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1、目 录 第一章 绪论11.1课题分析11.2国内外现状分析11.3课题意义2第二章 热定型原理及总体设计32.1热定型工艺原理和设备32.1.1化学纤维的热定型理论32.1.2热定型过程42.1.3影响热定型效果的因素52.1.4热定型设备62.2控制系统设计62.2.1控制系统组成以及工艺要求62.2.2计算机控制系统8第三章 拉幅张力控制系统103.1拉幅工艺要求103.2张力控制硬件组成113.3 590型全数字驱动器113.4张力控制策略143.4.1模糊控制143.4.2比例积分控制PI16第四章 热风循环控制系统184.1热风循环系统工艺要求184.2温度控制系统的硬件组成184.
2、3 AL808智能仪表PID自整定过程194.4专家智能自整定PID控制器194.4.1智能PID调节器的发展194.4.2专家系统智能自整定PID控制器204.4.3专家系统智能自整定PID控制器在热风炉加热系统中的应用21第五章 通讯协议和通讯链路设计265.1通讯协议选择265.1.1 RS-232C总线265.1.2 RS-422/485总线275.1.3 MOXA多串口卡285.2上位机和下位机通讯实现285.2.1智能仪表和上位机连接方案选择285.2.2智能仪表和上位机连接框图305.2.3数据通讯协议30第六章 热定型机监控系统326.1 SCADA系统326.2监控系统设计3
3、5第七章 拉伸同步控制系统387.1拉伸控制策略387.2拉伸同步控制系统397.2.1拉伸同步控制系统组成397.2.2拉伸同步控制系统编程及说明40第八章 实验及结果分析428.1引 言428.1.1本实验应用的行业428.1.2使用的产品428.1.3实验的主要工艺点及要解决的主要问题428.1.4实验方案简介428.2实验方案详细介绍458.2.1系统组成458.2.2数学模型468.2.3卷绕张力控制系统分析与设计488.2.4同步控制系统分析与设计498.3实验步骤498.3.1模拟量输入单元参数设定498.3.3模拟电流输出单元参数设定528.3.4 DM区和IR区528.3.5
4、实验系统调试548.4实验记录548.5实验结果分析55参考文献56附 录57致 谢68第一章 绪论1.1课题分析造纸网是造纸行业的一种重要的消耗材料，是用于纸或纸板成形和脱水的织物。随着造纸行业的不断发展，对造纸网的质量和成本提出了越来越高的要求。原有的磷青铜丝造纸网(简称铜网)，由于其成本高，耐磨强度低，渐渐的淡出了造纸行业，取而代之的是合成纤维织成的插接网，现在国内造纸行业使用的造纸网主要是聚酯网。由于合成纤维耐磨强度高，用于代替金属网，不但寿命可以延长25倍，经济效益增长，而且还可以织出多层和更多花纹。所以聚酯网和聚酯干网已成为当前造纸行业首选的脱水成型材料，并且以其较低成本和优良的性
5、能已经稳稳的占据了市场。此外，聚酯纤维也可以织造产业用布，如造纸毛毯，制作复合材料等。在聚酯纤维加工时，已先经过一个牵伸热定型处理。在织造成织物后，由于织物本身的物理特性(易变形，对温度敏感)，在使用前还需要有一个热定型的过程。此外，在纺织和织造以及练漂、染色、印花等加工过程中，纤维和织物经常要受到各种外力的作用，特别是织物的经向在湿热状态下受到反复的拉伸和经过多次中间干燥的环节，迫使织物经向伸长而纬向收缩，尺寸形态不够稳定，并呈现出幅宽不均、布边不齐、纬斜以及烘筒烘干后产生的“极光”和手感粗糙等缺点。为了尽可能地纠正上述缺点，织物在完成练漂、染色、印花的基本加工工序后，所以一般都要进行热定型
6、处理。热定型机用于对宽幅产业用布和产业用网(以下简称织物)进行定型加工，在适宜的温度、张力下对织物进行定型工艺处理，使之达到稳定状态。1.2国内外现状分析目前，我国的造纸网企业中使用的造纸网热定型机大多是由国外(主要是挪威和瑞典)引进或和国外的企业合作生产的，例如，1993年挪威的PRO公司与国内的厂家合作生产了热空气对流式热定型机，幅宽8.5米和12米各一台。但是，这些造纸网热定型机的造价十分昂贵，只为国内的少部分企业拥有。近年来，国内造纸行业对于聚酯网需求的急剧增加，随着造纸网行业对于热定型技术认识的逐步成熟，一些有实力的造纸网企业联合国内的科研院所，研制出具有自主知识产权的造纸网热定型机
7、。其中，西安航空发动机公司冶金处研制的造纸网热定型机，已经在国内的很多企业成功应用。但是随着国内造纸行业的发展，对于造纸网的生产提出了更高的要求，国内研制的第一批热定型设备已经不能满足日益变化的市场需求，在技术上也已经远远落后于国外的热定型设备。主要原因是：在研制的初期，国内对于造纸网的使用还处于初级阶段，对于热定型机的工艺原理和控制技术认识不太深刻，研制出的热定型机总体技术水平不高，而且应用的自动控制系统难于扩展，不能很好的适应新的生产工艺的要求。维护费用高，维修工期长。现在从国外进口一台热定型设备价格在600万左右，价格十分昂贵。1.3课题意义国内使用热定型设备的很多企业都在探讨如何节约成
8、本，提高质量，研制可靠实用的热定型机。所以，鉴于该项目具有广泛的通用性，可以较为迅速的推广到各个造纸网生产企业，因而具有较高的经济效益和社会效益。而且，由于该课题参考了国外先进的热定型机生产技术，应用了较为先进的计算机控制技术，因此，在国内的造纸网行业具有一定的领先性。同时伴随着计算机技术的不断发展，自动化程度的不断提高，可编程控制器（PLC）在过程控制中的应用也越来越广泛。PLC具有以下特点：第一，可靠性高、抗干扰能力强、平均故障时间为几十万小时。而且PLC采用了许多硬件和软件抗干扰措施。第二，编程简单、使用方便目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。一些P
9、LC还根据具体问题设计了如步进梯形指令等，进一步简化了编程。第三，设计安装容易，维护工作量少。第四，适用于恶劣的工业环境，采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。第五，与外部设备连接方便，采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同的端子性能适合于多种电气规格。第六，功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高。因此PLC以其可靠性高、编程简单、在线编程、易于修改、性价比高等显著特点广泛应用于现代控制中，成为控制器的理想选择之一，而以PLC与通信网络相结合所构成的分布式控制系统已经成为现代工业过程控制的有效解决方案之一。因此本课题采用日本ORMON公司的C200HG
10、PLC作为控制器对热定型机进行控制。第二章 热定型原理及总体设计2.1热定型工艺原理和设备2.1.1化学纤维的热定型理论为了深入的研究造纸网热定型的机理，有必要先认识所使用的纤维的结构和性能，在此基础上才能认识到织物定型后结构的变化。当前我国的造纸网一般都以聚酯纤维作为原料，为使其形态得以固定，只能利用其热塑性能，把由它们织成的织物在一定的张力作用下进行热处理，使其尺寸和形态得以稳定。这种加工工艺称作热定型。用于制作造纸网的聚酯纤维虽然在化纤厂已进行过纤维的延伸热定型加工，但分子链的取向还不是很稳定，只要预热或受到外力的作用，纤维内分子振动便加剧，外界作用力的能量大于它的初始状态时，分子便会活
11、化弯曲，使纤维回缩引起织物外形和尺寸的变化。尤其在造纸网的制造过程中，纤维要经过梳理、纺线、织造等多道工序加工，纤维在受到各种外力作用时不断地被拉伸、扭转、弯曲、压缩等。它们所受到的外力大小不匀，引起纤维内部各个结构单元的位移。位移的大小受到分子间作用力的制约，当大分子的刚性越强或分子间作用力越大时，由原始状态进入新的状态所需跨越的能峰越高；而在新状态下建立新的分子间的结合，则又会降低新的位谷高峰，使体系难于逆转而稳定在新的状态。这就更加剧了纤维内部应力变化不匀的倾向。为了避免因应力不匀而造成织物的变形，造纸网都要在前部工序加工结束后，进行热定型处理，目的是使其内部应力调整到平衡状态，织物所处
12、的新能级低于原来的能级，则织物在新的状态下更为稳定。只有织物具有了足够的稳定程度才能送交用户使用。织物稳定态曲线见图2-1。图2-1 织物稳定态曲线各种热塑性纤维都有各自不同的最高熨烫温度、可塑性开始温度、软化点温度、热定型最适温度、热强度等于零的温度和熔融温度。对其制品作热定型处理，只能在可塑性开始温度到热定型最适温度区间进行。如果温度低于可塑性开始温度则达不到定型的目的；若温度超过热强度等于零时的温度，则该织物的强度反而会降低，亦达不到热定形的效果。具体温度值见图2-2。因此热定形的温度必须严格掌握在规定的范围内，越接近热定型最适温度，其定型效果越佳。在热定型的过程中还必须保证温度的持续稳
13、定，不能出现较大的波动，不然就会造成成品定型效果上的差异。图2-2 热定型温度示意图从分子的晶体理论角度看，纤维在受热过程中，纤维分子的热振动加剧，链段活化。开始时有些小的晶体会出现熔融，随着温度的提高，则互相连接形成较大的结晶，随着温度继续升高，完整性差的结晶继续熔融再结晶，使结晶更大。在此过程中，晶体完整地向较大的方向集中，同时随着张力的提高，分子链的取向度增加。离开受热区域后温度迅速下降，使分子链得以稳固，即受热的织物在热区形成的尺寸得以稳定，完整性得到提高。在变化过程中，织物的密度也会发生变化，温度越高结构越紧密，织物的密度增值也就越大。热定型时织物是松弛状态还是拉伸状态，其性能形状变
14、化都会有所不同。织物经热定型后，硬挺度增加，抗变形能力也增加。定型温度越高，织物越板硬。织物表面出现明显的结晶颗粒，说明局部温度已达到熔融温度，手感也更粗糙。合成纤维的热定型过程是大分子链解冻，进行扩散和重新调整，建立新得更为致密和稳定结构的过程，使织物结构更为密实和稳定，纤维的初始模量增加，纤维的刚性增加。在热定型时施加张力越大或伸长率越大，所产生的最大弹性恢复的最适温度越高，热回缩率降低。多次热定型处理的叠加效应，能形成较为稳定的结果。2.1.2热定型过程根据化学纤维的热定型理论，我们可以总结出，热定型的作用主要有两个：第一，平整前道工序加工中产生的积聚在纤维内部的应力，改善和提高其物理机
15、械性能，提高布面平整度；第二，提高织物的尺寸稳定性和抗温度的热收缩性，并达到成品的尺寸要求。热定型实际上是在一定的温度和张力下的紧张定型，这样可以使所有的纱线都在相同的紧张状态，达到聚酯网的定型尺寸。在定型的过程中施加了一定的拉伸，这就不可避免的在消除前段工序产生的应力和高弹变形的同时，出现了新的高弹变形。所以，在紧张定型后，必须经过一段松弛定型，以使这种变形稳定下来，否则织物的尺寸稳定性就差。织物的热定型工艺流程可以用图2-3表示：图2-3 热定型工艺流程图2.1.3影响热定型效果的因素经过调研分析，可以总结出以下因素对造纸网的热定型效果有重要影响。1.温度热定型温度必须选择在高于最高熨烫温度，而低于熔融温度的范围内。温度高，所需的热定型时间短，但温度过高，晶体的折叠链作用反而减少，伴随拉伸的张力作用，织物将被过度拉伸，纤维强度严重下降。合适的定型温度对提高纤维的结晶度及结晶完整性，改善和提高尺寸稳定性至关重要。聚酯纤维的最佳热定型温度为170 oC -200 oC左右，不同定型阶段温度也应不同。在热定型机上，最高温度要比织物将来使用时温度略高
