基于西門子S7－200PLC 的溫度控制系統(tǒng)

　　1 引言

　　染色工序在紡織品生產(chǎn)中占有重要地位，染色質(zhì)量直接決定了紡織品的色澤、外觀，甚至還影響紡織品的生產(chǎn)成本。在染色工序中，影響染色的因素主要有染液濃度、溫度、液位等，其中溫度控制是很重要而又復(fù)雜的控制過程。染色過程實(shí)際上是執(zhí)行由工藝人員針對不同織物的一條溫度曲線，每個工藝對染色的溫度、升降溫過程都有嚴(yán)格的要求，否則，容易使織物產(chǎn)生色差、缸差、條痕等疵點(diǎn)，造成復(fù)染率上升，生產(chǎn)成本的增加。針對染色過程溫度控制的復(fù)雜性，設(shè)計了基于PLC 的染色機(jī)溫度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對染色過程溫度的控制，從而減少織物疵點(diǎn)，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

　　2 系統(tǒng)控制要求

　　1）溫度曲線存儲要求對于不同的染色品種，其對溫度的要求是不同的，因此對應(yīng)的溫度工藝曲線也是不同的，若將所有染色品種的溫度工藝曲線都存入現(xiàn)場溫度控制器中，則對該控制器的內(nèi)存要求非常高，導(dǎo)致系統(tǒng)臃腫，因此本系統(tǒng)設(shè)計通過一臺中控機(jī)，將工藝人員設(shè)定的不同的溫度工藝曲線，全部由工作人員在中控機(jī)上輸入后經(jīng)PROFIBUS—DP 現(xiàn)場總線下傳給現(xiàn)場控制器，現(xiàn)場控制器根據(jù)接收的溫度工藝曲線進(jìn)行溫度控制，同時現(xiàn)場控制器可以隨時向中控機(jī)申請修改溫度工
藝曲線的參數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)中斷時，現(xiàn)場控制器可以保存當(dāng)前的溫度工藝曲線，并且具有斷電長期保存當(dāng)前溫度曲線的功能。

　　2）溫度控制要求

　　在染色工藝過程中，典型的工藝曲線如圖1 下所示：
　　

　　圖1 典型的工藝曲線

　　由圖 1 可知，染色工藝可以分為多個曲線段，不同的曲線段對應(yīng)不同的溫度。對染色過程的溫度控制主要是對染槽升溫、保溫、降溫，結(jié)合生產(chǎn)的實(shí)際要求又將升溫分為直接升溫到指定溫度和按斜率準(zhǔn)確地升溫到指定溫度；同理，降溫也分為直接降溫到指定溫度和根據(jù)斜率準(zhǔn)確地降溫到指定溫度。因此溫度控制分為五個子程序：直接升溫、按斜率升溫、保溫、直接降溫、按斜率降溫。直接升溫還是斜率升溫、直接降溫還是斜率降溫根據(jù)實(shí)際需要通過中控機(jī)設(shè)定，而后由現(xiàn)場控制器PLC 的主程序調(diào)用相應(yīng)子程序。

　　3）報警及顯示功能

　　為系統(tǒng)設(shè)置了一個 TD 200 文本顯示器，顯示染色過程中的一些操作和報警信息，該顯示器適用于所有西門子S7-200 系列的PLC。

　　4）中控機(jī)監(jiān)控要求

　　采用西門子公司的WINCC 實(shí)現(xiàn)中控機(jī)對現(xiàn)場PLC 的監(jiān)控，主要實(shí)現(xiàn)當(dāng)前溫度顯示、動態(tài)溫度曲線顯示、溫度等參數(shù)設(shè)置、報警記錄和打印報表等功能。

　　3 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

　　本系統(tǒng)采用西門子公司推出的 S7-200PLC 作為現(xiàn)場控制器，選用CPU226 主機(jī)模塊；通過CP5613 卡完成現(xiàn)場控制器同中控機(jī)之間的通信?，F(xiàn)場控制器S7-200 擴(kuò)展了一塊智能溫度數(shù)據(jù)采集模塊EM231，該模塊帶有4 個模擬輸入點(diǎn)，集成有16 位/轉(zhuǎn)換器，分辨率達(dá)0.1℃，能自動進(jìn)行線性化處理，有冷端補(bǔ)償功能，不再需要外部變送器，一個模塊就能完成數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理功能。系統(tǒng)的溫度信號的檢測采用鉑電阻PT100，鉑電阻具有測量精度高、性能穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，在工業(yè)上廣泛用于-200℃~+500℃之間的溫度測量。由于現(xiàn)場控制器S7-200 不能直接同PROFIBUS—DP 現(xiàn)場總線相連，因而為S7-200 外擴(kuò)了PROFIBUSDP 模塊EM277。

　　對于不同的染色品種，對應(yīng)的溫度工藝曲線也是不同的，若將所有可能用到的溫度曲線存入現(xiàn)場控制器中，則對現(xiàn)場控制器的內(nèi)存要求很高，因此本系統(tǒng)設(shè)計通過中控機(jī)，將工藝人員設(shè)定的不同的溫度工藝曲線，全部由工作人員在中控機(jī)上輸入后經(jīng)PROFIBUS—DP 現(xiàn)場總線下傳給現(xiàn)場控制器，現(xiàn)場控制器根據(jù)接收的溫度工藝曲線進(jìn)行溫度控制，同時現(xiàn)場控制器可以隨時向中控機(jī)申請修改溫度工藝曲線的參數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)中斷時，現(xiàn)場控制器可以保存當(dāng)前的溫度工藝曲線，并且具有斷電長期保存當(dāng)前溫度曲線的功能，同時可以將現(xiàn)場的溫度等信號上傳至中控機(jī)，形成監(jiān)控界面，如果需要可以通過網(wǎng)卡將中控機(jī)同工廠信息網(wǎng)以及Internet 網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)底層到高層的信息共享。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。
　　

　　4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　由圖 1 可知，染色工藝可以分為幾個曲線段，不同的曲線段對應(yīng)不同的目的溫度、升降溫時間、保溫時間。對染色過程的溫度控制主要是對染槽升溫、保溫、降溫，結(jié)合生產(chǎn)的實(shí)際要求又將升溫分為直接升溫到指定溫度和按斜率準(zhǔn)確地升溫到指定溫度；同理，降溫也分為直接降溫到指定溫度和根據(jù)斜率準(zhǔn)確地降溫到指定溫度。因此溫度控制分為五個子程序：直接升溫、按斜率升溫、保溫、直接降溫、按斜率降溫。直接升溫還是斜率升溫、直接降溫還是斜率降溫根據(jù)實(shí)際需要通過中控機(jī)設(shè)定，而后由現(xiàn)場控制器PLC 的主程序調(diào)用相應(yīng)子程序。由于間歇式染色機(jī)的染缸體積較大，加熱管道與冷水管道相對較小，造成比較大的溫度慣性，一般可將其認(rèn)為是一種具有純滯后大慣性的被控對象，因而在升/降溫段采用趨勢判斷補(bǔ)償法，如果是升溫，則在溫度到達(dá)T 目標(biāo)溫度-△Ti 時停止升溫；若是降溫，則在溫度到達(dá)T 目標(biāo)溫度+△Tj 時，停止降溫，其中△Ti、△Tj 為補(bǔ)償溫度。由于溫度控制的程序都在現(xiàn)場控制器PLC中，但是染色工藝參數(shù)是從中控機(jī)下傳給PLC的，因而在PLC 的主程序中，需要根據(jù)接收到的來自中控機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，再執(zhí)行相應(yīng)的子程序。在下傳的數(shù)據(jù)中包括目標(biāo)溫度、斜率、保溫時間等，因而PLC 可以根據(jù)這些數(shù)值判斷升溫、保溫、還是降溫。但是判斷升溫、降溫、保溫，光憑目標(biāo)溫度、斜率、保溫時間不能得到精確的判斷，因而使用前一曲線段的目標(biāo)溫度輔助進(jìn)行判斷。由下面溫度控制判斷表1 表示。（說明：T*為本曲線段的目標(biāo)溫度，T*′為前一曲線段的目標(biāo)溫度）

　　表1 溫度控制判斷表

　　根據(jù)表1，PLC 可以進(jìn)行染色過程的溫度控制。

　　下面以斜率降溫為例，說明 PLC 的溫控過程。首先在主程序中判斷當(dāng)前目標(biāo)溫度是否小于上一步目標(biāo)溫度，再判斷斜率不等于零，若滿足這兩個條件，就按照指定斜率降溫。在斜率降溫時，將降溫段曲線按時間分成若干個相等的小間隔，對每一小間隔計算出相應(yīng)的溫度作為這
一小段的溫度給定值，因而工藝曲線的降溫段可以用階梯性表示，如圖3 所示，又因?yàn)槿緳C(jī)的大慣性，因而降溫曲線段可由圖4 表示。只要每一間隔的時間足夠小，則計算的每一間隔的溫度給定值與理想值的偏差就可忽略。本系統(tǒng)采用采樣時間將降溫段曲線分成相兩次。

目標(biāo)溫度比較斜率K 保溫時間t 當(dāng)前動作圖示

　　 K≠0 t="0" 按斜率升溫
　　T*-T*′>0 K≠0 t≠0 按斜率升溫后保溫
　　K=0 t="0" 直接升溫
　　K=0 t≠0 直接升溫后保溫
　　K≠0 t="0" ERROR
　　T*-T*′=0 K≠0t≠0 保溫
　　K=0 t="0" ERROR
　　K=0 t≠0 保溫
　　K≠0 t="0" 按斜率降溫
　　T*-T*′<0 K≠0 t≠0 按斜率降溫后保溫
　　K=0 t="0" 直接降溫
　　K=0 t≠0 直接降溫后保溫
　　
　　等的小間隔，每個間隔的溫度設(shè)定值可由下式計算（其中 T 設(shè)J 為每一間隔的溫度給定值）：

　同理，根據(jù)采樣周期、降溫斜率計算出降溫時間 t，再計算總采樣周期數(shù)N、溫差△T（其
　　中T0 為溫控前的實(shí)際溫度，KJ 為降溫斜率，Tt 為采樣周期，T 為當(dāng)前溫度）：

　　　 　 △T= T -T 設(shè)J

　　在斜率降溫時，為了能準(zhǔn)確的控制溫度值，設(shè)定了差溫報警值Te 和控制輸出域值Tc，根據(jù)
　　溫差△T 與它們的比較，得出以下控制規(guī)律：

　　a． △T＞0
　　1． △T≥Te，則全開冷卻閥并顯示“降溫太慢”，同時報警。
　　2． Tc＜△T＜Te，則開始PID 控制，得出控制量U 作為冷卻閥開啟時間。
　　3． △T＜Tc，自然動作，當(dāng)前采樣周期數(shù)加1。
　　b． △T ＜0
　　1．|△T|≥Te，全開加熱閥并顯示“降溫太快”，同時報警。
　　2．|△T|＜Te, 關(guān)閉冷卻閥，并將當(dāng)前采樣周期數(shù)加1。

　　5 結(jié)束語

　　本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活，通過PROFIBUS-DP 總線將現(xiàn)場控制器互連成網(wǎng)，用戶可以在中控機(jī)上編輯各種條件下的溫度曲線，通過總線快速下傳給現(xiàn)場的控制器，使其依據(jù)接收到的溫度曲線控制染色過程中的溫度，同時可通過PROFIBUS—DP 控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的上載。

　　本系統(tǒng)不但可以實(shí)現(xiàn)溫度控制，而且根據(jù)需要還可擴(kuò)展其他染色工藝過程的控制如水位、液位等參數(shù)的控制，具有良好的發(fā)展前景。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn):采用S7-200PLC 作為生產(chǎn)現(xiàn)場的控制器，完成溫度控制，本系統(tǒng)能及時準(zhǔn)確地控制染色產(chǎn)品的質(zhì)量，將產(chǎn)品的質(zhì)量隱患消滅在現(xiàn)場，保證染色一致性和一次準(zhǔn)確化；通過PROFIBUS—DP 總線實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)、高效率、低成本生產(chǎn)，大大提高染整設(shè)備的自動化、連續(xù)化、智能化水平，同時，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)可為間歇式染色機(jī)與染色廠企業(yè)信息管理層、互連網(wǎng)的連網(wǎng)提供了基礎(chǔ)，使設(shè)備的控制系統(tǒng)具有開放性的體系結(jié)構(gòu)。