PLC在高温高压染色机上的控制应用.docx
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1、摘要:自我国加入WTO以来,中国的纺织业蓬勃发展,纺织品在国际贸易中的份额己经占据了世界出口量的三分之一,中国己经具有了纺织大国的地位,由此,世界各地对中国纺织品提出了越来越高的要求。而且,随着计算机技术和自动控制技术的不断发展,促使我国的纺织企业必须通过先进的控制手段来不断提高设备的生产能力,走出全新的机电一体化的道路。作为纺织行业的关键环节,染色工艺在近年来得到了越来越多的重视,先进的染色设备层出不穷,染色设备的自动化程度,能够在很大程度上影响染色的工艺水平。因此,如何提高染色设备的自动化水平,己经成为当前染色工艺中最为重要的课题之一。 本课题从当前染色机控制技术的发展现状出发,对高温高压
2、染色机的群控系统进行了研究,将PLC控制、变频器控制、PID控制、现场总线组网技术、工控机等先进的技术和手段引入高温高压染色机群控系统中,以实现控制5台高温高压染色机同时工作。其中,PLC是整个群控系统的控制中心,进入系统的所有信号都先要经过PLC,它读取输入信号后,按照内部设定的程序进行处理,进而控制相应的执行机构动作。ET200M远程I/O模块读取温度传感器检测到的温度信号,根据编写的PID控制程序,将读取到的温度值与系统设定的标准温度值进行比较,经过PID算法处理后,输出信号控制调节阀,调节蒸汽或冷却水阀门开度进行温度控制。通过变频器对主循环泵电机和提升滚筒电机进行正反转和速度控制。工控
3、机则为群控系统提供了友好的人机界面,通过工控组态软件实现与下位机的对话,在组态软件界面下进行组态、编程和数据管理,形成所需的操作画面、监视画面、控制画面等,对现场系统进行实时监控。关键词: 可编程控制器,染色机,群控系统,变频器,温度控制目 录1绪论11.1选题背景和意义11.2染色机的发展现状及趋势11.2.1染色机的发展现状11.2.2染色机的发展趋势22高压染色机系统总体设计32.1高温高压染色机工作原理32.1.1染色的基本过程32.1.2高温高压染色机的结构42.1.3高温高压染色机的工作原理42.1.4高温高压染色的工艺过程52.1.5高温高压染色的工艺过程52.2控制系统需求分析
4、62.2.1性能需求62.3控制系统总体设计72.3.1高温高压染色机主要技术参数72.3.2群控系统总体结构83高温高压染色机控制系统硬件设计93.1可编程控制器简介93.1.1 PLC的基本概念及特点93.1.2 PLC的基本组成与结构103.1.3 PLC的工作原理113.2主电路设计124高温高压染色机群控系统软件设计134.1下位机程序设计134.1.1 PID温度控制程序设计134.1.2主程序设计144.1.3进水子程序设计144.2上位机监控界面设计155结束语15参考文献17致谢18III1绪论1.1选题背景和意义 随着全球后金融危机时代的到来,中国纺织业走过了加入WTO的第
5、一个十年,入世十年来,中国纺织业的发展迅速,大大超出了预期。中国的纺织工业成为了入世以后最先获利的行业,出口量和产业规模都获得了前所未有的增长,纺织工业规模以上企业的工业总产值在2000年只有8800亿元,然而到2010年却超过了47000亿元,2011年更是预计将超过5万亿元,纺织服装出口额从2000年的500亿美元增长到2010年的2065亿美元。种种数据表明,中国真正具有了纺织大国的地位。伴随着这种超然的地位和国际市场的需求,对中国纺织品提出了越来越高的要求,无论从质量、品种还是美感等方面都无一例外,而且,大量的出口需求使得中国纺织企业面临着生产任务大,更新周期小,品种多样化的生产状态,
6、所有的纺织企业必须通过不断提高自身的产品质量,并提高产品的生产效益来实现与国际贸易市场的接轨,为此,中国的纺织工业必须进行不断的改革,尤其是在纺织设备的自动化控制方面,需要率先走出机电一体化的新路。染色作为纺织业的关键环节之一,能够为社会群体提供出赏心悦目,色彩缤纷的纺织品,它对改善纺织品外观、提升纺织品性能,促进纺织业发展具有非常重要的作用。在如今的染色工业中,拥有先进的染色工艺是提升产品质量,降低染色成本的重要因素之一,先进的染色工艺往往需要以先进的染色设备作为基础,换句话说,染色设备的先进与否,在一定程度上决定了染色工业的总体发展水平。染色机是染色工业最重要的设备,在染色过程中需要对染色
7、机进行温度、压力及液位的合理控制,才能完成纺织品染色的需要,如何实现对染色机的工作过程进行自动化控制,是染色工业不断发展面临的主要问题。1.2染色机的发展现状及趋势1.2.1染色机的发展现状 20世纪80年代采用仪表加继电器控制结构的染色机,系统稳定性差,对染液的温度控制用简单的温控器,温控的精度难以得到保证。染液的喷嘴压力通过采用手动阀门来进行调节,导布辊的转速调速方式采用滑差电机或机械式无级调速器,该控制方式的人为主观因素大,机械磨损严重,产品质量不稳定,成品率低,不节维护成本很高。国内很多染整厂目前仍在使用意大利、日本、德国等国十多年前所生产的染色设备,甚至出现个别企业仍在使用国产的拉缸
8、喷淋式绳状染色机的情况,这类染色机的产量低、拉伸大、浴比大,属于淘汰的机型。近年来,许多染整企业进口了不少高档染色机,这些染色机虽然性能虽然很好,但价格非常昂贵。 为了尽快赶上国际先进水平,提高染色机的染色质量,国内纺织设备生产厂家加大了对技术升级和产品研发方面的投入。其中以上海印染机械厂和香港宏信合作生产的筒子染色机和射流染色机最具代表性,该染色机可以根据染色工艺的具体要求自动进行升温、降温和保温。除此之外,它还可对工艺操作进行控制,如当进水液位到达预定要求时,自动对循环泵进行启停控制,加工结束之后,待温度降到一定值后能够自动进行排液等,并设有自动报警的功能。还有许多地方老字号纺织设备生产厂
9、家也在积极研制新品染色机,相继开发出了一些适应低张力、小批量、小浴比、节能型和多品种的染色机,如浙江印染机械制造公司生产的小批量连续轧染机、邵阳第二纺织机械厂生产的常温常压染色机和南通纺织机械厂生产的高温高压喷射染色机等。1.2.2染色机的发展趋势纵观国内外染色机目前的发展状况,总的发展趋势可以概括为:由于计算机技术在工业上的普遍应用,使得染色机的自动化程度不断提高,机电一体化技术己经取得很大的发展,设备高速高效运行。染色机正逐步向适应产品的小批量、小浴比、低张力、多品种、高质量,减少废液排放,节约水电和染化料的方向发展。近年来尤其突出的是由于计算机在染色机上的广泛应用,使得染色机的自动化程度
10、得到很大的提高。染色机的控制系统应该具有结构简单、性能可靠、实时性强、灵活、性价比高和易于扩充等特点。 染色机采用可编程控制器(简称PLC)作为主控制系统,具有很高的自动化程度,能够自动识别各种故障,自动报警,安全性好,动作联锁。工作可靠性高,操作方便简单,维护的工作量极少。还可以通过配置的触摸屏或工控机作为上位机来进行参数设定、在线监视、全自动控制和传送信息等各种工作。利用PLC既可控制染液按设定的速率进行升温、降温和保温,还可对提布滚筒和循环泵的转速实现定时、定速和正反转控制。由于染色机上配备了可调节的喷嘴,织物与染液可以按照接近同步速度的运行,这可以避免变形磨损和起毛的现象。工艺上可以消
11、除色差、色花等问题,从而达到很好的控制效果。计算机网络技术的迅速发展,大大提高了染色机的自动化程度。目前大型的染整企业对染色机的控制大都采用集中监视和分散控制的分级式主从结构:上位机作为主站对系统进行监控管理;下位机作为从站负责现场信息的采集并向主站发送信号和执行具体的控制命令。这种结构有利于对染整企业的多台染色机的实行群监群控,并可以缩小不同染机所染物间的色差。2高压染色机系统总体设计2.1高温高压染色机工作原理2.1.1染色的基本过程在染色理论中,染料之所以能够上染纤维,并在纤维织物上具有一定牢度,是因为染料分子与纤维分子之间存在着各种引力的缘故,各类染料的染色原理和染色工艺,因染料和纤维
12、各自的特性而有很大差别,不能一概而论,但就其染色过程而言,大致都可分为吸附、扩散和固着三个阶段。吸附是指纤维投入染浴后,染料先扩散到纤维表面,然后渐渐地由溶液转移到纤维表面的过程。随着时间的推移,纤维上的染料浓度逐渐增加,而溶液中的染料浓度却逐渐减少,经过一段时间后,达到平衡状态。吸附的逆过程为解吸,在上染过程中吸附和解吸是同时存在的。 扩散是指吸附在纤维表面的染料向纤维内部渗透,直到纤维各部分的染料浓度趋向一致的过程。吸附在纤维表面的染料浓度大于纤维内部的染料浓度,促使染料由纤维表面向纤维内部扩散。染料的扩散破坏了最初建立的吸附平衡,使得溶液中的染料又会不断地吸附到纤维表面,吸附和解吸再次达
13、到平衡。2.1.2高温高压染色机的结构 高温高压染色机主要由染缸、热交换器、进出布机构、循环系统、加料系统、控制系统等组成。(1)染缸染缸是织物用来循环染色的封闭缸体,由不锈钢制成,储布槽、导布管都在其内部。储布槽的作用主要是靠重力和水流冲力或挤压推动织物前移。(2)热交换器 热交换器用于染色过程中对染液进行加热和冷却,蒸汽和冷却水的流量由电气调节阀控制,使染液温度严格按工艺要求变化。染色过程中,染液的升温、保温和降温通过热交换器来实现。 (3)进出布机构 进出布滚筒由一带齿轮减速箱的电机驱动,可作正反向运转,正转用于染色前的进布,反转用于染色工艺完成后的出布。 (4)循环系统 循环泵(主泵)
14、用来带动染缸内的染液作定向循环,由变频电机驱动,其转速由电控箱上的数显转速表显示。提升滚筒的作用是将折叠在染缸底部的织物提起送至喷嘴,由变频电机驱动,其线速度由装在电控箱上的数显速度表指示。 (5)加料系统 化料桶用于染料和化学助剂的调制,打开相应的阀门,便可将清水或染液注入桶内,经电动搅拌器搅拌后,按工艺要求定时定量通过注料泵注入染缸。 (5)控制系统控制系统用于控制水(液)、蒸汽截止阀的启闭、调节阀的开度以及电机的启停和转速控制。2.1.3高温高压染色机的工作原理在盛有染液的染缸内,循环泵强制染液在染缸内循环流动,绳状织物在储布槽前部由提升滚筒提起后送进喷嘴,再由喷嘴喷出的液流带动前行,使
15、织物折叠在储布槽的后部。在自身重力和主泵吸力的作用下,织物沿着铺设在储布槽底部的一块高润滑性的“特氟隆”片,顺滑地移动到储布槽前部。这样反复循环,完成染色过程。化料桶用于染料和化学剂的调制,按工艺要求定时定量通过注料泵注入染缸。2.1.4高温高压染色的工艺过程 染色机在整个染色过程中,主要是控制染缸内染液执行一条温度按时间变化的工艺曲线,在工艺曲线中既有多段不同速率的升温段、降温段及多段不同时间段保温段,又有配料、加料、进水、排水等辅助工序。 织物进入染缸后关上工作门,入水到设定水位,循环泵启动,开始加热,染液温度达到50oC时加助剂(用时5分钟),紧接着加染料(用时20分钟),继续保温10分
16、钟,然后以1 oC/分钟的速度升温至90oC,保温10分钟后再以1 oC/分钟的速度升温至130 oC,保温30分钟,再以1.5 oC/分钟的速度降温,温度降至60oC时排液。在进行高温高压染色时,当染液温度高于85 oC时,需要向染缸内充入压缩空气加压,以提高染液沸点温度,保证染色机正常工作。当压力不足时自动打开压缩空气进气阀,送入压缩空气加压,直至压力达到设定值,再将进气阀关闭。在升温过程中压力过高时安全排压阀打开,自动排气,使压力不超过上限。2.1.5高温高压染色的工艺过程 染色机在整个染色过程中,主要是控制染缸内染液执行一条温度按时间变化的工艺曲线,在工艺曲线中既有多段不同速率的升温段
17、、降温段及多段不同时间段保温段,又有配料、加料、进水、排水等辅助工序。下图2-1给出了高温高压染色过程温度随时间变化的典型工艺曲线。图2-1 典型工艺曲线 在上图中,织物进入染缸后关上工作门,入水到设定水位,循环泵启动,开始加热,染液温度达到50 oC时加助剂(用时5分钟),紧接着加染料(用时20分钟),继续保温10分钟,然后以1 oC/分钟的速度升温至90 oC,保温10分钟后再以1oC/分钟的速度升温至30 oC,保温30-40分钟,再以1.5oC/分钟的速度降温,温度降至60oC时排液。在进行高温高压染色时,当染液温度高于85 oC时,需要向染缸内充入压缩空气加压,以提高染液沸点温度,保
18、证染色机正常工作。当压力不足时自动打开压缩空气进气阀,送入压缩空气加压,直至压力达到设定值,再将进气阀关闭。在升温过程中压力过高时安全排压阀打开,自动排气,使压力不超过上限。2.2控制系统需求分析2.2.1性能需求 在设计本系统之前,按照系统的既定目标,需要对以下性能指标予以明确,主要包括: 一是系统需要具有较高的稳定性。工业生产的连续性及现场恶劣的工作环境要求系统能够长时间连续稳定的运行。 二是系统需要具有良好可操作性。由于本群控系统主要面向现场操作人员和技术人员,这要求操作界面简单易用。 三是系统需要具有模块化的结构。作为控制多台染色机工作的群控系统,生产给予系统的可维护时间较短,这就要求
19、系统在硬件设计时必须具有模块化结构,从而在发生故障时方便维护,缩短因维护系统而停工的时间。2.2.2功能需求 结合高温高压染色机的具体工艺流程,提出高温高压染色机群控系统的功能需求如下: 一是系统首先应能同时控制5台高温高压染色机工作。主要通过一台西门子S7-300可编程控制器,同时控制5台高温高压染色机同时工作,并通过工控机对_5台染色机工作过程进行全程监控,能针对不同染色机的工艺参数设置不同的工艺曲线。 二是系统应能实现染色过程中对温度进行自动控制的功能。温度控制是高温高压染色机群控系统的重要组成部分,系统需要按照高温高压染色机温度变化的需求,实现对染色机的温度变化进行精确控制,使温度变化
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