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| 自動(dòng)配料系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和應(yīng)用 | 2020-01-27 |
| 1.1概述 在液體自動(dòng)配料系統(tǒng)的開發(fā)領(lǐng)域，中國(guó)的出發(fā)點(diǎn)不高，開發(fā)時(shí)間還比較晚。從20世紀(jì)初到1950年代中期，手動(dòng)稱重操作占主導(dǎo)地位。 1970年代初，在發(fā)達(dá)的北京，上海和廣州等城市引進(jìn)了幾條已開發(fā)的國(guó)外液體自動(dòng)配料系統(tǒng)稱重生產(chǎn)線。隨后，中國(guó)許多制造商通過手動(dòng)映射等方法復(fù)制了一些配料系統(tǒng)稱重線，從而初步提高了我們的自主研發(fā)水平。在配料系統(tǒng)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)品牌中，北京恒多，廣州凱詩(shī)和香港建機(jī)等品牌已成為配料系統(tǒng)制造領(lǐng)域的品牌。國(guó)外配料系統(tǒng)的制造商包括美國(guó)基弗公司，Horix公司和意大利OCME公司。中國(guó)潤(rùn)滑油配料系統(tǒng)設(shè)備的生產(chǎn)水平仍處于低端水平，主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)仍然落后。必須改進(jìn)控制技術(shù)。諸如PLC和DCS之類的各種控制系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域的日益廣泛的應(yīng)用使我們能夠使用的技術(shù)進(jìn)行深入的開發(fā)。潤(rùn)滑劑，樹脂，助劑和其他行業(yè)的發(fā)展已經(jīng)增長(zhǎng)，對(duì)配料系統(tǒng)的需求將逐漸增加。機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存是中國(guó)自動(dòng)配料系統(tǒng)企業(yè)面臨的普遍情況。但是，面對(duì)國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的情況，國(guó)內(nèi)自動(dòng)配料系統(tǒng)制造商也在積極發(fā)展，不斷探索技術(shù)，尤其是需要學(xué)習(xí)的自動(dòng)化和智能技術(shù)，并將學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用到新技術(shù)上。配料系統(tǒng)。研發(fā)。 1.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)和應(yīng)用 自動(dòng)配料系統(tǒng)主要由處理器模塊、輸入輸出模塊、編程器等組成。一些特殊功能模塊用于完成某些特殊任務(wù)。內(nèi)部電子秤總線結(jié)構(gòu)用于傳輸數(shù)據(jù)和指令。“因此，我們可以把自動(dòng)配料系統(tǒng)看作是一個(gè)自動(dòng)灌裝機(jī)。系統(tǒng)外的各種開關(guān)值和模擬值可用作可編程邏輯控制器輸入。它們存儲(chǔ)在內(nèi)部寄存器中，在防爆電子秤內(nèi)部經(jīng)過各種操作和處理后實(shí)現(xiàn)輸出。液體灌裝機(jī)是可編程邏輯控制器的輸出變量。輸出變量相應(yīng)地控制設(shè)備“UO”。 目前，國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單自動(dòng)配料系統(tǒng)自動(dòng)流程的自動(dòng)灌裝機(jī)一般都是由防爆電子秤實(shí)現(xiàn)的，成本低，可操作性強(qiáng)。這可以從包裝行業(yè)的各種小型自動(dòng)配料系統(tǒng)設(shè)備中看出。許多包裝機(jī)、碼垛機(jī)和拆包機(jī)都采用防爆電子秤實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。 1.3重建計(jì)劃 自動(dòng)灌裝機(jī)的改造方案是從控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面對(duì)自動(dòng)配料系統(tǒng)進(jìn)行改造和升級(jí)。在控制系統(tǒng)方面，進(jìn)口設(shè)備采用S7-200防爆電子秤作為控制系統(tǒng)的核心。改造后，液體灌裝機(jī)主控制系統(tǒng)采用S7-300防爆電子秤。同時(shí)，自動(dòng)灌裝機(jī)采用模塊化控制對(duì)進(jìn)口潤(rùn)滑油定量自動(dòng)配料系統(tǒng)的自動(dòng)稱重生產(chǎn)線進(jìn)行改造，增加了單桶稱重方式和不同產(chǎn)品規(guī)格的稱重方式。潤(rùn)滑油自動(dòng)配料系統(tǒng)稱重線系統(tǒng)的優(yōu)化控制成本通過軟硬件配置來實(shí)現(xiàn)。在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，增加了伺服定位優(yōu)化、氣動(dòng)控制模塊優(yōu)化和稱重頭數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了1 L包裝桶全自動(dòng)稱重包裝碼垛的生產(chǎn)過程。由于需要實(shí)現(xiàn)精確稱重，自動(dòng)配料系統(tǒng)具有更多的輸入輸出點(diǎn)和更多的相關(guān)設(shè)備，需要實(shí)現(xiàn)的控制更加復(fù)雜。由于西門子S7-300防爆電子秤在模塊化控制方面技術(shù)成熟，高速計(jì)數(shù)和PID算法等功能強(qiáng)大，該項(xiàng)目易于實(shí)施，所以S7-300防爆電子秤是主控制器的。 2種主要配料系統(tǒng)和稱重方法 2.1配料系統(tǒng)的主要類型 自動(dòng)配料系統(tǒng)有兩個(gè)主要的分類標(biāo)準(zhǔn):一個(gè)基于稱重模式，另一個(gè)基于包裝的運(yùn)動(dòng)模式。根據(jù)自動(dòng)配料系統(tǒng)的稱重方式，有減量稱重自動(dòng)配料系統(tǒng)和容積自動(dòng)配料系統(tǒng)。稱重式自動(dòng)配料系統(tǒng)的平均速度比容積式自動(dòng)配料系統(tǒng)慢，在批量生產(chǎn)過程中優(yōu)勢(shì)不明顯。然而，在不同的工作條件下，稱重式自動(dòng)配料系統(tǒng)然而，容積式自動(dòng)配料系統(tǒng)受工作溫度的影響很大。由于溫度不同，稱量的液體物料的密度會(huì)有一定程度的變化，這將導(dǎo)致測(cè)量誤差，影響產(chǎn)品質(zhì)量。根據(jù)稱重包裝的移動(dòng)方式也有分類，根據(jù)包裝的移動(dòng)方式可分為兩種主要形式:旋轉(zhuǎn)式和線型。 2.2基本稱重方法介紹 對(duì)于自動(dòng)配料系統(tǒng)的基本稱重方法，不同類別和不同性質(zhì)的產(chǎn)品需要不同的稱重方法。自動(dòng)配料系統(tǒng)的稱重方法主要包括:1)大氣壓法；2)等壓法；3)真空法；4)重力真空型；5)壓力法。 2.3待改造配料系統(tǒng)的選擇和稱重方式 進(jìn)口自動(dòng)配料系統(tǒng)的主要控制系統(tǒng)是S7-200防爆電子秤。配電柜布局相對(duì)復(fù)雜，沒有形成模塊化控制處理。進(jìn)口自動(dòng)配料系統(tǒng)只有6個(gè)稱重頭。自動(dòng)配料系統(tǒng)采用稱重模塊稱重，生產(chǎn)能力為每小時(shí)1500桶，生產(chǎn)速度相對(duì)落后。 由于生產(chǎn)的潤(rùn)滑油是工業(yè)用的，自動(dòng)配料系統(tǒng)的稱重方法從工藝性能和要求兩個(gè)方面考慮。作為潤(rùn)滑油，其粘度、重力等工藝性能均屬于普通液體類型。對(duì)于工業(yè)酒精和潤(rùn)滑油等一般化學(xué)液體材料，可采用常壓法。雖然旋轉(zhuǎn)自動(dòng)配料系統(tǒng)在某些方面比線性自動(dòng)配料系統(tǒng)具有更高的優(yōu)勢(shì)，但旋轉(zhuǎn)配料系統(tǒng)體積更大，設(shè)備稱重系統(tǒng)的技術(shù)含量更高，設(shè)備制造成本更高。同時(shí)，速度低于線性自動(dòng)配料系統(tǒng)。因此，自動(dòng)配料系統(tǒng)改造后的稱重線仍采用線性自動(dòng)配料系統(tǒng)的形式。在稱重模式下，原自動(dòng)液體配料系統(tǒng)采用稱重模式，稱重速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于現(xiàn)代生產(chǎn)節(jié)奏。決定采用容積稱重方式，提高稱重速度，實(shí)現(xiàn)批量、訂單生產(chǎn)。 3潤(rùn)滑油自動(dòng)配料系統(tǒng)控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)方案 3.1潤(rùn)滑油自動(dòng)配料系統(tǒng)的控制系統(tǒng)和過程 要求自動(dòng)配料系統(tǒng)具有上傳生產(chǎn)數(shù)據(jù)(工業(yè)產(chǎn)量、原材料批號(hào)等)的功能。)到PC機(jī)，同時(shí)可以檢查瞬時(shí)生產(chǎn)率、稱重?cái)?shù)量等。配料系統(tǒng)設(shè)備開始自動(dòng)稱重后，稱重輸送機(jī)開始運(yùn)行。主控系統(tǒng)采用防爆電子秤作為主控元件，光電和接近開關(guān)等檢測(cè)稱重模塊作為外部輸入信號(hào)，伺服電機(jī)和動(dòng)作缸作為輸出元件。同時(shí)，自動(dòng)配料系統(tǒng)的生產(chǎn)線具有在線實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)品的功能，并具有輸入產(chǎn)品信息的功能。計(jì)算機(jī)通過串行通信與防爆電子秤連接，可以實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、處理生產(chǎn)線數(shù)據(jù)、輸入和保存數(shù)據(jù)。稱重包裝桶在自動(dòng)配料系統(tǒng)中依次完成:桶裝、桶進(jìn)料、進(jìn)料、防爆地磅稱重、桶出料、旋蓋、封箱、防爆電子地磅堆垛等9個(gè)步驟。正常運(yùn)行時(shí)，當(dāng)聯(lián)鎖開關(guān)閉合、氣壓條件、液位條件等外部信號(hào)滿足且正常時(shí)，按下啟動(dòng)開關(guān)后，設(shè)備應(yīng)處于自動(dòng)運(yùn)行模式，稱重線上的各站應(yīng)根據(jù)防爆電子秤編程的程序進(jìn)行循環(huán)掃描。 3.2防爆電子秤的選擇和電氣設(shè)計(jì) 根據(jù)稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，選擇西門子S7 -300的配套產(chǎn)品，包括電源模塊、處理器模塊、輸入模塊、輸出模塊、FM354定位模塊等。在本設(shè)計(jì)中，選擇PS307電源模塊，選擇處理器315 -2DP。由于需要實(shí)現(xiàn)近70個(gè)外部輸入檢測(cè)動(dòng)作和近50個(gè)外部輸出動(dòng)作，多個(gè)直接輸入/輸出。液體灌裝機(jī)設(shè)置中使用人工智能/自動(dòng)操作模塊，包括2個(gè)SM321數(shù)字輸入模塊、1個(gè)SM322數(shù)字輸出模塊、1個(gè)SM323數(shù)字輸入/輸出模塊、1個(gè)SM331模擬輸入模塊和1個(gè)SM332模擬輸出模塊，用于輸入和輸出命令操作。當(dāng)自動(dòng)配料系統(tǒng)的外部稱重模塊有輸入信號(hào)時(shí)，輸入模塊將立即向模塊發(fā)送指令。經(jīng)過處理器處理后，需要輸出模塊對(duì)應(yīng)點(diǎn)的動(dòng)作。 3.2 .1配料系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)自動(dòng)配料系統(tǒng)的主電路時(shí)，應(yīng)充分考慮電機(jī)負(fù)載、交流至DC開關(guān)電源的位置以及配電柜的規(guī)格，以滿足生產(chǎn)要求?？刂乒竦闹麟娫撮_關(guān)應(yīng)安裝在控制柜面板上，以便使用時(shí)不需要打開控制柜門。柜子里留有一定的空間，便于調(diào)節(jié)?？刂乒衽溆凶詣?dòng)照明，內(nèi)部有散熱風(fēng)扇和備用插座。防爆電子秤的輸入和輸出應(yīng)至少各有5個(gè)空點(diǎn)，并有一個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)連接接口，不被其他設(shè)備占用，管理控制權(quán)限應(yīng)逐步設(shè)置。稱重模塊應(yīng)安裝牢固且方便。添加外部金屬保護(hù)以防止損壞。 配料系統(tǒng)的電機(jī)包括兩個(gè)三相異步電機(jī)、一個(gè)桶進(jìn)料電機(jī)和一個(gè)伺服電機(jī)。三相異步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)上桶輸送電機(jī)沒有變速動(dòng)力。稱重輸送電機(jī)由防爆電子秤控制，可實(shí)現(xiàn)變速。防爆電子秤為松下VFO系列防爆電子秤，輸出功率為0.75千瓦，額定輸出電流為2.03安. 3.2.2自動(dòng)配料系統(tǒng)控制系統(tǒng)的輸入和輸出模塊 在兩個(gè)SM321數(shù)字量輸入模塊上，有空桶最小堆積輸入信號(hào)、工位檢測(cè)光電、反桶檢測(cè)光電、卡口板前后位置輸入信號(hào)、桶進(jìn)給電機(jī)前、后、停止信號(hào)、桶進(jìn)給電機(jī)前后限位開關(guān)、伺服上下限位信號(hào)、排油壓力信號(hào)等。3.2.3伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 伺服電機(jī)通過齒形帶帶動(dòng)兩個(gè)垂直滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)滾珠絲杠帶動(dòng)主梁向上移動(dòng)，主梁上的12個(gè)活塞桿推動(dòng)油缸活塞向上移動(dòng)。當(dāng)主梁上升到初始位置時(shí)，即當(dāng)稱重模塊14被觸發(fā)時(shí)，伺服電機(jī)停止運(yùn)行。該位置是氣缸開始測(cè)量的起始位置(伺服零位)。 伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，主梁上的活塞桿帶動(dòng)12個(gè)活動(dòng)塞向下移動(dòng)，油箱中的油通過換向閥進(jìn)入油缸。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)(即油缸活塞向下移動(dòng)的距離)對(duì)應(yīng)于設(shè)定重量。當(dāng)達(dá)到設(shè)定重量時(shí)，伺服電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)。大、小換向油缸拉動(dòng)連桿，將12個(gè)油缸的換向閥旋轉(zhuǎn)到油缸與稱重頭連通的位置(排油位置)，等待稱重。 電子秤自動(dòng)配料系統(tǒng)的FM354定位模塊是一種簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定位或復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)模式，通過伺服電機(jī)的控制，對(duì)響應(yīng)、精度和速度要求，為高速自動(dòng)灌裝機(jī)定位提供了有效的解決方案(5)。FM354處理軸的實(shí)際定位，并通過模擬驅(qū)動(dòng)接口(-10 V~ 10 V)控制驅(qū)動(dòng)器。編碼器(SSI或增量)報(bào)告當(dāng)前軸位置，F(xiàn)M354使用該信息來校正輸出電壓。其定位功能包括:手動(dòng)調(diào)節(jié)、增量模式、計(jì)量吸入器、運(yùn)行計(jì)量吸入器和自動(dòng)/單級(jí)控制。 潤(rùn)滑油自動(dòng)配料系統(tǒng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 4.1控制系統(tǒng)和程序設(shè)計(jì) 原程序設(shè)計(jì)只能實(shí)現(xiàn)部分稱重功能，手動(dòng)和自動(dòng)操作集中在一套主程序中，不能實(shí)現(xiàn)模塊化處理。電子秤配料系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用CPU315 -2DP作為主控制器，工作電壓為220伏/380伏，輸出頻率為50~60赫茲。該子液體灌裝機(jī)設(shè)計(jì)的主程序全部由該處理器控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)響應(yīng)、精度和速度要求的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定位或復(fù)雜運(yùn)動(dòng)模式，為高速自動(dòng)灌裝機(jī)(5)的定位提供了有效的解決方案。FM354處理軸的實(shí)際定位，并通過模擬驅(qū)動(dòng)接口(-10 V~ 10 V)控制驅(qū)動(dòng)器。編碼器(SSI或增量)報(bào)告當(dāng)前軸位置，F(xiàn)M354使用該位置來校正輸出電壓。其定位功能包括:手動(dòng)調(diào)節(jié)、增量模式、計(jì)量吸入器、運(yùn)行計(jì)量吸入器和自動(dòng)/單級(jí)控制。原程序設(shè)計(jì)只能實(shí)現(xiàn)部分稱重功能，手動(dòng)和自動(dòng)操作集中在一套主程序中，不能實(shí)現(xiàn)模塊化處理。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用CPU315 -2DP作為主控制器，工作電壓為220伏/380伏，輸出頻率為50~60赫茲。該子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主程序全部由該處理器控制。在自動(dòng)配料系統(tǒng)控制系統(tǒng)的防爆地磅程序設(shè)計(jì)中，整個(gè)主程序放入0B1組織塊，其余使用多個(gè)功能塊和數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)塊，用于子程序設(shè)計(jì)和部分?jǐn)?shù)據(jù)輸入輸出指令操作，實(shí)現(xiàn)稱重過程的自動(dòng)化。4.2人機(jī)界面程序的軟件設(shè)計(jì) 人機(jī)界面(HMI)是人機(jī)界面的縮寫，即人機(jī)界面，也稱為人機(jī)界面。人機(jī)界面(又稱用戶界面或用戶界面)是系統(tǒng)與用戶之間互動(dòng)和信息交流的媒介，它實(shí)現(xiàn)了信息內(nèi)部形式與人類可接受形式之間的轉(zhuǎn)換。原防爆電子秤自動(dòng)配料系統(tǒng)的屏幕是傳統(tǒng)的電阻屏幕，使用時(shí)容易誤操作，也是黑白圖像。從上面的界面可以發(fā)現(xiàn)，原來的觸摸屏使用起來不方便，甚至?xí)r間也不能同步。黑白界面也大大降低了生產(chǎn)線的技術(shù)感，給人不舒服的感覺。同時(shí)，原有的自動(dòng)界面和手動(dòng)界面不適合用戶操作。由于自動(dòng)配料系統(tǒng)的改造和升級(jí)將使觸摸屏更加人性化和現(xiàn)代化，觸摸屏還選用西門子人機(jī)界面操作屏MP277，方便以后的維護(hù)、更換和調(diào)試。在硬件使用方面，MP277運(yùn)行可靠，其質(zhì)量已得到世界各國(guó)工業(yè)控制領(lǐng)域的認(rèn)可，滿足生產(chǎn)使用的要求。MP277的編程軟件為WinCC柔性SP3，已成功應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域(7)。MP277開發(fā)液體灌裝機(jī)是應(yīng)用程序的集成開發(fā)環(huán)境，界面設(shè)計(jì)可以在此環(huán)境下完成。面板配置軟件使用WinCC靈活的SP3，操作系統(tǒng)是視窗XP專業(yè)SP2。配置前，應(yīng)確定用戶界面的設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過仔細(xì)考慮，其用戶界面的編輯包括:選油界面、灌裝過程監(jiān)控界面、實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)設(shè)置界面、手動(dòng)操作界面、伺服手動(dòng)操作界面和手動(dòng)排空操作界面。 5自動(dòng)配料系統(tǒng)稱重線現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試 5.1自動(dòng)配料系統(tǒng)稱重線現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試 自動(dòng)配料系統(tǒng)稱重線的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試是在公司設(shè)備管理人員在場(chǎng)的情況下進(jìn)行的。所有系統(tǒng)控制柜安裝接線完成后，首先通電，開啟現(xiàn)場(chǎng)氣源，根據(jù)稱重啟動(dòng)過程，從后到前逐一進(jìn)行電路的通斷測(cè)試，然后對(duì)控制系統(tǒng)中的所有輸入輸出點(diǎn)進(jìn)行手動(dòng)動(dòng)作測(cè)試。及時(shí)調(diào)整位置不當(dāng)?shù)妮斎胼敵鲂盘?hào)，然后測(cè)試各站的外部稱重模塊和防爆電子秤模塊。觀察所有試驗(yàn)后，對(duì)稱重線進(jìn)行在線調(diào)試，并觀察和測(cè)試潤(rùn)滑油稱重過程的運(yùn)行情況。 結(jié)論 從實(shí)際應(yīng)用的角度來看，該稱重系統(tǒng)綜合了我國(guó)自動(dòng)配料系統(tǒng)的現(xiàn)狀和存在的問題。針對(duì)原有稱重生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)率低、自動(dòng)化程度低、缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)控的缺陷，采用較為完善的控制方法，提出了基于S7-300 PLC的潤(rùn)滑油自動(dòng)配料系統(tǒng)控制系統(tǒng)。防爆地磅描述了系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，并根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要進(jìn)行了相應(yīng)的軟硬件設(shè)計(jì)。利用西門子組態(tài)軟件設(shè)計(jì)了潤(rùn)滑油自動(dòng)配料系統(tǒng)控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面。借助西門系列防爆電子秤，通過軟件編譯，自動(dòng)配料系統(tǒng)的效率大大提高。平均生產(chǎn)速度已超過每小時(shí)6000桶，而原始稱重速度為每小時(shí)1500桶。同時(shí)，操作使用方便，提高了生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平，提高了公司的生產(chǎn)能力，創(chuàng)造了工業(yè)價(jià)值。 | |
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