基于PLC控制的自動配料系統(tǒng)研究與應(yīng)用

0.引言

自動配料系統(tǒng)是精細(xì)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(yán)格地協(xié)調(diào)控制，對料位、流量及時準(zhǔn)確地進(jìn)行監(jiān)測和調(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，由電子皮帶秤完成對皮帶輸送機輸送的物料進(jìn)行計量。PLC主要承擔(dān)對輸送設(shè)備、秤量過程進(jìn)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。

1.自動配料系統(tǒng)的構(gòu)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(dāng)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(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)工藝流程來分析，工藝流程如圖1所示。

自動配料系統(tǒng)加電后，皮帶驅(qū)動電機開始旋轉(zhuǎn)，微處理機根據(jù)當(dāng)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(dá)稱重區(qū)，由電子皮帶秤對皮帶上的物料進(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(dāng)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(jìn)行比較，然后進(jìn)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。

圖1：系統(tǒng)工藝流程

流量就是一定時間內(nèi)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(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(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)圖。在生產(chǎn)過程進(jìn)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。

圖2： 流量PID閉環(huán)調(diào)節(jié)

2.系統(tǒng)控制流程

當(dāng)系統(tǒng)開始工作時，啟動配料生產(chǎn)線。首先系統(tǒng)程序進(jìn)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，由電子皮帶秤進(jìn)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。系統(tǒng)主程序控制流程如圖3。

圖3： 系統(tǒng)主程序控制流程

3.PLC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(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。I/O點數(shù)量和類型如表1所示。

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(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(kuò)充裝載存儲容量最大到512KB，最大可擴(kuò)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(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)電機相匹配時的技術(shù)參數(shù)。采用三菱的標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行PID控制，需要檢測設(shè)定的部分參數(shù)設(shè)定如下：[!--empirenews.page--]

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(fù)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。

4.PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dāng)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(jìn)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(dá)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(fù)責(zé)系統(tǒng)開始運行以及運行方式的設(shè)定; FC2 負(fù)責(zé)對系統(tǒng)的停止;

FC3 負(fù)責(zé)計量泵和計量泵配比控制; FC4 負(fù)責(zé)故障、事故處理控制;

FC5 負(fù)責(zé)對變頻器的控制; FC6 負(fù)責(zé)指示燈的顯示控制。

5.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(dá)到節(jié)約能源和提高配料精度。