基于PLC，觸摸屏及變頻器對吹膜機的改造

摘要：我國加入WTO以后，企業(yè)在國際市場(chǎng)上面臨前所未有的競爭，因此針對改善產(chǎn)品品質(zhì)和提高生產(chǎn)效率的技術(shù)革新勢在必行。傳統的工業(yè)控制系統存在硬件繁雜、電氣線(xiàn)路多、人機交流困難、機械調速系統復雜而帶來(lái)的維護工作量大、時(shí)間長(cháng)和可靠性差等問(wèn)題。本論文根據目前工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域比較先進(jìn)的PLC,觸摸屏及變頻器技術(shù)對塑膠吹膜機進(jìn)行電氣自動(dòng)化改造及技術(shù)升級，解決了傳統控制系統操作復雜，新產(chǎn)品生產(chǎn)周期長(cháng)等問(wèn)題，有利于人員培訓及提高企業(yè)市場(chǎng)競爭力。
關(guān)鍵詞：PLC 觸摸屏變頻器自動(dòng)化控制

Abstract:After China's accession to WTO, enterprises in the international market is faced with unprecedented competition, aimed at improving product quality and improve production efficiency of technological innovation is imperative. I use the current field of industrial automation more advanced PLC, touch screen and inverter technology for plastic film blowing machine electric automation transformation and upgrading technology to address the traditional industrial control system hardware complexity, electrical circuits and more human-machine communication difficulties, Mechanical speed control system to bring the maintenance of the complex and heavy workload, long hours and poor reliability problems. Also address the complexity of the traditional control system operation, the new product cycle is long and so on,Is conducive to staff training and improve enterprise competitiveness.
Keywords: PLC; touch screen; converter; electrical; application; control; automation;

第1章引言
上世紀80年代來(lái)自臺灣的塑膠吹膜機，其溫控電路采用的是溫控器加接觸器的方式，由于長(cháng)期工作在頻繁的大電流通斷狀態(tài)，接觸器損壞率非常高，而且每個(gè)溫控器只能控制一段溫度，造成很多溫控器散落在各處，操作非常不便。控制電路使用的是繼電器互鎖的方式，線(xiàn)路復雜，維修的難度很大，可靠性也非常低。調速是通過(guò)機械部分完成的，主要通過(guò)更換齒輪的減速比來(lái)實(shí)現，機械磨損很?chē)乐厍曳浅：哪堋＿@些落后的技術(shù)使得需要投入大量的人力物力進(jìn)行操作和維護，同時(shí)造成維護停機時(shí)間長(cháng)，零配件消耗費用高等問(wèn)題。鑒于以上落后的技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)需求和使企業(yè)在市場(chǎng)上處于競爭優(yōu)勢，本人采用了近年來(lái)在工業(yè)上使用越來(lái)越廣泛的 PLC，觸摸屏及變頻器對該機進(jìn)行了改造。新的技術(shù)采用溫控模塊加固態(tài)繼電器的方法控制溫度，解決了長(cháng)期頻繁的大電流通斷所帶來(lái)的零件損壞問(wèn)題。變頻器調速的方式解決了機械磨損很?chē)乐厍曳浅：哪艿膯?wèn)題。觸摸屏的使用有利于操作者直觀(guān)的了解機器目前的狀態(tài)解決了操作復雜，人員培訓難的問(wèn)題。以上技術(shù)的綜合應用可靠性高，可實(shí)現設備長(cháng)期免維護，解決維護難，維護停機時(shí)間長(cháng)的問(wèn)題。

第2章設計思路及選型
2.1　控制要求
由于世界經(jīng)濟的復蘇，企業(yè)訂單的迅速增加，產(chǎn)品呈多樣化趨勢，加上珠三角地區
“招工難”情況的加劇。根據實(shí)際情況，對控制系統提出以下幾點(diǎn)要求：
1.系統要穩定可靠，可長(cháng)時(shí)間無(wú)故障運行。
2.可以保存多組配方，并能按預先設定的配方自動(dòng)的調整各馬達的速度。
3.要操作簡(jiǎn)單，可以集中控制，節省人力。
4.要有故障報警及保護裝置。

2.2　系統分析
本系統主要是通過(guò)PLC，觸摸屏及變頻器的綜合應用結合吹膜機的實(shí)際需要來(lái)完成控制要求的。設計思路主要是：用PLC溫控模塊加固態(tài)繼電器來(lái)控制吹膜機各段的溫度。用PLC模擬量模塊加變頻器來(lái)控制各馬達的速度。使用觸摸屏來(lái)完成溫度的設置和顯示，速度的設置和顯示，故障的設置和顯示，配方功能的實(shí)現等等。

2.2.1　吹膜機介紹及工作流程圖
塑膠吹膜機是一種把顆粒狀的塑膠原料制造成塑膠薄膜的機器，其工作流程如下：
在入料口加入塑膠原料，同時(shí)加熱主螺桿和旋轉模頭。待各溫度值到達設定值時(shí)啟動(dòng)機器，此時(shí)經(jīng)過(guò)高溫熔化后的塑膠原料在主螺桿的帶動(dòng)下由環(huán)狀的旋轉模頭擠出，擠出的薄膜經(jīng)過(guò)風(fēng)冷和水冷后被引取輪引出，再經(jīng)過(guò)壓花輪A和壓花輪B壓花后被引入輪引入到卷曲輪，最后由卷曲輪將薄膜卷成一卷卷的成品。
流程方框圖及實(shí)物圖如下：

圖2.1 流程方框圖

圖2.2 吹膜機圖片

2.2.2　改造項目的控制方案及思路
1. 將原有的溫控器加接觸器控制溫度的方式，改為PLC加溫度模塊加固態(tài)繼電器的方式。因為固態(tài)繼電器是無(wú)觸點(diǎn)的控制器件，損壞率非常低，用于加熱時(shí)的頻繁大電流接通很適合。PLC加溫控模塊的方式很穩定，控溫準，并且溫度可以集中控制。
2. 將原有的通過(guò)機械部分更換齒輪減速比的調速方式，改為用變頻器改變電機頻率調速。變頻器調速具有節能，穩定的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)解決了機械調速的磨損和維修難問(wèn)題，而且通過(guò)用PLC模擬量輸出的功能控制變頻器，可以集中控制變頻器，操作簡(jiǎn)單。
3.用觸摸屏做為上位機來(lái)完成各項溫度的設定，變頻器頻率的設定，配方功能，報警顯示，機器故障和狀態(tài)顯示等。使操作大為簡(jiǎn)化，節省人員。配方功能可以方便隨時(shí)更換新產(chǎn)品，節省新產(chǎn)品上線(xiàn)時(shí)間，提高效率。報警顯示和故障顯示可以隨時(shí)告知故障情況和故障點(diǎn)，便于維修和調試，同時(shí)避免了故障的擴大化。
以下為控制方案圖：

圖2.3 控制方案圖

2.2.3　PLC，觸摸屏及變頻器的選型
（1）PLC的選型
目前的PLC大致分為兩個(gè)流派。一個(gè)是日本派系，其代表有三菱，歐姆龍等品牌。
另一個(gè)是歐美派系，它的代表主要是西門(mén)子，AB等。我國的PLC主要是日本派系的，有一些比如信捷，永宏，豐煒，臺達等品牌（永宏，豐煒，臺達為中國臺灣品牌）。
PLC選型主要根據功能和性?xún)r(jià)比來(lái)決定，因為功能越強，價(jià)格就越高。本工程要
求PLC具有RS485通信，可擴展模塊，完成AD轉換，溫度控制，模擬量輸出等功能，而且要求PLC具備相應指令系統和該公司必須有配套的相關(guān)模塊。
根據經(jīng)濟實(shí)用的原則，本工程選用了永宏電機的FBS-32MAT型PLC，FBS-TC6溫控模塊，FBS-4DA模擬量輸出模塊，FBS-6AD模擬量輸入模塊和FBS-CB5通信模板。
（2）．觸摸屏的選型
目前市面上的觸摸屏種類(lèi)很多，常用的品牌主要有FATEK,eView，GE， Proface ，HAKKO ，WEINVIEW， HITECH 等。
和PLC一樣，觸摸屏的選型也是依靠功能和性?xún)r(jià)比來(lái)決定的，功能越強，價(jià)格就越高。本工程所要求的功能幾乎所有的品牌都可以做到，因此根據經(jīng)濟實(shí)用原則，本工程選用了價(jià)格相對較低的FATEK公司的FV070ST-T50觸摸屏。
（3）．變頻器的選型

變頻器選型時(shí)要注意的幾點(diǎn)：
　 1) 采用變頻的目的；恒壓控制或恒流控制等。
　 2) 變頻器的負載類(lèi)型；如葉片泵或容積泵等，特別注意負載的性能曲線(xiàn)，性能曲線(xiàn)決定了應用時(shí)的方式方法。
　 3) 變頻器與負載的匹配問(wèn)題；
　　I.電壓匹配；變頻器的額定電壓與負載的額定電壓相符。
　　II. 電流匹配；普通的離心泵，變頻器的額定電流與電機的額定電流相符。對于特殊的負載如深水泵等則需要參考電機性能參數，以******電流確定變頻器電流和過(guò)載能力。
　　III.轉矩匹配；這種情況在恒轉矩負載或有減速裝置時(shí)有可能發(fā)生。
　　4) 在使用變頻器驅動(dòng)高速電機時(shí)，由于高速電機的電抗小，高次諧波增加導致輸出電流值增大。因此用于高速電機的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機的選型。
　　5) 變頻器如果要長(cháng)電纜運行時(shí)，此時(shí)要采取措施抑制長(cháng)電纜對地耦合電容的影響，避免變頻器出力不足，所以在這樣情況下，變頻器容量要放大一檔或者在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。
6) 對于一些特殊的應用場(chǎng)合，如高溫，高海拔，此時(shí)會(huì )引起變頻器的降容，變頻器容量要放大一擋。
根據以上要求結合本工程實(shí)際情況，本工程選用的變頻器均為藍海華騰V5系列。如下圖所示：

圖2.6藍海華騰V5系列變頻器

第3章應用設計及功能實(shí)現
3.1　觸摸屏與PLC實(shí)現人機對話(huà)的設計
要想實(shí)現觸摸屏與PLC的人機交流，必須卻保PLC與觸摸屏的正常通訊，同時(shí)觸摸屏上畫(huà)面的各種元件必須一一對應PLC上的各種軟元件。
3.1.1 FBS系列PLC與永宏FV系列觸摸屏的連接說(shuō)明

圖3.1 永宏觸摸屏軟件觸控大師設置圖

FV系列觸摸屏的畫(huà)面編輯軟件為《觸控大師》，上圖3.1 是永宏觸摸屏與FBS系列PLC通訊時(shí)畫(huà)面編輯軟件《觸控大師》上的設置。圖3.2是FV系列觸摸屏與FBS系列PLC通訊的詳細接線(xiàn)圖，用RS232通訊協(xié)議實(shí)現通訊。

圖3.2 觸摸屏與FBS主機的RS232通訊接線(xiàn)圖

3.2　溫度控制的實(shí)現
本工程要求溫度控制在一定的精度范圍，用觸摸屏輸入設定溫度值，同時(shí)通過(guò)觸摸屏畫(huà)面監控溫度值。
3.2.1　PLC溫控模塊FBS-TC6的接線(xiàn)圖
溫控模塊的作用是把熱電偶感知的溫度信號轉變?yōu)閿底至啃盘査徒oPLC的裝置，溫度的精度與模塊的分辨率有關(guān)，分辨率越高精度就越高。下圖是FBS-TC6的接線(xiàn)圖。

圖3.3 PLC溫控模塊FBS-TC6的接線(xiàn)圖

3.2.3　觸摸屏溫控畫(huà)面
圖3.4是觸摸屏的溫控畫(huà)面。圖中《設定值》用來(lái)設定所需溫度值，《感測值》用來(lái)顯示FBS-TC6所檢測到的溫度值，《手動(dòng)加熱》是用來(lái)選擇加熱的開(kāi)關(guān)。

圖3.6觸摸屏溫控畫(huà)面
上圖中《感測值》用來(lái)顯示FBS-TC6所檢測到的溫度值，也就是FBS-TC6測量現場(chǎng)所得到的測量值經(jīng)過(guò)轉換得來(lái)的，之所以要經(jīng)過(guò)轉換，是因為 FBS-TC6測量現場(chǎng)所得到的測量值是一個(gè)工程值，要想顯示實(shí)際的℃溫度，就必須轉換。該處需要注意一個(gè)問(wèn)題，觸摸屏里面的小數點(diǎn)只是個(gè)假象，參與程序運算的實(shí)際上是個(gè)整數，比如觸摸屏設值33.3，那么在PLC中參與運算的則是333.

3.2.4　PLC溫控程序的思路
目前來(lái)講PLC控制溫度最為科學(xué)的方法應當是PID控制法。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(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID 控制器參數整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類(lèi)：一是理論計算整定法。它主要是依據系統的數學(xué)模型，經(jīng)過(guò)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可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴(lài)工程經(jīng)驗，直接在控制系統的試驗中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)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(xiàn)法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數，都需要在實(shí)際運行中進(jìn)行最后調整與完善。現在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行PID 控制器參數的整定步驟如下：
(1)首先預選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統工作；
(2)僅加入比例控制環(huán)節，直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數和臨界振蕩周期；
(3)在一定的控制度下通過(guò)公式計算得到PID 控制器的參數

PID溫控系統常見(jiàn)的一些問(wèn)題和對策：
1.加溫很迅速就達到目標值，但溫度過(guò)沖很大
分析：A.比例系數過(guò)大，致使在未達到設定溫度前加溫比例過(guò)高。
B．微分系數過(guò)小，致使對對象反應不敏感。
對策：減小比例系數或增加微分系數。
2.加溫經(jīng)常達不到目標值，小于目標值的時(shí)間較多。
分析：A.比例系數過(guò)小，加溫比例不夠。
B.積分系數過(guò)小，對恒偏差補償不足。
對策：增加比例系數或增加積分系數。
3．基本上在控制目標上，但上下偏差偏大，經(jīng)常波動(dòng)。
分析:A.積分系數過(guò)小，對即時(shí)變化反應不夠快，反映措施不力。
B．積分系數過(guò)大，使微分反應被淹沒(méi)鈍化。
C.設定的基本定時(shí)周期過(guò)短，加熱沒(méi)有來(lái)得及傳到測溫點(diǎn)。
對策：改變積分系數，調整基本定時(shí)周期。
4．受工作環(huán)境影響較大，在稍有變動(dòng)時(shí)就會(huì )引取溫度的波動(dòng)。
分析：A.積分系數過(guò)小，對即時(shí)變化反應不夠快，反映措施不力。
B.設定的基本定時(shí)周期過(guò)長(cháng)，不能及時(shí)得到修正。
對策：改變微分系數，調整基本定時(shí)周期。
3.3馬達調速的實(shí)現
觸摸屏，PLC，變頻器實(shí)現馬達的調速，有以下幾點(diǎn)：1，通過(guò)觸摸屏輸入馬達速度的設定值和顯示馬達的當前速度。2，用PLC的模擬量輸出模塊FBS-4DA輸出0-10V的電壓控制變頻器的輸出頻率。3，由變頻器驅動(dòng)馬達運轉及停止。

3.3.1　PLC模擬量輸出模塊FBS-4DA的接線(xiàn)圖
模擬量輸出模塊的作用是將PLC給出的數字量轉換為模擬量信號并輸出電壓或電流的裝置，下圖是永宏電機FBS-4DA模擬量輸出模塊的接線(xiàn)圖。O0+和O0-端子輸出的0-10V電壓連接到變頻器的0-10V模擬量輸入端子上，來(lái)控制變頻器速度。

圖3.7 FBS-4DA模擬量輸出模塊接線(xiàn)圖

3.3.3 觸摸屏速度控制畫(huà)面
下圖是觸摸屏的速度控制畫(huà)面，主要用來(lái)控制各馬達的速度。OFF 這牌按鈕是用來(lái)啟停相對應得馬達的開(kāi)關(guān)。A處的按鈕用來(lái)設定和顯示馬達頻率設定值。B處顯示馬達當前運行的頻率。《加速》和《減速》按鈕分別用來(lái)在運行時(shí)對馬達頻率進(jìn)行微調。

圖3.9觸摸屏的速度控制畫(huà)面
《馬達頻率設定值》是觸摸屏對PLC主機給出的現場(chǎng)所需的馬達頻率，為一個(gè)現在值，需要根據實(shí)際情況通過(guò)PLC主機程序運算得到一個(gè)0-250的工程值，把這個(gè)工程值賦予FBC-4DA模塊，再由FBS-4DA模塊轉換為模擬量電壓或電流來(lái)控制變頻器。在這里同樣要注意觸摸屏的小數點(diǎn)問(wèn)題。

3.3.4 變頻器的接線(xiàn)及設置
變頻器接線(xiàn)示意圖：

圖3. 10 變頻器拖動(dòng)負載示意圖
變頻器的設置
不同品牌的變頻器參數設置方法各不相同，但萬(wàn)變不離其中，主要有以下幾個(gè)方面：
1. 設定頻率指令來(lái)源，本工程應設定為主頻率輸入由模擬信號DC 0- +10V 控制（AVI）。
2. 運轉指令來(lái)源，本工程設定為運轉指令由外部端子控制。
3. 馬達停機方式，本工程設定為自由停車(chē)。
4. 最高操作頻率，本工程設定為100HZ。
5. 最高輸出電壓，本工程設定為220V。
另外一些比如加減速時(shí)間，禁止反轉等功能也需要根據實(shí)際情況進(jìn)行設定。

結論
PLC，觸摸屏及變頻器的自動(dòng)控制綜合應用技術(shù)提高了工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的品質(zhì)和生產(chǎn)設備的效率，解決了傳統控制系統操作復雜，新產(chǎn)品生產(chǎn)周期長(cháng)等問(wèn)題，有利于人員培訓及提高企業(yè)市場(chǎng)競爭力。本文結合現實(shí)生產(chǎn)中的實(shí)際情況，完成了對塑膠吹膜機的改造，應用PLC，觸摸屏及變頻器的綜合控制技術(shù)完成了溫度，速度的控制，提高了電氣控制的可靠性，縮短了維修時(shí)間，減少了維修的工作量，降低了設備零部件的損壞率。因此該技術(shù)可以在現代工業(yè)中應當得到廣泛的應用，具有廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻
[1] 永宏可編程控制器使用手冊　永宏電機股份有限公司 2010