溢流式染色机可编程控制系统硬件配置与画面组态

I摘 要 设计的对象为溢流式染色机的制系统的硬件配置与上位机的画面组态。 溢流式染色机采用间歇式工作制，由投布、加药、升温染色、降温固色和漂洗等多道工序组成,每种染色工艺分别配有不同的温控曲线（程式） 。设计主要目的是要实现用一台PLC（可编程控制器）对多台染机进行分时控制以及多染色程式的预置与选择，由上位机（工业 PC 机）根据需要对程式进行预制与选择并实现对印染机染色过程的监控，并最终在组态画面中绘制出印染机染液温度的历史趋势曲线。设计主要介绍了由三菱 PLC 组成的溢流式染色机计算机控制系统的硬件配置方案和由三维力控组态软件Force Control实现的上位机的画面组态。 关键词: 可编程控制器（PLC） ，溢流式染色机，组态画面 IIAbstract The aim of this design is the picture configuration and hardware configuration of spilled-dye vat Control System. It works in non-continuous mode. Its technological process is composed of putting in cloth, adding dyestuff, heating dye-liquor, cooling dye-liquor and rising, and each process stage has different temperature control curve. The purposes of the design are to realize time sharing control for multi-spilled-dye vats and to implement dyeing formula presetting and choosing by using the only one PLC, the monitor computer (industrial PC) chooses different formula according to the different technological process and then use it to control the spilled-dye vat system. The design introduces the hardware configuration of the multi-spilled-dye vat control system witch is composed by MISBISH-PLC and the picture configuration of the monitor computer. Key words: PLC, hardware configuration, the picture configuration, Spilled-dye vat III目 录 第一章 前言 . 1 第二章 控制系统概况 . 2 2.1 控制系统的设计介绍 . 2 2.2 系统控制的要求 . 2 2.3 控制系统的设计要求 . 4 2.4 控制系统的设计思路 . 4 第三章 控制系统的硬件设计 . 5 3.1 控制系统的硬件设计概况 . 5 3.2 控制系统的 I/O 点数的确定 . 5 3.3 三菱发 FX2N系列 PLC 及铂热电阻的选型 . 7 3.4 控制系统中各个变量的控制要求 . 14 3.5 控制系统硬件设计的总体形式 . 16 第四章 控制系统的画面组态 . 18 4.1 组态软件的介绍 . 18 4.2 力控 Force Control 组态软件的介绍 . 19 4.3 印染机的画面组态 . 22 4.4 联机调试 . 35 第五章 总结 . 36 参考文献 . 37 致 谢 . 38 溢流式染色机控制系统的硬件配置与画面组态 第一章 前 言 控制系统发展到今天，过去的现场总线、集散系统、 PLC 控制系统等单一的控制系统已经很难满足现代控制系统实时性、开放性的要求。现代复杂的控制系统，往往要融入多种控制领域的概念，上层管理软件、控制软件和下层现场设备、智能控制仪表之间要实现良好的兼容性与通信的顺畅性， 这就迫切需要形成统一的国际标准。 然而就现在国际工业控制领域发展形势来看， 不会由哪一家的产品一统天下，必然是各种产品共同占有市场。这就要求控制领域各种软件、硬件产品存在更多更好的兼容性，能最大化的满足其它产品的技术标准。但就自动控制领域远景来看，国际统一标准的推出是必然的结果。 以太网是近几年来发展最快的网络之一，特别是应用在控制领域。工业以太网可以进行远程控制，同时可实现计算机对多台设备的直接控制，其系统将高速性、准确性相结合，做到了效益和效率的最大化。工业以太网控制系统越来越广泛的被应用到生产领域，促进了生产的发展。由于工业以太网与计算机及可编程控制器等工业控制器组成的控制系统采了用高速 CPU 对数据进行实时处理 ,而且上位机采用人性化、窗口式的操作环境的设计，同时控制系统采用先进的管理控制软件，现场设备拥有比较完善的接口和数据的采集、传送装置等，这些控制技术的改进都使得控制系统在更开放的环境里能够更实时、更高效、更准确、更安全的处理数据，比传统的计算机直接控制系统提高了一个档次。 染色机控制系统的结构目前多采用常规仪表加继电器的控制结构，系统可靠性低，人为因素大，容易造成产品成品率低、产品质量差，染色工艺得不到准确完整的执行，系统的生产成本、运行成本和维护成本居高不下等诸多弊端。计算机加PLC 的控制结构用于染色机的控制 ,大大的减少人为造成的不确定因素 ,提高了产品质量和产量。而工业通信网络的使用，不但大大提高了控制系统的通信能力和系统的运行可靠性，而且大大节省了系统安装时的布线和硬件费用，并且更容易对系统进行管理和维护。 本次设计， 我们力求实现将 PLC 技术引入到染色机生产过程中以实现对生产进行自动化控制。为此，我们采用由三维力控公司开发的 Force Control 2.0 组态软件以及由菱电自动化公司生产的三菱FX2N系列PLC可编编程器及高速稳定的上位机来构成染色机计算机控制系统，成功地实现了染色机多程式的预置与选择的控制。 溢流式染色机控制系统的硬件配置与画面组态 第二章 控制系统概况 2.1 控制系统的设计介绍 传统的溢流式染色机的工作原理是：先将白布放到染色机中，之后根据相对应的颜色控制程式的控制要求， 手工去控制冷水阀和蒸汽阀的开闭， 以调节染液温度，从而达到对布匹的染色的目的，如图所示。 图 2-1 溢流式染色机示意图 采用这种控制方法的弊端是劳动强度大，控制精度低，而且很难保证控制的要求和产品质量，会出现类似染液升温时间、降温时间不符合程式要求、不能够按照程式曲线对染液进行控制、是否与现场实际情况相匹配等问题。从工程的成本的角度进行分析，人工控制的生产成本相对于采用自动化设备的成本来说要高的多，但是效率却要低的多。本次设计主要是将可编程控制器引入到染色机生产过程控制中，工控人员只需要将布匹放入到染色机的染缸中，然后通过安装在上位机里的工控组态软件来实现对现场设备的监视与控制。 本次设计从技术角度出发， 通过安装在工程现场的三菱 PLC 与安装在上位机中的工控软件来实现对染色机的模拟量输入输出、数字量输入输出的控制。从工程的经济性看，自动化系统的生产投运比手工控制节省了大量的生产成本和运营成本，所以本次设计在染色机生产过程控制领域具有很好的应用价值。 2.2 系统控制的控制要求 溢流式染色机控制系统的硬件配置与画面组态 2.2.1 控制系统的工作原理 流染色机是特殊形式的绳状染色机。染色时织物处于松弛状态，受张力小，染后织物手感柔软，着色均匀，故用于高温高压条件下合成纤维织物、经编织物、弹力织物等的染色。 采用溢流式染色机对布匹染色时，染液从染槽前端多孔板底下由离心泵抽出，送到热交换器加热，再从顶端进入溢流槽。溢流槽内平行地装有两个溢流管进口，当染液充满溢流槽后，由于和染槽之间的上下液位差，染液溢入溢流管时带动织物一同进入染槽。如此往复循环，最终达到染色目的。 在生产过程中， PLC 依据斜率控制算法通过控制工程现场的蒸汽阀和冷水阀的开闭来调节染液的温度。根据实际情况，染不同颜色的布匹需要不同的程式，这就需要将多种程式预先置入 PLC 中，然后通过上位机根据需要进行程式选择，即实现了多程式预置及选择。 2.2.2 斜率控制程式的实现 斜率程式控制是一种较为简单的工业控制算法，其原理是：在特定的时间范围内，系统控制参数的变化量与时间的变化量对应成线性关系。如图所示 其中 K=T/t。 设计要求在任意短的一段时间内，染液的温度 T理等于染液起始温度 T始加上当前染机已经运行时间长度 t 与当前斜率 K 之积（ T理=T始+t*K） ，称此为染色机斜率程式控制。不同的控制程式应该采取不同的斜率控制算法。 T T3T2T1K1K2t t1 t2t3 t4 t5 图 2-2 斜率控制算法示意图 0 K0 溢流式染色机控制系统的硬件配置与画面组态 本次设计过程要求温升曲线斜率大于或等于 0 时，即处于温度上升或保持段时，冷水阀一直处于关闭的状态，仅通过控制蒸汽阀的开闭来控制染液的温度。当染液实际温度比理论计算温度高时，关闭蒸汽阀和冷水阀；当染液实际温度比理论计算温度低，打开蒸汽阀，关闭冷水阀；在温控曲线斜率小于 0 时，即下降段，蒸汽阀一直处于关闭的状态，仅通过控制冷水阀的开闭来控制染液的温度。系统过程的控制参数为染液温度，通过对蒸汽阀和冷水阀的开关量的控制来达到控制要求。该控制系统采用铂电阻测量印染机染液的温度。 2.3 控制系统的设计要求 控制系统的设计要求是：用一台三菱 PLC 控制一个车间，车间内有 20 台染色机同时生产作业，由安装在上位中 的力控组态软件进行监视与控制。从单台染色机控制系统分析，控制一台染色机，应包括有 1 个模拟量输入（染液温度） 、4 个数字量输出（蒸汽阀的开闭、冷水阀的开闭、染机循环泵的启停的控制、染机循环泵启停的状态） 。如果同时控制20台染色机，就有20个模拟量输入、80个数字量输出。 2.4 控制系统的设计思路 本次设计的指导思想是由三菱 PLC 组成控制端，通过其通信模块与上位机进上位机界面 （力控组态画面） 控制对象 （溢流式印染机） 三菱 FX2N系列PLC的各种应用模块 数据传递 程式选择 输入模块输出模块图 2-3 控制系统方框图 溢流式染色机控制系统的硬件配置与画面组态 行实时数据通讯，在上位机中安装力控 Force Control 组态软件，以此来构成由上位机集中监视控制管理、由 PLC 分散控制的控制系统，该系统由监控级和控制级组成。 PLC 接受来自上位机控制指令，利用自身的输入输出模块来实现对印染机的控制。 设计中受条件所影响，我们力求实现用一台 PLC 控制 20 台染色机，因此就要求我们开发一种程序指令，使得 PLC 可以对系统进行循环扫描控制，而不是一对一的控制。我们可以应用 PLC 所专用的编程软件，编制一个命令或者程序，使得一台 PLC 在一个较小的时间段内只对一台染色机进行控制，之后跳转到下一台染色机进行控制，周而复始，依次循环进行扫描控制。考虑到印染机系统是一个滞后响应较大的系统，我们可以令每台印染机所占用的扫描周期时间为 300ms 甚至更长，这样作不会影响我们要实现的控制精度。 第三章 控制系统的硬件设计 3.1 控制系统的硬件设计概况 从本次设计的设备状况来分析，控制系统中包括以下6种设备：染布机、循环泵、蒸汽阀、冷水阀、PLC和上位机。其中染布机共20台，即相应的有20套循环泵、蒸汽阀和冷水阀，但 PLC 和上位机都分别只有 1 台。根据该设备状况，可推算出整个系统为小型的控制规模；所有的生产设备均在一个生产车间，因此采用小型集中式的控制系统，不需要采用远程I/O。 控制过程为：铂热电阻将每台印染机染液温度测出，通过PLC的温度输入模块进入PLC， 根据每台染布机所处的工作阶段和程式要求， 由上位机选择相应的程式，通过PLC使控制程序得以执行，PLC通过输出端向20套蒸汽阀和20套冷水阀输出开关量信号，以升高或降低染液温度，从而达到程式控制要求。其中 20 台染布机并不是同时动作， 而所有控制过程都由上位机组态软件进行监控。 从控制水平来看，染布机投放前及上色结束后的操作，PLC并不进行控制，仍由人工操作，整个系统处于半自动化水平。 根据上实际生产中的情况，输入输出的总点数可采用一台中型PLC，其完全可以满足需要. 3.2 控制系统的 I/O 点数的确定 溢流式染色机控制系统的硬件配置与画面组态 在本次设计中，控制系统的I/O点数是指PLC能够提供的输入、输出的数字量、模拟量总和的个数，它与继电器触点个数相对应。在进行系统设计时首先要确定正常生产时需要的输入点和输出点的数字量、模拟量的总和的个数，然后再确定选用哪款 I/O 点数适当留有余量的三菱 FX2N系列 PLC，考虑到系统的冗余结构，设计中的I/O点数要比实际的I/O点数多出20%的用量。 在本次设计中，I/O 总点数如下：AI 点数为 20 点； DO 点数为 80 点，总计为 100 点.其中，20 点 AI 为 20 台染机染液的温度值，20 点 DO 为印染机循环泵的启停状态的输入，20 点 DO 为对 20 个蒸汽阀开闭的控制，20 点 DO 为对 20 个冷水阀开度的控制，剩下的 20 点 DO 是对 20 个循环泵的启停的控制（如下表所示） 。 该系统应实现的控制功能为适时的将每台染布机系统的循环泵启动或停止、蒸汽阀或冷水的阀开启或关闭。 根据工艺要求、设备状况和控制功能，可以对系统硬件设计形成一个初步的方案。但要进行详细设计，则要对系统的I/O点数和种类有一个精确的统计，以便确定系统的规模、机型和配置。在统计系统的I/O点数时，不仅要包括输入和输出、数字量和模拟量、除此之外还应该考虑在工作现场的线路中存在的各种电压、电流的大小、极性，控制设备之间的网