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| PLC在油漆配料系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 | 2020-01-21 |
| 摘要:油漆稱重配料系統(tǒng)技術(shù)改造為背景,闡述了油漆生產(chǎn)的工藝流程,采用基于PLC的集散配料系統(tǒng)作為總體控制方案,對油漆生產(chǎn)主要環(huán)節(jié)進行了分析并給出控制方案。設(shè)計了基于PLC的稱重混合配料系統(tǒng),給出了配料系統(tǒng)硬件設(shè)計和軟件控制流程,對配料系統(tǒng)的模糊PID控制和仿真進行了研究。結(jié)果表明:該油漆稱重配料系統(tǒng)經(jīng)過PLC技術(shù)改造后,配料精度大幅提高。 油漆工業(yè)是連接種建筑業(yè)、船舶業(yè)、家具業(yè)產(chǎn)品等產(chǎn)業(yè)鏈條中極其重要的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其作為世界經(jīng)濟的新興工業(yè)之一,在較短的時間內(nèi)迅速發(fā)展起來,受到了各國政府和企業(yè)界的高度重視。油漆加工生產(chǎn)線控制特點主要是各加工設(shè)備及檢測裝置間的順序控制,而這種順序控制正是PLC控制的優(yōu)勢所在。PLC控制是當前工業(yè)配料系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛的控制方式,使用PLC控制可以極大地提高生產(chǎn)的自動化程度。可編程控制器與上位機PC的通訊實現(xiàn),可使生產(chǎn)過程整體優(yōu)化,確保正常生產(chǎn)和管理水平的提高。各種預混合油漆、濃縮油漆、配合油漆為主油漆生產(chǎn)車間兩個,建成的生產(chǎn)線采用了微機控制技術(shù),現(xiàn)代化水平比較高;而早期建設(shè)的生產(chǎn)線配料系統(tǒng)仍然是接觸器、繼電器控制方式,其管理水平和生產(chǎn)效率均遠低于另一條生產(chǎn)線。為適應(yīng)生產(chǎn)需求,對舊的生產(chǎn)線進行了技術(shù)改造。 1油漆生產(chǎn)工藝 傳統(tǒng)的油漆生產(chǎn)企業(yè)采用串聯(lián)布置，即物料從原料倉庫開始，按照工藝流程依次經(jīng)過各個車間，然后到達成品倉庫。然而，隨著產(chǎn)品種類的不斷增加和產(chǎn)品類型的不斷差異，近年來并行布局已經(jīng)被取代，即物料可以分成多條路線，同時經(jīng)過不同的車間，最終到達成品倉庫。顯然，這種方法大大提高了串聯(lián)物料的產(chǎn)量，減少了干擾，生產(chǎn)效率更高。同時，這種布局也有利于助劑、電力、燃氣等電力線路的合理鋪設(shè)，降低投資成本。目前，公司車間布局是按照平行布局設(shè)計的。目前，一些涂料生產(chǎn)配料系統(tǒng)也提出了車間組合布局模式，即在生產(chǎn)車間內(nèi)設(shè)立針對特定產(chǎn)品的原料倉庫、成品倉庫、實驗室、檢驗室等。合并，物料在車間內(nèi)流動，改變了原原料倉庫、車間和成品倉庫的拆分方式，節(jié)省了物流的行程和時間，大大提高了生產(chǎn)效率。鑒于需要新建一個車間來配置工程液體灌裝機的涂料和汽車涂料產(chǎn)品的配料系統(tǒng)，可以采用組合布局的方法，既可以避免原料和成品之間距離過長、效率降低的缺點，又可以集中同類產(chǎn)品的所有揀選和生產(chǎn)環(huán)節(jié)，便于過程控制和生產(chǎn)管理，有利于產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。一般來說，生產(chǎn)車間的布局設(shè)計應(yīng)考慮原材料入庫、生產(chǎn)揀選、成品交付等各個方面。在生產(chǎn)過程中，材料的布局方法是最短路徑、最短時間和資本占用。涂料配料系統(tǒng)具有原料和產(chǎn)品種類多、生產(chǎn)工藝簡單、流程短的特點。涂裝車間生產(chǎn)線的布置有兩種方式:一種是工藝專用配料系統(tǒng)的生產(chǎn)線，也稱為車隊配料系統(tǒng)的生產(chǎn)線，即根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝建立不同的車間或工段團隊。工藝專業(yè)車間安裝了同類型的配料系統(tǒng)液體灌裝機，便于大規(guī)模生產(chǎn)組織。第二，產(chǎn)品專用配料系統(tǒng)的生產(chǎn)線，也稱為封閉配料系統(tǒng)生產(chǎn)線，是以產(chǎn)品為基礎(chǔ)建立車間。在產(chǎn)品的專業(yè)化生產(chǎn)車間，生產(chǎn)某種產(chǎn)品的各種液體灌裝機集中在一條批量自動配料系統(tǒng)生產(chǎn)線上，可以獨立完成產(chǎn)品生產(chǎn)的所有工藝流程。大多數(shù)傳統(tǒng)的油漆配料系統(tǒng)車間都是按照工藝建立的，尤其是在以前的大中型油漆廠，絕大多數(shù)都是按照專業(yè)生產(chǎn)線的工藝建立的。根據(jù)工藝專業(yè)化設(shè)立車間的優(yōu)點包括:(1)配料系統(tǒng)中液體灌裝機利用率高；(2)配料系統(tǒng)便于過程的專業(yè)管理。 該配料系統(tǒng)以電腦稱重顯示器為控制中心，控制其它設(shè)備完成配料。原料由絞龍驅(qū)動從料倉落入稱斗，共l2路，分別輸送不同的物料。液體灌裝機絞龍運行的速度由變頻調(diào)速器根據(jù)稱重顯示器輸出電壓的高低來調(diào)節(jié)。實際配料時，通過稱重顯示器鍵盤設(shè)定配料配方及配料批次，再運行自動配料系統(tǒng)，稱重顯示器自動選擇所要求的料倉，驅(qū)動絞龍電機，使物料落入稱斗．通過稱斗上測量重量的稱重模塊來控制變頻調(diào)速器．調(diào)節(jié)絞龍速度以控制進料量，使終點值達到足夠精度．配料結(jié)束時，自動開門，物料進入混合機混合．稱重顯示器自動計算混合時間，待混合結(jié)束，放成品出料。 2配料系統(tǒng)基于PLC的總體控制方案設(shè)計 自動配料系統(tǒng)由工業(yè)計算機，PLC模塊、工業(yè)組態(tài)軟件、中間繼電器、交流接觸器、熱繼電器、空氣開關(guān)等組成。在Windows環(huán)境下，自動配料系統(tǒng)使用工業(yè)組態(tài)軟件繪制的實際流程圖，自動配料系統(tǒng)可以使生產(chǎn)線的各個電機、控制閥、泵、管路的流程顯示出來，自動配料系統(tǒng)可以非常直觀地了解生產(chǎn)情況和控制整個自動配料系統(tǒng)的工藝過程。整套自動配料系統(tǒng)集中于中控室。車間內(nèi)平臺旁設(shè)中控室，用于放置主控柜和中控臺。 計量過程：生產(chǎn)前先輸入配方，計算機根據(jù)配方量聯(lián)動啟動對應(yīng)自動閥開始加料，當稱重到達設(shè)定值，稱重模塊自動關(guān)閉進料閥門，同時啟動另一種助劑計量。計量完畢，計量反應(yīng)罐的出料閥門自動打開，并打開E1號分散釜（反應(yīng)罐號先設(shè)定）上對應(yīng)的自動閥門，助劑真空吸入到E1號分散釜中。在全部助劑加料完畢，同理輸入純水加料的重量，點動純水進料閥門，利用少量純水清洗計量反應(yīng)罐及下料管路以保證助劑無殘留。12種助劑的計量和輸送為自動化控制過程，計量反應(yīng)罐可以采取先加助劑、后加水的方式。 自動配料系統(tǒng)噸包粉體由壓送反應(yīng)罐壓入粉料倉進行儲存。5種粉料的計量和輸送為自動化控制過程，利用粉料計量反應(yīng)罐計量。計算機控制，自動配料系統(tǒng)根據(jù)加料的重量，自動開啟對應(yīng)閥門，自動配料系統(tǒng)聯(lián)動啟動對應(yīng)螺旋輸送機開始加料，當稱重到達設(shè)定值，稱重模塊連鎖進料閥門及螺旋輸送機關(guān)閉。計量完畢，計量反應(yīng)罐的出料閥門自動開啟，并打開GD1過渡反應(yīng)罐進料閥門粉料進入過渡反應(yīng)罐儲存， E1號分散釜加粉料時，采取釜底上料，對釜內(nèi)抽真空，過渡反應(yīng)罐出料閥及E1反應(yīng)罐進料閥自動打開，粉體從反應(yīng)罐體底部進入反應(yīng)釜內(nèi)。 油漆生產(chǎn)過程中的每一個配料系統(tǒng)相對獨立,油漆生產(chǎn)的自動化包括整個配料系統(tǒng)的自動控制與各工序自動控制以及單機設(shè)備的自動控制；其中PLC負責控制現(xiàn)場設(shè)備的運行并獲取其運行狀態(tài)及故障信息,傳感配料系統(tǒng)采集現(xiàn)場信息數(shù)據(jù),計算機利用網(wǎng)絡(luò)通訊獲取數(shù)據(jù)進行儲存管理,動態(tài)顯示工藝流程、設(shè)備運行狀態(tài)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、報警信息,并生成各類生產(chǎn)報表。其核心控制部件PLC,采用模塊化的編程思想,分離各子配料系統(tǒng)與相對獨立的內(nèi)部功能,并將各功能塊按照油漆生產(chǎn)配料系統(tǒng)的工藝流程貫穿在一起,形成整個配料系統(tǒng)的集散控制,并通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與生產(chǎn)管理的遠程監(jiān)控指揮配料系統(tǒng)。 3稱重混合配料系統(tǒng)設(shè)計 3.1稱重混合工藝方案選擇及配料系統(tǒng)的確定 配料工序是油漆生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵性環(huán)節(jié),其配料精度直接影響著油漆產(chǎn)品的質(zhì)量。稱重混合配料系統(tǒng)實現(xiàn)將兩種或兩種以上的物料按照一定的配比自動定量加入到混合機內(nèi),經(jīng)過混合達到預定要求后自動出料的過程。通過對常見稱重混合工藝方案優(yōu)缺點的對比,選擇多料數(shù)電子秤秤配混工藝,如圖2所示。即將所有計量的物料按照其物理性能或稱量范圍進行分組,每組配上相應(yīng)的計量裝置來實現(xiàn)計量作業(yè),從而經(jīng)濟、精確地完成整個配料過程。多料數(shù)防爆電子秤秤配混工藝能夠顯著縮短油漆的配混時間,大幅度提高產(chǎn)量,結(jié)合該公司油漆生產(chǎn)情況,配混工藝選擇為多料雙防爆電子秤秤同時配料工藝。 油漆自動配料系統(tǒng)由PC機、PLC、送料器、料斗、稱重稱重模塊和執(zhí)行機構(gòu)等組成,如圖3所示。 配料系統(tǒng)的運行過程是先由上位計算機將原料配方數(shù)據(jù)傳到下位機PLC,然后再由PLC進行控制。各種油漆原料經(jīng)反應(yīng)釜頂輸送設(shè)備和分配器分配進入相應(yīng)配料反應(yīng)釜中存貯。配料時由送料器分別依次將原料送至防爆電子秤秤斗中。大配比(&1048577;20%)的原料送至大電子秤秤斗;小配比(5%~20%)的原料則被送至小電子秤秤斗稱量。稱重稱重模塊檢測每種料的數(shù)量,將信號傳給稱重控制儀,控制送料器的給料,從而控制每種料的定量。當全部料反應(yīng)釜的物料按設(shè)定配方要求稱量配料完畢,達到規(guī)定 累計質(zhì)量(每批料量)時,PLC依照控制程序打開料閥門,將防爆電子秤秤斗內(nèi)物料放入混合機混合室中進行攪拌混合?；旌蠙C在達到預定的混合時間,即混合均勻度達到要求時,在PLC的控制下,料閥門開啟出料,送料至緩沖反應(yīng)釜,落入成品刮板式輸送機,送至斗式提升機入口升運至混合料反應(yīng)釜貯存,至下一工序。 3.2稱重混合配料系統(tǒng)硬件設(shè)計 上位機選擇帶有標準的RS232C通信口、打印機接口的品牌機,本配料系統(tǒng)控制精度要求高,根據(jù)輸入輸出信號數(shù)量,下位機選用一個三菱FX2N-80MR型PLC和兩個FX2N-16EX拓展單元,選用SC-09編程電纜作為計算機與PLC通信的連線。在整個配料系統(tǒng)中,重量稱重模塊是一個非常關(guān)鍵的部件,自動配料系統(tǒng)的精度如何,接影響著配料系統(tǒng)的配料的精度。本配料系統(tǒng)選用電阻應(yīng)變式重量稱重模塊,其精度滿足配料的要求,應(yīng)該比配料精度高一個等級。XSB-A型稱重顯示控制儀是一種多用途的儀表,速度快,精度高,自動配料系統(tǒng)擁有的許多特殊性能很適合稱重顯示及控制的應(yīng)用。 3.3稱重混合配料系統(tǒng)軟件設(shè)計 計算機根據(jù)生產(chǎn)工藝把相應(yīng)的配方和生產(chǎn)工藝參數(shù)傳遞到PLC,PLC根據(jù)配方參數(shù)及下料順序控制變頻器啟動配料絞龍工作,稱重信號由PLC檢測。配料系統(tǒng)工作順序:稱量完成后,當混合機內(nèi)有料時,防爆電子秤秤斗閥門關(guān)閉;當混合機放料關(guān)閥門到位后,防爆電子秤秤斗閥門打開。防爆電子秤秤斗開閥門時間到達后,檢測防爆電子秤秤斗上的余料,當余料超過限制值時,配料系統(tǒng)進行報警,防爆電子秤秤斗閥門不關(guān)閉。當?shù)陀谙拗浦禃r,防爆電子秤秤斗閥門關(guān)閉。防爆電子秤秤斗閥門關(guān)閉到位后,如果沒有完成預定生產(chǎn)批次,配料繼續(xù),同時發(fā)出添加預混料和油脂添加信號。預混料添加并完成應(yīng)答復位后,混合機開始混合計時,達到混合時間后,混合機根據(jù)緩沖斗的料位情況開閥門放料。混合機開閥門計時,開閥門時間到達后,混合機閥門自動關(guān)閉,等下一批料落下后,開始新一輪的循環(huán)。本配料系統(tǒng)采用模塊化程序設(shè)計的方法,其中心思想是把一個復雜的應(yīng)用程序按整體功能劃分為若干相對獨立的程序模塊。本配料系統(tǒng)中,按程序完成的功能主要分為三個程序模塊: (1)送料模塊按配方參數(shù)和進料次序完成各料反應(yīng)釜的原料下料以及稱重信號采集,保證各原料在允差范圍內(nèi)。加料停止后,從螺旋喂料器到防爆電子秤秤斗之間還滯留一部分原料要落入防爆電子秤秤斗中,需考慮這一部分物料,程序中用滯留量&1048577;代表這個值。滯留量是根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗數(shù)據(jù),通過試驗選擇值確定。將變頻器設(shè)置為多速段頻率,用PLC的輸出點控制變頻器的頻率。送料器配料時,PLC控制送料器電機在變頻器高速段運行,當原料量逼近(給料量-滯留量)時,由PLC輸出點控制送料器電機在變頻器低速段運行,進行緩慢加料。加料過程中,PLC將原料量與(給料量-滯留量)實時比較,在允差范圍內(nèi)為合格,停止加料;接近允差下限,應(yīng)進行變頻器低速段加料;大于允差上限為超差,報警。 (2)防爆電子秤秤閥門模塊控制稱重反應(yīng)釜閥門按邏輯順序開啟和關(guān)閉,使當前批次的配料工作順利完成。 (3)混合機閥門模塊實現(xiàn)緩沖反應(yīng)釜閥門和混合閥門的邏輯控制,使配料按設(shè)定時間完成混合攪拌。 在程序設(shè)計時,將整個程序分為幾個功能模塊分別實現(xiàn),PLC工作時通過主程序分別調(diào)用各子程序完成相應(yīng)功能。 4配料系統(tǒng)模糊控制與仿真 由于工藝參數(shù)、物料性質(zhì)、落差等的變化,使配料系統(tǒng)的模型具有非線性和時變性。為改善落差等因素對精度的影響,可采用對落差進行預測和對配料量進行逼近控制,以改善配料精度。根據(jù)油漆廠重復批量稱量的特點,利用大量已有的稱量誤差數(shù)據(jù)對空間物料量進行模糊自適應(yīng)補償控制,可以保證物料誤差在最小范圍內(nèi)波動。 4.1模糊PID的控制原理 配料控制器接收到來自主機的控制流量數(shù)據(jù)作為給定,與實際檢測到的流量進行比較,通過模糊PID控制方法,計算相應(yīng)的輸出量(0~5V的電壓或4~20mA的電流)來控制變頻器,從而控制電機的轉(zhuǎn)速,使所配原料流量達到給定的值,其控制框圖如圖5所示。 4.2配料系統(tǒng)的仿真模型及結(jié)果分析 4.2.1仿真模型 為了比較控制效果,把常規(guī)PID和模糊PID放在一起進行仿真,其仿真模型如圖6所示。 4.2.2仿真結(jié)果及分析仿真得到圖7所示的階躍響應(yīng)曲線。 通過以上MATLAB仿真比較可以看出,模糊PID控制方法與常規(guī)的PID控制方法相比,配料系統(tǒng)響應(yīng)速度快,調(diào)節(jié)時間短,穩(wěn)態(tài)誤差小。因此,具有更好的動態(tài)特性和穩(wěn)定性能,能夠明顯地提高配料系統(tǒng)的動態(tài)性能和配料精度。 5應(yīng)用 配料系統(tǒng)生產(chǎn)線上的全自動灌裝機主要由監(jiān)控屏、工控機、操作臺、配料系統(tǒng)自動配料系統(tǒng)、配電柜等組成。其功能包括以下幾個方面: (1)動態(tài)監(jiān)控功能:可在屏幕上清晰顯示液體灌裝機的運行狀態(tài)和物料流量。 (2)配方管理功能:技術(shù)配方存儲在計算機中。在生產(chǎn)過程中，配方中確定了不同產(chǎn)品配料過程中的物料配比和投料順序。因此，自動配料系統(tǒng)需要在生產(chǎn)前調(diào)用配方，自動計算和稱量各種物料，并保持配比的準確性。 (3)自動配料、灌裝和計量:灌裝和配料是化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中最重要的工序之一，稱為“喉部”工序。灌裝和配料過程的質(zhì)量對整個產(chǎn)品的質(zhì)量起著重要的作用。在生產(chǎn)過程中，由配料系統(tǒng)控制的氣動球可按配方實現(xiàn)自動計量和自動送料，保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。 (4)混合速度控制:配料系統(tǒng)控制變頻器控制混合速度，不同的物料可以以不同的混合速度混合，保證混合均勻。 (5)現(xiàn)場調(diào)整控制:可根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)要求添加少量材料，實現(xiàn)現(xiàn)場調(diào)整。 目前，我國還沒有通用的配料系統(tǒng)——涂料生產(chǎn)用自動灌裝機。生產(chǎn)中有自動控制的例子，例如輔助油漆的自動配料系統(tǒng)。一些企業(yè)還試圖自動控制一些生產(chǎn)環(huán)節(jié)，如磨削溫度、壓力和磨削時間的自動控制等。然而，自動涂料定量自動配料系統(tǒng)生產(chǎn)線將是涂料配料系統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備未來的發(fā)展趨勢。對于整個配料系統(tǒng)生產(chǎn)線的自動化設(shè)計，涂料企業(yè)很難獨立完成。隨著涂裝生產(chǎn)線規(guī)模的擴大、復雜性和自動化控制程度的提高，涂裝企業(yè)必須與配料系統(tǒng)液體灌裝機供應(yīng)商溝通，共同完成配料系統(tǒng)生產(chǎn)線的設(shè)計和制造，以確保目標過程的實現(xiàn)?？梢圆扇】偝邪姆绞?，從設(shè)計、施工到調(diào)試和交付，全部承包給配料系統(tǒng)液體灌裝機承包商。配料系統(tǒng)生產(chǎn)線交付后，承包商還應(yīng)進行操作培訓和初步試生產(chǎn)，以提供足夠的技術(shù)數(shù)據(jù)，確保生產(chǎn)裝置中輔助桶的持續(xù)升級，實現(xiàn)高效率、連續(xù)性和自動化。 6結(jié)束語 應(yīng)用PLC技術(shù)對傳統(tǒng)的油漆稱重配料系統(tǒng)現(xiàn)代化技術(shù)改造進行研究,制定了整體控制方案,結(jié)合稱重模塊技術(shù)、通信技術(shù)和模糊控制技術(shù)等相關(guān)知識,進行理論研究和實際論證,設(shè)計了一套以PLC為控制核心,由PC機和PLC組成的上下位機的配料系統(tǒng)。實踐證明,該配料系統(tǒng)運行可靠,精度基本達到要求,適應(yīng)企業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)管理要求。 | |
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