可编程序控制器在纺织领域的应用袁修凯著.docx
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可编程序控制器在纺织领域的应用袁修凯著
盐城纺织职业技术学院
2006级毕业论文
题目
可编程序控制器在纺织领域的应用
专业
新型纺织机电技术
学号
061031135
姓名
袁修凯
指导老师
张立峰
交稿日期
2008.12.22
可编程序控制器在纺织领域的应用
摘 要：
我国的纺织行业正步入新一轮发展环境中，新的机遇更需要技术基础作为支撑，作为新型成熟的控制技术——PLC，以其各种优点成为首选。
本文通过对PLC基础知识的介绍，PLC应用于纺织领域的优越性能，PLC应用于纺织的拓展领域的主要方向，以及对PLC应用于纺织的发展趋势作了基本阐述，并分析了本土化PLC应用所产生的问题，提出了几点建设性的建议，为我国纺织设备的技术含量提供了理论依据、技术支持，指明了我国纺织机械的发展方向。
关键词：
纺织 可编程序控制器 机电一体化技术
作者：
袁修凯
导师：
张立峰
PLCinthefieldoftextileapplications
Abstract：
China'stextileindustryisenteringanewroundofdevelopmentoftheenvironment，newopportunitiesasabasisformoretechnicalsupport，asanewtypeofmaturecontroltechnology--PLC，itsadvantagestobecomethefirstchoice.BasedonPLC'spresentationbasicknowledge，PLCusedinthefieldoftextilesandsuperiorperformance，PLCusedinthetextileandexpandtheareaofthemaindirectionofthePLCaswellastextilesusedinthedevelopmentofthebasictrendsdescribedandanalyzedthelocalizationPLCApplicationArisingfromtheissueraisedanumberofconstructivesuggestionsforChina'stextileequipment，technologyprovidesatheoreticalbasis，technicalsupport，pointingoutChina'stextilemachinerydevelopment.
Keywords：
TextilePLCIntegrationofmachinerytechnologyMechatronics
Writtenby：
YuanXiukai
Supervisedby：
ZhangLifeng
目录
引言1
第一章PLC的基本知识2
1.1PLC的产生与发展2
1.2PLC的特点2
1.2.1灵活、通用2
1.2.2可靠性高、抗干扰能力强3
1.2.3编程简单、使用方便3
1.2.4接线简单、功能强、体积小、重量轻、易于实现机电一体化4
1.3PLC的控制思想4
1.3.1开关量的逻辑控制4
1.3.2模拟量的闭环控制4
1.3.3数字量的智能控制5
1.4本章小结5
第二章PLC在纺织设备中的应用6
2.1PLC提高纺机运行的稳定性和可靠性6
2.2PLC改善了劳动环境，降低了现场噪声7
2.3PLC提高了设备运行效率，降低了工人劳动强度8
2.4PLC提高了产品质量/产量；增强了纺机设备的适应性9
2.5PLC提高了纺织机械整体水平和纺机的市场竞争力10
2.6本章小结11
第三章PLC在纺织设施中的应用12
3.1PLC在纺织厂中央空调中的应用12
3.2PLC在纺织空压系统13
3.3PLC在纺织废水处理系统中的应用13
3.4本章小结14
第四章PLC在拓展纺织领域内的应用15
4.1PLC在纺织虚拟仪器中的应用15
4.2PLC在染整企业的应用16
4.2.1染缸系统16
4.2.2退煮漂联合机17
4.3PLC在印花机上的应用18
4.4本章小结19
第五章PLC在纺织中应用的发展趋势20
第六章结论22
参考文献23
致谢24
引言
随着自动化生产这一概念的发展深入，纺织行业也迎来了自动化普及的春天，PLC以其灵活通用、可靠性高、抗干扰能力强、编程容易、接线简单、功能强、体积小、重量轻、易于实现机电一体化的特点，正悄然掀起纺织行业的自动化变革。
PLC作为我国纺织行业自动化进程的一个里程碑，其在纺织行业的应用具有纺织进程划时代的意义。
本文从PLC在纺织设备、纺织设施、纺织拓展领域等几个方面，分条阐述了PLC在纺织行业的应用对纺织行业的影响，展望了我国纺织中PLC应用的发展前景，总结了我国纺织中PLC应用存在的问题，指出了PLC在我国的发展中存在的不足，并提出了初步的解决方案。
第一章PLC的基本知识
在生产过程、科学研究和其它产业领域中，电器控制技术的应用都是十分广泛的。
尤其在纺织机械设备中，电气控制亦比其它的控制方法使用的更为普遍。
随着科学技术的发展，特别时大规模集成电路的问世和微处理技术的应用，出现了PLC,它不仅可以取代传统的继电接触器控制系统，还可以进行复杂的过程控制和构成分布式自动化系统，使纺织中的电气控制技术进入了一个崭新的阶段。
到目前为止，纺织行业应用的PLC为所有行业最多的行业。
1.1PLC的产生与发展
PLC又叫可编程序控制器。
1985年，国际电工委员会（IEC）在其颁布的可编程控制器标准草案第二稿中，对可编程控制器定义如下：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。
现代PLC的功能已远远超出上述定义的范围。
近年来，PLC的发展异常迅猛，产品更新换代的速度明显加快，功能日益增强，应用领域愈加广泛。
PLC已成为实现工业自动化的一种强有力工具。
1.2PLC的特点
PLC具有很多与其他控制系统不同的特点，这些特点也决定了其应用的领域与适应的对象，体现了PLC的强大功能。
1.2.1灵活、通用
在继电器控制系统中，使用的控制器件是大量的继电器，整个系统是根据设计好的电气控制图，由人工通过布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费时费力。
如果因为工艺上的稍许变化，需要改变电气控制系统的话，那么原先的整个电气控制系统将被全部拆除，而重新进行布线、焊接、固定等工作，耗费了大量的人力、物力和时间。
而PLC是通过存储在存储器中的程序实现控制功能的，如果控制功能需要改变的话，只需要修改程序以及改动极少量的接线即可。
而且，同一台PLC还可以用于不同的控制对象，改变软件就可以实现不同的控制要求，因此具有很大的灵活性、通用性。
另外，PLC产品还具有多样化、系列化的特点，其结构形式多种多样，同一系列又有低档、中档、高档之分，因此可以适应于各种不同规模、不同要求的工业控制。
PLC还有多种功能模块，可以根据需要灵活组合成各种不同功能的控制装置，实现各种特殊的控制要求。
1.2.2可靠性高、抗干扰能力强
对工业控制器件来讲，可靠性是一个非常重要的指标，如何能在各种恶劣的工业环境和条件（如电磁干扰、低温潮湿、灰尘、超高温等）下，平稳、可靠地工作，将故障率降至最低，是研制每一种控制器件必须考虑的问题。
PLC的研制者在这一方面采取了许多有力的措施，使PLC具有很高的可靠性和抗干扰能力，因此被称为“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机”。
首先，PLC采用的是微电子技术，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，因此不会出现继电器控制系统中的接线老化、脱焊、触点电弧等现象，提高了可靠性。
另外，PLC还在硬件和软件两方面采取了以下主要措施来提高其可靠性。
①硬件措施
对电源变压器、CPU、编程器等主要部件，均采用严格措施进行屏蔽，以防外界干扰；对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，如LC或II型滤波网络，以消除或抑制高频干扰，也削弱了各种模块之间的相互影响；对CPU这个核心部件所需的+5V电源，采用多级滤波，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响；在CPU与I/O电路之间，采用光电隔离措施，有效地隔离了内部电路与I/O间的联系，减少故障和误动作；采用模块式结构，这种结构有助于在故障情况下短时修复。
因为一旦查出某一模块出现故障就能迅速更换，使系统恢复正常工作。
②软件措施
监控程序定期地检测外界环境，如掉电、欠电压、后备电池电压过低及强干扰信号等，以便及时进行处理；当检测到故障时，立即把现状态存入存储器，并对存储器进行封闭，禁止对存储器的任何操作，以防存储信息被冲掉。
这样，一旦检测到外界环境正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的程序工作；设置监视定时器WDT，如果程序每次循环执行时间超过了WDT规定时间，表明程序进入死循环，立即报警；加强对程序的检查和校验，一旦程序有错，立即报警，并停止执行；对用户程序及动态数据进行电池后备，停电时利用后备电池供电，保证信息不丢失。
由于采取了以上措施，使PLC的可靠性、抗干扰能力大大提高，这是PLC控制优于微机控制的一大特点。
1.2.3编程简单、使用方便
用微机实现控制，使用的是汇编语言，难于掌握，要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识。
而PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”目前大多数PLC采用的梯形图语言编程方式，既继承了继电器控制线到大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平，很容易被电气于编程，程序改变时也容易修改，灵活方便。
这种面向控制过程与面前微机控制常用的汇编语言相比，虽然在PLC内部增加了解释程序，对大多数的机电控制设备来说，PLC的控制速度是足够快的。
用微机控制，还要在输入输出接口上做大量工作，才能与控制现场连接起来，调试也比较烦琐。
而PLC的输入输出接口已经做好，可直接与控制现场的用户设备连接。
输入接口可以与各种开关和传感器连接，输出接口具有较强的驱动能力，可以直接与继电器、接触器、电磁阀等连接，使用很方便。
1.2.4接线简单、功能强、体积小、重量轻、易于实现机电一体化
PLC的接线只需将输入设备（如按钮、开关等）与PLC输入端子连接，将输出设备（如接触器、电磁阀等）与PLC输出端子连接。
接线工具仅为螺丝刀，接线工作极其简单、工作量极少。
现代PLC不仅具有条件控制、计时、计数、步进等控制功能，而且还能完成A/D、D/A转换、数字运算和数据处理以及通信联网、生产过程监控等。
因此，它既可对开关量进行控，又可对模拟量进行控制；既可控制一台单机、一条生产线，又可控制一个机群，多条生产线；既可现场控制，又可远距离控制；既可控制简单系统，又可控制复杂系统。
由于PLC采用半导体集成电路，因此具有体积小、重量轻、功耗低的特点。
且由于PLC是专为工业控制而设计的专用计算机，其结构紧凑、坚固耐用、体积小巧，并由于具备很强的可靠性和抗干扰能力，使之易于装入机械设备内部，因而成为实现机电一体化十分理想的控制设备。
1.3PLC的控制思想
PLC的控制思想有多种，所以PLC又可实现多种不同的控制要求，但是其主要的控制思想为“集中管理、分散控制”的分布式控制。
1.3.1开关量的逻辑控制
开关量的逻辑控制是PLC的最基本控制功能。
所控制的逻辑可以是各种各样的：
时序的、组合的、延时的、计数的、不计数的等等。
控制的输入、输出点数可以不受限制。
少则十点、几十点，多则成千上万的点，并可通过联网来实现控制。
用PLC进行开关量控制的实例很多，冶金、机械、纺织、轻工、化工等等，几乎所有工业行业都需用到它。
目前，PLC是首选的目标，就是用于开关量的控制。
1.3.2模拟量的闭环控制
PLC具有A/D，D/A转换及算术运算等功能，因此可以实现模拟量控制。
有的PLC还具有PID控制或模糊控制的功能，可用于闭环的位置控制、速度控制和过程控制。
目前除大型机、中型机具有此功能外，一些公司的小型机也具有这种功能。
如OMRON公司的CQM1机，松下电工的FP1机等。
1.3.3数字量的智能控制
利用PLC能接受和输出高速脉冲的功能，在配备相应的传感器（如旋转编码器或脉冲伺服装置、闭口环型分配器、功放、步进电机）就能实现数字量的智能控制。
较高级的还专门开发了位控制单元模块、运动单元模块等，实现了曲线插补。
新开发的运动单元，还认识数控技术的。
1.4本章小结
可编程序控制器是一种专为工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。
其优质的性能正逐渐在现代工业机电一体化方向得以充分发挥，各种不同和优点也正形成不同的分支学科，PLC的功能正在不断的拓展，各个功能模块的开发插入，使得PLC完全可以替代一般性的PC机，而且其特有的灵活通用、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特性使其更加有更广阔的竞争实力与市场。
在不久的将来，可编程序控制器的各个行业普及一定能够为机械设备的更新换代，解放劳动力方面有更大的贡献。
第二章PLC在纺织设备中的应用
在科学技术飞速发展的历史进程中，纺织机械电气控制系统的自动化程度发生了巨大的进步。
控制系统从最早的十几个继电器控制，发展到用单板机、PLC、可编程序计算机控制器（PCC）等。
这些控制方式各有特点，例如，纯继电器线路可以用在控制简单的纺织设备中，其价格低廉、维护方便，但不易于改变功能；单片机具有一定的编程灵活性、价格又低于一般的PLC，但控制点位和编程能力受到一定限制；PLC以其方便易掌握的编程指令及可扩展的输入/输出模块、成熟的抗干扰技术而深受工程技术人员欢迎，所以现在一般的纺机设备，PLC是最常见的控制器。
2.1PLC提高纺机运行的稳定性和可靠性
PLC在纺机运行的稳定性和可靠性方面，简洁明了的故障报警、简易了的系统维护，具有任意设置系统参数的可行性。
FA029（D）多仓混棉机电气控制系统包括进棉风机、输棉风机、斜帘电动机、剥棉电动机、均棉电动机、平帘电动机、打手电动机等，人机界面采用西门子TP170B触摸屏面板，其功能方框图见图2-1。
FA029（D）多仓混棉机采用西门子S7-300可编程控制器控制，控制部分包括开关量输入、输出模块和模拟量输入输出模块。
平帘、斜帘、喂棉、打手等4台电动机和2个风机都采用变频调速。
开关量输入信号包括机外连锁控制信号，各种开关和光电信号，各电动机过载信号及变频器过载信号4个部分，开关量输出包括联锁控制信号，交流接触器控制信号和变频器启动信号3个部分。
图2-1FA029（D）多仓混棉机电气控制系统示意图
采用的PLC大大提高了各个电机之间的配合精度，协调了各部分之间的运动配合，提高了整机运行的稳定性和可靠性，触摸屏面板的使用可以直接设定和修改各种工艺参数、手动调试，各变频器和光电信号接收、发射器的参与可以随机监控运行状况及故障报警，保证了设备的安全运行。
2.2PLC改善了劳动环境，降低了现场噪声
在纺织生产中，由于传动系统的工作需要，许多纺织机械均采用长边轴十齿轮变速箱转动，例如涤纶后加工联合机从导丝机到4道牵伸机有40米长，采用长边轴十齿轮变速箱分别传动导丝机、1—4道牵伸机和紧张热定型机等，其工作原理示意图如图2-2所示：
图2-2牵伸段总线控制系统框图（改造前）
虽然此种传动方式经济且维护工艺趋于成熟，但是此种传动方式不但占地面积大（100平方米以上），而且噪声大，传统梳棉机、浆纱机等棉纺机械也如此。
这样一方面存在安全隐患，另一方面也制约了整机运行的效率，使生产率下降，降低了经济效益！
选用PLC对原有的机台进行改造如图2-3，用几台交流电动机替换长边轴十齿轮变速箱，增加对应数量的变频器，交流电动机就可以由PLC进行控制，既可以提高了整机运行的速度，又提高了整机运行的稳定性和可靠性，减少了噪声，间接提高了经济效益，虽然对PLC和交流电动机的投入增加了成本，但是从长远利益看却是有效的投入。
图2-3牵伸段总线控制系统框图（改造后）
这样很好地解决了多单元机（即多电动机）的速度比例同步调速技术并淘汰了长边轴十齿轮变速箱的传动方式。
由此，改善了劳动条件，降低了现场的噪声，有利于保护操作人员的身体健康。
2.3PLC提高了设备运行效率，降低了工人劳动强度
过去更换加工产品品种时需停机更换大量的齿轮、皮带轮等机件，例如传统的粗纱机在纺制不同品种时需要改变各牵伸罗拉、锭翼、筒管、龙筋升降等传动部件的速度比例，需要改变捻度、张力、成形角度等则要调整锥轮、成形机构、差动机构、摆动机构和换向机构等，这样需要更换齿轮、皮带轮几十个多至百余个，既其时又费力还要停机一个班至几个班。
90年代末开始新型粗纱机采用多电机传动，plc控制、变频调速后，更换品种很简便只须在触摸屏上输入有关工艺参数、设置各传动部件的运行速度等即可，减少了停机时间，大大提高了粗纱机的运行效率，同时降低了劳动强度。
该控制系统原理框图如图2-5所示：
图2-5粗纱机控制系统原理框图
该系统中plc作为上位机，采用CAN通信适配卡与CAN总线连接。
CAN总线上的各部件（变频器等）必须具有CAN标准通信接口。
变频器（4台）采用共直流母线供电方式，共直流母线供电可以将4台通用变频器的直流电源相互并联方式或采用将一台变频器的直流电源供电给其余3台逆变器的方式。
4台电动机均带编码器实现速度闭环控制，保证高精度调速。
plc通过canbus现场总线控制4台变频器和电动机按多个数学模型或根据实测粗纱张力进行控制。
4台变频器和电动机按工艺所需的规律运转。
例如锭翼卷绕速度随卷绕直径的增大而降速，保证恒张力卷绕。
在触摸屏上对工艺参数进行设定，再利用电子齿轮功能、保证无论锭翼速度高纸、筒管、罗拉、笼筋升降的速度与锭翼速度之比始终保持纺纱工艺要求的速比关系。
总体来说，应用此设计后，大大降低了机台的停车时间，提高了设备的运转效率，另外，由于设备占地面积小，电气化程度高，能耗小。
并设有罗拉缠绕、断条、筒管库空等自停装置，并设有指示灯，方便操作、维修，提高生产率。
这样就降低了保全操作人员的工作时间和工作量和企业的用工量，降低了工人劳动强度。
2.4PLC提高了产品质量/产量；增强了纺机设备的适应性
随着科技的发展，技术的进步，剑杆织机电气控制系统也由原来繁杂的数字逻辑电路发展到目前的以可编程控制器为核心的主流形式。
它采用各种电气辅助装置对织机的各部分的工作状态进行探测，探测结果送入PLC内部，PLC按照预先编排的程序对这些数据进行处理、运算。
运算结果经输出口送到各个执行机构，从而控制织机各部分协调工作。
用PLC控制剑杆织机，可以使织机的可靠性成倍提高，并大大减少误停车和动作失灵现象。
下面对可编程控制器在剑杆织机中的具体控制作简要分析。
所用PLC为西门子公司的S7-200型PLC。
PLC控制剑杆织机的PLC上I/O点分配如表2-1
地址
输人/输出
设备备注
I0.0
点动按钮
常开触点
I0.1
停车按钮
常开触点
I0.2
开车按钮
常开触点
I0.3
储纬器继电器一经停信号
2常开触点并联
I0.4
经停定位接近开关
常开触点
I0.5
纬纱传感器
常开触点
I0.6
纬停定位接近开关
常开触点
I0.7
寻纬区接近开关
常开触点
I1.1
急停按钮一电机热保一脱机开关
4常闭触点串联
I1.2
龙头行程开关
常开触点
I1.3
正寻纬按钮
常开触点
I1.4
反寻纬按钮
常开触点
Q0.0
绿色指示灯
正常停车指示
Q0.1
红色指示灯
断经定点停车指示
Qo.2
黄色指示灯
断纬定点停车指示
Q0.3
吸铁驱动
经纱松弛
Q0.4
刹车一离合驱动
刹车一离合转换
Q0.5
高压一低压驱动
高一低压转换
Q0.6
正向寻纬驱动
正向寻纬
Q0.7
反向寻纬驱动
反向寻纬
表2-1PLCI/O点分配表
①按下控制箱而板上的开车按钮，离合器被励磁，织机运转。
②若经线断，则纲上停经架给出信号，等平综位信号到来时，PLC发出停机信号。
织机停车。
③纬纱接近开关给出相遇信号的同时，若纬纱传感器给出断纬信号，则PLC输出定位停机信号。
④按控制箱而板上“点动”按钮，离合器被励磁，织机运转，松开“点动”按钮，织机停车。
⑤无断经、断纬故障时，按机上停车按钮，织机停车。
⑥储纬器缺纬的控制过程与断经相同。
⑦按下急停/修车按钮，织机立即刹车，然后转入脱离状态，调试人员可自由转动手轮，以便放开按钮后织机随即进入停车状态。
PLC在剑杆织机上的应用可以实现以下功能：
①准确的停车定位功能，达到织机定点停车要求，适合车速300RPM以下的剑杆织机。
②灵活的编程，实现电子选色功能（可达99色）。
③可靠的断纬、断经检测。
由此可知，PLC在剑杆织机上的应用提高了加工产品质量、产量增强了纺机设备对生产工艺的适应性。
不仅如此，PLC控制、变频调速可保证速度调节方便，控制准确对提高纺织品加工质量有利。
例如：
粗纱机采用多电动机变频调速后简化了机械结构、提高了车速（产量）、减少粗纱断头，基本避免了出现粗细节的粗纱，既增加了产量又保证了粗纱质量的稳定性，同时改变工艺简便、快捷。
细纱机按纺纱曲线进行变频调速后也能提高车速增加单产，又能减少断头、提高纱线质量。
浆纱机采用多电动机变频调速后，可控制加工纱线伸长率在1%左右，生产加工不同品种的纱，要求采用度和不同的速比，由于PLC控制、变频调速、各单元机调速方便、控制准确，所以可能满足不同的速同品种纱的加工要求，即提高了设备对工艺的适应性。
2.5PLC提高了纺织机械整体水平和纺机的市场竞争力
本世纪初在纺织机械上采用并推广应用了plc控制变频调速等新技术，加之加工技术的提高，使得纺机整体水平有了明显提高，同时增强了市场竞争力，一方面在国内市场赢得了更多的市场份额，我国纺织机械的年销售额逐年增加约20%，2006年已达500亿以上。
从本世纪初以来细纱机和化纤机械已基本顶替了同类产品的进口，另一方面在国际市场我国纺织机械出口到了更多的国家，现在主要有印度、巴基斯坦、孟加拉国、印尼、土耳其、日本、德国等130多个国家，纺机出口以每年20%以上的速度增长，从本世纪初的3亿美元增至2006年出口纺机金额已达10亿美元以上。
2.6本章小结
近10年来纺织机械普遍推广应用了plc控制、变频调速等新技术、新产品，改变了我国纺织机械电气控制系统工作不稳定不可靠的被动局面，加上机械加工水平的提高使整个纺织机械上了一个台阶，得到国内外客户的信任，从而争得了国内外两个市场，近年来我国纺织机械年销售额以20%以上的速度递增，纺织机械出口每年也以20%以上速度递增，这是一个大好形势。
但我国纺织机械自主创新较少，使得我国纺机整体水平还不够高，技术自主的纺机还不多，与先进国家相比差距较大。
我们使用plc控制、变频调速等新技术的水平还不够高，特别是其中的软件功能尚未得到充分应用，这些还有待于下一步改进提高。
第三章PLC在纺织设施中的应用
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