南通西门子一级代理商通讯电缆供应商

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1 引言
工程公司主要生产钢瓶、贮罐及氮气包等各种三类容器。由于该类容器属于剧毒、高压类容器，其工作压力一般在(2.0~16.0)MPa，因此对热处理的要求也特别高。
      公司原有热处理炉的炉膛长12m、宽3.6m、高4m，热处理炉共有14个加热点，即14个燃气喷嘴，左右两侧的下方各均匀地排列7个。另有4个温度检测点。在热处理过程中，工人要密切注视着热处理炉中温度的变化，根据热处理工艺要求及当前温度值的大小，经常调节进气量的大小以达到控制炉温高低的目的。由于热处理炉的容积较大，故热处理炉内各部分的温差也较大。在一次设备的热处理过程中，工人往往要进行数十次进气量的调整。这种控制方法不仅增大了工人的劳动强度，重要的是热处理炉进气量调节的幅度是工人凭经验来进行控制的，加上温度变化的滞后性较大，常常会因为操作不当而引起炉内各处温差较大或温升速率偏离热处理工艺要求过多(一般要求温升速率为100℃/h)，使得被处理的设备可能会由于“严重网状”而产生裂纹;有时也可能会因为加热不足或过热等现象，使得被处理的设备表现出硬度不足、球化不或晶粒粗大、碳化物粗厚等疵病。
      热处理质量一般需要通过专门的仪器才能得到鉴定，而要对出厂的每一个设备都做这样的鉴定是有一定困难的。所以热处理质量的好坏关系到设备使用的性能。为提高热处理过程中的自动化程度，改善热处理效果，保产品质量，提出了对原有热处理炉进行改造，设计一个新型的热处理炉。
2 热处理炉控制系统的设计
2.1 系统结构框图
      热处理炉控制系统结构如图1所示。为实现对热处理炉进气量的均匀控制，将原来1个点上只有1个喷嘴改成1个点上有3个喷嘴，这样热处理炉由原来的14个喷嘴增加至42个喷嘴。但总的进气量基本保持不变。热处理炉控制系统在工作中视炉内温度的高低来决定打开几个喷嘴。另外，为准确反映炉内温度，温度检测点也由原来的左右各2个变成左右各4个，再加部4个，总共有12个温度检测点。系统选用日本三菱公司的FX2N-128MR作为数据采集、逻辑控制及实现PID调节的主控单元;选用上海嘉松机器有限公司生产的ZCZG高温电磁阀作为进气控制的执行元件。

图1 热处理炉控制系统结构图

2.2 系统工作原理
      系统人机对话功能模块由BCD码拨盘、显示模块和声光报警等部分组成。BCD码拨盘用来完成给定温度的设定和温度检测点的选择等功能;通过BCD码拨盘的切换可显示炉内任一个温度检测点的温度;系统的控制信号是根据传感器所检测到的温度与给定温度进行PID运算后直接驱动可控硅对ZCZG高温电磁阀进行控制;电磁阀通电后，阀中的连杆被提升，之后转轴开始转动并作用于导阀从而打开主阀，断电后，在衔铁自重及返回弹簧作用下关上导阀，靠压差关闭主阀;当系统到温升速率大于给定温升速率或恒温时温度偏离允许的范围，系统都会为发出声光报警。
2.3 PID调节算法及系统主要参数设定
      在由数字PID调节算法来实现控制的系统中，过程控制对象需要的是控制对象的，而不是其增量。目前常用的PID调节算法有位置式算法和增量式算法两种。位置式算法每次输出均与整个过去的状态有关，计算式中要用到过去误差的累计值，因此容易产生较大的积累误差。而增量式PID算法只需要计算其增量，计算误差或精度不足对控制量的影响相对较小。故系统数据运算时采用增量式算法，而输出控制采用位置式算法。其运算式为:

      PID调节算法中参数的选择是关系到PID调节性能好坏的关键所在。若简单地用试凑法来整定PID的调节参数，需要进行多次的模拟或现场试验才能得到所需参数。若先将调节器选为纯比例调节器，并使之形成闭环，再根据经验数据，使系统对阶跃输入响应达到临界振荡状态，这时的比例系数记为Kr，临界振荡的周期记为Tr。根据齐格勒－尼柯尔斯(Ziegle-Nichols)提供的经验公式，可求得不同类型调节器的参数。考虑到控制对象的特点，经过试验，后确定比例常数Kp=4.5、积分常数Ti=8.0、微分常数Td=2.8。
      系统的采样周期T也是PID调节算法中的重要参数:从物理意义上讲采样周期的大小取决于被控参数的变化速率和被控过程对控制量的响应快慢。从理论上讲采样周期越短越好，但若采样周期过短，则有可能将噪声当作有用信号引入系统，至使系统发生不必要的升阶。系统实际选取的采样周期T=18s。
3 可控热处理炉控制系统的调试
      ，在PLC的输入X0－X77加开关量，看PLC上X0－X77相应的灯是否亮。再通过三菱编程软件FXGP_WIN_C强制输出Y0－Y77，看PLC上Y0－Y77相应的灯是否亮。由此鉴定PLC本身的性能好坏。
接着，可用电阻箱来模拟温度模块输出的变化情况。把电阻箱打到1000Ω档，相当于热处理炉刚开始加温，于是PLC送出打开全部喷嘴进气的命令;把电阻箱打到2000Ω档，相当于热处理炉已达到给定的工作温度，PLC送出关闭全部喷嘴进气的命令;若使电阻箱的阻值在1250～2000Ω之间变化，PLC根据当前数据及PID运算的，发出关闭部分燃气喷嘴进气的命令，以保证热处理炉中的温度符合热处理工艺的要求。
4 结束语
      新型热处理炉投入使用后，工人只需在设备进行热处理前通过BCD码拨盘输入欲保温的温度值、恒温的时间和允许的温升速率，系统就能自动地完成整个热处理过程。这不仅大大降低了工人的劳动强度，重要的是它能使设备的热处理效果符合热处理工艺的要求，提高了产品质量的性。

一、引言
    随着工业生产自动化水平的不断加快，对控制系统提出了愈来愈严格的要求。随着大规模集成电路广泛应用，控制系统本身也得到长足发展，已由原来的分立元件、继电器控制，发展成为大规模集成电路的微机控制。控制方式也由原来的分散控制发展为集中控制 。正是在这种发展的需求下，可编程控制器应运而生。由于可编程控制器（PLC）具有体积小、抗干扰能力强、组态灵活等优点，因而在工业控制系统中得到非常广泛的应用。
    在电缆自动生产线检测控制系统中，可编程控制器主要用作下位机，检测各状态点的状态，直接控制系统的启、停和其他控制单元的投切，并将各点的状态送给上位机——计算机，计算机综合可编程控制器和其他设设备的数据，作出相应的处理和显示。关于整个系统的设计与实现另文介绍，本文主要介绍该系统中用作下位机的可编程控制器的作用、与计算机的通讯及程序设计方法。
    二、可编程控制器的性能特点
    用于控制系统中的可编程控制器是以循环扫描的方式工作，它不断读取输入点的状态，然后按照既定的控制方式进行逻辑运算，将从输出端送出，从而达到控制的目的。它是由工业微型计算机、输入/ 输出继电器、保护及抗干扰隔离电路等组成的微机控制装置，具有顺序、周期性工作的特性。由于它具有可编程的功能，且其基本输入/输出点全部使用开关量，因而可以替代继电器控制系统和由分立元件构成的控制系统。从应用角度来看，可编程控制器具有如下特点：
    1、性高：可编程控制器的输入/ 输出端口均采用继电器或光耦合器件，即基本输入/ 输出点均为开关量，同时附加有隔离和抗干扰措施，使其具有很高的抗干扰能力，因而能在比较恶劣的环境下工作。
    2、体积小：在制造时采用了大规模集成电路和微处理器，用软件编程替代了硬连线，达到了小型化，便于安装。
    3、通用性好：可编程控制器采用了模式化结构，一般有CPU模块、电源模块、通讯模块、PID模块、模拟输入/ 输出模块等。用这些模块可以灵活地组成各种不同的控制系统。对不同的控制系统，只需选取不同的模块设计相应的程序即可。
    4、使用方便、灵活：对于不同的控制系统，当控制对象及输入/ 输出硬件结构选定后，若要改变控制方式或对控制对象作一些改动，只需修改相应程序即可，无须对系统连线作较大的修改。从而减少了现场调试的工作量，提高了工作效率。
    三、用作下位机的可编程控制器
    由于可编程控制器具有上述特点，因而在检测和控制系统中得到广泛应用。但因其性太强以及受输入/ 输出节点数的限制，在由可编程控制器构成的系统中，可编程控制器主要用来完成组合逻辑与时序逻辑的输入/ 输出控制。另外，由于可编程控制器无法以比较灵活的方式显示当前各个输入/ 输出点的状态，不能以多种方式提供整个系统的运行情况，因而，在用可编程控制器构成比较大的检测控制系统时，一般用可编程控制器完成信号的采集和控制，比较复杂的数据处理、图形显示、人机界面等由计算机来完成。
    在电缆自动生产线检控系统中，可编程控制器作为下位机用来控制各种电机、风机的启、停，调速器的投切，读取各控制点的状态，然后将各点的状态输入到上位机——计算机。计算机处理可编程控制器和其他设备的信息，以图表的方式显示，使操作者对生产线的工作状态一目了然。计算机和可编程控制器的硬件连接及可编程控制器与各控制端、状态点的连接如图1所示。

    本文简要介绍了可编程控制器的性能、特点，在电缆自动生产线中将可编程控制器与计算机以RS - 232的方式连接，并设计了相应程序。按照这种连接和设计，我们完成了计算机与可编程控制器的通讯，实现了电缆生产线的检测控制系统，实际运行良好。

    前言
    可编程控制器（PLC）由于其运算速度高、指令丰富、功能强大、性高、抗干扰性强而广泛应用于各种工业控制部分，在智能现场控制系统中，选用PLC作为控制器是十分有效的。本文以汽车传动轴防尘罩的检 测为背景，着重讨论一种基于PLC控制的模拟汽车传动轴防尘罩实际运行环境的高低温试验箱控制系统的研制。
    汽车传动轴防尘罩的作用是防止灰尘、杂质等进入前轮传动轴的连接处，同时也防止高温润滑油从中溢出。根据有关规定，本系统要求防尘罩在2500转/分下保持其的断裂延展特性，在－60～150℃下，能通过1～6千万次循环试验。在此情况下，我们受委托对汽车传动轴防尘罩高低温试验箱进行改造，以工控机为人机接口，采用PLC程序控制系统。
    1、系统功能分析
    传动轴防尘罩温度试验的基本要求是：在规定的温度下，以一定的转速运行一定的时间。交替设定温度、转速及时间（多为4组）循环一定次数构成一个测试阶段。测试过程多可设4个阶段，每个测试阶段的循环次数由测试员现场设定。实验中主要控制量有试验箱内温度（-60～150℃）、传动轴转速（0～1500rpm）、固定角及滑动角角度、测试时间（1～60000分）及阶段循环次数。测试过程要求调整固定角及滑动角的角度、启动温度控制系统使温度逐步达到设定值、使传动轴在设定的转速下运行规定的时间。现场设定不同的条件交替测试，循环一定周期。
    根据测试要求，系统应具有手动，自动操作功能。手动操作时，操作人员可以直接控制电机、压缩机、加热器等设备的启停，进行设备维修，调试和试验等；自动操作时，测试装置自动完成整个测试过程。另外，控制系统还应具有完善的保护功能以保护人员及设备。任何时候都可以强行停止测试。若测试过程因故障原因终止，需要记录故障原因及测试进展状况。
    2、控制系统的设计与实现
    2.1 控制系统硬件结构设计
    本系统人机界面部分采用闽台研华公司生产的奔腾机，软件部分采用Delphi编程，在系统中协调控制，打印输出，过程值显示，控制部件为OMROM的可编程控制器，它负责各控制系统所需要的各种逻辑控制和运算。被控对象有变频调速系统和温度系统。变频调速由日本安川公司生产的变频器驱动传动轴电机，使传动轴保持一定的转速。温度控制系统是一个典型的闭环控制系统，温度测量元件为铂电阻，由PLC控制电加热器及压缩机，实现加热或制冷。加热系统由三个电加热管组成，制冷系统由两级压缩机组成，其通断由PLC控制。
    为实现检测控制要求，本系统采用日本立石(OMRON)公司CPM2A-40CDR-A的PLC作为主控单元。其输入点数为24点，输出点数为16点。该PLC具有体积小，重量轻，运行，保护方便等特点。系统除了基本的开关量的输入/输出外，还配有模拟量的输入/输出扩展单元。模拟量输入单元用于接收Pt100热电阻温度信号，模拟量输出单元控制变频器输出频率，实时全部模拟信号，进行工程量转换，并与设定的上下值比较，开关量单元用于控制电机的启停，故障的报警等。 PLC的I/O分配和功能如图1所示。

图1 I/0分配与功能图

    2.2 变频器控制系统
    本系统的传动轴转速由变频器控制。控制部分主要由PLC、变频器、光电接近开关组成。传动轴旋转部分采用日本SANKEN公司IF－7.5K变频器驱动变频电机。采用转速闭环矢量控制，调速范围0～2500r/min,调速精度<0.02%。PLC通过模拟量输出单元将0～6000的数字量信号转换成4～20mA电流信号给变频器作为频率输出设定。传动轴实际转速反馈信号由PG光电接近开关输出，其输出脉冲经PLC计算作为电机的速度负反馈信号。
    根据生产工艺对系统运行时稳态精度及跟随能力的要求，变频器内部的PID调节器设定为比例积分调节方式，由PLC的速度给定值与由脉冲编码器的现场速度反馈值比较后，得到速度偏差，经比例积分控制器处理后，输出的二次电流信号作为频率输出，送矢量控制系统，控制电机运行。恒功率的分界点以及它们的频率范围内的P.I值，由现场负荷调试确定，已达到运行效果。
    因为转角电机的频繁快速启停，制动时经常会产生很高的泵升电压，因所选变频器为交-直－交电压源时，泵开电压不能回馈电网，故采用制动单元并配以电阻加以吸收。当变频器直流电路升高到一定值（660VDC）时，制动单元中的IGBT管被触发导通，接通制动电阻回路，将转角电机的回馈电能消耗在制动电阻上，以满足快速停止的要求。
    2.3 温度控制系统
    试验箱内的温度调节范围为－60℃～150℃，具体值由操作员现场设定。系统加热时采用三个晶闸管控制的电加热管，合上主回路的操作开关，整个加热装置开始运行，未达到设定温度时，固态继电器SSR1吸合，1号加管加热，系统逐级开启2号，3号加热管。达到设定温度时，进入保温阶段，采用控制3号，2号加热器的输出通断来调功调温。使用控制箱风机来保证温度均匀变化。如果箱内温度达到高温界限，系统将会报警。
    单级蒸汽压缩制冷所能达到的蒸发主要取决于冷凝温度及压力比，对于氟利昂制冷剂，一般压力不过10，这样采用单级蒸汽压缩制冷循环，一般只能制取-20～-40℃的低温因此采用单级蒸汽压缩制冷循环将无法满足本系统制取-60℃低温的要求，在此情况下，决定采用两台低温压缩机组成的复叠式制冷系统，两级复叠制冷系统将级蒸发器与二级冷凝器复叠在一起，使二级低温制冷剂在－35℃左右冷凝，在－80℃左右蒸发，以获得系统所需要的低温。

图2 温度控制系统电路图

    3、PLC控制系统的软件设计
    为了方便调试和编程，整个软件系统采用模块化编程，主要由手动运行模块，自动运行模块和故障诊断和报警模块。在软件编制时，采用了一些抗干扰措施，增强了整个系统的抗干扰能力，在计算机上可以实现实时操作，控制并观察现场各设备的运行情况。
    当系统处于手动运行时，PLC接收各设备状态，由此判断各设备的运行状态，可单运转变频电机、加热器、制冷系统的压缩机。便于系统的调试和维修。
    系统自动运行时，只须按照计算机屏幕提示，设置操作参数，，试验即自动进行下去，并在计算机屏幕上实时显示各设备参数。试验过程中或试验结束后，均可按照提示选择打印方式打印。以下介绍温度控制子程序。
    由于系统采用三套晶闸管控制的电加热器。常用的控制方式有两种：一种是分段开关控制，根据温度的高低，逐级开启或关闭加热器。这种方法温度偏差大，精度较低。另一种是PWM脉宽调制，在PLC中实现PWM程序比较复杂。回路中的电加热器为满足温度恒定的需要，经常切换工作状态，而常规的电磁继电器开关触电易磨损，寿命短。所以对种方法进行改进。
    由于系统是二阶系统，在系统温度下降时，增加加热管，温度由于惯性的原因，温度继续下降一段时间后再上升，同样减少加热管，温度会上升一段时间后再下降。我们将前后两次测量值进行比较，得到温度偏差e，系统根据e来控制加热器的状态转换。当e较大时，此时通过逐级打开加热器来调整温度。
    启停切换顺序为：启动顺序：1＃ 2＃ 3＃；停止顺序：3＃ 2＃ 1＃；温度的变化值e: e=Ti－Ti－1。其中Ti ,Ti－1分别是本次温度采样值与前次温度采样值，并记试验箱温度允许上限为HSP，允许下线为LSP。PV为温度测量值。考虑到前后两个采样周期的变化温度e变化不大。当当前温度值PV＋个周期变化温度值e﹥温度设定上限HSP时，就减少加热管。反之，当PV+e﹤LSP时，就增加电加热管。程序框图如图3所示。

图3 温度控制流程图

    电气系统已设计了各种保护，并直接作用至断电，其中包括：缺相保护、过载保护、旁路保护。 其中变频器具有短路、过载等保护功能，当变频器所驱动的电机发生短路、过载等故障时，变频器将自动切断一次供电回路，进入保护状态并输出报警信号，系统把各故障点相应的接触器、短路器等元件的辅助触电接到PLC，PLC扫描输入这些触电的状态，并通过PLC程序将这些状态存放在数据存储区，再结合控制程序和设备预置状态进行逻辑分析，判断设备或元件是否出了问题。
    4、结束语
    可编程控制器（PLC）控制的汽车传动轴防尘罩高低温试验箱可以控制传动轴转动速度、调整其运行环境温度、实时监测试验箱内各种变量状态、灵活处理数据的通信，并将数据实时显示在计算机上，而且可以将所得的数据进行存储打印输出，以便后查。大大提高了系统的效率。