摘 要：我國(guó)加入WTO以后，企業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)上面臨前所未有的競(jìng)爭(zhēng)，因此針對(duì)改善產(chǎn)品品質(zhì)和提高生產(chǎn)效率的技術(shù)革新勢(shì)在必行。傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)存在硬件繁雜、電氣線路多、人機(jī)交流困難、機(jī)械調(diào)速系統(tǒng)復(fù)雜而帶來(lái)的維護(hù)工作量大、時(shí)間長(zhǎng)和可靠性差等問(wèn)題。本論文根據(jù)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(duì)塑膠吹膜機(jī)進(jìn)行電氣自動(dòng)化改造及技術(shù)升級(jí)，解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)操作復(fù)雜，新產(chǎn)品生產(chǎn)周期長(zhǎng)等問(wèn)題，有利于人員培訓(xùn)及提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(jì)80年代來(lái)自臺(tái)灣的塑膠吹膜機(jī)，其溫控電路采用的是溫控器加接觸器的方式，由于長(zhǎng)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�？刂齐娐肥褂玫氖抢^電器互鎖的方式，線路復(fù)雜，維修的難度很大，可靠性也非常低。調(diào)速是通過(guò)機(jī)械部分完成的，主要通過(guò)更換齒輪的減速比來(lái)實(shí)現(xiàn)，機(jī)械磨損很嚴(yán)重且非常耗能。這些落后的技術(shù)使得需要投入大量的人力物力進(jìn)行操作和維護(hù)，同時(shí)造成維護(hù)停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，零配件消耗費(fèi)用高等問(wèn)題。鑒于以上落后的技術(shù)無(wú)法滿足生產(chǎn)需求和使企業(yè)在市場(chǎng)上處于競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，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(duì)該機(jī)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(zhǎng)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(diào)速的方式解決了機(jī)械磨損很嚴(yán)重且非常耗能的問(wèn)題。觸摸屏的使用有利于操作者直觀的了解機(jī)器目前的狀態(tài)解決了操作復(fù)雜，人員培訓(xùn)難的問(wèn)題。以上技術(shù)的綜合應(yīng)用可靠性高，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備長(zhǎng)期免維護(hù)，解決維護(hù)難，維護(hù)停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。

第2章 設(shè)計(jì)思路及選型
2.1　控制要求
由于世界經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇，企業(yè)訂單的迅速增加，產(chǎn)品呈多樣化趨勢(shì)，加上珠三角地區(qū)
“招工難”情況的加劇。根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)控制系統(tǒng)提出以下幾點(diǎn)要求：
1.系統(tǒng)要穩(wěn)定可靠，可長(zhǎng)時(shí)間無(wú)故障運(yùn)行。
2.可以保存多組配方，并能按預(yù)先設(shè)定的配方自動(dòng)的調(diào)整各馬達(dá)的速度。
3.要操作簡(jiǎn)單，可以集中控制，節(jié)省人力。
4.要有故障報(bào)警及保護(hù)裝置。

2.2　系統(tǒng)分析
本系統(tǒng)主要是通過(guò)PLC，觸摸屏及變頻器的綜合應(yīng)用結(jié)合吹膜機(jī)的實(shí)際需要來(lái)完成控制要求的。設(shè)計(jì)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(jī)各段的溫度。用PLC模擬量模塊加變頻器來(lái)控制各馬達(dá)的速度。使用觸摸屏來(lái)完成溫度的設(shè)置和顯示，速度的設(shè)置和顯示，故障的設(shè)置和顯示，配方功能的實(shí)現(xiàn)等等。

2.2.1　吹膜機(jī)介紹及工作流程圖
塑膠吹膜機(jī)是一種把顆粒狀的塑膠原料制造成塑膠薄膜的機(jī)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(zhuǎn)模頭。待各溫度值到達(dá)設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)機(jī)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(zhuǎn)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(jī)圖片

2.2.2　改造項(xiàng)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?yàn)楣虘B(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(wěn)定，控溫準(zhǔn)，并且溫度可以集中控制。
2. 將原有的通過(guò)機(jī)械部分更換齒輪減速比的調(diào)速方式，改為用變頻器改變電機(jī)頻率調(diào)速。變頻器調(diào)速具有節(jié)能，穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)解決了機(jī)械調(diào)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(jī)來(lái)完成各項(xiàng)溫度的設(shè)定，變頻器頻率的設(shè)定，配方功能，報(bào)警顯示，機(jī)器故障和狀態(tài)顯示等。使操作大為簡(jiǎn)化，節(jié)省人員。配方功能可以方便隨時(shí)更換新產(chǎn)品，節(jié)省新產(chǎn)品上線時(shí)間，提高效率。報(bào)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(diào)試，同時(shí)避免了故障的擴(kuò)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子，AB等。我國(guó)的PLC主要是日本派系的，有一些比如信捷，永宏，豐煒，臺(tái)達(dá)等品牌（永宏，豐煒，臺(tái)達(dá)為中國(guó)臺(tái)灣品牌）。
PLC選型主要根據(jù)功能和性價(jià)比來(lái)決定，因?yàn)楣δ茉綇?qiáng)，價(jià)格就越高。本工程要
求PLC具有RS485通信，可擴(kuò)展模塊，完成AD轉(zhuǎn)換，溫度控制，模擬量輸出等功能，而且要求PLC具備相應(yīng)指令系統(tǒng)和該公司必須有配套的相關(guān)模塊。
根據(jù)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則，本工程選用了永宏電機(jī)的FBS-32MAT型PLC，F(xiàn)BS-TC6溫控模塊，F(xiàn)BS-4DA模擬量輸出模塊，F(xiàn)BS-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價(jià)比來(lái)決定的，功能越強(qiáng)，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(jù)經(jīng)濟(jì)實(shí)用原則，本工程選用了價(jià)格相對(duì)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(fù)載類型；如葉片泵或容積泵等，特別注意負(fù)載的性能曲線，性能曲線決定了應(yīng)用時(shí)的方式方法。
　 3) 變頻器與負(fù)載的匹配問(wèn)題；
　　I.電壓匹配；變頻器的額定電壓與負(fù)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(jī)的額定電流相符。對(duì)于特殊的負(fù)載如深水泵等則需要參考電機(jī)性能參數(shù)，以最大電流確定變頻器電流和過(guò)載能力。
　　III.轉(zhuǎn)矩匹配；這種情況在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載或有減速裝置時(shí)有可能發(fā)生。
　　4) 在使用變頻器驅(qū)動(dòng)高速電機(jī)時(shí)，由于高速電機(jī)的電抗小，高次諧波增加導(dǎo)致輸出電流值增大。因此用于高速電機(jī)的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機(jī)的選型。
　　5) 變頻器如果要長(zhǎng)電纜運(yùn)行時(shí)，此時(shí)要采取措施抑制長(zhǎng)電纜對(duì)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(duì)于一些特殊的應(yīng)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(jù)以上要求結(jié)合本工程實(shí)際情況，本工程選用的變頻器均為藍(lán)海華騰V5系列。如下圖所示： 

圖2.6藍(lán)海華騰V5系列變頻器

第3章 應(yīng)用設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)
3.1　觸摸屏與PLC實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的設(shè)計(jì)
要想實(shí)現(xiàn)觸摸屏與PLC的人機(jī)交流，必須卻保PLC與觸摸屏的正常通訊，同時(shí)觸摸屏上畫面的各種元件必須一一對(duì)應(yīng)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(shè)置圖

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

圖3.2 觸摸屏與FBS主機(jī)的RS232通訊接線圖

3.2　溫度控制的實(shí)現(xiàn)
本工程要求溫度控制在一定的精度范圍，用觸摸屏輸入設(shè)定溫度值，同時(shí)通過(guò)觸摸屏畫面監(jiān)控溫度值。
3.2.1　PLC溫控模塊FBS-TC6的接線圖
溫控模塊的作用是把熱電偶感知的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量信號(hào)送給PLC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的接線圖。 

圖3.3 PLC溫控模塊FBS-TC6的接線圖


3.2.3　觸摸屏溫控畫面
圖3.4是觸摸屏的溫控畫面。圖中《設(shè)定值》用來(lái)設(shè)定所需溫度值，《感測(cè)值》用來(lái)顯示FBS-TC6所檢測(cè)到的溫度值，《手動(dòng)加熱》是用來(lái)選擇加熱的開關(guān)。 

圖3.6觸摸屏溫控畫面
上圖中《感測(cè)值》用來(lái)顯示FBS-TC6所檢測(cè)到的溫度值，也就是FBS-TC6測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)所得到的測(cè)量值經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換得來(lái)的，之所以要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，是因?yàn)镕BS-TC6測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)所得到的測(cè)量值是一個(gè)工程值，要想顯示實(shí)際的℃溫度，就必須轉(zhuǎn)換。該處需要注意一個(gè)問(wèn)題，觸摸屏里面的小數(shù)點(diǎn)只是個(gè)假象，參與程序運(yùn)算的實(shí)際上是個(gè)整數(shù)，比如觸摸屏設(shè)值33.3，那么在PLC中參與運(yùn)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(yīng)當(dāng)是PID控制法。PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)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(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)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(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。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)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(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。現(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)選擇一個(gè)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(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)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(guò)公式計(jì)算得到PID 控制器的參數(shù)

PID溫控系統(tǒng)常見的一些問(wèn)題和對(duì)策：
1.加溫很迅速就達(dá)到目標(biāo)值，但溫度過(guò)沖很大
分析：A.比例系數(shù)過(guò)大，致使在未達(dá)到設(shè)定溫度前加溫比例過(guò)高。
B．微分系數(shù)過(guò)小，致使對(duì)對(duì)象反應(yīng)不敏感。
對(duì)策：減小比例系數(shù)或增加微分系數(shù)。
2.加溫經(jīng)常達(dá)不到目標(biāo)值，小于目標(biāo)值的時(shí)間較多。
分析：A.比例系數(shù)過(guò)小，加溫比例不夠。
B.積分系數(shù)過(guò)小，對(duì)恒偏差補(bǔ)償不足。
對(duì)策：增加比例系數(shù)或增加積分系數(shù)。
3．基本上在控制目標(biāo)上，但上下偏差偏大，經(jīng)常波動(dòng)。
分析:A.積分系數(shù)過(guò)小，對(duì)即時(shí)變化反應(yīng)不夠快，反映措施不力。
B．積分系數(shù)過(guò)大，使微分反應(yīng)被淹沒鈍化。
C.設(shè)定的基本定時(shí)周期過(guò)短，加熱沒有來(lái)得及傳到測(cè)溫點(diǎn)。
對(duì)策：改變積分系數(shù)，調(diào)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(shù)過(guò)小，對(duì)即時(shí)變化反應(yīng)不夠快，反映措施不力。
B.設(shè)定的基本定時(shí)周期過(guò)長(zhǎng)，不能及時(shí)得到修正。
對(duì)策：改變微分系數(shù)，調(diào)整基本定時(shí)周期。
3.3馬達(dá)調(diào)速的實(shí)現(xiàn)
觸摸屏，PLC，變頻器實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的調(diào)速，有以下幾點(diǎn)：1，通過(guò)觸摸屏輸入馬達(dá)速度的設(shè)定值和顯示馬達(dá)的當(dāng)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(qū)動(dòng)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)及停止。

3.3.1　PLC模擬量輸出模塊FBS-4DA的接線圖
模擬量輸出模塊的作用是將PLC給出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)并輸出電壓或電流的裝置，下圖是永宏電機(jī)FBS-4DA模擬量輸出模塊的接線圖。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圖

3.3.3 觸摸屏速度控制畫面
下圖是觸摸屏的速度控制畫面，主要用來(lái)控制各馬達(dá)的速度。OFF 這牌按鈕是用來(lái)啟停相對(duì)應(yīng)得馬達(dá)的開關(guān)。A處的按鈕用來(lái)設(shè)定和顯示馬達(dá)頻率設(shè)定值。B處顯示馬達(dá)當(dāng)前運(yùn)行的頻率。 《加速》和《減速》按鈕分別用來(lái)在運(yùn)行時(shí)對(duì)馬達(dá)頻率進(jìn)行微調(diào)。 

圖3.9觸摸屏的速度控制畫面
《馬達(dá)頻率設(shè)定值》是觸摸屏對(duì)PLC主機(jī)給出的現(xiàn)場(chǎng)所需的馬達(dá)頻率，為一個(gè)現(xiàn)在值，需要根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)PLC主機(jī)程序運(yùn)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(zhuǎn)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(shù)點(diǎn)問(wèn)題。

3.3.4 變頻器的接線及設(shè)置
變頻器接線示意圖： 

圖3. 10 變頻器拖動(dòng)負(fù)載示意圖
變頻器的設(shè)置
不同品牌的變頻器參數(shù)設(shè)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(shè)定頻率指令來(lái)源，本工程應(yīng)設(shè)定為主頻率輸入由模擬信號(hào)DC 0- +10V 控制（AVI）。
2. 運(yùn)轉(zhuǎn)指令來(lái)源，本工程設(shè)定為運(yùn)轉(zhuǎn)指令由外部端子控制。
3. 馬達(dá)停機(jī)方式，本工程設(shè)定為自由停車。
4. 最高操作頻率，本工程設(shè)定為100HZ。
5. 最高輸出電壓，本工程設(shè)定為220V。
另外一些比如加減速時(shí)間，禁止反轉(zhuǎn)等功能也需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定。




結(jié)論
PLC，觸摸屏及變頻器的自動(dòng)控制綜合應(yīng)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(shè)備的效率，解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)操作復(fù)雜，新產(chǎn)品生產(chǎn)周期長(zhǎng)等問(wèn)題，有利于人員培訓(xùn)及提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。本文結(jié)合現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中的實(shí)際情況，完成了對(duì)塑膠吹膜機(jī)的改造，應(yīng)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(shè)備零部件的損壞率。因此該技術(shù)可以在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)當(dāng)?shù)玫綇V泛的應(yīng)用，具有廣闊的發(fā)展前景。



參考文獻(xiàn)
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