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引言

自動(dòng)配料系統(tǒng)是精細(xì)化工廠生產(chǎn)工藝過(guò)程中一道非常重要的工序, 配料工序質(zhì)量對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量舉足輕重。自動(dòng)配料控制過(guò)程是一個(gè)多輸入、多輸出系統(tǒng), 各條配料輸送生產(chǎn)線嚴(yán)格地協(xié)調(diào)控制, 對(duì)料位、 流量及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)。系統(tǒng)由可編程控制器與電子皮帶秤組成一個(gè)兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò) , 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線連接現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表、 控制計(jì)算機(jī)、 PLC 、 變頻器等智能程度較高、 處理速度快的設(shè)備。在自動(dòng)配料生產(chǎn)工藝過(guò)程中, 將主料與輔料按一定比例配合, 由電子皮帶秤完成對(duì)皮帶輸送機(jī)輸送的物料進(jìn)行計(jì)量。 PLC 主要承擔(dān)對(duì)輸送設(shè)備、 秤量過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制, 并完成對(duì)系統(tǒng)故障檢測(cè)、 顯示及報(bào)警, 同時(shí)向變頻器輸出信號(hào)調(diào)節(jié)皮帶機(jī)轉(zhuǎn)速的作用。

1 自動(dòng)配料系統(tǒng)的構(gòu)成

該自動(dòng)配料系統(tǒng)由 5 臺(tái)電子皮帶秤配料線組成, 編號(hào)分別為 1# 、 2# 、 3# 、 4# 、 5#, 其中 1#～ 4# 為一組, 1# 為主料秤, 其余三臺(tái)為輔料秤。當(dāng)不需要添加輔料時(shí), 5# 電子秤單獨(dú)工作輸送主料。 系統(tǒng)具有恒流量和配比控制兩種功能。 對(duì)于恒流量控制時(shí),電子皮帶秤根據(jù)皮帶上物料的多少自動(dòng)調(diào)節(jié)皮帶速度, 以達(dá)到所設(shè)定流量要求。以主秤(1#) 系統(tǒng)工藝流程來(lái)分析, 工藝流程如圖 1 所示。

自動(dòng)配料系統(tǒng)加電后, 皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)開始旋轉(zhuǎn), 微處理機(jī)根據(jù)當(dāng)前操作控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 料斗中的物料落在落料區(qū), 經(jīng)皮帶運(yùn)送到達(dá)稱重區(qū), 由電子皮帶秤對(duì)皮帶上的物料進(jìn)行稱重。 稱重傳感器根據(jù)所受力的大小輸出一個(gè)電壓信號(hào), 經(jīng)變送器放大, 輸出一個(gè)正比于物料重量的計(jì)量電平信號(hào)。該信號(hào)送至上位機(jī)的接口, 經(jīng)采樣后并轉(zhuǎn)換成一個(gè)流量信號(hào), 在上位機(jī)上顯示當(dāng)前流量值。同時(shí)將此流量信號(hào)送至 PLC 接口, 與上位機(jī)設(shè)定的各種配料給定值進(jìn)行比較, 然后進(jìn)行調(diào)節(jié)運(yùn)算, 其控制量送至變頻器,以此來(lái)改變變頻器的輸出值, 從而改變驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 調(diào)整給定量, 使之與設(shè)定值相等, 完成自動(dòng)配料過(guò)程。

流量就是一定時(shí)間內(nèi)皮帶上走過(guò)的物料量。電子皮帶秤稱量的是瞬時(shí)流量, 上位機(jī)給出的是設(shè)定流量, 二者在實(shí)時(shí)計(jì)量中有所偏差。在流量實(shí)際控制中采用工業(yè)控制中應(yīng)用最為廣泛的PID 調(diào)節(jié), 根據(jù)流量偏差, 利用比例、 積分、 微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制, 控制量輸入和輸出 ( 誤差 ) 之間的關(guān)系在時(shí)域中可用公式表示如下：

公式中 e(t) 表示誤差、 控制器輸入, u(t) 是控制器的輸出, kp為比例系數(shù), Ti 為積分時(shí)間常數(shù), Td 為微分時(shí)間常數(shù)。圖 2 為系統(tǒng)流量 PID 閉環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)圖。在生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí),以主料成分的流量計(jì)量為依據(jù), 根據(jù)生產(chǎn)工藝要求通過(guò)上位機(jī)設(shè)定出總流量及主、 輔料配比參數(shù), 按配方比例摻雜其余輔料。流量計(jì)量控制是計(jì)量偏差與變頻調(diào)速的結(jié)合, 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、 工作可靠和調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)控制流程

當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí), 啟動(dòng)配料生產(chǎn)線。首先系統(tǒng)程序進(jìn)行初始化, 通過(guò)上位機(jī)或觸摸屏設(shè)置配料配比, 檢查料斗有無(wú)物料。若無(wú)物料,向料斗送料, 啟動(dòng)配料生產(chǎn)線, 由電子皮帶秤進(jìn)行稱重并實(shí)時(shí)計(jì)量, CPU 計(jì)算得實(shí)時(shí)流量及累計(jì)流量。若設(shè)定流量與實(shí)際流量有偏差, 調(diào)節(jié)器根據(jù)系統(tǒng)控制要求比較設(shè)定值與實(shí)際流量的偏差, 經(jīng) PID 調(diào)節(jié)改變輸出信號(hào)以控制變頻器對(duì)輸送電機(jī)的速度調(diào)節(jié), 從而實(shí)現(xiàn)恒流量控制。根據(jù)配比各輔料同時(shí)混合計(jì)量, 并按配方工藝要求添加。系統(tǒng)主程序控制流程如圖 3 。

3PLC 控制系統(tǒng)硬件設(shè)置

系統(tǒng)中主、輔料秤由可編程控制器 (PLC) 和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)兩級(jí)控制?，F(xiàn)以 1#～ 4# 四臺(tái)電子皮帶秤的 PLC 控制分析為例, 每一電子皮帶秤有一臺(tái)皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī), 兩個(gè)料位傳感器, 一個(gè)速度傳感器, 一個(gè)稱重傳感器, 一臺(tái)變頻器, 它們構(gòu)成了被控對(duì)象。電動(dòng)機(jī)的啟、停由開關(guān)量控制, PLC 數(shù)字量輸出信號(hào)作為變頻器的控制端輸入信號(hào), 經(jīng)變頻器調(diào)制輸出高頻脈沖給皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)。料位傳感器檢測(cè)料斗有無(wú)物料, 速度傳感器測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)需 8 個(gè)數(shù)字量輸入信號(hào), 25 個(gè)開關(guān)量輸入信號(hào)和 24個(gè)開關(guān)量輸出信號(hào), I/O 點(diǎn)總數(shù)量為 57 。 I/O 點(diǎn)數(shù)量和類型如表1 所示。

3.1 CPU 及輸入、 輸出模塊選擇

西門子公司的 SIMATIC S7-/300 , 屬于模塊化小型 PLC 系統(tǒng), 各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合構(gòu)成不同要求的系統(tǒng)。

根據(jù)系統(tǒng)被控對(duì)象的 I/O 點(diǎn)數(shù)以及工藝要求、 掃描速度、 自診斷功能等方面的考慮, 選用 SIEMENS 公司 S7- 300 系列 PLC的 CPU 315 - 2DP 。 CPU 315 - 2DP 是 唯 一 帶 現(xiàn) 場(chǎng) 總 線(PROFIBUS)SINEC L2- DP 接 口 的 CPU 模板 , 具有 48KB 的RAM , 80KB 的裝載存儲(chǔ)器, 可用存儲(chǔ)卡擴(kuò)充裝載存儲(chǔ)容量最大到 512KB , 最大可擴(kuò)展 1024 點(diǎn)數(shù)字量或 128 個(gè)模擬量。根據(jù)統(tǒng)計(jì)出的 I/O 點(diǎn)數(shù)選擇一個(gè)直流 32 點(diǎn)和一個(gè) 16 點(diǎn)的 SM321 數(shù)字量輸入模塊和一個(gè) 32 點(diǎn) SM322 繼電器輸出模塊。

3.2 變頻器選型及其功能設(shè)定

三菱公司提供了 FR- A540 系列變頻器與該公司的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)相匹配時(shí)的技術(shù)參數(shù)。采用三菱的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī), 1# 皮帶機(jī)額定功率 2.2KW, 2～ 4# 皮帶機(jī)額定功率為 0.4KW , 額定電壓 380V ,額定電流 5A , 轉(zhuǎn)速 1420r/ min , 調(diào)速范圍 120～ 1200r/min 。三菱FR- A540 變頻器自帶有 PID 調(diào)節(jié)功能, 根據(jù)自動(dòng)配料系統(tǒng)生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行 PID 控制, 需要檢測(cè)設(shè)定的部分參數(shù)設(shè)定如下 :

① Pr.1=50 Hz , Pr.2= 5 Hz , 本系統(tǒng) Pr.18=120 Hz 不變。

② Pr.19=9999 , 與電源電壓相同

③ Pr.7=2s , 加速時(shí)間 (7.5K 以下出廠設(shè)定值 5s , 0～ 3600s/0~360s)

Pr.8=2s , 減速時(shí)間 (7.5K 以下出廠設(shè)定值 5s , 0～ 3600s/0~360s)

④ Pr.9 由電機(jī)額定值決定

⑤ Pr.14=0 , 適用恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

⑥ Pr.79=3 , 外部 /PU 組合操作模式

⑦ Pr.183=8 , 實(shí)現(xiàn) RT 開關(guān) =REX 開關(guān)

⑧ Pr.128 、 Pr.129 、 Pr.130 、 Pr.131 、 Pr.132 、 Pr.133 、 Pr.134 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng) PID 調(diào)節(jié)具體要求來(lái)設(shè)定。

4PLC 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

STEP 7 是西門子的 S7- 300 系列 PLC 所用的編程語(yǔ)言, 它是一種可運(yùn)行于通用微機(jī)中, 在 WINDOWS 環(huán)境下進(jìn)行編程的語(yǔ)言。通過(guò) STEP 7 編程軟件, 不僅可以非常方便地使用梯形圖和語(yǔ)句表等形式進(jìn)行離線編程, 并通過(guò)轉(zhuǎn)接電纜可直接送入PLC的內(nèi)存中執(zhí)行, 而且在調(diào)試運(yùn)行時(shí), 還可在線監(jiān)視程序中各個(gè)輸入輸出或狀態(tài)點(diǎn)的通斷情況, 甚至進(jìn)行在線修改程序中變量的值, 給調(diào)試工作也帶來(lái)極大的方便。 STEP 7 將用戶程序分成不同的類型塊。程序塊分為兩大類 : 系統(tǒng)塊和用戶塊。用戶塊包括 :OB= 組織塊, FB= 功能塊, FC= 功能, DB= 數(shù)據(jù)塊。主程序可以放入 “組織塊” (OB) 中, 而子程序可以放入 “功能塊” (FB 或FC) 中。在本系統(tǒng)中, PLC 的主要任務(wù)是接受外部開關(guān)信號(hào) ( 按鈕、 繼電器觸點(diǎn) ) 和傳感器產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)的輸入,判斷當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)以及輸出信號(hào)去控制接觸器、 繼電器、 電磁閥等器件,以完成相應(yīng)的控制任務(wù)。除此之外, 另一個(gè)重要的任務(wù)就是接受工控機(jī) ( 上位機(jī) ) 的控制命令, 以進(jìn)行自動(dòng)配料控制。自動(dòng)配料程序共有 OB 1 及 FC1 至 FC6 等 7 個(gè) “塊” 。 OB1 是主程序, 通過(guò) 6個(gè) “CALL ” 調(diào)用語(yǔ)句, 依次調(diào)用 FC1 至 FC6 等功能模塊, 達(dá)到組織整個(gè)程序的目的。程序中 6 個(gè)功能塊的任務(wù)分配如下所示:FC l 負(fù)責(zé)系統(tǒng)開始運(yùn)行以及運(yùn)行方式的設(shè)定; FC2 負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)的停止; FC3 負(fù)責(zé)計(jì)量泵和計(jì)量泵配比控制;FC4 負(fù)責(zé)故障、 事故處理控制; FC5 負(fù)責(zé)對(duì)變頻器的控制; FC6負(fù)責(zé)指示燈的顯示控制。

5 結(jié)束語(yǔ)

PLC 代替了傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)及龐大的控制電器, 實(shí)現(xiàn)了電氣的自動(dòng)化控制。通過(guò)對(duì)皮帶電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速, 達(dá)到節(jié)約能源和提高配料精度。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)是 : 自動(dòng)配料系統(tǒng)采用 PLC 控制方案, 具有功能強(qiáng)大、方便靈活、 可靠性高、 低成本、 易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn), 大大提高了配料精度, 便于計(jì)量的微機(jī)化控制, 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)管理, 通過(guò)投產(chǎn)使用取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

 

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