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电 气自 动 化 2 O l 0 年 第3 2 卷第4 期 可 编 程序 控 制器 应 用 堕 热压成型机 P L C控制系统设计 六 宝鸡文理学院电子 电气工程系 陕西 宝鸡 7 2 1 0 0 7 吴宏岐秦少军刘 霞 吕晓峰 摘要 对热压成型机的结构、 原理及生产工艺进行了全面的分析， 以 O MR O N公司 C P M 2 A P L C为系统主机， 采用一体化三相调压模块 S C R、 一体化温度变送器 S B W等集成模块 ， 设计了具有手动和自动两种工作方式的热压成型机 P L C控制系统。系统工作可靠， 操 作简单 ， 能有效的对热压成型机设备进行控制。 关键词 可编程序控制器热压成型机控制系统 【 中图分类号 ] T P 2 7 3 ． 5 【 文献标识码] B[ 文章编号 ] 1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 0 0 4 0 0 4 4 0 3 De s i g n o f PL C Co n t r o l Sy s t e m f o r Ho t p r e s s i n g Sh a p e r D e p t ．o fE l e c t r o n i c s E l e c t ．E n g ． ，B a o j i C o l 1 ．A r t s S c i ． ，B a o j i S h a n x i 7 2 1 0 0 7 ，C h i n a Wu H o n g q i Q i n S h a o j a n L i u X i a L u X i a o f e n g Abs t r a c t Th e s t r uc t ur e，wo r k i n g p rinc i p l e a nd ma n u f a c t u rin g t e c h ni q ue o f h o t pr e s s i ng s h a p e r a r e r o u n d l y a n a ] y z e d i n o r d e r t o r e a l i z e t h e a u t o ma t i c c o n t r o l wi t h hi g h e ffic i e nc y，h i g h a c c u r a c y a n d h i g h r e l i a b i l i t y a n d t o i mpr o v e t h e qu a l i t y o f pr o d uc t ． A ho t - p r e s s i n g s ha p e r PLC c o n t r o l s y s t e m， wi t h OMRON CP M2APLC b ei n g s y s t e ms ma i n f r a me a nd ma n ua l mo d e a nd a u t o ma t i c mo d e，i s d e s i g n e d b y us i n g i n t e g r a t e d t hr e e ph a s e v o l t a g e r e g ul a t o r mo d u l e SCR a n d i nt e g r a t e d t e mp e r a t ur e t r a n s mi t t e r SBWR a n d l i ke s ． I t h a s ma n y me rit s s u c h a s s i mp l y o p r e t i o n，r e l i a bl e wo r k a nd e f f e c t i v e c o n t r o 1 ． Ke ywo r P LC ho t p r e s s i n g s ha p e r c o n t r o l s ys t e m 0 引言 广泛应用 于工业生产 中的热压成 型机 ， 是利用带有热源 的模 具对加有固化剂 的原材料 如玻璃纤维毡 进行 固化成型的设备 。 产品质量要求的提高，对模具温度控制精度及上模升降控制准确 性和可靠性 提出了更高 的要求 。原有的热压成型机控制系统采用 继电接触器控制 系统和常规仪表实现模具 的升降控制及温度位式 控制， 系统可靠性不高， 温度波动较大， 恒压时间不准。为此， 采用 专为工业环境下应用而设计的可编程序控制器 P L C 、一体化温 度变送器和调压模块构成控制系统 ，实现对热压机高精度 和高可 靠性的 自动控制 。系统操作简便 ， 便 于维护 ， 控制质量高 ， 大大 的 提高了热压机的工作效率。 1 热压成型机基本 工作原理及控制要求 1 ． 1 基 本工 作原 理 如图 1 所示 ，热压成型机通 过电磁 阀控制液压缸驱动上模 上下移动 电磁阀动作表 1 。 工作时 ， 先使模具 中的加热器 带电加 热， 使其温度升高到预定值 ， 然后把材料放入下模中， 启动液压泵， 上模下移与下模 合在一起 ，并在一定温度下保持压力 。达到规定 的工艺时间后， 上模 自动上移到位停止等待， 待成品取出后， 填人 材料进行下一个 产品成 型。如此循环工作 ， 直到设备工作结束 。 1 ． 2 控 制要 求 根据生产工艺 ， 要求①热压成型机的上 、 下模 加热 系统均采用 P I D温度控制 ； ②液压泵在上 下模 温度达到设定值时 自动启动 ； ③ 控制系统设置 “ 手动调整”和 “ 自动工作 “ 两种操作方式， 用开关 S A1 进行选择。 ④要有上下模温度显示； ⑤各个部分工作时要有信 ★基金项 目 陕西省 宝鸡 市 自然科学基金 项 目0 8 K G 0 22 4 4 l E le c t r ic a I Au t o ma t 号灯显示；⑥具有必要的 连锁保护环节 。 2热 压 成 型 机 控 制 系统 硬件 电路设 计及控制原理 2 ． 1 硬件 电路 设计 2 ． 1 ． 1系统组成 图2 所 示为 以 P L C为 控 制 核 心 的 控 制 系 统 框 图 。 由七部分组成 分别为 主 控制 器 P L C； 驱 动热 压 成型机上模升降的液压系 统 ； 上模内加热 系统 ； 下模 内加热 系统 ； 上 下模 温度 显示 装 置 ； 上 下模 P I D温 度 控制 的给 定设 定装 置 ； 各个部分工作状态 的信号 显示 。 2 ． 1 ． 2系统主 电路设计 图 3所示为热压成型 机 主 电路 图 。 由接 触 器 K M1触点 控制 液 压 系统 电接 点 压 力表 液 压 缸 图 1液压 回路控制原理 图 表 1 电磁阀动作表 ＼电磁阀 动作、＼ YV 1 YV 2 一 l Y V 2 2 ＼ 上模 下降 保 压 上模上升 停 J f 中液压泵的启动与停止 ， 为使其安全工作 ， 采用 了断路器 Q F对其 进 行短 路保护 和欠 压保 护 ，采用 热继 电器 F R对其进行 过载保 护。热压成型机里的上下模 内各 自采用 了一套一体化三相调压模 信 号 显 不 液 压 升 降系统 上 模 加 热 系 统 P L C 控 制器 温 度 设 定装 置 下 模 加 热 系 统 温 度 显 不 图 2 热压成型机 P L C控 制系统框 图 N R S T 可 编 程 序 控 制器 应 用 P L C A p p l ic a t i o n s ． 块 S C R 其 内部 集 三 相 移 相触 发电路 、 单相 可控硅 、 R C阻容 吸 收 回路 及 电 源 电路 等于一体 ， 其模块 上 的电 压控制 端 ， 接受 来 自 主控器 P L C输给的控制电 压 信 号 ， 改 变模块 输 出端 的电 压值 ， 实现 加热 器上 的电 压调节 ， 从 而控 制加 热 器输 出功 率 ， 达 到模具 内温度 定值 调 节 的 目的 。 接触 器 K M 触点 和 K M ， 触 点 实 现 调 压 模 块 S C R - 和 调 压 模 块 S C R 的带 电 与 失 电控 制 ， 短 路 器 F u 。 和 F u 实现线路短路保护 。 2 ． 1 ． 3 P L C控 制 电路设 计 如 图4 所示 ， 本系统采 用 0MRO N C P M2 A． 3 0 CD R P L C， 增 加 二 个 扩 展 模 块 MA D 0 1 ， 构 成 1 8 点 开关 量 图 3 主 电路 点模 拟量 输 入和2 点模 拟 量输出的主控制器 ， 实现对各个 部分的集中控制 。 由开关 S A 一 进行 手动和 自动控制 的切换 ， s B ． 和 s B 分别是 系统 自动控制 的启 动和 停止按钮 ， S B ， 和 S B 分别是系统手动控制的启 动和停止工作按钮 ； s B s 和 s B 分别是上模上升运动和下降运动的控制按钮。 s Q是上模 升降运动的上限位行程开关， 电接点压力继电器 s P实现上下模 合模 时 的压力 检测 ， 拨 码器 实 现上 下模 具 内的控 制温 度设 定 。 K M 、 K M 、 K M ， 分别是液压泵 、 上模加热 系统 和下模加热系统 的电 源控 制开关 ； H L 一 、 H L 2 和 H L 3 分别 为液压泵工作 、 上模加 热器工作 和下模 加热器工作 的信号显 示灯 。 电磁 阀 Y v。 和 的 Y v 控 制液压 系统 ， 由 Y V 一 和 Y V 一 z 线圈实现上模上升和下降移动控制 ；H L 6 、 H L 分别为上模下降和上升移动的指示信号灯。 H L 4 、 H L 5 分别为系 统 自动工作 和合模保压工作指示信号灯 。 铂 电阻 R t 对上模和下模 的温 度进行 检 测 ， S B W 为 一体 化温度 变 送器 ， M A D为模 拟量 输 入／ 输出模块 ， 其模块 的输出 电压 v 。 和 v 分别控制主 电路 中的调 压模块 S C R 和调压模 块 S C R z 。 采用二块 数字 温度显示 仪表分 别 显示上模 、 下模温度 。 转换开关 S A 实现上模移动 的紧急控制 。 2 ． 2控制系统工作原理 ①合上电源总开关 Q F 如图 3所示 ， 热压成 型机 系统带 电。 根据工艺要求， 通过拨码器设定控制温度值 1 5 0 C 。如转换开关 S A I 是打到 自动控制位置 ， 如 图 4所示 ， P L C输入 点 0 0 0 0 2输入信 号“ l ” ， 经 P L C内部逻辑处理 ， 其输 出点 0 1 0 0 3输出信号⋯ 1 ’ 使 H L 4 亮 ， 表示系统处于 自动控 制状态 。 如转换开关 S A 是打到手动控制 位置 ， 则 P L C输入点 0 0 0 0 2输入信号是 ⋯ 0 ’ ，经 P L C内部逻辑处 理， 其输出点 0 1 0 0 3 输出信号 ⋯ 0 ’ 使 H L 4 灭， 表示系统处理手动控 电气 自动化} 2 0 1 0年第 3 2卷 第 4期 制状态 。② 自动工作状 态 时 ， ，按 下启动 按纽 S B l ， P L C输入 点 0 0 0 0 0 输入信号 ⋯ 1’ ，经 内部 逻辑处理 ，P L C输 出点 0 1 0 0 0 、 0 1 0 0 1 、 0 1 0 0 2分 别输 出信号 ⋯ 1 ’ ，使接 触器 K Ml 、 K M2 、 K M 3 带 电吸合 ，从而控制主 电 路 中 的液 压 泵 电机 运 转 、上下模加热器开始 加热 。P L C根据设定 的 温 度 值 进 行 上 下 模 温 度 P I D 自动控制 。在这 一 控制过程 中，随着模 具温度 的变化 ，二个热 电阻温度 变送 器 S B W- 和 S B W2 分别将温度 信 号转换成电流信号 ，传 给 各 自的 显 示 仪 表 显 示温度 ，同时分别通过 二 个 模 拟 量 模 块 M A D 0 1转 换 成 数 字 量 CPM2 A一 3 0 CDR 输入进 P L C中， 从 而实图 4 热压成型机 P L C控制 系统接线图 现 自动温度 调节 。③经一定 的调节过程 ，使其上下模 的温度保持 在设定的数值上 ，也就是上下模的温度达到了工艺要求的温度值 时， P L C通过输 出点 0 1 0 0 5 、 0 1 0 0 7分别输出信号给电磁阀 Y v 。 和 Y V 电磁 阀控制液压缸工作 如 图 1 所示 ， 驱动上模 向上移动 ， 同时上模上升指示灯 H L 7 亮。当上模上升到位后碰限位开关 s Q 使其常开接点闭合 ， 使 P L C的 0 0 0 0 5输入点输 入信 号为 ⋯ 1 ’ ， 经 内 部逻辑运算后 P L C从 0 1 0 0 2输 出点输 出信号 ⋯ 0’ ， 电磁阀的 Y v 一 失 电， 上模停 止移动， 同时 P L C内部定时器启动开始定时。定时时 间内，工作 人员将玻璃纤 维等材料置入下模具 中。定时时间到 ， P L C通 过输出点 0 1 0 0 5输 出信 号给电磁 阀 Y V 液压缸 活塞带 动上模下降 如置料过程因意外还没完成 ，可操作转换开关 S A ， 通过 0 0 0 0 6接点输入信号 ⋯ 1 ’ 给 P L C ， 使输入点 0 1 0 0 5输 出⋯ 0’ ， 上 模将停 止下降 ， 同时上模下降指示灯 H k亮 。④ 当上模下降到合 模 位置时 ， 上模下 降遇 阻， 电接点压力表的压力迅速升高 可看到 其显示 数值 。当合模压力达到设定值 时 ，其接点 S P闭合 ，通过 P L C的 0 0 0 0 7输入点输 入信 号⋯ 1 ’ 。经过 内部逻辑运算 ， P L C输 出 点 0 1 0 0 5输 出⋯ 0’ 信号 给电磁 阀 Y v ． ． ， 油路停 止给液压缸供油 。 在液压锁作用下 ，液压缸开始保压 ，P L C输 出点 0 1 0 0 4输 出信号 ⋯ 1 ’ 给保压状态指示灯， H L 4 亮。⑤当合模保压时间达到设定值时 材料在一定的保压时 间内完成成 型 ， P L C输 出点 0 1 0 0 5 输 出信 号⋯ 1 ’ 给电磁 阀 Y v _ 2 ’ 控制液压缸带动上模 向上移动。 此 时， 可以 取 出成型产品 ， 如此循环工作。若按下停止按钮 S B 2 ， 系统将停止 工作。⑥如将开关 S A 打向手动位置， 则可操作 s 、 s B 启动和停 止液压泵及加热控制系统工作。 按下 s B s 点动控制上模上升， 按下 s 点动控制上模下降。通过人工观察 ， 操作热压成型机完成材料 Ele c t r i c a l Au t o ma t io n l 4 5 电 气自 动 化 2 o l o 年 第3 2 卷第4 期 可 编 程 序 控 制 器 应 用 垒 Q 堕 成 型 工 作 。 在上模移动及合模过程 中，上下模 内的温度受各种 干扰 的影 响会变化。此时 P L C A／ D模块接受的温度信号不等于给定值 ， 通 过 P I D控制程序对偏差信号运算处理后 ， 经过 D ／ A模块输出电压 信号 V 和 V z 分别控制加热系统 中的调压模块 工作 ，从而调节加 热器的输出功率 ， 实现温度的恒定控制 。 3 热压成型 P L O控制系统软件设计 控制系统程序设计采用基 于个人计算 机的 C X - p r o g r a m me r 编 程软件 ， 适用于 O M R O N P L C的用户程序编制 。通过 P C ／ P P I 电缆 与 P L C编程 口相连 ， 支持 梯型图或指令编程。它还 可以使用统一 的 WI N D O WS开发工具操作 ，其强大的监控和调试功能使得程序 开发简单。其控制系统软件设计流程图如图 5所示。 3 ． 1 P I D控制算法的 P L C实现 用 P L C实现上模温度和下模温度两个回路的 P I D闭环控制。 其 P I D控制程序设计 通过 P L C的 PI D功能指令 P I D 一 ， 有三个操 作数 ， 分别是输入数据字 I W， 第一参数字 P 1 ， 输出数据字 O W实 现。当它与模拟量输入 一 输出模块一起使用时， 不但能达到良好的P 工作 开始 初始化 参数设置 A I D转换 PI D运 算 上下 模温度调 节 是否 自动 、 ． ／ 王 上模升 降 自动控制 连锁报 警 结束 N 上模升 降 手动控制 图 5 P L C程序流程图 I D控制效果， 而且有 良好的 经济性。 程序设计时 ， 必须给 P I D 一 提供从 P 1 开始 的总 共 3 3个连续 字 P 1 一 P 1 3 2 ，当执 行条件为 O N时 ， P I D 一 指令根据 P 1 一P 1 6 中指定参数 进行 P I D控制 ， 如表 2 所示。 3 ． 2 P I D参数的确定 系统调试时 ，上下模的 PI D温度控制 中， 必须要进 行 P I D参数 整定 ，即确定 最佳的 比例度 6 、积分时间 、微分时间 7 1D 。我们采用 临界比例度法 ，把调节器 的 积分时间 置于最大 ， 微分 时 间 7 1 D 置于零 ，比例度置 于最大值 ，使系统投入 闭环 运行 ，然后将调节器比例度 由大逐 步减小 ，并反复调 整 得 到如 图 6所 示 的 系统 等幅振荡过程。此时，调节 器 的比例度为 r 临界 比例度 龇， 振荡 曲线 的两个波峰之间 的 时 间 即 为 临 界 振 荡 周 期 ，根据这两个临界值 ， 可通 过下表 3中经验公式进行 P I D 最佳参数计算 。 4结束语 采 用 P L C实 现热压 成型 机的自动控制 ，简化了控制系 统硬件接线 ，增强了控制系统 的控制功能。提高了系统的可 靠性 ，延长了系统维护周期和 使用寿命 。 其手动、 自动两种工 作方式的设计，为调试和维修 提供方便 ，也 为生v 产提供可靠保障。 其 上 下 模 温 度 控 制 ，采用了多个集 成 模 块 ， 并 运 用 P I D控 制指令达到 了 较 高 的控 制 精 度 。实验表明系统 可以很好的满 足热 压 成 型 机 工 艺 要 求 ，能够提高工作 效 率和其 产品质 表 2 P I D指令使用参数设置 字 位 参数名 P 1 0 0一l 5 设定值 s V P 11 o ol 5 比例度 8 P l 2 o o一1 5 积分时间 T I ／ 采样周期 r P l 3 O 0一l 5 微分时间 T D ／ 采样周期 r P 1 4 0 0一l 5 采样周期 r 0 0一O 3 操作定义 P 1 5 0 41 5 输入滤波系数 0 00 8 输 出范 围 P 1 6 0 8一l 5 输入范围 P 1 7 已被系统使用 P 1 3 2 0 01 5 用户不能使用 I I 入 ＼／ 1 图 6系统等幅振荡过程 表 3 临界振荡整定计 算公式 控制方式 8 T I T D PI D I ． 7 8 K 0． 5 8 K 0． 2 5 TI 量， 获得较好的经济效率 。 参考文献 [ 1 ] 廖常初 主编 ， 可 编程序控制器编程方法 与工程应用 [ M】 ． 重庆 重 庆大 学 出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 2 ] 孙增圻等 ， 智能控制理论与技术 [ M] ． 北 京 清华大学出版社 ， 2 0 0 1 ． 1 [ 3 】 赵文 峰编， 控制 系统设计及仿真 [ M] ． 西安 西安 电子科技大学出版社， 2 0 0 2 [ 4 ]O MRO N公司 C P M2 A可编程序控制器编程手册[ M] 2 0 0 3 ． 1 2 [ 5] 邵裕 森 、 戴 先 中主 编． 过程 控 制工 程 【 M】 ． 北京 机械 工业 出 版社 ， 2 0 01 ． 1 [ 6】 黄俊王兆 安编 ， 电力 电 子变 流 技术 【 M】 ． 北 京 机 械 工业 出版 社 ， 2 0 0 4． 2 [ 7 ] 吴海燕 P L C闭环控制系统 P I D控制器的实现【 J ] ． P L C F A ． 2 0 0 6 ． 8 [ 8 ] 徐瑾 瑜 P L C模拟量模块 在发动机进气控制 系统中 的应用 【 J 】 ．自动化 与仪器仪表 ， 2 0 0 7 ． 5 [ 作者简介 】 吴宏岐 1 9 6 3一 ， 男， 教授 ， 硕士生导师 ， 研 究方向 智能控制。 秦 少军 1 9 6 2一 ， 男， 副教授 。 刘 霞 1 9 7 4一 ， 女 ， 副教授。 吕晓峰 1 9 8 6一 ， 男， 硕士研 究生。 上接第3 7 页 [ 3 】 张炜主编 中文版 V i s u a l B a s i c 6 ． 0 数据库开发应用教 程[ M] ． 北京 航 空工业 出版社 ， 2 0 0 0 ． 6 [ 4】 韦建忠． V B网络编程 技术 中的 Wi n s o c k使 用 [ J ] ． 科技情报 开发与 经 济 ， 1 7 1 4 1 9 6～1 9 7 [ 5】 高俊光 ， 赵崇辉 ， 施 真芳． 基 于 V B的 Wi n s o c k控件的原理 与应用 [ J ] ． 应 用科技 ， 3 1 3 1 9 6～1 9 7 【 6 】 李廷文． VB控件高级编程 [ M】 ． 北京 人民邮电出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 7 】 赵松涛． Or a c l e 9 i 基础培训教程 [ M】 ． 北京 人 民邮电出版社2 0 0 3 ． 1 2 [ 8 】 飞思科技产 品研发 中心． O r a c l e 9 i 基础 与提高 [ M】 ． 北京 北京 电子工业 4 6 『E l e c t r i c a『 Au t o ma t io n 出版社2 0 0 3 ． 1 【 9 ] 南京 南瑞集团信息 系统分公 司． s y s K e 。 p e r - 2 O O 0 网络安全隔离装置 正 向型 用户手册 [ M] ． 南京 南京南瑞集 团信息系统分公司 【 作者简 介 ] 姚彬 1 9 8 2一 ， 男 ， 陕西商 南人 ， 硕 士研 究生 ， 主要研 究方 向 智能控制 ， 火 电厂热 工 自动化 。 王进 华 1 9 6 3一 ， 男， 福建人 ， 博 士 生导师． 主要研 究方向 鲁棒控制 、 非线性控 制。 康 孝顺 1 9 7 3一 ， 男， 福 建泉州人 ， 主要从事 火力发 电厂的热． -x - i g l 节 ， 特别是 MC S调节 ， 机 妒协 调优化 ． 对经典的 P I D调节 ， 预估算法等有丰富的实践经验。