PLC在封口包裝機(jī)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用論文

1、本科畢業(yè)論文題 目:PLC在封口包裝機(jī)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用PLC在封口包裝機(jī)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用【摘要】：封口包裝機(jī)是指在包裝容器盛裝產(chǎn)品之后對容器進(jìn)行封口的機(jī)械。隨著生產(chǎn)、生活水平的提高，我國封口包裝機(jī)械近幾年發(fā)展較快。通 過參考國外同類型產(chǎn)品，在消化吸收的基礎(chǔ)上自行開發(fā)研制，技術(shù)上有了 很大的提高，但在高新技術(shù)應(yīng)用和新工藝開發(fā)方面與國外還有較大差距， 如整機(jī)的自動化程度不高，有些還大量使用繼電控制系統(tǒng)耗能、費時、 工作還不安全可靠。本文將從節(jié)能、省時、人性化設(shè)計三個方面，用先端自動控制設(shè)備一 PLC和變頻器改造以往的繼電控制系統(tǒng)從而推動技術(shù)更新、更快的發(fā)展?！娟P(guān)鍵詞】：S7200

2、PLC、變頻器、封口包裝機(jī)、溫度控制、固態(tài)繼電器SSR一.項目背景及分析（一）封口包裝的工藝流程AA壓力謂節(jié)牘鈕B導(dǎo)問帝C一主動導(dǎo)同輪D冷卻映E加熱坎F封口帶6敬動輪円_抒向棲封口包裝機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖結(jié)合上圖，其工藝流程包括如下幾個步驟：1.接通電源，封口包裝機(jī)各機(jī)構(gòu)開始工作，電熱元件通電加熱，使上下加熱塊急劇升溫，并通過溫度PID控制系統(tǒng)調(diào)整到所需溫度， 壓印輪轉(zhuǎn)動，根據(jù)需要，冷卻系統(tǒng)開始工作，輸送帶啟動，并由 調(diào)速裝置調(diào)整到低速狀態(tài)。2.當(dāng)裝有物品的包裝被前級設(shè)備運送至封口包裝機(jī)輸送帶上時，袋的封口部分通過導(dǎo)向槽H被自動送入運轉(zhuǎn)中的兩根封口帶F之間, 并帶入加熱區(qū)E,加熱塊的熱量通過封口帶傳輸

3、到袋的封口部分 使薄膜受熱熔軟， 再通過冷卻區(qū)D,使薄膜表面溫度適當(dāng)下降，然后經(jīng)過滾花輪滾壓，使封口部分上下塑料薄膜黏合并壓制出網(wǎng) 狀花紋，再由導(dǎo)向橡膠帶B與輸送帶將封好的包裝袋送出機(jī)外， 封口包裝機(jī)完成封口作業(yè)。3.當(dāng)封口包裝機(jī)在低速運行取得滿意效果后，可逐步提高封口速度 至最高工作速度，同時根據(jù)工藝要求適當(dāng)提高封口加熱溫度（根 據(jù)不同材料，其設(shè)定溫度不同） 。（二）控制要求4.輸入電源為三相380V電源.5.主動導(dǎo)向輪、被動輪和各個傳動機(jī)構(gòu)間通過機(jī)械連接，最后由一 臺三相380V/1.5KW的異步電動機(jī)驅(qū)動，封口速度要求能調(diào)速（015m/min）,調(diào)速精度為1%.6.測溫范圍為0400C，

4、溫度控制精度為士2C。.封口包裝機(jī)的溫度檢測溫度是圭寸口包裝機(jī)控制過程中最常見的一種模擬量，由于溫度傳感 器在測溫過程中輸出的不是標(biāo)準(zhǔn)意義上010V或420mA等線性信號，因此都需要對此進(jìn)行轉(zhuǎn)換。（一）模塊選型本課題選用K型熱電偶傳感器和西門子S7 200的EM231熱電 偶模塊。K型熱電偶圖示：西門子S7200的EM231熱電偶模塊：結(jié)合上圖，其工藝流程包括如下幾個步驟：接通電源，封口包裝機(jī)各機(jī)構(gòu)開始工作，電熱元件通電加熱，使上下加熱塊急劇升溫，并通過溫度PID控制系統(tǒng)調(diào)整到所需溫度， 壓印輪轉(zhuǎn)動，根據(jù)需要，冷卻系統(tǒng)開始工作，輸送帶啟動，并由調(diào) 速裝置調(diào)整到低速狀態(tài)。當(dāng)裝有物品的包裝被前級設(shè)

5、備運送至封口包裝機(jī)輸送帶上時，袋的封口部分通過導(dǎo)向槽H被自動送入運轉(zhuǎn)中的兩根封口帶F之間, 并帶入加熱區(qū)E,加熱塊的熱量通過封口帶傳輸?shù)酱姆饪诓糠质?薄膜受熱熔軟，再通過冷卻區(qū)D,使薄膜表面溫度適當(dāng)下降，然后 經(jīng)過滾花輪滾壓， 使封口部分上下塑料薄膜黏合并壓制出網(wǎng)狀花紋， 再由導(dǎo)向橡膠帶B與輸送帶將封好的包裝袋送出機(jī)外，封口包裝機(jī) 完成封口作業(yè)。當(dāng)封口包裝機(jī)在低速運行取得滿意效果后， 可逐步提高封口速 度至最高工作速度，同時根據(jù)工藝要求適當(dāng)提高封口加熱溫度（根 據(jù)不同材料，其設(shè)定溫度不同） 。（二）控制要求1.輸入電源為三相380V電源.2.主動導(dǎo)向輪、被動輪和各個傳動機(jī)構(gòu)間通過機(jī)械連接，

6、最后由一臺三相380V/1.5KW的異步電動機(jī)驅(qū)動， 封口速度要求能調(diào) 速 （015m/min）,調(diào)速精度為1%.3.測溫范圍為0400C，溫度控制精度為士2C。溫度是封口包裝機(jī)控制過程中最常見的一種模擬量，由于溫度傳感器在測溫過程中輸出的不是標(biāo)準(zhǔn)意義上010V或420mA?線性 信號，因此都需要對此進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本課題選用K型熱電偶傳感器和西門子S7 200的EM231熱電 偶模塊。K型熱電偶圖示：西門子S7200的EM231熱電偶模塊:EM231模擬輸入熱電偶，4輸入二 r jJ c卜2EM231熱電偶模塊提供了一個方便的、隔離的接口，用于七種熱電偶類型：J、K、E、N S、T和R型。它允許S

7、7200連接微小的模擬量信號，電壓范圍為士80mV用戶必須用DIP配置開關(guān)來選 擇熱電偶的類型，斷線檢查，測量單位，冷端補(bǔ)償和確定開路故障 方向。所有連接到模塊上的熱電偶必須是相同類型的。組態(tài)DIP開關(guān)位于模塊的下部 （二）熱電偶與PLC的硬件接線由于本課題需要采用晶體管輸出的PLC（固態(tài)繼電器輸出），因100J4応 0 0 0 0 0 0L234567口 口 口口 口 口此選擇PLC為CPU224 DC/DC/DC工作電源為24V DC,擴(kuò)展模塊EM231 4TQ的電源也為24V DG（注意：熱電偶電線的方向不能接反）K型熱電偶與PLC連接示意圖接線完成后，設(shè)置EM231 4TC的DIP設(shè)置

8、：SW3為1,SW1/2/5/6/7/8為0。三.封口包裝機(jī)的溫度控制在封口包裝機(jī)的溫度控制中，采用了具有結(jié)構(gòu)簡單、測溫范圍 大、響應(yīng)快的熱電偶作為測溫傳感器。當(dāng)PLC采樣到實際溫度之后, 再與設(shè)定值進(jìn)行比較，進(jìn)行PID控制，就可以來控制固態(tài)繼電器， 來進(jìn)行加熱器的通與斷。延伸知識：（固態(tài)繼電器），（PID控制）固態(tài)繼電器簡稱SSR它是現(xiàn)代微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)發(fā) 展起來的一種新型無觸點開關(guān)。它為四端有源器件，兩個輸入控制 端，兩個輸出端。輸入、輸出間為光電隔離，輸入端加上直流或脈L* CPU224 MDC/DC/DCML十- o24V DC1ML+ EM2314TCA+A-B+?;CA+A

9、-B+?;CD+D-D+D-K型熱 電偶沖信號，輸出端從斷態(tài)轉(zhuǎn)為通態(tài)。整個器件沒有任何可動部件和觸 電，實現(xiàn)了相當(dāng)于電磁繼電器的功能。PID控制的原理和特點在工程實際中， 應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、 積分、 微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已 有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便 而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完 全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采 用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定， 這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和 被控對象，或

10、不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合 用PID控制技術(shù)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器 就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進(jìn)行控 制的。比例（P）控制比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸 入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差 （Steady-state error）。積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正 比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差， 則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System withSteady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤

11、差，在控制器中必須引入 “積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加， 積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加 而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等 于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn) 態(tài)誤差。微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差 的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可 能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。 其原因是由于存在有較大慣性組件 （環(huán)節(jié)） 或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用， 其變化總是落后于誤 差的變化。 解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，

12、 即在 誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器 中僅引入 “比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的 幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢， 這樣，具有比例+微分的控制器， 就能夠提前使抑制誤差的控制作用 等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較 大慣性或滯后的被控對象，比例+微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié) 過程中的動態(tài)特性。PID控制器的參數(shù)整定PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是 根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：

13、一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計 算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用， 還必須通過工程實際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要 依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進(jìn)行，且方法簡單、易于 掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法， 主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。兩種方法各有其特點， 其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進(jìn)行 整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際 運行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用 該方法進(jìn)行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：（1）首先預(yù)選

14、擇一個 足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；（2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)， 直到系統(tǒng) 對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界 振蕩周期；（3）在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參 數(shù)。在實際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個經(jīng)驗值，然后根據(jù)調(diào) 節(jié)效果修改。對于溫度系統(tǒng)：P（ % 20-60,I（分）3-10,D（分）0.5-3對于流量系統(tǒng)：P（%）40-100，I（分）0.1-1對于壓力系統(tǒng)：P（%）30-70，I（分）0.4-3對于液位系統(tǒng)：P（%）20-80，I（分）1-5參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查 先是比例后積分，最后再把微分加 曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大 曲線漂浮繞

15、大灣，比例度盤往小扳曲線偏離回復(fù)慢，積分時間往下降 曲線波動周期長，積分時間再加長 曲線振蕩頻率快，先把微分降下來 動差大來波動慢。微分時間應(yīng)加長 理想曲線兩個波，前高后低4比1一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低四.項目設(shè)計思路（一）封口包裝機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計原則1.深入了解和分析被控對象封口包裝機(jī)2.確定I/O設(shè)備根據(jù)控制要求，確定輸入設(shè)備（4個控制信號）有按鈕、選擇 開關(guān)、傳感器，輸出設(shè)備（6個輸出信號）有三相交流接觸器、中 間繼電器、固態(tài)繼電器和指示燈。3.設(shè)備選型PLC西門子S7200 CPU224 DC/DC/DC（ EM231熱電偶模塊）變頻器：西門子MM44變頻器4.分配I/O點（見下

16、文的I/O符號分配表）5.設(shè)計應(yīng)用程序梯形圖在編程器或PC機(jī)上，借助編程軟件，根據(jù)工作功能圖或狀態(tài)流 程圖等設(shè)計出梯形圖，即編程。6借助通訊電纜，將梯形圖程序下載到PLC中7.進(jìn)行軟件測試8.應(yīng)用系統(tǒng)整體調(diào)試在PLC軟、硬件設(shè)計和控制柜及現(xiàn)場施工完成后，就可以進(jìn)行 整個系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)調(diào)試。9.編制技術(shù)文件系統(tǒng)技術(shù)文件包括說明書、電氣原理圖、電器布置圖、電氣元 件明細(xì)表、PLC梯形圖等（二）封口包裝機(jī)的硬件部分1.電控原理圖I/O符號分配表I/O點說明MO點說明10. 0SBI啟動按報Q0, 0固態(tài)繼電爲(wèi)輪岀10. 1SB2停止按鈕Q0. 1故薄燈10. 2Q0. 2變頻器啟動10, 3變頻器減逢按

17、釵QQ. 3速度選擇開關(guān)1A1W0対口包裝機(jī)K型熱電偶Q0* 4逢度選擇開關(guān)2Q0. 5速度選擇開關(guān)33.外部接線示意圖圖：封口包裝機(jī)的硬件框架2.1/0 配置進(jìn)線主傳動器速廈址擇P1X接線原理圖DC/DC/DCA+ A-B+ B- C+C- )+ D-RUS MM440 w T變頻器PE（三）封口包裝機(jī)的軟件部分用 STEP7 micro/win 軟件對 PLC 進(jìn)行編程5JB1后動按鈕SE2科止按知,爽媒基加邃變頻器減適10. 01 0, 110. 210. 3CPU 224QU. 0Q(k 1QQ.2W 3Qth 4Q(h 5KA1KA2違度選捧開關(guān)色 逢度選擇開旻亍L +IM2M1L+

18、2L+24V DC-o變頻器接線逢度選擇2建農(nóng)旌舞】啟功/停止逢度選擇i竺DINID1N3D：N4r24V+L+EM2 314TC璽熱電偶電源441主程序：主程序（含變頻器、PLC）園第I上電匍舟代：子餐序，并羹悻報芋倍號.8N0卜Q0.1j1SBR-01IUTON20001 rvPTINS網(wǎng)錄2函秒HSrM20.0屈網(wǎng)給3定片籌鬟位特號舁N20.0網(wǎng)細(xì)盟護(hù) E.運叭跖。曲斛眄麗，好昨詼-嚀SI0.0IIO J)90 . QM形10.1 1| J0.0網(wǎng)蝕斤當(dāng)唄為側(cè)I扎筍出以UQ.Q崔范U同為辱沖寬虞，軼兩秒為周JW闘加憩潔號，同時 岡潛）竟無耳啟動牯號與刖聯(lián)動.嘰QI卜m QQ.Q21 )-

19、 )網(wǎng)絡(luò)b省細(xì)。為嚇卩甘，迓定速康為童小值皿1則-1（其呻童大値為).01XI吟IIIV0y1-1 -OUTZ1-VBIOO0.0VB1OO710.2IO. 3卄vciaoB|1V100. o QQ.31I- _ 100. 1Q0.410(1. 2Q0.5子程序：中斷程序：中斷程序的觸發(fā)時間為 SMB34 觸發(fā)事件為 10變頻器參數(shù)設(shè)定：直接在BOP面板上設(shè)定P0010=30P0970=1恢復(fù)出廠默認(rèn)值P 0003=2設(shè)用戶訪問級為擴(kuò)展級P0004=7命令和二進(jìn)制I/OP0700=2命令源選擇由端子排輸入P0701=1定義5號端口為ON接通正轉(zhuǎn)，OFF停止P0702=17P0703=17P0704=17選擇固定頻率（_進(jìn)制編碼+ON命令）P1000=3選擇固定頻率設(shè)定值P1080=0（HZ）設(shè)定最低頻率P1082=50（HZ）設(shè)定最高頻率P1001=5（HZ）設(shè)置固定頻率5（HZ）P1002=10（HZ）設(shè)置固定頻率10（HZ）P 1003=20（HZ）設(shè)置固定頻率20（HZ）P1004=30（HZ）設(shè)置固定頻率30（HZ）P1005=35（HZ）設(shè)置固定頻率35（HZ）P1006=40（HZ）設(shè)置固定頻率40（HZ）P1007=50（HZ）設(shè)置固定頻率50（HZ）針對