题目基于plc控制的橡胶双螺杆挤出压片控制系统软件设计一、项目介绍摘 要橡胶双螺杆挤出压片是橡胶加工的关键工序传统生产线控制精度低、协调性差、自动化水平不高。本文设计一套基于 PLC 的橡胶双螺杆挤出压片控制系统以西门子 S7-1500 PLC 为核心依托 TIA Portal 平台完成软件编程与人机界面开发。系统实现多段温度 PID 闭环控制、挤出与压片速度协同调节、堆积胶压力稳定控制并配置完善的安全联锁、故障诊断与抗干扰措施可完成手动 / 自动运行、参数设定、实时监控、报警记录等功能。经设计验证该系统运行稳定、控温精准、速度匹配合理能显著提升胶片质量与生产效率降低能耗与人工成本满足橡胶加工生产线高效、可靠、智能的控制需求具有良好工程应用价值。关键词PLC橡胶双螺杆挤出机压片机控制系统主要研究内容本文研究的主要内容就是设计出一套高精度、稳定可靠的橡胶双螺杆挤出压片全自动控制系统的方案用集成PLC技术、传感器网络和现代驱动技术的方法达到从工艺流程分析到工程实施的全过程闭环设计。具体研究工作主要是从以下几方面开展的首先是对橡胶双螺杆挤出压片整个工艺流程做详细的剖析明确喂料、塑化、挤出、压片等各个方面的工艺要求和控制目标并且分析各变量之间存在什么样的耦合关系。在此基础上完成控制系统总体方案的设计工作确定以西门子S7-1500 PLC为主控制器的硬件结构采用TIA Portal平台进行软件设计制定合适的网络通信方式。其次就是对多变量的协同控制策略进行研究与实现。对多段机筒温度的强耦合、大惯性特点进行设计采用基于PID算法的闭环控制策略研究其参数整定的方法来保证控温精度。为了使挤出速度和压片速度保持一致采用速度链的主从跟随控制策略来保证胶片张力的稳定性。同时重点研究以压力传感器为依托的堆积胶控制算法把实际积胶压力同设定的区间做比较动态调节挤出机转速使得其与压片机速度达到自适应匹配进而保证积胶量稳定提高压片质量的一致性。第三在TIA Portal平台上用模块化的编程思想来开发PLC控制程序从而达到手动或者自动切换、工艺流程顺序控制、PID调节、故障诊断以及安全联锁等功能的实现。同步设计配备有触摸屏人机界面的工艺参数设定、设备运行状况监控、报警记录以及数据走势显示等各方面的交互操作。最后完成控制系统集成调试和性能测试保证系统达到所有设计指标。系统控制需求分析橡胶双螺杆挤出压片生产线的控制目的就是使胶料在连续流动过程中获得足够的塑化最后得到尺寸准确、质量稳定的连续胶片。为了达到以上总体目的控制系统必须要满足许多具体的并且相互联系的控制要求。温度控制需求胶料从进入机筒到挤出模头的全过程都要经过按照工艺曲线变化的温度过程。机筒一般分成若干个独立的加热或冷却区段每一个区段都必须准确地控制在所定的温度值上温度过高会造成胶料焦烧、分解温度过低会使胶料塑化不好、流动性差从而增大设备负载。因此控制系统要具有各个加热段温度独立、准确的闭环控制。转速和速度同时被控制的需要。双螺杆挤出机的转速控制物料在模具中流动的速度、剪切的程度从而保证塑料制品优良的质量以及生产率。压片机的辊筒转速影响胶片的引出速度以及最后的输出速度。速度必须保持严格相适应的运动关系。挤出速度过快、压片速度过慢使胶料在辊筒前大量堆积不但会造成胶片厚度不均严重时还会引起设备堵塞或者损坏反之挤出速度太慢就会造成胶片拉伸变薄甚至断裂。所以控制系统要形成一个可靠的、动态平衡的挤出量和引出量的协同控制机制。另外喂料装置转速也要与主机转速同步保证供料的稳定性。核心需求就是压力监测和安全保护即机头熔体压力的监测、压片机辊筒压力控制及安全保护。系统要实时监测这些重要的压力点数值在超限时发出报警或者安全停机信号来保护设备和人员的安全。该系统还要满足顺序控制和联锁保护的要求。生产线启动、停止必须按严格的逻辑顺序进行即先启动润滑系统、加热系统当温度达到设定值后才能启动挤出、压片电机停止时先停止喂料等剩余物料排净后停止主机。系统还要集成急停、安全门打开、安全片断开等安全联锁信号在异常状态下可以迅速、可靠地切断动力源。另外下游设备与上游设备之间的联络控制也必须进行控制保证整条生产线的协调运行。因此完善的一个系统应当能同时对温度、速度、压力、逻辑顺序这四个方面的控制作出完整的考虑。控制系统总体架构根据前面控制需求分析和指标本文提出了采用西门子S7-1500 PLC作为控制核心建立以现场设备层、控制层、管理层三大部分组成的工业控制系统。分层结构把各个层次设备的功能明确地划分出来利于系统开发、维护以及今后的扩充。现场设备层就是系统感官、手脚即直接同生产过程、设备打交道的所有元件。检测胶料温度、机筒温度的多路热电偶或者热电阻传感器监测机头熔体压力、辊筒压力的应变式压力传感器检测辊筒间隙的位移传感器检测料位、胶料硬度以及各种限位、安全开关的离散量传感器。执行机构包含驱动螺杆和辊筒的变频电机控制加热器通断的固态继电器或者接触器调节冷却介质流量的电磁阀以及辊距调节的电动执行器等。控制层是系统的大脑主要使用西门子S7-1500 PLC。该PLC利用高速背板总线连接各个功能模块数字量输入输出模块用来采集开关量信号及控制继电器、接触器模拟量输入模块用来接收各种传感器的模拟信号模拟量输出模块用来给变频器等设备发送调速指令。PLC处理器运行用户编写的控制程序来完成逻辑运算、PID调节、速度协同计算等主要的工作。同时PLC是Profinet IO控制器用工业以太网交换机和触摸屏、变频器等Profinet设备进行实时数据交换。该种依靠Profinet的集成通信架构相比传统的硬接线或者串行通信方式有着数据传输速度快、抗干扰能力强、布线简便和诊断信息丰富等诸多明显优点。管理层主要是由西门子触摸屏组成的是操作人员和控制系统进行交互的界面。HMI使用Profinet协议同PLC形成高速的数据联系及时获取PLC的进程变量并借助图形化的数字化的手段清晰展示在操作人员眼前。操作人员用HMI下发起动指令、停止指令来设置温度、转速等工艺条件读取历史报警记录及趋势曲线。另外管理层还在上行链路上留有接口可以以太网把生产数据传到工厂的制造执行系统或者云端平台上从而给生产过程数字化管理以及远程运维打下基础。整个系统架构在保证实时性、可靠性的同时也具有开放性可以很好地满足橡胶双螺杆挤出压片生产线复杂控制的要求。二、文档介绍软件开发环境与编程语言本系统软件开发使用西门子全集成自动化平台TIA Portal V17。该平台把PLC编程、HMI组态、驱动器配置以及安全编程整合到一起开发人员不再要在不同的软件之间切换所有的硬件组态、网络设置、变量定义都在一个项目的树形结构里完成。PLC和HMI共享同一个变量库变量创建之后可以在HMI上直接拖拽使用从根本上杜绝了由于变量地址不同造成的通信错误大大缩短了开发调试的时间。本系统使用梯形图进行程序编写配合结构化文本来完成复杂的算法。梯形图起源于继电器控制逻辑其表现形式和电气原理图比较接近直观易懂特别适合于处理离散量逻辑控制、顺序控制、互锁和自锁等问题。对于橡胶挤出压片控制系统中大量的逻辑联锁、手动/自动模式切换、设备启停顺序控制等任务用梯形图编程具有开发效率高、调试直观、容易为运维人员所理解的优势。对复杂的控制算法如多段温度PID控制、速度协同中的数值计算、模拟量信号线性化标定等使用梯形图编程会导致代码很长。此时结构化的文本语言就显得更有优势了。SCL像Pascal或者C语言一样很适合做复杂的数学运算、数据统计以及程序流程控制。在系统当中模拟量采集值的工程量化转换采用SCL编写功能块完成代码简洁高效。采用梯形图加结构化文本的形式发挥出两种语言各自的优点使整个控制程序具有较好的逻辑性以及算法效率。三、项目截图主监控画面设计主监控画面是操作员在正常生产过程中主要观察的界面它的设计目的是使操作员能够清楚地看到整个生产线的总体运行状况也可以迅速地发出一些重要的操作指令。该画面一般会作为开机后默认的画面。画面主体是清楚的、带有动画效果的工艺流程示意图。图中用图形化的形式表示出了挤出机料斗、双螺杆机筒、挤出模头、压片机两辊筒、胶片引出等主要的设备单元。在示意图相应处实时显示了各个工艺参数的值即各段机筒温度、机头熔体压力、堆积胶压力、当前辊筒间隙、挤出机和压片机的转速。为了加强直观性参数显示一般会结合颜色变化或者柱状图比如温度在正常范围内用绿色表示接近报警值用黄色表示超过报警值用红色表示。主监控画面顶部或者底部一般会出现一个全局的控制和状态栏。该区域会显示当前系统时间、当前登录用户姓名和所具有的权限级别、系统工作模式最重要的是系统的总体情况。主要操作按钮比如“系统启动”、“系统停止”、“故障复位”、“紧急停止”等等在这里布置保证了随时可以被操作员所使用。画面一侧或者底部设有一个菜单可以用来选择进入其它的功能画面即参数设置、报警管理、数据趋势、手动调试等。为了达到动态的效果在PLC程序中把状态变量和图形对象的动画属性进行绑定。挤出机电机运行时电机对应的图标会转动胶料流过时管道上的箭头会动加热器工作时加热圈的图标变红。积胶压力值不但用数字显示出来而且可以用模拟指针表盘或者动态变化的料位柱状图来形象地表示堆积量的多少。当系统出现报警的时候主监控画面的明显处就会弹出报警条显示出最近一次的报警信息操作员可以单击报警条跳转到报警画面进行确认与处置。经过精心的设计之后主监控画面不再是枯燥的报表而变成了一幅生动的、直观的、具有很高集成度的生产指挥中心。参数设置画面设计参数设置画面为操作员或者工艺工程师配置生产配方优化控制性能的重要界面。因为橡胶生产包含多种胶料配方和复杂的工艺参数所以参数设置画面的设计要清晰有条理要有权限管理的功能不能被没有权限的人员随意修改。本系统参数设置画面用标签页或者分栏式方式来组织不同的参数。常见的分组有温度参数组、压力参数组、速度协同参数组、设备保护参数组、配方管理组等。每个分组里以表格或者列表的形式将参数名称、当前值、单位、设定范围、输入域清楚地列出来。所有的可修改设定值都会通过HMI的I/O域控件来输入该I/O域可以设置数值的上下限当操作员输入的数值不在范围之内时系统会立刻显示错误提示避免无效参数被写入到PLC里。温度参数设置区列出挤出机各个加热段和模头的设定温度以及PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数。为了便于使用系统有批量设置或者温区复制的功能可使一组参数快速复制到其他的相似温区。速度协同参数设置区域堆积胶压力工作压力下限、工作压力上限、压力上限保护值、压力控制器比例增益、积分时间。这些参数的设定会影响速度协同的响应速度快慢以及是否稳定一般是由有经验的工艺工程师进行调节。辊筒间隙设定值或者目标值也可以在此画面上输入系统会自动驱动电动执行器调整实时显示当前的间隙反馈值。为了适应多品种、小批生产的需要本文设计出简单的配方管理系统。配方是组成工艺参数的一组完整的参数是符合某一胶料生产要求的一组参数。配方管理区的操作员可以将当前所有设置的参数保存成一个配方并给该配方命名。当需要生产另一种胶料的时候只需在配方列表里选择相应的配方点击“下载”按钮系统会把所有的参数全部写入到PLC的数据区里。这大大地缩减了切换产品所花的时间以及由于人工操作失误而造成的误差。所有的参数设置画面都被严格的权限保护起来。操作员只能查看、修改一部分基本参数核心的PID参数、保护限值等只能被工艺工程师或者管理员级别登录的人员修改。该种设计可以保证生产安全不会由于操作失误造成工艺事故。总 结本毕业设计以基于PLC控制的橡胶双螺杆挤出压片控制系统软件设计为研究重点。项目从橡胶工业的实际生产需求出发在对双螺杆挤出压片工艺流程及控制难点进行详细分析的基础上完成系统总体方案设计、硬件选型和配置、控制策略研究、软件编程实现、人机交互界面开发的全部设计过程。经过本次工作成功创建起一套以西门子S7-1500PLC为主要控制器以TIAPortal为统一开发平台集温度闭环控制、速度协同控制、压力监测和安全保护于一体的新一代自动化控制系统。本设计的主要技术难题为多段温度精确的PID控制、依靠堆积胶压力的挤出与压片速度动态同步控制等主要技术难题。用模块化的思想把复杂的系统分解成初始化、手动/自动控制、PID调节、速度协同、安全保护等各个独立功能模块明显提高程序的可读性、可靠性、可维护性。尤其在速度协同控制模块上采用了压力区间闭环调节方式在压片时给挤出量设置最小和最大值的约束保证压片厚度均匀给连续胶片的制备提供技术支持。同时完善的多级安全保护系统采用急停、过载、超压、安全片破裂等联锁装置组成保证设备和人的安全。完成PLC、HMI、传感器、变频器等重要硬件的选择与论证工作以TIA Portal为平台开发出PLC控制程序及HMI人机界面。HMI界面主要布置有主监控画面、参数设置画面、报警处理画面、手动操作画面等几个画面为操作人员提供一个直观明了的、便利的、安全的操作平台。另外设计出与上游、下游设备可靠联络的控制方案使整个生产线能协同运转。经过这次设计一方面巩固、加深了在大学期间学到的有关自动控制、PLC编程、传感器等专业知识另一方面也锻炼了分析复杂的工业问题、提出系统性的解决方案、开展工程化设计的能力。本课题研究结果对提高橡胶双螺杆挤出压片生产线的自动化水平和产品质量有较高的理论价值与工程参考意义。本文在理论分析、方案设计方面力求最好但由于时间、实验条件所限部分控制算法的实际效果还要经过在真实的生产环境里检验并加以改进。未来还可以采用更先进的控制算法、工业物联网技术来提高系统智能化程度以及它同制造执行系统之间的集成能力。