基于plc和触摸屏的防水涂料反应釜自动控制系统的研究

基于plc和触摸屏的防水涂料反应釜自动控制系统的研究

李艳召

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摘要：为了提高防水涂料控制系统的自动化程度、生产过程中的产品质量和温度控制精度,缩短产品生产周期,以德国西门子(SIEMENS)公司生产的S7-226cn可编程序控制器为主控，结合温度采集系统、加热系统、冷却系统、气动阀门执行机构、搅拌动力系统等设计了一套自动搅拌控温系统。系统采用串行通讯协议构建上位界面和下位PLC控制的结构,完成系统的软、硬件和人机界面(HMI)的设计。由PLC实现各系统间的信息采集、数学PID运算、输入输出、通信等功能。利用触摸屏进行温控工艺过程监控、配方输入、存储、数据查询和记录等功能。实际运行结果表明,系统运行稳定,提高了涂料产品质量,减少工人劳动强度，给技术人员提供数据支持等。

关键词：可编程序控制器；触摸屏；防水涂料；PID；modbus通信

引言

反应釜是防水涂料生产中经常用到的设备，需要对温度进行精准的控制。PID控制算法由于其意义明确结构简单、鲁棒性好、是控制领域应用最为广泛的算法。但是PID中比例、积分、微分3个参数共同影响控制效果，人工整定出一组理想参数较为繁琐，且存在较大难度。.J.Astrom和T.Hagglu在1984年提出的延时反馈自整定算法,经过实践，已经成为 工业控制领域使用较为广泛的一种自动整定PID参数的方法。西门子S7-200 PLC的PID指令集成了上述的自整定算法，近年来已有学者利用可编程控制器（PLC）和上位机设计了温度控制系统,但实现自整定时需要使用电脑，在西门子STEP7 Micro/WIN编程软件的PID调节控制面板中进行。笔者利用昆仑通泰的TPC-7062k触摸屏设计友好的人机界面HMI（human machine interaction），采用S7-200小型PLC作为控制器，具有PID自整定功能，且PLC一次下载完成后即可脱离上位机和编程软件，直接通过触摸屏的HMI，实现PID的自整定，系统硬件简单，使用灵活方便。

系统硬件架构

系统主要由S7-200 PLC（包括CPU226，模块EM231-TC）、TPC-7062k触摸屏、ACS-510变频器两台、接触器、6KW*12电加热系统1套、WRN-230K型热电偶等组成。整个系统硬件组成如图１所示。其中，S7-200 PLC作为系统主控制器，实现PID算法和PID算法的自整定；TPC-7062K触摸屏作为人机交互界面，实现人与PLC的动态交互，可以通过TPC-7062k设置变频器的频率查看电机电流频率等；设定PID的参数、启动／取消PID自整定、设定控制温度、观察当前温度和实时温度趋势等。热电偶与EM231-TC组成测量反馈环节，测得过程变量当前值并送人控制器；4组加热接触器和12根电加热管组成被控对象，其接受控制器的脉冲输出而做出相应调整改变接触器吸合的时间，进而影响被控温度变量。

1.1　PLC控制器

该套控制系统采用西门子S7-200 PLC（CPU226）作为控制器，其结构紧凑、功能强大、成本低、扩展性强。该型号PLC主机带有24路DI/16路DO，另外可以方便地扩展AI模块来实现对模拟量的采集。通过电脑安装的西门子S7-200专用编程软件STEP7 Micro/WIN V4.0 SP6编制梯形图，通过PC/PPI编程电缆下载至PLC后,即可解除与电脑的连接，以后该套系统使用过程不再需要电脑和编程软件。

1.2触摸屏

该套控制系统采用北京昆仑通泰TPC-7062k触摸屏设计HIM，该触摸屏适用于工业控制。TPC-7062k触摸屏使用MCGS嵌入式组态软件进行组态。该型号触摸屏支持、按钮、开关、棒图、时间、日期、文本／图形等简单对象组态，同时更支持报警和用户管理、趋势视图、配方管理、实时曲线、历史曲线、历史数据等高级组态功能。只需要创建项目时选择该型号设备即可从工具栏中随时组态这些组件。摸屏程序组态完成后，用网线与摸屏相连接，设定好相应的连接方式和IP地址，即可将其下载至触摸屏内存中使用。

1.3温度采集与加热系统

使用K型热电偶和西门子EM231热电偶扩展模块采集温度，WRN-230K型热电偶封装在金属套管中，内部用导热油填充，为了消除导线对温度影响，采用专用K型补偿导线连接至EM231热电偶模块。EM231将WRN-230 K型热电偶采集的温度模拟量值传送给PLC，实现模数转换。PLC进行PID计算所得控制量输出在PID回路表中为归一化的值（0-1区间实数），反归一化转换成0-32000的整数后，通过DO输出，从而根据控制接触器吸合时间的占空比，对四组电加热管实施控制，实现对反应釜外套内导热油加热的控制。

1.4分散动力系统

系统采用瑞士ABB公司生产的两台ACS510变频器，来驱动反应釜的分散电机，通过modbus与PLC通信，频率由触摸屏设定。在触摸屏上可以查看对应电机的电压、电流、转速、转矩等运行情况。电机启停通过PLC由面板上的按钮启停。

1.5冷却降温系统

反应釜外套内导热油，通过气动执行器开启阀门，通过先开启导热油启动阀门，经气动执行器上的信号反馈装置将开启的信号，传回plc经逻辑运算后输出控制导热油泵启动，热的导热油经导热油泵通过无缝钢管与冷却水箱中的盘管连接，通过盘管与冷却水进行热量交换。

结语：

将PLC与触摸屏HIM相结合设计了一套自动搅拌控温系统，它利用触摸屏即设定3段加热温度和保温时间，到时间后报警提醒，分散电机转速的降温和恒温的参数，比传统方法用智能温控仪无纸记录仪和接触器的控制与记录界面更为友好，在实际应用中，优势尤为明显。

参考文献

[1]王思卓,梁海宁.基于MODBUS协议的单台PLC对多台变频器控制方法[J].电气开关,2022,60(2):58-61.

[2]熊进.反应釜监控系统的设计与实现[D].四川:电子科技大学,2016.

[3]牛斌.利用MODBUS实现西门子PLC与ABB变频器的通信控制[J].数字通信世界,2016(5):175-175.