙葉初烤后的再調制加工過程 煙葉經過復烤加工 進一步促 使其理化性質發(fā)生變化 提高煙葉內在品質 有利于煙葉的長期貯存和適應卷 煙工業(yè)的使用需要1 2 j 復烤工業(yè)是與烤煙生產同時發(fā)展起來的 復烤技術由外國傳入中國 1 9 1 5 年山東建成國內第一座干燥 回潮的土烤房 以后經過進一步發(fā)展 完善 形 成掛桿復烤工藝 國際上從2 0 世紀6 0 年代起開始將掛桿復烤改為打葉復烤 即將卷煙廠切絲前的工藝 如回潮 擺把 切尖 喂料 打葉 貯葉等 全改 在打葉復烤廠進行 從而為卷煙廠工藝改革 減少廠房提供有利條件 現今打 葉后葉片的復烤方法主要采用網帶式復烤工藝 具有工藝簡單 運行可靠 節(jié) 省能源 煙葉破碎率低 煙葉大片率高等優(yōu)點 自2 0 世紀6 0 年代我國開始探 索打葉車復烤技術 9 0 年代開始全面推廣應用 3 兒4 5 葉片復烤電氣控制系統用于葉片復烤機械動作的控制 葉片流量的控制 葉片復烤干燥段內氣流溫度控制 冷房溫度控制 葉片水分的監(jiān)測和控制等 控制范圍從葉片進入復烤機直到烤后煙葉向包裝工段輸送為止 它是打葉復烤 線控制最為復雜的工段之一 它不僅涉及邏輯變量的控制 而且還需要對溫度 壓力 濕度 水分等模擬量進行調節(jié) 在9 0 年代前 由于我國在復烤設備方面 的水平較低 許多廠家仍在使用老式的掛桿復烤工藝 因此控制水平較低 許 多掛桿復烤設備采用人工調節(jié)閥門的方式控制 國內帶試驗性質的打葉復烤新 工藝也只是增加了部分儀表 而9 0 年代以后 隨著老式的掛桿復烤設備開始淘 汰 從國外引進先進的生產設備和技術上國內的消化 打葉復烤行業(yè)的設備和 控制技術逐步提升 從人工閥門控制到儀表控制 然后逐步向p l c 控制發(fā)展 最近又開始向網絡方面發(fā)展 1 1 1 復烤的作用 1 調整煙葉水份 復烤的目的之一是進一步排出和調整煙葉水份 使之達到國家標準規(guī)定的 水份含量1 1 1 3 并且均衡一致 既可防止煙葉霉變 又有利于煙葉的自然 發(fā)酵 提高煙葉品質 1 6 2 排除煙葉雜質和雜氣 通過復烤的風力和高溫的作用 去除煙葉表面的灰塵 雜質 茸毛等 游 離煙堿的揮發(fā)和生青氣 氨氣 辛辣氣味的散發(fā) 使煙葉的刺激性減少 香味 變純 吸味改善 煙質得到提高 3 殺死煙葉害蟲和病菌 原煙在復烤高溫的作用下 不僅附著在煙葉表面的霉菌和害蟲被殺死 而 且由于烤后水份的降低 使煙葉中的菌蟲失去滋生的條件 即使是將要霉變的 煙葉 也會因為高溫殺菌而得到抑制 有利于安全貯存 4 有利于煙葉的自然醇化 復烤后的煙葉吸濕性有所減弱 有利于在低濕條件下緩慢發(fā)酵 既可保持 煙葉原有色澤 又可使煙葉品質得到好轉 i 1 2 改造前公司煙葉復烤機概況 華環(huán)國際煙草有限公司打葉復烤生產線是1 9 9 4 年從國外引進 打葉設備和 打包設備均是當時最新設備 葉片復烤機屬于二手設備 是2 0 世紀7 0 年代產 品 由著名的生產商普勞克特公司生產 雖經過不斷改進 但由于總體性能較 落后 已不能很好地適應新的工藝和生產指標要求 主要表現在以下幾個方面 1 烤房的溫度過高 舊煙葉復烤機的烤房 即干燥區(qū) 由五部分組成 第一間烤房的溫度在8 0 一9 0 攝氏度范圍內 第二間烤房的溫度在l o o 1 2 0 攝氏度范圍內 第三間烤 房的溫度在9 5 1 1 0 攝氏度范圍內 第四間烤房的溫度在9 0 一1 0 5 攝氏度范圍 內 第五間烤房的溫度在8 0 l o o 攝氏度范圍內 由于復烤中時片豹溫度超過 7 0 一7 5 攝氏度時 煙葉的內部組織發(fā)生明顯變化 理化特性變差 有效成份損 失嚴重 體積收縮加劇 故舊煙片復烤機已不適應現代低溫慢烤的工藝要求 2 烤房的排濕僅人工調節(jié) 煙葉經過復烤機的烤房后 會失去水份 為取得良好的干燥效果并節(jié)約能 源 需對各烤房內空氣濕度進行調節(jié) 由于無濕度檢測和自動調整裝置 因此 只能靠工作人員憑經驗調整 3 回潮前葉溫較高 在烤房后是冷房 冷卻區(qū) 其作用是將烘烤后的煙葉溫度降低 以利于在 回潮時調整煙葉中的水份 由于烤房溫度過高 使得煙葉經過冷房的冷卻后 其葉溫仍很高 不利于后續(xù)工段的控制 4 下機時溫過高 煙葉的回潮在潮房 回潮區(qū) 中進行 利用水與蒸汽的混合物 通過風力 2 的輸送 使煙葉經過潮房后其水份含量達到長期貯存的要求 由于回潮時加水 量是由手動閥門控制 一般不做經常性調整 煙葉含水量的調整是通過控制蒸 汽的流量實現 同時 在潮房無溫度控制設備 這就使得煙時溫度的降低面l 盜 更大的困難 在夏季 受環(huán)境溫度和散熱條件的限制 煙葉離開復烤機后其葉 溫經常在5 5 攝氏度以上 雖采取了加裝風扇等降溫措施 使葉溫降到5 2 攝氏 度以下 但同時煙葉變脆 表層煙葉損失水份嚴重 使煙葉包裝中破碎率加大 i 1 3 設備的調整 鑒于原復烤設備已不能很好地適應現在生產的實際需要 而進 步改造不 能從根本上解決問題 故采取更換設備的方法 由此需要重新設計 套電氣控 制系統 1 3 課題的任務與實現方法 本課題涉及到引進的美國普勞克特公司的葉片復烤機 復烤機的工藝參數 要求為 進入葉片復烤機煙片水份 1 9 1 離開烤房 即冷房中 煙片水份 9 1 離開潮房煙片水份 1 2 1 烤房最佳烘烤溫度 7 0 8 0 平均7 5 冷房溫度 4 5 5 5 潮房溫度 5 5 6 5 本課題的任務是設計一套電控系統 能滿足現葉片復烤機的各項控制要求 其主要控制功能要求如下 1 p l c 或觸摸屏故障時 使用u d c 3 3 0 0 控制器 按鈕 繼電器等實現煙葉 復烤機的各項控制功能 即以p l c 控制系統為主 i j d c 控制系統作為緊急后備 2 p l c 控制時 系統應能分別對烤房各區(qū)溫度 冷房溫度 潮房各區(qū)溫度 進行控制 3 p l c 系統能實現對各烤房濕度進行自動控制 即烤房的每一個排濕風口 都安裝一個相對濕度傳感器 p l c 系統通過相對濕度傳感器來使每 間烤房進 氣和排氣風門自動調節(jié) 以實現濕度控制 4 p l c 系統應能對下機煙葉水份進行自動或手動控制 5 p l c 系統控制時 控制參數的輸入和顯示可以通過m p 3 7 0 觸摸屏進行 6 p l c 系統應能實現各電機的啟?？刂撇@示設備運行狀況 7 同時 原來已有的煙梗復烤機的控制任務也由上述系統實現 故在p l c 系統的設計中考慮到了煙梗復烤機的需求 鑒于上述控制要求 為了簡化p l c 程序設計 滿足備用u d c 控制系統的要 求 并使系統具有一定的擴展能力 控制系統選用西門子s 7 系列具有p r o f i b u s 接口f 7 f 8 1 1 9 l 1 0 1 的3 1 5 2 d p 型p l c 與m p 3 7 0 觸摸屏 1 2 變頻器使用具有通訊 能力的西門子m m 4 2 0 系列1 4 5 1 4 6 1 1 4 利用p r o f i b u s 總線實現p l c 與變頻器的通 訊 另外 配置u d c 3 3 0 0 控制器 在p l c 系統或觸摸屏故障時用于緊急后備 對于電機的控制 在p l c 模式下 通過觸摸屏上按鈕 可以選擇自動啟動 或手動單臺啟動工作方式 對于溫度的控制 選用熱電偶測量各烤房 冷房 潮房溫度 采取合適的 接線方式與執(zhí)行機構進行溫度控制 為控制各間烤房濕度 在各烤房的排濕管道中安裝濕度傳感器 并在各烤 房的出風管道上加裝調節(jié)風門 以控制進出風量大小 從而調節(jié)濕度 烤后煙葉水份的控制是通過t m 7 1 0 紅外水份儀和高壓噴霧泵實現 t m 7 1 0 紅外水份僅將探測到的回潮后煙葉在線水份 以4 2 0 m a 信號送到p l c 或u d c 控制器 通過變頻器 實現對高壓噴霧泵速度的自動或手動調節(jié) 以調節(jié)加水 量的大小 從而調節(jié)烤后煙葉中的水份含量 m p 3 7 0 的作用是在使用p l c 控制時 從觸摸屏上輸入控制參數 并對各測 量值以一定時間段內的曲線形式進行趨勢顯示 同時m p 3 7 0 使用四種圖案顏色 顯示各電機的運行狀態(tài) 1 4 本文內容安排 本文共分七章 主要內容是圍繞煙葉復烤機的控制要求 選用合適的控制 元件 達到正確控制生產的目的 重點討論了烤片機p l c 控制原理 模擬量的 控制和程序設計 最后給出現場運行數據 第一章 緒論 主要介紹了選題的背景 課題的任務和實現方法 首先介 紹了煙葉發(fā)展簡史和復烤的作用 進而介紹了華環(huán)國際煙草有限公司中舊煙葉 復烤機的缺點和對新復烤機的工藝參數要求 最后概略介紹了對電氣控制功能 的要求和實現方法 第二章 電控系統組成與工作原理 是本文的重要部分之一 主要分析了 控制系統的組成 功能需求 著重介紹了p l c 系統的配置和模擬信號的控制原 理與p i d 算法 第三章 西門子s 7 3 1 5 2 d pc p u 程序設計 主要介紹p l c 中程序結構 說明了控制機理 第四章 人機界面的軟件設計 主要介紹觸摸屏具有的功能和人機界面的 軟件設計 4 第五章 程序仿真與結果分析 介紹了仿真軟件的使用 并對仿真結果進 行了初步分析 最后對現場測試結果進行了分析 第六章 結論 總結了控制系統的仿真和現場使用效果 給出了系統存在 的不足和下一步研究方向 第二章電控系統組成與工作原理 葉片復烤機電控系統的主要任務是實現開關量和模擬量信號的檢測與控 制 重點是對溫度 壓力 濕度和煙葉水份的的測量與控制 系統組成的核心 是p l c 和u d c 控制器 在正常情況下 主要使用p l c 實現各種信號的控制和顯 示 對于車間跟機維修人員來說 由于掌握p l c 的使用較困難 為避免p l c 故 障時導致長時間停機 故另外設置了u d c 控制系統 以迅速恢復生產 減小經 濟損失 為p l c 故障排除創(chuàng)造有利條件 2 1 電控系統組成 電控設備主要由p l c 模塊 u d c 控制器 觸摸屏 繼電器線路 各測量元 件 執(zhí)行器 電機和通訊總線等組成 電控系統框圖如圖2 1 所示 圖2 1 電控系統框 璺i p l c 系統主要由電源和各模塊組成 c p u 模塊選用s 7 系列3 1 5 2 d p 具有 分布式p r o f i b u s 接口和m p i m u l t i p o i n ti n t e r f a c e 接口 使用p r o f i b u s 數據總線將變頻器連接到c p u 模塊的p r o f i b u s 接口 通過p l c 程序 實現相互 數據的傳遞 連接中使用t 型接頭 保留一p r o f i b u s 接口 使得編程設備可以 通過p r o f i b u s 接口在線監(jiān)測p l c 的運行 c p u 模塊的m p i 接口與觸摸屏m p 3 7 0 連接 通過觸摸屏 操作人員可以實時監(jiān)視設備的運轉狀況 監(jiān)視溫度 壓力 水份等測量值實時值 通過曲線圖 3 0 分鐘和2 4 小時 了解一定時間內工藝 參數的實際情況 6 2 2 電控系統的分析 電控系統分析的主要任務是 根據葉片復烤機 煙梗復烤機對控制系統的 要求 確定p l c 系統的功能 通過分析 確定p l c 機型 數字量輸入輸出點數 模擬輸入輸出點數和通訊能力 1 9 1 1 0 l i l j l l 2 3 1 4 i 1 5 j l6 1 7 1 i8 川9 2 0 2 1 1 系統功能分析 1 設備控制功能 控制方式的選擇 在電控柜柜面設置了轉換按鈕 用于選擇采用p l c 控制 模式或u d c 控制模式 一般情況下 選用p l c 控制模式 在p l c 出現故障時 可以迅速使用u d c 控制模式 恢復生產 其硬件接線原理如圖2 2 2 n 圈2 2 1 2 作模式轉換控制接線示意圖 圖中 按鈕s b l s b 2 繼電器k a l 組成電源主控電路 控制電氣控制柜的 控制電源 s a l 為旋鈕開關 用于選擇工作模式 使用p l c 的數字輸入信號1 0 0 4 0 是為了通知p l c 控制器現在選擇的工作模式 在u d c 工作模式下 p l c 不進行 任何控制 同時在硬件接線上使用繼電器k a 2 的常閉點對p l c 輸出模塊的電源 7 進行聯鎖 即在u d c 工作模式下 p l c 輸出模塊無2 2 0 v a c 電源供應 則開關量 輸出信號和模擬輸出信號被禁止輸出 k a 2 一k a l 0 是繼電器 利用其觸點組成 各臺電機的繼電器控制回路 數字量信號的控制 數字量控制的主要范圍是電機的順序控制 此外考慮 對其它設備狀態(tài)的監(jiān)控 如系統電源等 啟?？刂圃?p l c 控制時 每臺電機的繼電器控制回路均使用一常開繼 電器觸點 用于p l c 數字量信號的輸入 p l c 檢測輸入信號的狀態(tài) 并結合輸 出信號狀態(tài) 以判定電機的三種工作狀態(tài) 即停止 運轉和故障 同時對應在 觸摸屏上以不同的顏色進行顯示 供操作員監(jiān)測設備運轉情況用 電機控制回 路接線原理如下圖2 3 所示 u v a c s b i s b 2 k m y門 n 眇歲 u 眵 陌翮 圖2 3 電機控制回路接線 圖中 1 0 0 8 0 為p l c 輸入信號 q 0 5 6 0 為p l c 輸出信號 當選擇u d c 工作模 式時 k a 2 觸點處于吸合狀態(tài) 使用s b l s b 2 按鈕啟停電機 在p l c 模式下 k a 2 觸點斷開 s b 2 按鈕僅可用于點動功能 電機的啟停通過觸摸屏上設置的相 應功能按鈕進行 根據實際需要 可以進行電機的連續(xù)自動啟動或單臺手動啟 動 p l c 控制方式 在p l c 控制模式下分手動和自動兩種 可以通過觸摸屏上 功能按鍵選擇 第一種是手動 操作人員從觸摸屏進行單臺電機控制 操作人 員根據實際需要自由啟動或停止某臺電機 并且不影響其它電機的運轉狀態(tài) 第二種自動啟停控制 操作員只需按下自動啟動按鈕即可 電機按要求的順序 逐一啟動 運行中 某一電機因各種原因停止運行后 為防止堵料的發(fā)生 相 關連的電機會自動停止運行 對于上述兩種啟動方式 任意設備故障時 在觸 摸屏上將會顯示相應的故障信息通知操作員處理 同時控制柜上的電笛發(fā)出聲 響警報 2 模擬量的控制 模擬量的控制 是本電氣控制系統的核心任務 主要對葉片復烤機的溫度 壓力 濕度 煙葉水份 速度等模擬信號進行測量與控制 在p l c 模式下 通過 標準功能塊f b 4 1 實現各模擬量的控制 2 7 4 3 l 在u d c 模式下 由具有p i d 計算功 能的單個u d c 通用控制器分別對各模擬量進行控制 1 溫度控制 與溫度控制相關的電氣設備有繼電器組成的信號轉換裝置 熱電偶 c a m f l e x r i i 控制閥 u d c 3 3 0 0 控制器 p l c 系統的模塊等 共有九處需要進行溫 度控制 烤房五處 冷房一處 潮房三處 信號傳輸與控制框圖如圖2 4 所示 雙 兀 件 熱 電 偶 蒸汽 壓縮空氣 圖2 4 溫度控制信號示意圖 圖2 4 中 雙元件熱電偶內部有兩個獨立測量元件 溫度信號用專用補償 導線分別接到u d c 3 0 0 0 控制器和p l c 的熱電偶信號輸入模塊上 根據選用的控 制方式的不同 通過繼電器轉換裝置 p l c 或u d c 的輸出4 2 0 m a 信號送至 c a m f l e x r i f 氣動控制閥的i p 轉換器上 從兩控制進入加熱器的蒸汽流量 達 到使烤房溫度穩(wěn)定的目的 氣動執(zhí)行閥 3 5 0 0 2 系列c a m f l e x ri i 氣動執(zhí)行閥由美國d r e s s e r i n d u s t r i e si n c 生產 主要用于控制進入散熱器的蒸汽流量大小 c a m f l e x r i i 氣動控制閥的基本設計思想是基于包含在為自由流體設計的a n s i6 0 0 等級閥 體中的球形偏心旋轉柱塞之上 柱塞和軸與彈簧反作用的薄膜傳動裝置及手動 轉盤相連接以實現轉動 其工作過程如圖2 5 9 圖2 5c a m f l e x r i i 氣動i 嘲簡圖 與閥配套的執(zhí)行器安裝有壓縮空氣 以反向抵消柱塞上受到的動態(tài)力矩 圖中 流體要頂開柱塞 而執(zhí)行器通過壓縮空氣壓力的增加使柱塞定位 在無 壓縮空氣時 彈簧的作用力使閥心翻轉過來以關閉閥門 氣動閻上裝有配套的 i p 轉換器 將4 2 0 m a 控制信號轉換成壓力信號 以控制丌啟度大小 從而控 制進入加熱器的蒸汽流量 u d c 3 3 0 0 通用數字控制器 u d c 3 3 0 0 通用數字控制器由h o n e y w e l l 公司生產 有完整的p i d 控制功能 操作簡單 運行可靠 操作面板如圖2 6 所示 圖2 6u d c 3 3 0 0 操作面板 u d c 3 3 0 0 控制器接收熱電偶測量信號 與設定值比較 經過p i d 計算 從 而輸出4 2 0 m h 信號控制執(zhí)行設備 u d c 3 3 0 0 控制器輸入信號端子接線如圖2 7 1 0 雅 29對 一贛凡2 鮑疏疑選本 請寥閱在z 一4 熱牽 鵂r t d 酵o 1 c 外 州鰒v 強薹 r唾 甜 商踟 伸避d 酬黧 口霆 舛螺皇t 卸下茹軎 1 鼉 漿磊0 謦鄹 o 0餓4 20贛安 匿 魑 蓐2 平可m 干 戡穢墻出 霄蟪宦蕾八巷 腳磺掣尊髓鼉 一2 e 吐尊 5 c 廖蜂費衙電鞘 踐卜i c 件疆5 盛輯 j 撲鼉 宅瑯 訂窘確2 前一i 紓垮譬鼉 的一毫臻p f 甚生 矗目諾擒 毫冀 瓣入囂1o 熱曦隔 贏 耐蛾v r t do ov 豫補 播蘭 鬧 n 神國西n 弭魄d 撼薹 雷 瞎z 褥肆孵鼙下矗襻 毒 器 鬈爹勰器卷聊 o to饋4 20贛安 凰 5 r魑 彩霞轅t c 輸 的摶朗連接 酢件號 i 5 i 綃8 1 甜 聘鰳張5 朔囂r 麓 l 照瞞予恐輛2 4 輸 0 的挺 鉍卸f 上蕊禱斑件霞籍藕 位 o 計 攢群濕度建撬 使罔輸入計 為壕濫蝦精八 使用鏑 2 作為專蘧t l 譬入 對 磺勢靛蘧壤 使弼輸入l 俸為磷攆業(yè)輸 圖2 7u d c 3 3 0 0 控制器輸入端子接線 熱電偶信號用專用補償導線接至端子2 6 和2 7 上 并按要求并接5 0 0 歐電 阻 熱電偶的分度號 p i d 控制參數均通過操作面板在u d c 控制器中進行選擇 或調整 u d c 控制器的輸出為4 2 0 m a 信號 從端子2 和3 引出 如圖2 8 甜 囂u 砼 確 l 1 l 2 n 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 1 0 1 1 12 t 2 3 輸紫1 冪4 撤參2 矗j 繼l b 器l 二6 輸紫2 忑7 掀霧 l 卜tn o 8 綹f u 囂一9 繼電器端予連接 百隔廣與弋網弋孺麗下 1 控制器飯衢l 一土血l 剝竺 竺竺f 粵韉 麓 中磺j u 一 輸 歧報警 椎i n 器3 伍衙 箍 o o 負筒 l l 游 o 地草 圖2 8u d c 控制器4 2 0 m a 信號輸出端子接線 2 煙葉水份控制 烤后煙葉水份的大小直接影響煙葉的貯藏 當煙葉中水份在合適范圍內時 既可防止煙葉霉變 又有利于煙葉的自然發(fā)酵 提高煙葉品質 煙葉經烤房烘 烤后 在冷房中降溫并使葉片中水份均衡 離開冷房時煙葉水份在9 1 然 后進入潮房加濕 信號的傳輸與控制框圖如圖2 9 所示 圖2 9 水份控制信號流程 煙葉水份的控制主要通過高壓泵速度的自動調整來實現 高壓泵轉速的高 低決定了加水量的大小 為實現p l c 和u d c 控制的轉換 輸入信號通過繼電器 觸點送給p l c 或u d c 輸出信號通過不同的通道送至變頻器來控制高壓泵速度 3 其它模擬量的控制 濕度控制主要是為了控制各閽烤房的濕度 在使煙葉達到規(guī)定水份要求的 情況下 盡可能提高烤房濕度 以減少能耗 此外 還有壓力 速度等控制 1 2 它們的控制原理與煙葉中水份的控制相同 3 f b 4 l 功能塊的控制功能 f b 4 1 功能塊是一標準的 通過軟件實現的p i d 控制功能塊p 6 i 4 3 以標準 塊的形式隨s t e p 7 軟件一起安裝 可以直接調用 在p l c 模式下 f b 4 1 用于對 模擬信號控制 功能塊相當于一個子程序 在p l c 程序中可以多次調用 只要 p l c 存貯器和運行速度允許 不受調用次數限制 調用f b 4 l 功能塊后 可以預 先設定輸入和輸出參數的初始值 也可以在使用中通過觸摸屏等設備改變p i d 參數值 f b 4 l 功能塊由許多下一級功能組成 如設定值的輸入 比例 積分 微分作用均可以啟用或關閉 以組成p p i p d p i d 控制器 模擬信號的輸出 可以選擇來自于f b 4 l 功能塊或人工輸入等 功能塊圖如圖2 一i 0 所示 蘭 讎蘿 f 且廣 岬 弋嶄一 i 一 j d 三號i i l i f 粼 一堋 i 1 艾劇l罔 i 生竺二i l j j 一 l n n l u 州 o f f 圖2 一l of b 4 1 功能塊醋 設定點分支 設定點在s p i n t 數據類型r e a l 處以浮點數或百分數的形 式輸入 用于獲得誤差信號的設定點和過程變量值 p v 必須具有相同的量綱 過程變量分支 過程變量的輸入可以通過p v i n 數據類型r e a l 或p v p e r 數據類型w o r d 輸入 p v i n 可以給過程變量賦以初始值或輸入浮點數形式 的變量值 外部模擬量信號接到p l c 的信號模塊 信號模塊將其轉換后數據存 入p l c 的i o 地址中 在配置時相應的i 0 點分配給信號模塊用于外圍設備數 據存取 利用轉換功能c r p i n 將相應i o 地址中存貯的數據轉化為浮點數 其值范圍為一1 0 0 1 0 0 計算公式為 c r p i n 輸出 p v p e r 1 0 0 2 7 6 4 8 p v n o r m 功能按下公式用于計算c r p i n 功能的輸出 p v n o r m 輸出 c r p i n 輸出 p v f a c p v o f f 式中 p vf a c 調節(jié)因子 p v 一0 f f 一補償量 用于調整過程變量的范圍 例如 一只傳感器的測溫范圍為一2 0 8 5 c 信號通過p v p e r 輸入 而設 定值的輸入以百分數的形式輸入 范圍0 n 1 0 0 那么必須利用p v n o r m 功 能 將溫度測量范圍進行標準化 計算公式為 p v f a c p v n o r m 范圍 c r p i n 范圍 p vo f f p vn o r m 下限一p vf a c x c r pi n 下限 計箕結暴如工圖2 i 圖2 1 1 模擬信號標準化 誤差信號的產生 誤差信號來自于設定點和過程變量的差值 為了抑制由 于受控變量的波動引起的小范圍內誤差信號的波動 可以設置死區(qū)寬度 d e a d b w 當d e a d b w o 時 則功能d e a d b a n d 被關閉 使用功能d e a d b a n d 對誤 差信號的影響如下圖2 1 2 4 e r s p i n t 一列j e rj i d e a ow e r 3 p i 一 s d e a d bw i p v l 一d e a dw i n t p v 圖2 一1 2 死區(qū)寬度對誤差信號的影響 p i d 輸出 如圖2 一l o 比例 p 積分 i n t 微分 d i f 是并行連接 并且可以通過p s e l i s e l d s e l 控制是否應用 從而可以構成p p i p d 或p i d 調節(jié)器 除p i d 運算輸出外 還可以手動輸入相應數值代替p i d 的輸出 圖2 一1 0 中m a n o n 參數用于選擇是否p i d 輸出 為 i 時 禁止p i d 輸出 為 0 時 使用p i d 輸出 當禁止p i d 輸出時 積分的輸出l m n i 將自動等于 l m n l m n p d i s v 而微分的輸出l m n d 自動變?yōu)? 這樣一來 從手動輸出 轉換為p i d 輸出時 不會導致p i d 控制器的輸出突然性地改變 從而保證控制 過程的穩(wěn)定 經過p i d 計算后的信號輸出時 通過l m n l i m i t 功能 使輸出信號處于 l m n h l m 上限 和l m n l l m 下限 之間 在輸出環(huán)節(jié)中 l m n n o r m 的作用是 將輸出信號標準化 計算公式為 l m n 輸出 l m n f a c l m n o f f 式中l(wèi) m n f a c 一默認值為1 l m n o f f 一默認值為o c r p o u t 功能用于將浮點數l m n 轉換為i o 值 其作用與c r p i n 功能正好 相反 計算公式為 l m n p e r l m nx2 7 6 4 8 l0 0 f b 4 1 功能塊部分輸入與輸出參數如下表2 1 表2 2 表2 1f b 4 i 功能塊的輸入參數 名稱數據類型值范圍默認值說明 禁止自動輸出 手動輸入值 m a no n b o o l1 作為控制輸出 如果過程變量從i 0 地址中 p v p e ro nb o o lo 讀入 那么p v p e r o n 必須設 置為 1 ps e lb o o l lp s e l 為 l 時啟用比例 功能 為 0時禁用 i s e l 為 1 時啟用積分功 is e lb o o ll 能 為 0 時禁用 d s e l 為 l 時啟用微分功 ds e lb o o l0 能 為 o 時禁用 f b 4 1 重復調用間隔時間為常 c y c l et i m e l m s t 1s 數 由c y c l e 參數決定 1 0 0 1 0 0 s pi n t r e a lo 0 用于制定設定點 或實數值 一1 0 0 l o o p vi n r e a l0 o過程變量輸入 或實數值 一1 0 0 1 0 0 p vp e rr e a lo oi 0 地址中存貯的過程變量 或實數值 一1 0 0 1 0 0 禁用p i d 控制時手動輸入值 m a nr e a l 0 0 或實數值用于f b 4 l 的輸出 g a i nr e a l2 0指定f b 4 1 控制增益 t 工t i m e c y c l et 2 0 s 積分時間 t dt i m e c y c l et l o s 微分時間 一1 0 0 1 0 0 d e a d bwr e a lo o死區(qū)寬度 或實數值 1 0 0 1 0 0 l m nh l mr e a l1 0 0 0輸出上限 或實數值 一1 0 0 1 0 0 l m nl l m r e a lo 0輸出下限 或實數值 p vf a cr e a l1 o 過程變量調節(jié)因子 p vo f f r e a l o o 過程變量的補償量 l m nf a cr e a l1 o輸出量調節(jié)因子 l m no f fr e a l0 o輸出量的補償 一1 0 0 1 0 0 d i s vr e a l0 o用于前饋控制 或實數值 表2 2f b 4 1 功能塊的輸出參數 數據類 名稱默認值 說明 型 l m nr e a lo o有效輸出值 l m np e rw o r d w 1 6 0 0 0 0從i o 地址中進行輸出 1 6 l m np r e a l0 0 比例輸出 l m nir e a l0 o 積分輸出 l m ndr e a l0 0 微分輸出 p v r e a lo 0過程變量 e r r e a lo 0 誤差信號 4 f b 4 l 塊中p i d 算法 p i d 算法主要用于模擬量的控制 根據實際的需要 可以組成p i p d i d 控制器 以適應不同的控制情況 1 算法分析 受控變量輸出的計算 p i d 控制器調節(jié)輸出以保證偏差 e 為零 使系統達 到穩(wěn)定狀態(tài) 偏差 e 是給定值 s p 和過程變量 p v 的差 p i d 控制的原理基于 下面的算式 輸出m t 是比例項 積分項和微分項的函數 m t k c e k c e d t m i n i t i a l k c xd e d t 式中m t 一p i d 回路的輸出 是時 白j 的函數 k c p i d 回路的增益 e p i d 回路的偏差 給定值與過程變量之差 m i n i t i a l 一p i d 回路輸出的初始值 為了能讓數字計算機處理這個控制算式 連續(xù)算式必須離散化為周期采樣 偏差算式 才能用來計算輸出值 數字計算機處理的算式如下 m n k c e n k i m i n i t i m k d e n e n 一1 即 輸出 比例項 積分項十微分項 式中m n 一在第n 采樣時刻p i d 回路輸出的計算值 k c p i d 回路增益 e n 一在第n 采樣時刻的偏差值 e n l 一在第1 1 1 采樣時刻的偏差值 k l 一積分項的比例常數 一積分項和 m i n i t i a l p i d 回路輸出的初值 k d 一微分項的比例常數 從這個公式可以看出 積分項是從第1 個采樣周期到當前采樣周期所有誤 差項的函數 微分項是當前采樣和前一次采樣的函數 比例項僅是當前采樣的 函數 數字計算機中不保存所有的誤差項 其實也不必要 由于計算機從第一 次采樣開始 每有一個偏差采樣值必須計算一次輸出值 只需要保存偏差前值 和積分項前值 利用計算機處理的重復性 可以化簡以上算式為 m n k c g n k l x e n m x k d e n e n i 7 即 輸出 比例項 積分項 微分項 式中m n 一在第n 采樣時刻p i d 回路輸出的計算值 k c p i d 回路增益 e n 一在第1 3 采樣時刻的偏差值 e n l 一在第n 一1 采樣時刻的偏差值 k i 一積分項的比例常數 m x 積分項前值 k d 一微分項的比例常數 對于c p u 而言 實際上是使用以上簡化后算式的改進形式計算p i d 控制器 的輸出 這個改進算式是 m n m p n m i n m d n 式中m n 一在第n 采樣時刻p i d 回路輸出的計算值 m p n 一在第n 采樣時刻的比例項值 m i n 一在第n 采樣時刻的積分項值 m d n 一在第n 采樣時刻的微分項值 2 比例項m l n 的計算 比例項m p n 是增益k c 和偏差e 的乘積 它其決定輸出對偏差的靈敏度 偏 差e 是給定值s p 與過程變量p v 之差 c p u 執(zhí)行的求比例項的算式是 i p n k cx s p n p v n 式中m p n 一在第n 采樣時刻的比例項值 k c p i d 回路增益 s p n 一在第n 采樣時刻的給定值 p v n 一在第i 1 采樣時刻的過程變量值 3 積分項m l n 的計算 積分項值m i n 與偏差和成正比 c p u 執(zhí)行的求積分項算式是 m i n k ext s t lx s p n p v n m x 式中m i n 一第n 采樣時刻的積分項值 k c p i d 回路增益 t s 一采樣時間間隔 t 一積分時間 s p n 一在第n 采樣時刻的給定值 p v n 一在第n 采樣時刻的過程變量值 m x 一第n 一1 采樣時刻的積分項值 積分項前值 積分和m x 是所有積分項前值之和 在每次計算出m i n 之后 都要用m i n 去更新m x m x 的初值通常在第一次計算輸出以前被設置為m i n i t i a l 初值 積分項還包括其它幾個常數 增益k c 采樣時間間隔t s 和積分時間t l 其中 t 8 采樣時間是重新計算輸出的時間間隔 而積分時 自j 控制積分項在整個輸出結果 中影響的大小 4 微分項m d n 的計算 微分項m d n 與偏差的變化成正比 其計算公式為 m d n k cxt d t s s p n p v n 一 s p n 一1 一p v n 一1 為避免給定值變化的微分作用