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| 基于PLC和變頻器的配料系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) | 2020-01-16 |
| 摘要：配料是精細化工廠生產(chǎn)工藝過程中的一道非常重要的工序，落后的配料系統(tǒng)不僅效率低而且配料不準(zhǔn)，手工操作又將人為因素引入配料環(huán)節(jié)，使工藝配方難以在生產(chǎn)中實現(xiàn)，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定及進一步提高，因此實現(xiàn)高精度自動配料對工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)有極為重要的意義。原配料系統(tǒng)采用模擬電路控制滑差調(diào)速電機的方法進行速度控制，由于滑差電機調(diào)速方式在低速時特性差、效率低，現(xiàn)場外部工作環(huán)境又很惡劣，工業(yè)粉塵很多，這些粉塵很容易進入滑差電機內(nèi)部而出現(xiàn)磨損、卡死等現(xiàn)象，維修、維護麻煩，造成工作故障多，影響正常生產(chǎn)。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，對原有配料系統(tǒng)進行技術(shù)改造，以無級變速的變頻器控制封閉式鼠籠電機轉(zhuǎn)速方式，用可編程序控制器控制變頻器，配料系統(tǒng)將生產(chǎn)所需的原料和輔料等按照一定的比例通過傳送帶依次傳送，提高配料系統(tǒng)的配料精度和穩(wěn)定性。配料系統(tǒng)采用PLC為稱重儀表、變頻器為執(zhí)行器，MCGS監(jiān)控軟件為人機交互界面，設(shè)計了一套液位控制稱重配料系統(tǒng)，并利用西門子S7-200PLC的PID參數(shù)自整定功能實現(xiàn)了控制參數(shù)的在線自調(diào)整。MCGS監(jiān)控軟件構(gòu)成了控制稱重配料系統(tǒng)的操作站，可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集、控制參數(shù)輸入、控制模式轉(zhuǎn)換等多項功能。在液位控制實驗中，MCGS監(jiān)控軟件記錄了在設(shè)定液位下的PID參數(shù)整定過程和設(shè)定液位控制效果，S7-200PLC整定出的PID參數(shù)較好地實現(xiàn)了設(shè)定液位的穩(wěn)定跟蹤。整套稱重配料系統(tǒng)具有控制靈活、精確度高、故障率低的特點，能滿足一般化工生產(chǎn)過程中對液位的控制要求。 因配料系統(tǒng)所配的物料種類較多，達到7種。稱重終端導(dǎo)致需用的給料設(shè)備較多，進而需用的變頻器數(shù)量較多，變頻器柜內(nèi)溫升較快，變頻器內(nèi)半導(dǎo)體器件容易損壞，設(shè)計時，我們采用2臺變頻器柜，柜內(nèi)變頻器分成上下兩層布置，并在上下變頻器之間加一塊隔板，同時在控制柜后門上部安裝軸流風(fēng)扇，前門下部安裝出口過濾器，和正常設(shè)計采用4臺變頻器柜相比，這樣不僅降低了生產(chǎn)成本，而且還減少了安裝空間；由于現(xiàn)場潮濕、腐蝕性及塵埃較多，容易造成電子器件銹蝕，接觸不良，因而控制柜進行防腐處理；由于現(xiàn)場周圍大功率設(shè)備較多，振動較大，安裝時采用橡膠減振墊。變頻器的接線主要包括兩方面：其一是主回路，必須考慮電力線對電流容量、短路保護、電線壓降等因數(shù)，特別注意線路的鋪設(shè)距離，因其線路越長，線壓降就越大，有時會產(chǎn)生電機轉(zhuǎn)矩不足。其二是控制回路，因其信號較微弱，受外界的干擾較大，選擇和鋪設(shè)時應(yīng)考慮抗干擾對策。變頻器的接地主要包括三方面：其一弱電壓、電流回路，應(yīng)取一點接地；其二是使用屏蔽電纜時應(yīng)使用絕緣電線，避免屏蔽層與接地通道相連；其三是電線的接地在變頻器側(cè)進行，使用專設(shè)的接地端子，不與其它接地端子共用。灌裝機變頻器對外界的干擾目前，變頻器幾乎均采用pwm控制方式，這樣的脈沖調(diào)制形式使得變頻器運行時在電源側(cè)產(chǎn)生高次諧波電流，并導(dǎo)致電壓波形畸變，對電源系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，特別是對稱重信號和速度信號干擾特別嚴(yán)重，影響計量精度，為此，我們對此信號進行隔離處理，并對控制稱重儀表電源進行處理，從而保證系統(tǒng)高精度運行。 自動配料系統(tǒng)由可編程控制器與電機電子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)場稱重儀表、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。ＰＬＣ主要承擔(dān)對系統(tǒng)故障檢測、顯示及報警，并同時向變頻器輸出信號，變頻器完成調(diào)節(jié)電機機轉(zhuǎn)速的作用。電機電子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。采用工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛的ＰＩＤ調(diào)節(jié)進行流量實際控制，為系統(tǒng)流量ＰＩＤ閉環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)圖，根據(jù)流量偏差，利用比例、積分、微分計算出控制量，通過變頻器調(diào)節(jié)電機防爆電子秤速度，調(diào)整給定量，使之與設(shè)定值相等，完成自動配料過程。當(dāng)自動配料系統(tǒng)開始工作，啟動配料生產(chǎn)線，由電機防爆電子秤進行稱重并實時計量，ＣＰＵ計算得實時流量及累計流量。一方面根據(jù)配比各輔料同時混合計量，并按配方工藝要求添加。另一方面，若設(shè)定流量與實際流量有偏差，調(diào)節(jié)器根據(jù)自動配料系統(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)流量控制。 1引言 稱重儀表是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機、微電子、自動控制、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)而發(fā)展起來的一種適合工業(yè)現(xiàn)場的自動控制裝置[1]。自1969年美國出現(xiàn)臺稱重儀表以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，稱重儀表已經(jīng)成為一種最重要、最普及、應(yīng)用場合最多的工業(yè)控制器。稱重儀表已進入包括過程控制、位置控制等場合所有的控制領(lǐng)域。變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)和微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設(shè)備[2]。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。本文主要研究利用PLC和變頻器等控制設(shè)備來組建一個自動化應(yīng)用控制稱重配料系統(tǒng)，能夠根據(jù)生產(chǎn)實際需要，控制水箱內(nèi)液位。使用人機交互界面對液位控制過程進行監(jiān)控。 2稱重配料系統(tǒng)組成 本稱重配料系統(tǒng)主要由3個模塊組成，分別是稱重儀表模塊、變頻器調(diào)節(jié)模塊和人機交互模塊。稱重配料系統(tǒng)組成見圖1。 2.1稱重儀表模塊 本稱重配料系統(tǒng)采用西門子S7-200PLC作為稱重儀表[1]，它接收被控對象的狀態(tài)信息，根據(jù)控制目標(biāo)，并按照一定的程序進行分析處理，控制信號通過輸出接口送往變頻器，從而控制整個稱重配料系統(tǒng)有目的地運行。 選擇CPU226作為S7-200的主機模塊。它具有40路數(shù)字量I/O點，可連接7個擴展模塊，擴展至248路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點。在通信方面，CPU226具有2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。各項性能均可滿足液位控制稱重配料系統(tǒng)的要求。 選擇EM231作為S7-200的模擬量輸入模塊。液位稱重模塊傳入信號經(jīng)過濾波去掉干擾信號后，再通過A/D轉(zhuǎn)換，將液位模擬量信號變換成S7-200能夠處理的數(shù)字信號，然后經(jīng)過光電耦合器傳送給S7-200的CPU226模塊。EM231模塊需要直流24V供電，可由CPU226模塊的稱重模塊電源DC24V供電。這一模塊有兩種型號：EM2312路和4路RTD模塊。本控制裝置選用2通道模塊。 選擇EM232作為S7-200的模擬量輸出模塊。S7-200輸出的數(shù)字量經(jīng)光電耦合器，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器后，數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，經(jīng)過運算放大器后驅(qū)動變頻器。光電耦合器和EM231模塊中的功能一樣，是將內(nèi)外電路隔開，防止外部電磁干擾信號對S7-200內(nèi)部電路造成干擾。EM232模塊提供電流輸出(4～20)mA和電壓輸出（1～5）V兩種模式，由于MITSUBISHIS500變頻器只能接受電流信號，所以選擇電流輸出模式。EM232模塊上部有7個端子，左起每3個位1組，為一路模擬量輸出。每組中有電壓負載端子、電流負載端子和公共端，控制稱重配料系統(tǒng)只需1路模擬量輸出。 2.2變頻器調(diào)節(jié)模塊 4稱重配料系統(tǒng)軟件設(shè)計 變頻器接收S7-200PLC發(fā)出的控制信號并向水泵電機供電，構(gòu)成開環(huán)或閉環(huán)稱重配料系統(tǒng)[3]。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控 制裝置[4-5]。本稱重配料系統(tǒng)采用MITSUBISHIS500變頻器，它采 4.1稱重儀表PID算法的軟件實現(xiàn) 本稱重配料系統(tǒng)在S7-200PLC中實現(xiàn)PID控制，在STEP7-Micro /WIN完成算法的編程。 直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給水泵電動機。MITSUBISHIS500變頻器電路由整流環(huán)節(jié)、逆變環(huán)節(jié)、直流環(huán)節(jié)3個部分組成。整流環(huán)節(jié)為三相橋式不可控整流器；逆變環(huán)節(jié)為IGBT三相橋式逆變器，輸出PWM控制量；直流環(huán)節(jié)起到濾波、直流儲能和緩沖無功功率的作用。 2.3人機交互模塊 人機交互由上位機安裝HMI軟件來實現(xiàn)，本稱重配料系統(tǒng)采用MCGS通用監(jiān)控軟件。MCGS稱重配料系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境2個部分[6]，主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、前端數(shù)據(jù)的處理與控制等功能[7]。本文設(shè)計的監(jiān)控界面以動畫顯示、流程控制等多種方式解決了液位控制稱重配料系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、液位監(jiān)測、故障報警等實際工程問題。 3稱重配料系統(tǒng)硬件設(shè)計 基于PLC和變頻器的液位調(diào)節(jié)控制稱重配料系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖2所示?？刂品Q重配料系統(tǒng)的稱重儀表S7-200的EM231模擬量輸入模塊接受壓力稱重模塊傳送來的（4～20）mA的水位信號，轉(zhuǎn)化成數(shù)字量信號后送至CPU226中，CPU226對檢測值和設(shè)定值的偏差進行PID運算，運算結(jié)果經(jīng)EM232模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)化為（4～20）mA信號，輸出給變頻器，由變頻器來調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)進水量，最終控制水箱內(nèi)液位穩(wěn)定在設(shè)定值。 其中，Mn為第n采樣時刻的計算值；Kc為增益；SPn和PVn分別為第n采樣時刻的設(shè)定值和過程變量值；Ts為采樣時間；Ti為積分時間；Td為微分時間，Mx為回路輸出的初始值。 本稱重配料系統(tǒng)中設(shè)定值為操作人員設(shè)定的液位控制目標(biāo)值。過程變量值是經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和計算后得到的液位的實測值。進行PID控制的目的就是使現(xiàn)場實際液位跟隨液位設(shè)定值并且保持穩(wěn)定。 主機模塊CPU226支持PID指令向?qū)?，利用指令向?qū)梢何豢刂芇ID程序[9-10]。在STEP7-Micro/WIN編程軟件中，進入PID指令向?qū)?。步，選擇PID回路，有8個回路可以，本稱重配料系統(tǒng)只需要一個回路的PID。第二步，確定給定值范圍，即液位控制范圍，設(shè)置為0～100，設(shè)定采樣時間為1s，設(shè)定增益、積分時間和微分時間的初始參數(shù)。第三步，確定回路輸入和輸出模式，包括輸入輸出的極性和取值范圍。針對輸入選項，考慮到給定值的范圍和液位稱重模塊的測量輸出值，選擇單極性輸出，范圍為0～1000。針對輸出選項，考慮到變頻器信號接收要求，選擇模擬輸出、單極性，使用20％偏移量，范圍為6400～32000。鑒于安全的考慮，利用向?qū)傻腜ID中，還選用了高、低限報警和手動操作模式，為在特殊情況下采取制動措施提供了便利。 4.2上位機監(jiān)控畫面設(shè)計 上位機上安裝MCGS監(jiān)控軟件作為整套稱重配料系統(tǒng)的操作站。操作站的功能是完成人機交互，操作人員通過操作站進行水位設(shè)定值以及PID參數(shù)的設(shè)置，同時進行對水位測量值的監(jiān)控和歷史數(shù)據(jù)的記錄。設(shè)計組態(tài)的主監(jiān)控畫面如圖3所示。 | |
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