基于PLC和變頻器的包裝印刷機控制系統的設計模板

基于PLC和變頻器的包裝印刷機控制系統的設計資料內容僅供參考，如有不當或者侵權，請聯系本人改正或者刪除?；赑LC和變頻器為核心的包裝印刷機控制系統的設計姓名系名專業(yè)指導老師5月6日摘要利用模擬或數字載體將媒質(如色料)轉移到承印物上的過程,叫做印刷。印刷是獲得高質量,大批量印刷品的最重要的復制過程,卷筒紙膠印機主要用來印刷雜志,報紙等印刷品,它的產品質量取決于張力控制?，F代印刷機幾乎無一例外地采用了變頻器張力控制系統,這種控制方式的特點是:運行可靠、機械磨損小、控制精度高,適用于高速多套色凹版印刷機。經過本人在日邦印刷廠實習經歷和對凹版印刷機的接觸與了解,理論結合實踐,PLC,變頻器,通信技術構建一個以PLC和變頻器為核心的完整的卷筒紙膠印機張力控制系統論文主要內容如下:1．概述了變頻器與PLC的工作原理和性能;2．推導了浮輥檢測系統模型、變頻器交流異步電動機傳動模型,完善了收放料裝置的動力學模型、張力模型、收料張力控制模型;3．在數學模型的基礎上,開發(fā)了系統控制應用程序。4．編寫出PLC與變頻器自由口通信協議,得出新型的控制方案。關鍵詞:印刷機;張力控制;變頻器;PLCAbstractVectorusinganalogueordigitalmedia(eg,pigment)transferredtothesubstratesontheprocess,calledtheprinting.Printingistoobtainhigh-quality,high-volumeprintedcopyofthemostimportantprocess,weboffsetpressismainlyusedtoprintmagazines,newspapersandotherprintedmatter,itdependsonthetensioncontrolproductquality.Modernweboffsetpresshasgenerallyfollowedthetransducertensioncontrolsystem,thiscontrolmethodischaracterizedby:Runareliable,mechanicalwearissmall,highcontrolaccuracy.Throughmyinternshipintheprintfactoryofthecontactsandunderstandingtointegratetheorywithpractice,throughplc,converters,communicationsandothertechnologytobuildaPLCandinverterasthecoreofacompleteweb-fedoffsetpressTensionControlSystem.1.AnoverviewofinvertersandPLCworkingprincipleandperformance;2.Derivationofthedancingrollerinspectionsystemmodel,andimproveddynamicmodelUnwindingtensionmodel;3.Inthemathematicalmodeldevelopedonthebasisofthesystemcontrolapplications.First,PIDcontrolalgorithmisusedforthecontrolstrategytoverifythemodelisreasonable.Throughthecompletionoftheabovepaperinordertoachieveconstanttensioncontrol,thepurposeofimprovingprintqualitytomeetproductionneeds.KeyWords:Tensioncontrol;inverter;PLC目 錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 IVAbstract V第1章緒論 31.1 1.1課題背景 31.1.1凹版印刷機工藝以及印刷原理 31.1.2凹版印刷機的發(fā)展歷史 31.2課題的國內外研究現狀 31.2.1三電機張力控制系統介紹 31.2.2PLC控制變頻調速系統 41.3論文的研究目的和內容 41.4論文結構 5第2章系統總體設計方案 62.1印刷機控制系統的基本設計步驟和設計功能 62.1.1基本設計步驟 62.1.2印刷機變頻器控制系統的基本設計功能 62.2基本工作流程 72.3系統的組成方案 7第3章系統的硬件選擇及接線原理 101.2 3.1硬件選擇 103.1.1電動機 103.1.2張力傳感器 103.1.3變頻器 113.1.4PLC的選取 123.1.5熱繼電器的選擇 123.2系統的硬件接線 123.2.1系統主電路接線圖 133.2.2PLC的I/O分配表 133.2.3PLC外部I/O連接 143.2.4收卷、放卷變頻器(前后牽引變頻器)端子接線圖 143.2.5主牽引變頻器端子接線圖 16第4章系統軟件設計 174.1系統的軟件設計 174.1.1系統總流程圖 174.1.2三菱PLC的PID設定 184.2系統梯形圖 22結論 25參考文獻 26附錄一 27附錄二 42附錄三 43致謝 46緒論1.1課題背景本文來源于對外包裝印刷機生產設計實例的研究,目的是進一步完善一套基于可編程控制器(PLC)技術與變頻器技術的電機張力控制系統。凹版印刷機工藝以及印刷原理凹版印刷方式作為包裝印刷市場上最好的印刷方式泛的被應用,因為對于被用為包裝材料的的薄膜、紙、鋁箔和除此之外的其它材料,都能夠使用該類型的印刷機對其進行印制。此種印刷方式具有以下優(yōu)點:1．印刷油墨層厚實,圖像色澤好,層次豐富,效果高清。2．印刷品無縫隙,廣泛應用于印制連續(xù)圖印刷品的工業(yè)生產中。3．印刷系統使用周期長,而且具有故障報警維修的特性。4．此種印刷方法對油品要求較低,因此能夠對多種材質的印刷物進行印刷。凹版印刷機的發(fā)展歷史20世紀五十年代在中國上海建業(yè)義華機器制造股份有限公司制成了第一臺凹版印刷機。20世紀七十年代上海人民機器廠制成單張紙單色凹印機,二十世紀八十年代北京人民機器廠制成卷筒紙四色凹印機。隨后一些工廠也制成了印刷塑料薄膜的卷筒材料凹印機。凹印機在中國的生產數量不是太多,品種相對也較少,在印刷工業(yè)中凹版印刷這種印制方式占的比重也比較小。課題的國內外研究現狀19世紀以來,凹版印刷機的發(fā)展經歷了如下幾個發(fā)展階段。無論在生產率方面還是在操作自動化方面,都在不斷的提高和改進。體現在張力控制方面表現為經歷了磁粉張力系統—交流電動機變頻調速控制系統—伺服電動機無軸控制系統幾個發(fā)展階段。在中國,變頻驅動系統才起步不久,在伺服電機無軸驅動方面的研究也不多,本文基于這種原因,以變頻驅動的凹版印刷機為研究對象,基于三電機張力控制系統進行理論研究工作,為以后的五軸驅動開發(fā)打下堅實的基礎。三電機張力控制系統介紹凹版印刷機控制系統主要是由可編程控制器與三臺變頻器(分別控制放卷電機、收卷電機和主電機)組成的,這種控制方式簡稱為三電機同步控制方式。實際應用中采用PC機或者可編程控制器作為上位機,以一臺或多臺PLC作為下位機,每臺下位機經過PLC擴展模塊與若干臺智能設備進行通信,從而實現分布式控制,能夠實現復雜的控制功能。當前最為領先的控制系統當屬使用單臺可編程控制器,經過數字量輸出控制三個變頻器的啟動或者停止,經過模擬量輸出擴展模塊EM232調整變頻器的運轉速度指令。這樣就節(jié)約了可編程控制器通信網絡的自身成本,可是PLC的輸入輸出點數是有限制的,使用擴展模塊控制變頻器影響了整機的功能擴展而且由于模塊的模擬量數字量轉換影響系統的運行速度。PLC控制變頻調速系統由變頻器、電機和可編程控制器組成的印刷機控制系統,經過控制驅動印刷版筒的主電機以及放卷和收卷兩個個電機的線速度同步來達到張力的穩(wěn)定,具有影響反應速度的特點,而且能夠提供良好的設定功能,以滿足各種材料的工藝特性。最近幾年,因為變頻器的應用范圍越來越寬,而且各個廠家生產的變頻器所具有的技術也在日益完善,因此使用變頻器對電動機的電源進行改造已經成為提高能源利用率,進一步節(jié)約能源的主要方法。n＝60

f(1－s)/p(1-1)表1-1式1-1中各量含義式中變量所代表的含義(單位)n電動機的轉速(rad/min)f電動機的頻率(Hz)s電動機的轉差率P電動機的極對數表1-1為式(1-1)各變量的物理意義。轉速n與頻率f成正比,頻率f的改變會導致電機速度的變換,當頻率f在0～50Hz變化的通用范圍內時,轉速的變換將會有著很大的幅度和范圍。而我們一般所用的變頻調速的原理就是經過頻率在電源上的改變實現的。交流與直流的轉換是變頻器的特點,首先經過轉換我們平常見的50Hz頻率的交流電變成方向不改變的直流電,然后經過逆變再變回交流電,其電壓與頻率均可控制。論文的研究目的和內容凹版印刷機是一個復雜的控制對象,主要表現在幾個方面:首先,幾個環(huán)節(jié)彼此相關性強,其中一個環(huán)節(jié)的張力發(fā)生變化,其它環(huán)節(jié)的張力也會隨之產生變化;其次,因為印刷材料的材質不同,紙卷不圓或紙張的不均勻,印刷滾筒的凹槽或其它因素都會引起紙帶張力的波動;最后,各種外界因素(例如機器拖動不穩(wěn)定)也可能影響到整個系統的工作狀態(tài)。因此說印刷機系統是一個復雜的控制系統,本文著重敘述了凹版印刷機的工作過程,工作原理,控制系統設計等針對基于PLC的變頻器控制凹版印刷機電機轉動,從而達到令張力恒定的目的。以便獲得更高品質的印刷制品。本論文的主要工作如下:本系統將PLC與變頻器有機地結合起來,采用以被印刷材料的張力數值為主控參數,實現對印刷機的張力的有效控制,使印刷機制品達到理想的效果。PLC控制系統具有對印刷機的電機過熱保護、故障報警等功能特點,為印刷機控制系統提供一條新途徑。在介紹印刷機基本結構的基礎上,深入分析了印刷機的工作原理,闡述了PLC的優(yōu)點及特點,重點分析了印刷機的硬件設計和軟件設計,研究并提出了基于PLC凹版印刷機變頻器控制系統設計的實現方案。論文結構論文主要分為個部分:第一章為緒論,主要介紹了凹版印刷機的發(fā)展歷史,論文的主要研究目的,論文的研究意義。第二章介紹了印刷機控制系統的總體設計方案,整個系統需要完成的設計功能。第三章闡述了系統各部分的硬件構成及原理。第四章著重介紹了PID模塊的軟件編寫,及部分軟件設計。系統總體設計方案印刷機控制系統的基本設計步驟和設計功能基本設計步驟基于PLC的設計,首先要確定控制對象及其控制范圍,接下來,要對PLC的型號進行選定,針對控制對象的要求,分配I/O點數。下面分為兩個部分,分別為軟件設計和硬件電路的設計,首先進行硬件設計,包括外部電路的設計和對PLC的安裝配線。軟件設計包括對程序的設計和程序編完成以后對程序的調試,如果程序調試沒有經過,那么就會回到程序編寫上來。當硬件和軟件編寫工作完成之后,進行工控現場的調試,根據設計是否符合要求,調整硬件或者軟件,依次來完成設計要求?；赑LC系統的設計步驟圖如圖2-1所示。圖2-1系統的設計步驟印刷機變頻器控制系統的基本設計功能本設計為滿足凹版印刷機張力恒定的要求,系統的具體設計要求如下:1．本系統的控制對象為對凹版印刷機的變頻器進行控制,進而對整個印刷機各環(huán)節(jié)的張力進行控制。2．本系統為手動和自動兩種工作模式,具有故障報警、運行指示燈、控制電機的加速、減速等功能。3．運用張力傳感器測定運行系統的張力,當張力數值超過設定報警上限時,發(fā)出報警信號。當張力數值介于設定數值之間時,將張力信號轉化為電信號輸入經PID運算后,輸出給變頻器,控制電動機的運行?；竟ぷ髁鞒?．在整個系統開始工作之前先按下警鈴按鈕,此時是為了避免出現不必要的意外事故。2．按下啟動按鈕,此時控制凹版印刷機印刷部分的主電機還不開始運行,而控制前牽引和后牽引的將根據張力傳感器所測的張力值大小,經過張力傳感器將張力變化的大小轉換為電信號反饋到PLC當中進行比例、積分、微分運算后,再輸出給前牽引變頻器和后牽引變頻器,經過編碼器,對張力進行進一步的調節(jié)。3．當印制品的前牽引和后牽引處的張力都達到穩(wěn)定時,主牽引才開始運轉。4．按下加速按鈕,此時主牽引才進行啟動加速。5．當線速度達到10-15米/分鐘的時候,才對主牽引停止加速,當人工調節(jié)印刷套準之后達到套準要求,再次按下加速按鈕繼續(xù)加速運行。6．前牽引和后牽引初的張力傳感器在整個控制過程都檢測所在處的張力值是否發(fā)生變化,目的將張力的大小調節(jié)到穩(wěn)定平衡的狀態(tài)。系統的組成方案整機控制采用三菱FX2N-16MR系列PLC、變頻器以及張力傳感器組成的閉環(huán)控制系統。張力傳感器將當前的張力轉化為電信號,以模擬信號反饋給可編程控制器;此時,PLC根據任務要求以及自身程序,計算出相應輸出,經過自由口通信讀取變頻器工作狀態(tài),并向變頻器發(fā)出指令,保證各個電機工作在同步狀態(tài),使張力保持穩(wěn)定。系統示意圖如圖2-2所示,整臺機器的張力控制實際分為三段張力:放卷、收卷、印刷。其中可編程控制器為整個系統組成的核心部分。系統中主要執(zhí)行元件動作均由可編程控制器輸出點控制,PLC根據設計要求,時刻調整輸出指令。圖2-2系統示意圖變頻器的工作原理如圖2-3所示,將動力電源經過三相全波整流、直流平滑以后,經過脈寬調制方式對逆變電路的半導體開關元件進行開啟或者關斷,而且經過調整輸出脈沖的寬度,將平滑電路輸出的直流電源轉換為頻率和電壓都任意可調的交流電源,來實現對異步電動機的調速控制。圖2-3變頻器的結構框圖系統上電之后,可編程控制器即開始掃描各個輸入點的狀態(tài),而且檢查通信接口是否可用。當連接至PLC的開關量輸入端的啟動、加速等按鈕依次動作以后,PLC根據用戶編寫的程序,向變頻器發(fā)送指令。在PLC發(fā)送數據包中,速度指令對應著變頻器的模擬量指令輸入,變頻器正是根據這個指令來調整PWM控制電路的輸出。當張力發(fā)生變化(如材料松緊程度、機器運行速度、收放卷直徑的大小等影響因素),張力傳感器作用,經過張力傳感器轉化為電信號把引力信號反饋到PLC進行PID運算后,輸出給前牽引變頻器和后牽引變頻器,進行張力調節(jié),在主牽引運轉前薄膜的張力就達到穩(wěn)定。進而達到張力的穩(wěn)定。如圖2-4所示為基于PLC與變頻器的恒張力控制過程示意圖。圖2-4基于PLC與變頻器的恒張力控制過程示意圖系統的硬件選擇及接線原理3.1硬件選擇基于凹版印刷機系統的特點,需要選擇規(guī)格一定的電動機、傳感器、PLC以及變頻器,本節(jié)主要介紹硬件的選擇過程。電動機本論文中的電動機用于牽引印刷材質,達到放入印刷系統和從印刷系統中卷取后取出的目的,同時經過電機的轉速達到對整個系統的加速減速的目的,因此采用交流三相異步電動機,選取的交流電動機的規(guī)格為額定電壓為380v、額定功率為3000w、轉數為3000r/min。下面的簡要的介紹一下三相異步交流電動機:1．工作原理:當電動機的三項定子繞組(各相差120度電角度),通入三項交流電后,將產生一個旋轉磁場,該旋轉磁場切割轉子繞組,從而在轉子繞組中產生感應電流(轉子繞組是閉合通路),載流的轉子導體在定子旋轉磁場作用下將產生電磁力,從而在電機轉軸上形成電磁轉矩,驅動電動機旋轉,而且電機旋轉方向與旋轉磁場方向相同[3]。圖3-1三相異步電動機的基本構造圖張力傳感器張力傳感器在印刷機變頻器控制系統中的作用為:卷筒紙印刷時,應保證紙帶在印刷過程中張力大小保持恒定不變。原因有三點:首先,張力太小會導致紙帶松弛、褶皺、套印不準等弊病發(fā)生;其次,張力過大,會增加機器的負荷和增加紙帶的應力,且超過其強度極限就會斷裂;最后,張力不穩(wěn)定,紙帶會發(fā)生跳動,以至于會出現套印不準、重影等問題。特別是機器啟動、停車時,張力不穩(wěn),會造成斷紙、擁紙等影響印刷質量的問題?；谝陨蠁栴},本文采用的是測量壓力的電位器式壓力傳感器,其原理為當張力發(fā)生改變時將壓力傳遞給彈簧管,此時彈簧管發(fā)生一定的角位移,接著電位器產生一個數值的變化,電阻值也隨之改變,得到一個電壓信號,傳遞給PLC進行下一步的工作。工作原理如圖3-2。圖3-2壓力傳感器工作原理根據系統設計要求選取施密特公司的TSB1,此款傳感器的特點為連續(xù)測量低高張力范圍的膠片、繃帶、塑料薄膜等寬體材料的張力。五個張力范圍可選:從0-100cN到0-cN,導線輪的寬度可在下7mm到20mm之間調節(jié)輪子的寬度應與被測材料的寬度相匹配。變頻器首先經過轉換我們平常見的50Hz頻率的交流電變成方向不改變的直流電,然后經過逆變再變回交流電,其電壓與頻率均可控制。本次設計中采用模擬量控制變頻器,三菱PLC有許多的特殊功能模塊,而模擬量模塊則是其中的一種,它包括數模轉換模塊和模數轉換模塊。例如數模轉換模塊可將一定的數字量轉換成對應的模擬量(電壓或電流)輸出,這種轉換具有較高的精度。在設計一個控制系統時,常常會需要對電機的速度進行控制,利用PLC的模擬量控制模塊的輸出來對變頻器實現速度控制則是一個經濟而又簡便的方法[4]。1．模擬量模塊輸出信號的選擇:經過對模擬量模塊連接端子的選擇,能夠得到兩種信號,0~10V或0~5V電壓信號以及4~20mA電流信號。這里選擇0-10V的信號進行控制變頻器。2．模擬量模塊的增益及偏置調節(jié):模塊的增益可設定為任意值。然而如果要得到最大12位的分辨率可使用0~4000?？蓪δK進行偏置調節(jié),例如數字量0~4000對應0-10V。本次設計中選取的三個變頻器均為MD320型號的,根據所帶動電機的適配功率不同,分別選擇了MD320T7.5GB的變頻器和MD320T3.7GB的變頻器。1．主牽引變頻器:根據系統設計要求選用深圳匯川MD320T7.5GB變頻器:此種變頻器含有一個高速脈沖輸出端子(可選為開路集電極式),0kHz~50kHz的方波信號輸出,可實現設定頻率、輸出頻率等物理量的輸出。一個數字式輸出端子(可擴展至兩個)一個繼電器輸出端子(可擴展至兩個)一個模擬輸出端子(可擴展至兩個),分別可選0/4mA~20mA或0/2V~10V,可實現設定頻率、輸出頻率等物理量的輸出。MD320系列的輸入輸出端子數:5個DI(雙向輸入,1個高速口),2個AI,2個DO(1個高速口),1個AO,1個繼電器(可擴展I/O)。2．收卷、放卷變頻器:都選用深圳匯川MD320Y3.7GB變頻器:此種變頻器輸入電壓:單相220V、三相380V、電源容量(KVA):1.0~40、輸入電流(A):5.4~62、輸出電流(A):2.3~69、適配電機(kW):0.4~30。PLC的選取選取三菱FX2N-16MR系列,8個模擬量輸入、8個繼電輸出輸出。編程指令很強,運行速度很快,可適用于要求較高的場合。FX2N是FX系列中功能最強、運行速度最快的PLC?；局噶顖?zhí)行時間高達0.08μs,超過了許多大、中型PLC,FX2N的用戶存貯器容量可擴展到16K,FX2N的I/O點數最大可擴展到256點,FX2N有多種模擬量輸入輸出模塊、高速計數器模塊、脈沖輸出模塊、位置控制模塊、RSRS--232C/RS232C/RS--422/RS422/RS--485485串行通信模塊或功能擴展板、模擬定時器擴展板等。當這些特殊功能的模塊和擴展板被使用時,能夠實現對模擬量的控制、位置的控制和聯網通信等功能。熱繼電器的選擇熱繼電器的原理為當流入熱繼電器的電流經過繼電器中的熱元件而且產生熱量時,熱繼電器中含有的不同膨脹系數的金屬片受熱膨脹,發(fā)生變形,當變形到達一定程度時,這種變形程度就會使連桿也發(fā)生相應的變化,造成整個電路中的控制電路斷開,電路的斷開必然導致整個電路沒有通電,從而主電路也就斷開,此時電動機就停止運行,這就是利用繼電器對電動機實現過載保護的基本原理。根據系統設計要求,當線路發(fā)生故障時,需要切斷電路以保證系統整體不會受到損壞,因此選取熱繼電器起到保護系統的作用。系統的硬件接線本節(jié)著重介紹了系統主電路、PLC接線圖、AD和DA模塊的接線圖以及變頻器端子接線圖。系統主電路接線圖如圖3-3所示,該印刷機變頻器控制系統有三臺變頻器,分別拖動三臺電動機。合上空氣開關后,當KM1、KM2、KM3主觸點閉合時,電動機為變頻運行模式,此時變頻器控制電動機的動作,從而改變當前的張力情況。三個熱繼電器KR1～KR3分別對三臺電動機進行保護,避免電動機在過載時可能產生的過熱損壞。圖3-3系統主電路圖PLC的I/O分配表本系統中共有三個輸入,分別為啟動按鈕SB1、急停按鈕SB2、加速按鈕SB3、減速按鈕SB4、報警按鈕SB5。同時,具有四個輸出,分別為運行指示燈、警鈴、前牽引變頻器、后牽引變頻器、主牽引變頻器。PLC的I/O分配表如表3-1所示。表3-1PLC的I/O接口分配表輸入輸出序號名稱地址序號名稱地址1啟動按鈕SB1X0001運行指示燈Y0012急停按鈕SB2X0012警鈴Y0023加速按鈕SB3X0023主牽引變頻器Y0044減速按鈕SB4X0034后牽引變頻器Y0055報警按鈕SB5X0045前牽引變頻器Y006PLC外部I/O連接根據設計需求,選取三菱FX2N-16MRCPU控制核心FX2N系列可編程控制器?？刂埔?guī)模:16~256點內置8K容量的EEPROM存儲器,最大能夠擴展到16K,CPU運算處理速度0.55~0.7μS/。基本指令:在FX2N系列右側可連接輸入輸出擴展模塊和特殊功能模塊,基本單元內置2軸獨立最高100kHz定(晶體管輸出型)擁有四個模擬量輸入四個模擬量輸出通道。如圖3-4為PLC外部接線圖以及模擬量輸入、模擬量輸出模塊接線圖,圖中X0~X7為八個輸入繼電器接口,Y0~Y7為八個輸出繼電器接口。收卷、放卷變頻器(前后牽引變頻器)端子接線圖本文采用深圳匯川MD320T3.7GB,此變頻器的特點為控制方式:無速度傳感器矢量控制、有速度傳感器矢量控制、V/F控制?？刂茖ο?速度控制與轉矩控制兩種。經過多種參數的組合能夠精確實現實時控制。PID算法:先進的PID算法,響應快速且適應性強。十六段速度控制、擺頻控制廣泛應用在拉絲、線纜、紡織、化纖、電梯、印刷包裝機械、健身機械、機床等行業(yè)。圖3-4PLC外部I/O接線圖MD320系列變頻器有豐富的擴展卡選配件,包括I/O擴展卡、Modbus卡、RTU總線卡、供水擴展卡等。多功能輸入輸出擴展卡有5個(DI6～DI10)多功能數字輸入端子,1個(AI3)模擬量輸入端子。如圖3-5為前牽引變頻器和后牽引變頻器的端子接線圖。圖3-5前、后牽引變頻器的端子接線圖主牽引變頻器端子接線圖主牽引變頻器的端子接線圖如下圖3-6,主牽引變頻器的作用是控制整個系統運行的主電機,當前后牽引變頻器運行達到穩(wěn)定時,按下啟動按鈕,此時主變頻器才起到控制作用。圖3-6主牽引變頻器端子接線圖系統軟件設計GXDEVELOPER是三菱PLC的編程軟件。適用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可編程控制器。支持梯形圖、指令表、SFC、ST及FB、Label語言程序設計,網絡參數設定,可進行程序的線上更改、監(jiān)控及調試,具有異地讀寫PLC程序功能。系統的軟件設計本系統的軟件部分由GXDEVELOPERVER.7實現,編程界面如圖4-1所示,基于三菱FX2N-16MR的PLC進行了印刷機系統變頻器控制的設計。圖4-1GXDEVELOPERVER.7編程界面系統總流程圖系統的控制流程為:在整個系統開始工作之前先按下警鈴按鈕,此時是為了避免出現不必要的意外事故。按下啟動按鈕,此時控制凹版印刷機印刷部分的主電機還不開始運行,而控制前牽引和后牽引的將根據張力傳感器所測的張力值大小,經過張力傳感器將張力變化的大小轉換為電信號反饋到PLC當中進行比例、積分、微分運算后,再輸出給前牽引變頻器和后牽引變頻器,經過編碼器,對張力進行進一步的調節(jié)。當印制品的前牽引和后牽引處的張力都達到穩(wěn)定時,主牽引才開始運轉。按下加速按鈕,此時主牽引才進行啟動加速。當線速度達到10-15米/分鐘的時候,才對主牽引停止加速,當人工調節(jié)印刷套準之后達到套準要求,再次按下加速按鈕繼續(xù)加速運行。前牽引和后牽引初的張力傳感器在整個控制過程都檢測所在處的張力值是否發(fā)生變化,目的將張力的大小調節(jié)到穩(wěn)定平衡的狀態(tài)。其控制流程圖如圖4-2。圖4-2系統流程圖三菱PLC的PID設定1．FX2N的PID指令PID指令的編號為FNC88,源操作數［S1］、［S2］、[S3]和目標操作數[D]均為數據寄存器D,16位指令,占9個程序步。［S1］和［S2］分別用來存放給定值SV和當前測量到的反饋值PV,［S3］~[S3]＋6用來存放控制參數的值,運算結果MV存放在［D］中。源操作數［S3］占用從［S3］開始的25個數據寄存器。

PID指令是用來調用PID運算程序,在PID運算開始之前,應使用MOV指令d的參數見表4-1設定值預先寫入對應的數據寄存器中。如果使用有斷電保持功能的數據寄存器,不需要重復寫入。如果目標操作數[D]有斷電保持功能,應使用初始化脈沖M8002的常開觸點將其復位。PID指令能夠同時多次使用,可是用于運算的[S3]、[D]的數據寄存器元件號不能重復。PID指令能夠在定時中斷、子程序、步進指令和轉移指令內使用,可是應將［S3］＋7清零(采用脈沖執(zhí)行的MOV指令)之后才能使用。

控制參數的設定和PID運算中的數據出現錯誤時,”運算錯誤”標志M8067為ON,錯誤代碼存放在D8067中。PID指令采用增量式PID算法,控制算法中還綜合使用了反饋量一階慣性數字濾波、不完全微分和反饋量微分等措施,使該指令比普通的PID算法具有更好的控制效果。PID控制器有4個主要的參數Kp、TI、TD和TS需整定,無論哪一個參數選擇得不合適都會影響控制效果。在整定參數時應把握住PID參數與系統動態(tài)、靜態(tài)性能之間的關系。在P(比例)、I(積分)、D(微分)這三種控制作用中,比例部分與誤差信號在時間上是一致的,只要誤差一出現,比例部分就能及時地產生與誤差成正比的調節(jié)作用,具有調節(jié)及時的特點。比例系數Kp越大,比例調節(jié)作用越強,系統的穩(wěn)態(tài)精度越高;可是對于大多數系統,Kp過大會使系統的輸出量振蕩加劇,穩(wěn)定性降低。積分作用與當前誤差的大小和誤差的歷史情況都有關系,只要誤差不為零,控制器的輸出就會因積分作用而不斷變化,積分部分才不再變化。因此,積分部分能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差,提高控制精度,可是積分作用的動作緩慢,可能給系統的動態(tài)穩(wěn)定性帶來不良影響。積分時間常數TI增大時,積分作用減弱,系統的動態(tài)性能(穩(wěn)定性)可能有所改進,可是消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度減慢。微分部分是根據誤差變化的速度,提前給出較大的調節(jié)作用。微分部分反映了系統變化的趨勢,它較比例調節(jié)更為及時,因此微分部分具有超前和預測的特點。微分時間常數TD增大時,超調量減小,動態(tài)性能得到改進,可是抑制高頻干擾的能力下降。選取采樣周期TS時,應使它遠遠小于系統階躍響應的純滯后時間或上升時間。為使采樣值能及時反映模擬量的變化,TS越小越好?？墒荰S太小會增加CPU的運算工作量,相鄰兩次采樣的差值幾乎沒有什么變化,因此也不宜將TS取得過小。2．PID控制說明表4-1

PID控制參數及設定源操作數參

數設定范圍或說明備

注［S3］采樣周期(Ts)1~32767ms不能小于掃描周期［S3］+1動作方向(ACT)Bit0:0為正作用、為反作用Bit1:0為無輸入變化量報警1為有輸入變化量報警Bit2:0為無輸出變化量報警1為有輸出變化量報警Bit3~Bit15不用［S3］+2輸入濾波常數(L)0~99(%)對反饋量的一階慣性數字濾波環(huán)節(jié)［S3］+3比例增益(Kp)1~32767(%)［S3］+4積分時間(TI)0~32767(×100ms)0與∝作同樣處理［S3］+5微分增益(KD)0~100(%)［S3］+6微分時間(TD)0~32767(×10ms)0為無微分［S3］+7~[S3]+19——PID運算占用［S3］+20輸入變化量(增方)警報設定值0~32767由用戶設定ACT(［S3］+1)為K2~K7時有效,即ACT的Bit1和Bit2至少有一個為1時才有效;當ACT的Bit1和Bit2都為0時,［S3］+20~［S3］+24無效［S3］+21輸入變化量(減方)警報設定值0~32767［S3］+22輸出變化量(增方)警報設定值0~32767［S3］+23輸出變化量(減方)警報設定值0~32767［S3］+24警報輸出Bit0:輸入變化量(增方)超出;Bit1:輸入變化量(減方)超出;Bit2:輸出變化量(增方)超出;Bit3:輸出變化量(減方)超出PID控制,實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差,利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。

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系。當僅有比例控制時系統輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。

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系。對一個自動控制系統,如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差,則稱這個控制系統是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,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)誤差進一步減小,直到等于零。因此,比例+積分(PI)控制器,能夠使系統在進入穩(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)成正比關系。

自動控制系統在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現振蕩甚至失穩(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”,即在誤差接近零時,抑制誤差的作用就應該是零。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,而當前需要增加的是”微分項”,它能預測誤差變化的趨勢,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,甚至為負值,從而避免了被控量的嚴重超調。因此對有較大慣性或滯后的被控對象,比例+微分(PD)控制器能改進系統在調節(jié)過程中的動態(tài)特性。下面是PID控制器參數整定的一般方法:

PID控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容。它是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數整定的方法很多,概括起來有兩大類:一是理論計算整定法。它主要是依據系統的數學模型,經過理論計算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必能夠直接用,還必須經過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法,它主要依賴工程經驗,直接在控制系統的試驗中進行,且方法簡單、易于掌握,在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數的工程整定方法,主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有其特點,其共同點都是經過試驗,然后按照工程經驗公式對控制器參數進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數,都需要在實際運行中進行最后調整與完善?，F在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行

PID控制器參數的整定步驟如下:(1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統工作;(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié),直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩,記下這時的比例放大系數和臨界振蕩周期;(3)在一定的控制度下經過公式計算得到PID控制器的參數。

3．PID參數的設定靠經驗及工藝的熟悉,參考測量值跟蹤與設定值曲線,從而調整P\I\D的大小。比例I/微分D=2,具體值可根據儀表定,再調整比例帶P,P過頭,到達穩(wěn)定的時間長,P太短,會震蕩,永遠也打不到設定要求[6]。系統梯形圖本設計主要為針對前牽引和后牽引根據前牽引擺臂和后牽引擺臂所測張力大小進行調節(jié),從而達到平衡,這也是由PLC控制凹版印刷機三電機同步的核心。1．整個系統梯形圖:系統警鈴:本條梯形圖中X004常開觸點為報警按鈕,X001常閉觸點在此處代表急停,圖中Y002常開觸點代表警鈴輸出,本條梯形圖,當系統未啟動之前警鈴按鈕按下,即此時X004被接通,系統的警鈴開始鳴響,此時系統警鈴響的目的是防止系統突然啟動,造成意外事故,警鈴響起,起到警醒的作用。2．整個系統啟動的條件:下圖中(X004)為上升沿為有效電平報警按鈕,即當系統警鈴按鈕(X004)被接通一次后,產生一個上升沿此時這條指令開始執(zhí)行,(X001)為急停常閉觸點,M2為輔助繼電器,能夠當做一個選擇通道,下圖中當(X004)接通則M2構成自鎖,整個系統一直供電,系統啟動過程完成。3．啟動整個系統:此時系統按下啟動按鈕,即此時(X000)被接通,M2由于上條語句構成自鎖,(Y001)為系統指示燈,當系統啟動按鈕被按下此時系統指示燈被點亮,而且構成自鎖,此時系統主變頻運行(Y004)、后變頻運行(Y005)、前變頻運行(Y006)基于通道M2的指示而接通或者斷開。4．系統運行平穩(wěn)后加速過程:當系統加速按鈕SB2被接通時,(X002)此時被接通,啟動后的M2也被接通,此時輸出的變頻器調速指令存放在通道(M10)中,圖中M0和M11為控制系統加速上限和減速下限的標志,下文會提到。5．系統減速過程:當系統減速按鈕SB3被按下時,此時線圈(X003)被閉合,啟動后滿足啟動條件,此時(M11)為存放減速數據的通道,圖中(M1)為控制減速下限的通道。6．加減速計數:圖中M10和M11為加速減速數據存儲的通道其中之一接通,則該語句生效,當主牽引變頻器開始工作之后,計數器C200開始計數,能夠計數600個。7．設定加速上限和減速下限:當系統計數次數大于等于500次時,M0通道被接通,則常閉觸點(M0)此時動作為關閉,完成對加速過程斷電,此時加速結束。當系統計數小于等于0次時,M1被接通,則常閉觸點(M1)此時動作為斷開完成對減速過程斷電,此時減速過程結束。結論本文較完整的討論了基于凹版印刷機的變頻器控制系統PLC設計的原理、硬件組成、軟件構成。針對凹版印刷機控制系統中的速度控制問題,進行了研究與分析,提出了使用張力傳感器與PLC中的PID模塊組合進行實時監(jiān)測的研究方法,取得的成果如下:研究了三菱FX2N-16MR系列可編程邏輯控制器的特點,模塊組成以及編程方法。提出了一種采用張力傳感器的力-電轉換裝置使比較抽象的張力檢測轉變成我們能夠實時檢測的電信號。利用PLC模塊的PID調節(jié)原理對整個控制系統進行實時控制運算,提高了整個系統的穩(wěn)定性,使印刷的質量更高。基于變頻器調速原理的廣泛應用,采用變頻器對電機的轉速進行控制。在原有控制原理的基礎上對凹版印刷機印刷部分加入主變頻調速電機使得系統在穩(wěn)定的基礎上能夠加速運行,提高了效率。綜上所述,本文對凹版印刷機的PLC控制系統的設計采用PLC控制變頻器調速的基本方法,綜合的運用了閉環(huán)控制,反饋調節(jié)的基本原理,在原有的基礎上實現加入加速裝置的新創(chuàng)意,提高了系統的穩(wěn)定性和效率,在今后的工作中將會繼續(xù)研究這方面的問題。這次畢業(yè)設計基本的完成了任務書的要求,實現了照度的檢測與顯示,可是由于設計者的設計經驗和知識水平有限,系統還存在許多不足和缺陷,應該在今后的學習中繼續(xù)深入研究,進一步完善。參考文獻關昭軍等．變頻器調速裝置使用淺析．電工文摘,,(10):25~42張錦燊．基于PLC和變頻器的印刷機控制系統．中山大學碩士學位論文,:10~30張靜俠等．采用PLC控制凹版印刷機三電機同步．職業(yè),,6(32):8~8藍鼎銘．可編程序控制器學術分析．華章,,9(31):9~10孫玉榮等．專用三相異步電動機和普通三相異步電動機用于變頻調速的比較．中國市場,,5(14):12~13吳海燕．變頻器的諧波干擾和負載的匹配．現代企業(yè)教育,,5(16):3~4王志強．非晶帶材厚度自動控制的研究．東北大學碩士學位論文,:4~5方向明．基于PLC的先進控制策略的研究與應用．東北大學碩士學位論文,:16~20黃慧敏．通用變頻器應用中的問題及對策．礦山機械,,5(11):30~35曹玉泉,王主恩．異步電機變頻調速技術(二)．油氣田地面工程,1991,2(2):15~30劉錚,賈斌,馬麗輝．基于交流異步電機變頻調速及多種調速系統的對比．機電信息,,1(9):10~15李肇果．電動執(zhí)行機構常見故障及快速排除方法．自動化與儀器儀表,,10(3):3~5CynthiaCooper．ProgrammableLogicController[J]．thefreewikipediaencyclopedia,:16~20[MK]Chung．Optimumvaluesofdesignvariablesversusspecificspeedforcentrifugalpumps[J]．ProceedingoftheInstitutionofMechanicalEngineers,:10~19ValenzuelaMA,LorenzRD．Electroniclineshaftingcontrolforpapermachinedrives．IEEETransactionsonIndustryApplications,:10~30

附錄一ONE、PLCoverviewProgrammablecontrolleristhefirstinthelate1960sintheUnitedStates,thencalledPLCprogrammablelogiccontroller(ProgrammableLogicController)isusedtoreplacerelays.Fortheimplementationofthelogicaljudgment,timing,sequencenumber,andothercontrolfunctions.TheconceptispresentedPLCGeneralMotorsCorporation.PLCandthebasicdesignisthecomputerfunctionalimprovements,flexible,genericandotheradvantagesandrelaycontrolsystemsimpleandeasytooperate,suchastheadvantagesofcheappricescombinedcontrollerhardwareisstandardandoverall.Accordingtothepracticalapplicationoftargetsoftwareinordertocontrolthecontentoftheuserproceduresmemorycontroller,thecontrollerandconnectingtheaccusedconvenienttarget.Inthemid-1970s,thePLChasbeenwidelyusedasacentralprocessingunitmicroprocessor,importexportmoduleandtheexternalcircuitsareused,large-scaleintegratedcircuitsevenwhenthePLCisnolongertheonlylogical(IC)judgmentfunctionsalsohavedataprocessing,PIDconditioninganddatacommunicationsfunctions.InternationalElectrotechnicalCommission(IEC)standardspromulgatedprogrammablecontrollerforprogrammablecontrollerdraftmadethefollowingdefinition:programmablecontrollerisadigitalelectroniccomputersoperatingsystem,specificallyforapplicationsintheindustrialdesignenvironment.Itusedprogrammablememory,usedtoimplementlogicintheirinternalstorageoperations,sequencecontrol,timing,countingandarithmeticoperations,suchasoperatinginstructions,andthroughdigitalandanaloginputandoutput,thecontrolofvarioustypesofmachineryorproductionprocesses.Programmablecontrollerandrelatedperipherals,andindustrialcontrolsystemseasilylinkedtoformawhole,toexpanditsfunctionaldesign.Programmablecontrollerfortheuser,isanon-contactequipment,theprocedurescanbechangedtochangeproductionprocesses.Theprogrammablecontrollerhasbecomeapowerfultoolforfactoryautomation,widelypopularreplication.Programmablecontrollerisuser-orientedindustriesdedicatedcontrolcomputer,withmanydistinctivefeatures.First,highreliability,anti-interferencecapability;Second,programmingvisual,simple;Third,adaptabilitygood;Fourthfunctionalimprovements,strongfunctionalinterface.TWO、HistoryofPLCProgrammableLogicControllers(PLC),acomputingdeviceinventedbyRichardE.Morleyin1968,havebeenwidelyusedinindustryincludingmanufacturingsystems,transportationsystems,chemicalprocessfacilities,andmanyothers.Atthattime,thePLCreplacedthehardwiredlogicwithsoft-wiredlogicorso-calledrelayladderlogic(RLL),aprogramminglanguagevisuallyresemblingthehardwiredlogic,andreducedtherebytheconfigurationtimefrom6monthsdownto6days[MoodyandMorley,1999].AlthoughPCbasedcontrolhasstartedtocomeintoplace,PLCbasedcontrolwillremainthetechniquetowhichthemajorityofindustrialapplicationswilladhereduetoitshigherperformance,lowerprice,andsuperiorreliabilityinharshenvironments.Moreover,accordingtoastudyonthePLCmarketofFrostandSullivan[1995],anincreaseoftheannualsalesvolumeto15millionPLCsperyearwiththehardwarevalueofmorethan8billionUSdollarshasbeenpredicted,thoughthepricesofcomputinghardwareissteadilydropping.TheinventorofthePLC,RichardEMorley,fairlyconsidersthePLCmarketasa5-billionindustryatthepresenttime.ThoughPLCsarewidelyusedinindustrialpractice,theprogrammingofPLCbasedcontrolsystemsisstillverymuchrelyingontrial-and-error.Alikesoftwareengineering,PLCsoftwaredesignisfacingthesoftwaredilemmaorcrisisinasimilarway.Morleyhimselfemphasizedthisaspectmostforcefullybyindicating`Ifhouseswerebuiltlikesoftwareprojects,asinglewoodpeckercoulddestroycivilization.”Particularly,practicalproblemsinPLCprogrammingaretoeliminatesoftwarebugsandtoreducethemaintenancecostsofoldladderlogicprograms.ThoughthehardwarecostsofPLCsaredroppingcontinuously,reducingthescantimeoftheladderlogicisstillanissueinindustrysothatlow-costPLCscanbeused.Ingeneral,theproductivityingeneratingPLCisfarbehindcomparedtootherdomains,forinstance,VLSIdesign,whereefficientcomputeraideddesigntoolsareinpractice.ExistentsoftwareengineeringmethodologiesarenotnecessarilyapplicabletothePLCbasedsoftwaredesignbecausePLC-programmingrequiresasimultaneousconsiderationofhardwareandsoftware.Thesoftwaredesignbecomes,thereby,moreandmorethemajorcostdriver.Inmanyindustrialdesignprojects,morethanofthemanpowerallocatedforthecontrolsystemdesignandinstallationisscheduledfortestinganddebuggingPLCprograms.Inaddition,currentPLCbasedcontrolsystemsarenotproperlydesignedtosupportthegrowingdemandforflexibilityandreconfigurabilityofmanufacturingsystems.Afurtherproblem,impellingtheneedforasystematicdesignmethodology,istheincreasingsoftwarecomplexityinlarge-scaleprojects.TheobjectiveofthisthesisistodevelopasystematicsoftwaredesignmethodologyforPLCoperatedautomationsystems.Thedesignmethodologyinvolveshigh-leveldescriptionbasedonstatetransitionmodelsthattreatautomationcontrolsystemsasdiscreteeventsystems,astepwisedesignprocess,andsetofdesignrulesprovidingguidanceandmeasurementstoachieveasuccessfuldesign.Thetangibleoutcomeofthisresearchistofindawaytoreducetheuncertaintyinmanagingthecontrolsoftwaredevelopmentprocess,thatis,reducingprogramminganddebuggingtimeandtheirvariation,increasingflexibilityoftheautomationsystems,andenablingsoftwarereusabilitythroughmodularity.Thegoalistoovercomeshortcomingsofcurrentprogrammingstrategiesthatarebasedontheexperienceoftheindividualsoftwaredeveloper.Three、nowofPLCFromthestructureisdividedintofixedPLCandModulePLC,thetwokindsofPLCincludingCPUboard,I/Oboard,displaypanel,memoryblock,power,theseelementsintoadonotremoveoverall.ModuletypePLCincludingCPUmodule,I/Omodules,memory,thepowermodules,bottomoraframe,thesemodulescanbeaccordingtocertainrulescombinationconfiguration.Intheuserview,adetailedanalysisoftheCPU'sinternalunnecessary,butworkingmechanismofeverypartofthecircuit.TheCPUcontrolworks,byitreadsCPUinstruction,interpretstheinstructionandexecutesinstructions.Butthepaceofworkbyshocksignalcontrol.Unitworkunderthecontrollercommandusedinadigitalorlogicoperation.Incomputingandstorageregisterofcomputationresult,itisalsoamongthecontrollercommandandwork.CPUspeedandmemorycapacityistheimportantparametersforPLC,itsdeterminesthePLCspeedofwork,IOPLCnumberandsoftwarecapacity,solimitstocontrolsize.CentralProcessingUnit(CPU)isthebrainofaPLCcontroller.CPUitselfisusuallyoneofthemicrocontrollers.Aforetimethesewere8-bitmicrocontrollerssuchas8051,andnowtheseare16-and32-bitmicrocontrollers.Unspokenruleisthatyou’llfindmostlyHitachiandFujicumicrocontrollersinPLCcontrollersbyJapanesemakers,SiemensinEuropeancontrollers,andMotorolamicrocontrollersinAmericanones.CPUalsotakescareofcommunication,interconnectednessamongotherpartsofPLCcontrollers,programexecution,memoryoperation,overseeinginputandsettingupofanoutput.Systemmemory(todaymostlyimplementedinFLASHtechnology)isusedbyaPLCforaprocesscontrolsystem.Asideform.thisoperatingsystemitalsocontainsauserprogramtranslatedformaladderdiagramtoabinaryform.FLASHmemorycontentscanbechangedonlyincasewhereuserprogramisbeingchanged.PLCcontrollerswereusedearlierinsteadofPLASHmemoryandhavehadEPROMmemoryinsteadofFLASHmemorywhichhadtobeerasedwithUVlampandprogrammedonprogrammers.WiththeuseofFLASHtechnologythisprocesswasgreatlyshortened.Reprogrammingaprogrammemoryisdonethroughaserialcableinaprogramforapplicationdevelopment.Usermemoryisdividedintoblockshavingspecialfunctions.Somepartsofamemoryareusedforstoringinputandoutputstatus.Therealstatusofaninputisstoredeitheras”1”oras”0”inaspecificmemorybit/eachinputoroutputhasonecorrespondingbitinmemory.Otherpartsofmemoryareusedtostorevariablecontentsforvariablesusedinusedprogram.Forexample,timevalue,orcountervaluewouldbe