引言

自动配料系统是精细化工厂生产工艺过程中一道非常重要的工序, 配料工序质量对整个产品的质量举足轻重。自动配料控制过程是一个多输入、多输出系统, 各条配料输送生产线严格地协调控制, 对料位、 流量及时准确地进行监测和调节。系统由可编程控制器与电子皮带秤组成一个两级计算机控制网络 , 通过现场总线连接现场仪器仪表、 控制计算机、 PLC 、 变频器等智能程度较高、 处理速度快的设备。在自动配料生产工艺过程中, 将主料与辅料按一定比例配合, 由电子皮带秤完成对皮带输送机输送的物料进行计量。 PLC 主要承担对输送设备、 秤量过程进行实时控制, 并完成对系统故障检测、 显示及报警, 同时向变频器输出信号调节皮带机转速的作用。

1 自动配料系统的构成

该自动配料系统由 5 台电子皮带秤配料线组成, 编号分别为 1# 、 2# 、 3# 、 4# 、 5#, 其中 1#～ 4# 为一组, 1# 为主料秤, 其余三台为辅料秤。当不需要添加辅料时, 5# 电子秤单独工作输送主料。 系统具有恒流量和配比控制两种功能。 对于恒流量控制时,电子皮带秤根据皮带上物料的多少自动调节皮带速度, 以达到所设定流量要求。以主秤(1#) 系统工艺流程来分析, 工艺流程如图 1 所示。

自动配料系统加电后, 皮带驱动电机开始旋转, 微处理机根据当前操作控制电机转速。 料斗中的物料落在落料区, 经皮带运送到达称重区, 由电子皮带秤对皮带上的物料进行称重。 称重传感器根据所受力的大小输出一个电压信号, 经变送器放大, 输出一个正比于物料重量的计量电平信号。该信号送至上位机的接口, 经采样后并转换成一个流量信号, 在上位机上显示当前流量值。同时将此流量信号送至 PLC 接口, 与上位机设定的各种配料给定值进行比较, 然后进行调节运算, 其控制量送至变频器,以此来改变变频器的输出值, 从而改变驱动电动机的转速。 调整给定量, 使之与设定值相等, 完成自动配料过程。

流量就是一定时间内皮带上走过的物料量。电子皮带秤称量的是瞬时流量, 上位机给出的是设定流量, 二者在实时计量中有所偏差。在流量实际控制中采用工业控制中应用最为广泛的PID 调节, 根据流量偏差, 利用比例、 积分、 微分计算出控制量进行控制, 控制量输入和输出 ( 误差 ) 之间的关系在时域中可用公式表示如下：

公式中 e(t) 表示误差、 控制器输入, u(t) 是控制器的输出, kp为比例系数, Ti 为积分时间常数, Td 为微分时间常数。图 2 为系统流量 PID 闭环调节结构图。在生产过程进行自动调节时,以主料成分的流量计量为依据, 根据生产工艺要求通过上位机设定出总流量及主、 辅料配比参数, 按配方比例掺杂其余辅料。流量计量控制是计量偏差与变频调速的结合, 具有结构简单、稳定性好、 工作可靠和调整方便等优点。

2 系统控制流程

当系统开始工作时, 启动配料生产线。首先系统程序进行初始化, 通过上位机或触摸屏设置配料配比, 检查料斗有无物料。若无物料,向料斗送料, 启动配料生产线, 由电子皮带秤进行称重并实时计量, CPU 计算得实时流量及累计流量。若设定流量与实际流量有偏差, 调节器根据系统控制要求比较设定值与实际流量的偏差, 经 PID 调节改变输出信号以控制变频器对输送电机的速度调节, 从而实现恒流量控制。根据配比各辅料同时混合计量, 并按配方工艺要求添加。系统主程序控制流程如图 3 。

3PLC 控制系统硬件设置

系统中主、辅料秤由可编程控制器 (PLC) 和上位机实现两级控制。现以 1#～ 4# 四台电子皮带秤的 PLC 控制分析为例, 每一电子皮带秤有一台皮带驱动电机, 两个料位传感器, 一个速度传感器, 一个称重传感器, 一台变频器, 它们构成了被控对象。电动机的启、停由开关量控制, PLC 数字量输出信号作为变频器的控制端输入信号, 经变频器调制输出高频脉冲给皮带驱动电机。料位传感器检测料斗有无物料, 速度传感器测量电机的转速。系统需 8 个数字量输入信号, 25 个开关量输入信号和 24个开关量输出信号, I/O 点总数量为 57 。 I/O 点数量和类型如表1 所示。

3.1 CPU 及输入、 输出模块选择

西门子公司的 SIMATIC S7-/300 , 属于模块化小型 PLC 系统, 各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。

根据系统被控对象的 I/O 点数以及工艺要求、 扫描速度、 自诊断功能等方面的考虑, 选用 SIEMENS 公司 S7- 300 系列 PLC的 CPU 315 - 2DP 。 CPU 315 - 2DP 是 唯 一 带 现 场 总 线(PROFIBUS)SINEC L2- DP 接 口 的 CPU 模板 , 具有 48KB 的RAM , 80KB 的装载存储器, 可用存储卡扩充装载存储容量最大到 512KB , 最大可扩展 1024 点数字量或 128 个模拟量。根据统计出的 I/O 点数选择一个直流 32 点和一个 16 点的 SM321 数字量输入模块和一个 32 点 SM322 继电器输出模块。

3.2 变频器选型及其功能设定

三菱公司提供了 FR- A540 系列变频器与该公司的标准电机相匹配时的技术参数。采用三菱的标准电机, 1# 皮带机额定功率 2.2KW, 2～ 4# 皮带机额定功率为 0.4KW , 额定电压 380V ,额定电流 5A , 转速 1420r/ min , 调速范围 120～ 1200r/min 。三菱FR- A540 变频器自带有 PID 调节功能, 根据自动配料系统生产工艺要求进行 PID 控制, 需要检测设定的部分参数设定如下 :

① Pr.1=50 Hz , Pr.2= 5 Hz , 本系统 Pr.18=120 Hz 不变。

② Pr.19=9999 , 与电源电压相同

③ Pr.7=2s , 加速时间 (7.5K 以下出厂设定值 5s , 0～ 3600s/0~360s)

Pr.8=2s , 减速时间 (7.5K 以下出厂设定值 5s , 0～ 3600s/0~360s)

④ Pr.9 由电机额定值决定

⑤ Pr.14=0 , 适用恒转矩负载

⑥ Pr.79=3 , 外部 /PU 组合操作模式

⑦ Pr.183=8 , 实现 RT 开关 =REX 开关

⑧ Pr.128 、 Pr.129 、 Pr.130 、 Pr.131 、 Pr.132 、 Pr.133 、 Pr.134 根据现场 PID 调节具体要求来设定。

4PLC 控制系统软件设计

STEP 7 是西门子的 S7- 300 系列 PLC 所用的编程语言, 它是一种可运行于通用微机中, 在 WINDOWS 环境下进行编程的语言。通过 STEP 7 编程软件, 不仅可以非常方便地使用梯形图和语句表等形式进行离线编程, 并通过转接电缆可直接送入PLC的内存中执行, 而且在调试运行时, 还可在线监视程序中各个输入输出或状态点的通断情况, 甚至进行在线修改程序中变量的值, 给调试工作也带来极大的方便。 STEP 7 将用户程序分成不同的类型块。程序块分为两大类 : 系统块和用户块。用户块包括 :OB= 组织块, FB= 功能块, FC= 功能, DB= 数据块。主程序可以放入 “组织块” (OB) 中, 而子程序可以放入 “功能块” (FB 或FC) 中。在本系统中, PLC 的主要任务是接受外部开关信号 ( 按钮、 继电器触点 ) 和传感器产生的数字信号的输入,判断当前的系统状态以及输出信号去控制接触器、 继电器、 电磁阀等器件,以完成相应的控制任务。除此之外, 另一个重要的任务就是接受工控机 ( 上位机 ) 的控制命令, 以进行自动配料控制。自动配料程序共有 OB 1 及 FC1 至 FC6 等 7 个 “块” 。 OB1 是主程序, 通过 6个 “CALL ” 调用语句, 依次调用 FC1 至 FC6 等功能模块, 达到组织整个程序的目的。程序中 6 个功能块的任务分配如下所示:FC l 负责系统开始运行以及运行方式的设定; FC2 负责对系统的停止; FC3 负责计量泵和计量泵配比控制;FC4 负责故障、 事故处理控制; FC5 负责对变频器的控制; FC6负责指示灯的显示控制。

5 结束语

PLC 代替了传统的机械传动及庞大的控制电器, 实现了电气的自动化控制。通过对皮带电动机的变频调速, 达到节约能源和提高配料精度。

本文的创新点是 : 自动配料系统采用 PLC 控制方案, 具有功能强大、方便灵活、 可靠性高、 低成本、 易维护等优点, 大大提高了配料精度, 便于计量的微机化控制, 实现网络化生产管理, 通过投产使用取得了良好的经济效益。

 

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