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引言

自動配料系統(tǒng)是精細化工廠生產(chǎn)工藝過程中一道非常重要的工序, 配料工序質量對整個產(chǎn)品的質量舉足輕重。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)調控制, 對料位、 流量及時準確地進行監(jiān)測和調節(jié)。系統(tǒng)由可編程控制器與電子皮帶秤組成一個兩級計算機控制網(wǎng)絡 , 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, 由電子皮帶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節(jié)皮帶機轉速的作用。

1 自動配料系統(tǒng)的構成

該自動配料系統(tǒng)由 5 臺電子皮帶秤配料線組成, 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,電子皮帶秤根據(jù)皮帶上物料的多少自動調節(jié)皮帶速度, 以達到所設定流量要求。以主秤 (1#) 系統(tǒng)工藝流程來分析, 工藝流程如圖 1 所示。

 

自動配料系統(tǒng)加電后, 皮帶驅動電機開始旋轉, 微處理機根據(jù)當前操作控制電機轉速。 料斗中的物料落在落料區(qū), 經(jīng)皮帶運送到達稱重區(qū), 由電子皮帶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, 與上位機設定的各種配料給定值進行比較, 然后進行調節(jié)運算, 其控制量送至變頻器,以此來改變變頻器的輸出值, 從而改變驅動電動機的轉速。 調整給定量, 使之與設定值相等, 完成自動配料過程。

流量就是一定時間內皮帶上走過的物料量。電子皮帶秤稱量的是瞬時流量, 上位機給出的是設定流量, 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)控制中應用的 PID 調節(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, 控制量輸入和輸出 ( 誤差 ) 之間的關系在時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 為積分時間常數(shù), Td 為微分時間常數(shù)。圖 2 為系統(tǒng)流量 PID 閉環(huán)調節(jié)結構圖。在生產(chǎn)過程進行自動調節(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速的結合, 具有結構簡單、穩(wěn)定性好、 工作可靠和調整方便等優(yōu)點。

2 系統(tǒng)控制流程

當系統(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, 由電子皮帶秤進行稱重并實時計量, CPU 計算得實時流量及累計流量。若設定流量與實際流量有偏差, 調節(jié)器根據(jù)系統(tǒng)控制要求比較設定值與實際流量的偏差, 經(jīng) PID 調節(jié)改變輸出信號以控制變頻器對輸送電機的速度調節(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。系統(tǒng)主程序控制流程如圖 3 。

 

3 PLC 控制系統(tǒng)硬件設置

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#～ 4# 四臺電子皮帶秤的 PLC 控制分析為例, 每一電子皮帶秤有一臺皮帶驅動電機, 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, 它們構成了被控對象。電動機的啟、停由開關量控制, PLC 數(shù)字量輸出信號作為變頻器的控制端輸入信號, 經(jīng)變頻器調制輸出高頻脈沖給皮帶驅動電機。料位傳感器檢測料斗有無物料, 速度傳感器測量電機的轉速。系統(tǒng)需 8 個數(shù)字量輸入信號, 25 個開關量輸入信號和 24個開關量輸出信號, I/O 點總數(shù)量為 57 。 I/O 點數(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), 各種單獨的模塊之間可進行廣泛組合構成不同要求的系統(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 CPU 315 - 2DP 。 CPU 315 - 2DP 是 唯 一 帶 現(xiàn) 場 總 線(PROFIBUS)SINEC L2- 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zui大到 512KB , zui大可擴展 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。

3.2 變頻器選型及其功能設定

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 , 轉速 1420r/ min , 調速范圍 120～ 1200r/min 。三菱FR- A540 變頻器自帶有 PID 調節(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, 需要檢測設定的部分參數(shù)設定如下 :

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 以下出廠設定值 5s , 0～ 3600s/0~360s)

Pr.8=2s , 減速時間 (7.5K 以下出廠設定值 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 =REX 開關

⑧ Pr.128 、 Pr.129 、 Pr.130 、 Pr.131 、 Pr.132 、 Pr.133 、 Pr.134 根據(jù)現(xiàn)場 PID 調節(jié)具體要求來設定。

4 PLC 控制系統(tǒng)軟件設計

STEP 7 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 STEP 7 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, 并通過轉接電纜可直接送入PLC 的內存中執(zhí)行, 而且在調試運行時, 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, 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 的主要任務是接受外部開關信號 ( 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,以完成相應的控制任務。除此之外, 另一個重要的任務就是接受工控機 ( 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 ” 調用語句, 依次調用 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 負責對變頻器的控制; FC6 負責指示燈的顯示控制。

5 結束語

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)絡化生產(chǎn)管理, 通過投產(chǎn)使用取得了良好的經(jīng)濟效益。此項目的經(jīng)濟效益為 20 萬元。

參考文獻:

[1]于慶廣.可編程控制器原理及系統(tǒng)設計=Theory and System De-sign of Programmable Controller.[M]北京:清華大學出版社.2004

[2] 張桂香，張志軍.PLC的選型與系統(tǒng)配置 [J] 微計算機信息.2005.9:85- 86+40

[3]MITSUBISHI 三菱 FR- A540 系列變頻器手冊

作者簡介 : 何瑞 (1969～ ) 女, 漢族, 講師, 大連理工大學碩士, 主要研究自動化控制、 機械電子工程 ; 賈磊 (1975- ) 男, 漢族, 講師, 大連理工研究生在讀, 主要研究計算機控制、 機械電子工程。

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