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| 基于PLC控制的自動化配料系統(tǒng) | 2020-01-21 |
| 摘要：自動化配料系統(tǒng)的恒流量控制采用PID調(diào)節(jié)，流量計量控制是計量偏差與變頻調(diào)速的結(jié)合。依據(jù)系統(tǒng)工藝流程介紹了配料系統(tǒng)的流量控制方式和系統(tǒng)控制過程，詳細講述了PLC的選型及PLC配料系統(tǒng)變頻控制中的硬件設(shè)置、參數(shù)設(shè)定和自動配料軟件設(shè)計過程。 引言 自動化配料系統(tǒng)是精細化工廠生產(chǎn)工藝過程中一道非常重要的工序，配料工序質(zhì)量對整個產(chǎn)品的質(zhì)量舉足輕重。自動配料控制過程是一個多輸入、多輸出系統(tǒng)，各條配料輸送生產(chǎn)線嚴格地協(xié)調(diào)自動化控制，對料位、流量及時準確地進行監(jiān)測和調(diào)節(jié)。系統(tǒng)由可編程控制器與防爆電子秤組成一個兩級計算機控制網(wǎng)絡(luò),通過現(xiàn)場總線連接現(xiàn)場儀器儀表、控制計算機、PLC、變頻器等智能程度較高、處理速度快的設(shè)備。在自動配料生產(chǎn)工藝過程中，將主料與輔料按一定比例配合，由防爆電子秤完成對皮帶輸送機輸送的物料進行計量。PLC主要承擔對輸送設(shè)備、秤量過程進行實時控制，并完成對系統(tǒng)故障檢測、顯示及報警，同時向變頻器輸出信號調(diào)節(jié)皮帶機轉(zhuǎn)速的作用。 自動配料系統(tǒng)的構(gòu)成 工業(yè)企業(yè)自動配料控系統(tǒng)制柜采用研祥工控集團生產(chǎn)“EVOC”工控機，配以亞當系列遠程數(shù)據(jù)采集模塊，并遵循工業(yè)485協(xié)議構(gòu)成，從硬件上確保了系統(tǒng)可靠性和性。微機配料系統(tǒng)啟動后，按事先儲存工作配方（欲稱重值）起動給料器，往稱量斗內(nèi)喂料，此時稱重模塊將重量變化給ADAN模塊，然后傳給微機。液體灌裝機當達到設(shè)定值后，微機發(fā)出指令關(guān)掉給料器，起動排料器將料排至受料設(shè)備上，一個基本稱重配料過程就此結(jié)束。該自動化配料系統(tǒng)由5臺防爆電子秤配料線組成，編號分別為1、2、3、4、5、，其中1～4為一組，1為主料秤，其余三臺為輔料秤。當不需要添加輔料時，5電子秤單獨工作輸送主料。系統(tǒng)具有恒流量和配比控制兩種功能。對于恒流量控制時，防爆電子秤根據(jù)皮帶上物料的多少自動調(diào)節(jié)皮帶速度，以達到所設(shè)定流量要求。以主秤（1）系統(tǒng)工藝流程來分析。 自動化配料系統(tǒng)加電后，皮帶驅(qū)動電機開始旋轉(zhuǎn)，微處理機根據(jù)當前操作控制電機轉(zhuǎn)速。料斗中的物料落在落料區(qū)，經(jīng)皮帶運送到達稱重區(qū)，由防爆電子秤對皮帶上的物料進行稱重。稱重傳感器根據(jù)所受力的大小輸出一個電壓信號，經(jīng)變送器放大，輸出一個正比于物料重量的計量電平信號。該信號送至上位機的接口，經(jīng)采樣后并轉(zhuǎn)換成一個流量信號，在上位機上顯示當前流量值。同時將此流量信號送至PLC接口，與上位機設(shè)定的各種配料給定值進行比較，然后進行調(diào)節(jié)運算，其控制量送至變頻器，以此來改變變頻器的輸出值，從而改變驅(qū)動電動機的轉(zhuǎn)速。調(diào)整給定量，使之與設(shè)定值相等，完成自動配料過程。 流量就是一定時間內(nèi)皮帶上走過的物料量。防爆電子秤稱量的是瞬時流量，上位機給出的是設(shè)定流量，二者在實時計量中有所偏差。在流量實際控制中采用工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛的PID調(diào)節(jié)，根據(jù)流量偏差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制。在生產(chǎn)過程進行自動調(diào)節(jié)時，以主料成分的流量計量為依據(jù)，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求通過上位機設(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。流量計量控制是計量偏差與變頻調(diào)速的結(jié)合，具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠和調(diào)整方便等優(yōu)點。 配料系統(tǒng)控制流程 當配料系統(tǒng)開始工作時，啟動配料生產(chǎn)線。首先系統(tǒng)程序進行初始化，通過上位機或觸摸屏設(shè)置配料配比，檢查料斗有無物料。若無物料，向料斗送料，啟動配料生產(chǎn)線，由防爆電子秤進行稱重并實時計量，CPU計算得實時流量及累計流量。若設(shè)定流量與實際流量有偏差，調(diào)節(jié)器根據(jù)系統(tǒng)控制要求比較設(shè)定值與實際流量的偏差，經(jīng)PID調(diào)節(jié)改變輸出信號以控制變頻器對輸送電機的速度調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)恒流量控制。根據(jù)配比各輔料同時混合計量，并按配方工藝要求添加。 配料系統(tǒng)精度的核心是對空中物料的落差和累計誤差的補償，其控制方法有落差自動修正法、定值補償法、點動補償法和超量扣稱法等。 1）落差自動修正法。落差修正法是受機械結(jié)構(gòu)影響較小，液體灌裝機落差比較穩(wěn)定的情況下選擇的控制方法，可單獨使用，也可配合其他多種控制方法使用。其控制方法為：先采用人工預(yù)設(shè)落差初始值，然后通過學(xué)習(xí)算法尋找合適的落差值，由此誕生的控制算法有迭代自學(xué)習(xí)控制算法、模糊控制算法、模糊自適應(yīng)控制算法、基于預(yù)測函數(shù)的控制算法等。 2）定值補償法。定值補償法是針對控制機構(gòu)穩(wěn)定，材料均勻的材料提出的落差修正方法。通過在上位機設(shè)置定值，實現(xiàn)配料停止時，液體灌裝秤秤上材料在設(shè)置的誤差范圍內(nèi)。這種控制由于需要精密的控制機構(gòu)和準確的稱量機構(gòu)，對很多使用者要求較高，應(yīng)用面較小，而且針對系統(tǒng)無法自動適應(yīng)生產(chǎn)過程中的落差變動，實際應(yīng)用較少。 3）點動補償法。點動補償是國內(nèi)目前采用泛的誤差補償控制方式。稱重儀表通常在接近目標值時采用點動補償可以提高控制精度，點動補償接觸時間在0.3s～0.5s之間。 4）超量扣秤法。超量扣秤控制法是對超秤的材料采取投料時提前關(guān)門，將一定量的材料留在秤上的控制方法。這種控制方法能確保每盤稱量都趨于穩(wěn)定，防止單盤材料配比不均勻?qū)е庐a(chǎn)品整體質(zhì)量不合格的現(xiàn)象發(fā)生。但提前關(guān)門時間受材料粗細程度和設(shè)備電氣機構(gòu)響應(yīng)快慢有關(guān)，很難實現(xiàn)超量扣稱的準確性，同時對機構(gòu)的損壞程度也是不可避免的。 PLC配料系統(tǒng)硬件設(shè)置 系統(tǒng)中主、輔料秤由可編程控制器（PLC）和上位機實現(xiàn)兩級控制?，F(xiàn)以1?！?＃四臺防爆電子秤的PLC控制分析為例，每一防爆電子秤有一臺皮帶驅(qū)動電機，兩個料位傳感器，一個速度傳感器，一個稱重傳感器，一臺變頻器，它們構(gòu)成了被控對象。電動機的啟、停由開關(guān)量控制，PLC數(shù)字量輸出信號作為變頻器的控制端輸入信號，經(jīng)變頻器調(diào)制輸出高頻脈沖給皮帶驅(qū)動電機。料位傳感器檢測料斗有無物料，速度傳感器測量電機的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)需8個數(shù)字量輸入信號，25個開關(guān)量輸入信號和24個開關(guān)量輸出信號，I/O點總數(shù)量為57。配料系統(tǒng)稱重模塊實際上是一種將質(zhì)量信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信號輸出的裝置。稱重模塊考慮所處的實際工作環(huán)境，這點對正確選用稱重模塊至關(guān)重要，它關(guān)系到稱重模塊能否正常工作以及它的安全和使用壽命，乃至整個衡器的可靠性和安全性。環(huán)境給稱重模塊造成的影響主要有以下幾個方面： （1）高溫環(huán)境對稱重模塊造成涂覆材料熔化、焊點開化、彈性體內(nèi)應(yīng)力發(fā)生結(jié)構(gòu)變化等問題。對于高溫環(huán)境下工作的稱重模塊常采用耐高溫傳感器；另外，必須加有隔熱、水冷或氣冷等裝置。 （2）粉塵、潮濕對傳感器造成短路的影響。在此環(huán)境條件下應(yīng)選用密閉性很高的稱重模塊。不同的稱重模塊其密封的方式是不同的，其密閉性存在著很大差異?！〕Ｒ姷拿芊庥忻芊饽z充填或涂覆；橡膠墊機械緊固密封；焊接（氬弧焊、等離子束焊）和抽真空充氮密封?！拿芊庑Ч麃砜?，焊接密封為，充填涂覆密封膠為量差。對于室內(nèi)干凈、干燥環(huán)境下工作的傳感器，可選擇涂膠密封的稱重模塊，而對于一些在潮濕、粉塵性較高的環(huán)境下工作的傳感器，應(yīng)選擇膜片熱套密封或膜片焊接密封、抽真空充氮的稱重模塊。 （3）在腐蝕性較高的環(huán)境下，如潮濕、酸性對稱重模塊造成彈性體受損或產(chǎn)生短路等影響，應(yīng)選擇外表面進行過噴塑或不銹鋼外罩，抗腐蝕性能好且密閉性好的稱重模塊。 （4）電磁場對傳感器輸出紊亂信號的影響。在此情況下，應(yīng)對稱重模塊的屏蔽性進行嚴格檢查，看其是否具有良好的抗電磁能力。 （5）易燃、易爆不僅對稱重模塊造成性的損害，而且還給其它設(shè)備和人身安全造成很大的威脅。因此，在易燃、易爆環(huán)境下工作的稱重模塊對防爆性能提出了更高的要求：在易燃、易爆環(huán)境下必須選用防爆稱重模塊，這種稱重模塊的密封外罩不僅要考慮其密閉性，還要考慮到防爆強度，以及電纜線引出頭的防水、防潮、防爆性等。 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)，各種單獨的模塊之間可進行廣泛組合構(gòu)成不同要求的系統(tǒng)。 根據(jù)系統(tǒng)被控對象的I/O點數(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CPU315-2DP 。CPU 315-2DP是帶現(xiàn)場總線（PROFIBUS）SINECL2-DP接口的CPU模板，具有48KB的RAM，80KB的裝載存儲器，可用存儲卡擴充裝載存儲容量到512KB，可擴展1024點數(shù)字量或128個模擬量。根據(jù)統(tǒng)計出的I/O點數(shù)選擇一個直流32點和一個16點的SM321數(shù)字量輸入模塊和一個32點SM322繼電器輸出模塊。 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準電機相匹配時的技術(shù)參數(shù)。采用三菱的標準電機，1＃皮帶機額定功率2.2KW，2～4＃皮帶機額定功率為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)自動配料系統(tǒng)生產(chǎn)工藝要求進行PID控制，需要檢測設(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，加速時間（7.5K以下出廠設(shè)定值5s，0～3600s/0~360s） Pr．8＝2s，減速時間（7.5K以下出廠設(shè)定值5s，0～3600s/0~360s） ④ Pr．9 由電機額定值決定 ⑤ Pr．14＝0，適用恒轉(zhuǎn)矩負載 ⑥ Pr．79＝3，外部/PU組合操作模式 ⑦ Pr．183＝8，實現(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PID調(diào)節(jié)具體要求來設(shè)定。 PLC控制系統(tǒng)配料軟件設(shè)計 STEP7是西門子的S7-300系列PLC所用的編程語言，它是一種可運行于通用微機中，在WINDOWS環(huán)境下進行編程的語言。通過STEP7編程軟件，不僅可以非常方便地使用梯形圖和語句表等形式進行離線編程，并通過轉(zhuǎn)接電纜可直接送入PLC的內(nèi)存中執(zhí)行，而且在調(diào)試運行時，還可在線監(jiān)視程序中各個輸入輸出或狀態(tài)點的通斷情況，甚至進行在線修改程序中變量的值，給調(diào)試工作也帶來極大的方便。 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，F(xiàn)B＝功能塊，F(xiàn)C＝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(按鈕、繼電器觸點)和傳感器產(chǎn)生的數(shù)字信號的輸入，判斷當前的系統(tǒng)狀態(tài)以及輸出信號去控制接觸器、繼電器、電磁閥等器件，以完成相應(yīng)的自動化控制任務(wù)。除此之外，另一個重要的任務(wù)就是接受工控機(上位機)的控制命令，以進行自動配料控制。 自動配料程序共有OB 1及FC1至FC6等7個“塊”。OB1是主程序，通過6個“CALL”調(diào)用語句，依次調(diào)用FC1至FC6等功能模塊，達到組織整個程序的目的。程序中6個功能塊的任務(wù)分配如下所示： FC l 負責系統(tǒng)開始運行以及運行方式的設(shè)定； FC2 負責對系統(tǒng)的停止； FC3 負責計量泵和計量泵配比控制； FC4 負責故障、事故處理控制； FC5 負責對變頻器的自動化控制； FC6 負責指示燈的顯示控制。 結(jié)束語 PLC代替了傳統(tǒng)的機械傳動及龐大的控制電器，實現(xiàn)了電氣的自動化控制。通過對皮帶電動機的變頻調(diào)速，達到節(jié)約能源和提高配料精度。 本文的創(chuàng)新點是：自動化配料系統(tǒng)采用PLC控制方案，具有功能強大、方便靈活、可靠性高、低成本、易維護等優(yōu)點，大大提高了配料精度，便于計量的微機化控制，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)管理，通過投產(chǎn)使用取得了良好的經(jīng)濟效益。 | |
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