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基于PLC控制的自動(dòng)配料系統(tǒng)

字體:[ ] 瀏覽次數(shù):1353次 發(fā)布時(shí)間:2015-11-25 關(guān)閉

導(dǎo)讀: 系統(tǒng)由可編程控制器與電子皮帶秤組成一個(gè)兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò),通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線連接現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表、控制計(jì)算機(jī)、PLC、變頻器等智能程度較高、處理速度快的設(shè)備。

0.引言

  自動(dòng)配料系統(tǒng)是精細(xì)化工廠生產(chǎn)工藝過(guò)程中一道非常重要的工序,配料工序質(zhì)量對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量舉足輕重。自動(dòng)配料控制過(guò)程是一個(gè)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(duì)料位、流量及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(gè)兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò),通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線連接現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表、控制計(jì)算機(jī)、PLC、變頻器等智能程度較高、處理速度快的設(shè)備。在自動(dòng)配料生產(chǎn)工藝過(guò)程中,將主料與輔料按一定比例配合,由電子皮帶秤完成對(duì)皮帶輸送機(jī)輸送的物料進(jìn)行計(jì)量。PLC主要承擔(dān)對(duì)輸送設(shè)備、秤量過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,并完成對(duì)系統(tǒng)故障檢測(cè)、顯示及報(bào)警,同時(shí)向變頻器輸出信號(hào)調(diào)節(jié)皮帶機(jī)轉(zhuǎn)速的作用。

1.自動(dòng)配料系統(tǒng)的構(gòu)成

  該自動(dòng)配料系統(tǒng)由5臺(tái)電子皮帶秤配料線組成,編號(hào)分別為1#、2#、3# 、4#、5#、,其中1#~4#為一組,1#為主料秤,其余三臺(tái)為輔料秤。當(dāng)不需要添加輔料時(shí),5#電子秤單獨(dú)工作輸送主料。系統(tǒng)具有恒流量和配比控制兩種功能。對(duì)于恒流量控制時(shí),電子皮帶秤根據(jù)皮帶上物料的多少自動(dòng)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(lái)分析,工藝流程如圖1所示。

  自動(dòng)配料系統(tǒng)加電后,皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn),微處理機(jī)根據(jù)當(dāng)前操作控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。料斗中的物料落在落料區(qū),經(jīng)皮帶運(yùn)送到達(dá)稱重區(qū),由電子皮帶秤對(duì)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(gè)電壓信號(hào),經(jīng)變送器放大,輸出一個(gè)正比于物料重量的計(jì)量電平信號(hào)。該信號(hào)送至上位機(jī)的接口,經(jīng)采樣后并轉(zhuǎn)換成一個(gè)流量信號(hào),在上位機(jī)上顯示當(dāng)前流量值。同時(shí)將此流量信號(hào)送至PLC接口,與上位機(jī)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(yùn)算,其控制量送至變頻器,以此來(lái)改變變頻器的輸出值,從而改變驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。調(diào)整給定量,使之與設(shè)定值相等,完成自動(dòng)配料過(guò)程。

  

  圖1:系統(tǒng)工藝流程

  流量就是一定時(shí)間內(nèi)皮帶上走過(guò)的物料量。電子皮帶秤稱量的是瞬時(shí)流量,上位機(jī)給出的是設(shè)定流量,二者在實(shí)時(shí)計(jì)量中有所偏差。在流量實(shí)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(jì)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(shí)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(shí)間常數(shù),Td為微分時(shí)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(guò)程進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí),以主料成分的流量計(jì)量為依據(jù),根據(jù)生產(chǎn)工藝要求通過(guò)上位機(jī)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(jì)量控制是計(jì)量偏差與變頻調(diào)速的結(jié)合,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠和調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)。

  

  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(kāi)始工作時(shí),啟動(dòng)配料生產(chǎn)線。首先系統(tǒng)程序進(jìn)行初始化,通過(guò)上位機(jī)或觸摸屏設(shè)置配料配比,檢查料斗有無(wú)物料。若無(wú)物料,向料斗送料,啟動(dòng)配料生產(chǎn)線,由電子皮帶秤進(jìn)行稱重并實(shí)時(shí)計(jì)量,CPU計(jì)算得實(shí)時(shí)流量及累計(jì)流量。若設(shè)定流量與實(shí)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(shí)際流量的偏差,經(jīng)PID調(diào)節(jié)改變輸出信號(hào)以控制變頻器對(duì)輸送電機(jī)的速度調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)恒流量控制。根據(jù)配比各輔料同時(shí)混合計(jì)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(jī)實(shí)現(xiàn)兩級(jí)控制?,F(xiàn)以1#~4#四臺(tái)電子皮帶秤的PLC控制分析為例,每一電子皮帶秤有一臺(tái)皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī),兩個(gè)料位傳感器,一個(gè)速度傳感器,一個(gè)稱重傳感器,一臺(tái)變頻器,它們構(gòu)成了被控對(duì)象。電動(dòng)機(jī)的啟、停由開(kāi)關(guān)量控制,PLC數(shù)字量輸出信號(hào)作為變頻器的控制端輸入信號(hào),經(jīng)變頻器調(diào)制輸出高頻脈沖給皮帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)。料位傳感器檢測(cè)料斗有無(wú)物料,速度傳感器測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)需8個(gè)數(shù)字量輸入信號(hào),25個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)和24個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào),I/O點(diǎn)總數(shù)量為57。I/O點(diǎn)數(shù)量和類型如表1所示。

  表1: PLC I/O口數(shù)量和類型

  

  公司的SIMATIC S7-/300,屬于模塊化小型PLC系統(tǒng),各種單獨(dú)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(duì)象的I/O點(diǎn)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(chǎng)總線(PROFIBUS)SINEC L2-DP接口的CPU模板,具有48KB的RAM,80KB的裝載存儲(chǔ)器,可用存儲(chǔ)卡擴(kuò)充裝載存儲(chǔ)容量最大到512KB,最大可擴(kuò)展1024點(diǎn)數(shù)字量或128個(gè)模擬量。根據(jù)統(tǒng)計(jì)出的I/O點(diǎn)數(shù)選擇一個(gè)直流32點(diǎn)和一個(gè)16點(diǎn)的SM321數(shù)字量輸入模塊和一個(gè)32點(diǎn)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(jī)相匹配時(shí)的技術(shù)參數(shù)。采用三菱的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī),1#皮帶機(jī)額定功率2.2KW,2~4#皮帶機(jī)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(dòng)配料系統(tǒng)生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行PID控制,需要檢測(cè)設(shè)定的部分參數(shù)設(shè)定如下:

 ?、?Pr.1=50 Hz, Pr.2= 5 Hz,本系統(tǒng)Pr.18=120 Hz不變。

 ?、?Pr.19=9999,與電源電壓相同

 ?、?Pr.7=2s,加速時(shí)間(7.5K以下出廠設(shè)定值5s,0~3600s/0~360s)

  Pr.8=2s,減速時(shí)間(7.5K以下出廠設(shè)定值5s,0~3600s/0~360s)

 ?、?Pr.9 由電機(jī)額定值決定

 ?、?Pr.14=0,適用恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

 ?、?Pr.79=3,外部/PU組合操作模式

 ?、?Pr.183=8,實(shí)現(xiàn)RT開(kāi)關(guān)=REX開(kāi)關(guān)

 ?、?Pr.128、Pr.129、Pr.130、Pr.131、Pr.132 、Pr.133、Pr.134根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)PID調(diào)節(jié)具體要求來(lái)設(shè)定。

4.PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

  STEP 7是西門子的S7-300系列PLC所用的編程語(yǔ)言,它是一種可運(yùn)行于通用微機(jī)中,在WINDOWS環(huán)境下進(jìn)行編程的語(yǔ)言。通過(guò)STEP 7編程軟件,不僅可以非常方便地使用梯形圖和語(yǔ)句表等形式進(jìn)行離線編程,并通過(guò)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(yùn)行時(shí),還可在線監(jiān)視程序中各個(gè)輸入輸出或狀態(tài)點(diǎn)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(lái)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(kāi)關(guān)信號(hào)(按鈕、繼電器觸點(diǎn))和傳感器產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)的輸入,判斷當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)以及輸出信號(hào)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(gè)重要的任務(wù)就是接受工控機(jī)(上位機(jī))的控制命令,以進(jìn)行自動(dòng)配料控制。

  自動(dòng)配料程序共有OB 1及FC1至FC6等7個(gè)“塊”。OB1是主程序,通過(guò)6個(gè)“CALL”調(diào)用語(yǔ)句,依次調(diào)用FC1至FC6等功能模塊,達(dá)到組織整個(gè)程序的目的。程序中6個(gè)功能塊的任務(wù)分配如下所示:

  FC l 負(fù)責(zé)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行以及運(yùn)行方式的設(shè)定; FC2 負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)的停止;

  FC3 負(fù)責(zé)計(jì)量泵和計(jì)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(duì)變頻器的控制; FC6 負(fù)責(zé)指示燈的顯示控制。

5.結(jié)束語(yǔ)

  PLC代替了傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)及龐大的控制電器,實(shí)現(xiàn)了電氣的自動(dòng)化控制。通過(guò)對(duì)皮帶電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速,達(dá)到節(jié)約能源和提高配料精度。

  本文的創(chuàng)新點(diǎn)是:自動(dòng)配料系統(tǒng)采用PLC控制方案,具有功能強(qiáng)大、方便靈活、可靠性高、低成本、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),大大提高了配料精度,便于計(jì)量的微機(jī)化控制,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)管理,通過(guò)投產(chǎn)使用取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。此項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益為20萬(wàn)元。

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