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| 基于PLC控制的自動(dòng)配料系統(tǒng)的研究 | 2020-01-18 |
| 摘要：針對配料系統(tǒng)提出的快速性和準(zhǔn)確性等要求，以PLC為主控制器，通過485總線實(shí)現(xiàn)PLC與組態(tài)軟件的通信，設(shè)計(jì)了基于S7-200系列的PLC自動(dòng)配料配料系統(tǒng)。此系統(tǒng)介紹了PLC和上位機(jī)觸摸屏之間的通信參數(shù)設(shè)定及系統(tǒng)控制流程。經(jīng)過多次試驗(yàn)，此PLC控制系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠、較高的控制精度、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 在現(xiàn)實(shí)生活中,不論在食品加工業(yè)還是在工程制造業(yè)都涉及到配料環(huán)節(jié)，其經(jīng)濟(jì)、技術(shù)指標(biāo)對于整個(gè)工程的質(zhì)量和成本有著舉足輕重的關(guān)系。實(shí)際工程中,以單片機(jī)控制的系統(tǒng)故障率很高,精度不高,誤差大,嚴(yán)重的制約了產(chǎn)品的質(zhì)量,以致制約整個(gè)公司的工程質(zhì)量。所以設(shè)計(jì)高速、高效、精確、性能穩(wěn)定的和智能化的配料系統(tǒng)勢在必行。本文采用性能穩(wěn)定的PLC、高精度稱重儀表設(shè)計(jì)自動(dòng)配料控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)從配料計(jì)量，到出料生產(chǎn)全過程的自動(dòng)化、智能化。 一、系統(tǒng)自動(dòng)配料控制方案 系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)。以工控機(jī)為上位主機(jī)，以西門子PLC、變頻器和稱重儀表為下位從機(jī)。主機(jī)處于主導(dǎo)地位，實(shí)現(xiàn)對各從機(jī)的通信管理和控制，將工控機(jī)的RS-232異步通信口經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后與PLC相連，形成上、下位機(jī)通信的一個(gè)物理通道；將主機(jī)的另一個(gè)RS-232口和稱重儀表的通信口相連，構(gòu)成第二個(gè)物理通道。上位機(jī)采用輪詢方式，逐個(gè)與從站通信。上位機(jī)把任務(wù)規(guī)劃的結(jié)果傳送給PLC，在PLC進(jìn)行控制的過程中，上位機(jī)使用上位機(jī)連接命令監(jiān)視下位機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)容，實(shí)時(shí)讀取PLC的內(nèi)部狀態(tài)以及稱重儀表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在上位機(jī)上顯示。 二、硬件設(shè)計(jì) 配料系統(tǒng)具有如下功能：①全自動(dòng)配料，在設(shè)定好配方之后，稱重系統(tǒng)自動(dòng)按照配方稱重配料，無需操作人員干預(yù)；②具有報(bào)表功能，可以產(chǎn)生日報(bào)表，實(shí)時(shí)報(bào)表和月報(bào)表、年報(bào)表等；③動(dòng)態(tài)增加和修改報(bào)表，系統(tǒng)通過設(shè)定權(quán)限，賦予技術(shù)人員或操作人員修改，增加配方的權(quán)利，同時(shí)記錄該次修改的日期和操作人員編號；④斷電恢復(fù)功能，稱重系統(tǒng)能夠在突然斷電的情況下，恢復(fù)斷電前的測量記錄；⑤局域網(wǎng)共享功能，主機(jī)在局域網(wǎng)內(nèi)可以共享數(shù)據(jù)，方便車間主管了解工程進(jìn)度和其他情況。整個(gè)全自動(dòng)配料混合稱重系統(tǒng)由工控機(jī)、PLC 、工業(yè)稱重儀表、變頻器、振動(dòng)電機(jī)、混料機(jī)、稱重模塊、傳送帶等部分組成。 上位工控機(jī)提供人機(jī)交互界面，完成控制信息輸人、數(shù)據(jù)管理、進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)和報(bào)表等功能，上位機(jī)采用IPC810工控機(jī)，它的主要工作如下：工控主機(jī)首先根據(jù)操作人員的指令，讀取某個(gè)編號的配方，然后，根據(jù)配方中配料的比例及先后順序，向PLC 發(fā)出開始配料的指令，使得PLC 能夠起動(dòng)特定的變頻器。在配料過程中，工控主機(jī)以輪詢的方式，一方面實(shí)時(shí)讀取PLC 的狀態(tài)字，了解PLC 及PLC 下級設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；另一方面實(shí)時(shí)讀取安裝在配料機(jī)上的稱重儀表的稱重?cái)?shù)據(jù)，按照配料策略，當(dāng)稱重接近配方中的設(shè)定值時(shí)，主機(jī)向PLC 發(fā)出停止本次配料的指令。當(dāng)一個(gè)配方上的所有材料都配完后，整個(gè)配料過程暫停，等待操作人員的指令。 整個(gè)全自動(dòng)配料混合系統(tǒng)由工控機(jī)、PLC、工業(yè)稱重儀表、變頻器、振動(dòng)電機(jī)、混料機(jī)、稱重模塊、傳送帶等部分組成?？刂葡到y(tǒng)由可編程控制器、電磁閥、調(diào)節(jié)閥等組成。在系統(tǒng)的控制中，涉及到模擬量控制方法和開關(guān)量控制方法。其中，對于電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止信號的控制屬于開關(guān)量控制，而對于水流量控制屬于模擬量控制，系統(tǒng)采用一款集模擬量和開關(guān)量于一體的可編程控制器，當(dāng)系統(tǒng)采集到流量信號轉(zhuǎn)化為電流信號發(fā)送給可編程控制器，可編程控制器根據(jù)用戶的要求完成相應(yīng)的操作。 （一）上位機(jī)選型 上位機(jī)采用研華IPC-610H，研華科技實(shí)力強(qiáng)大，研華工控機(jī)以其穩(wěn)重的外觀、完備的售后服務(wù)、有限的擴(kuò)展性能、高速度的運(yùn)算速度吸引了廣大用戶。其機(jī)箱采用全鋼結(jié)構(gòu)具有抗沖擊、抗振動(dòng)、抗電磁干擾等作用，內(nèi)置專用電源具有較強(qiáng)的抗干擾能力，采用底板+CPU卡結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，這樣讓系統(tǒng)的可靠性得到了有效保障。 （二）PLC選型 PLC選用西門子公司的S7-200，它指令系統(tǒng)功能強(qiáng)；有的機(jī)型還提供可以用FP-BASIC語言編程的CPU及多種智能模塊，為復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)提供了軟件手段；FP系列各種PLC都配置通信機(jī)制，由于它們使用的應(yīng)用層通信協(xié)議具有一致性，這給構(gòu)成多級PLC網(wǎng)絡(luò)和開發(fā)PLC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序帶來方便。同時(shí)提供了的編程特性，易于組態(tài)，便于安裝，能方便地取代簡便的繼電器及復(fù)雜的中型自動(dòng)化應(yīng)用系統(tǒng)。與上位機(jī)之間采用PPI通訊協(xié)議，可以方便有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 （三）稱重儀表選型 稱重儀表采用XK3201，該儀表由于采用了的優(yōu)秀前置放大器（美國產(chǎn)）作為稱重稱重模塊的輸入放大器，使本指示器具有超群的零點(diǎn)穩(wěn)定性能和增益穩(wěn)定性能。 具有100/秒的高速A/D轉(zhuǎn)換處理，對于瞬間的重量變化也能迅速反應(yīng)，從而大大提高了計(jì)量指示器的性能。在全部輸入范圍內(nèi)，都可保證1/10，000的顯示精度。 （四）變頻器選型 自動(dòng)配料系統(tǒng)由于配料車間有多種原材料，為了配料方便，我們設(shè)置了多個(gè)傳送帶，所以配料系統(tǒng)一個(gè)PLC 需要鏈接多個(gè)變頻器。為此我們在PLC 和變頻器之間使用了Profibus 總線進(jìn)行通信，將專用的Profibus 通信模塊插入到變頻器上，并設(shè)定好變頻器的從站地址，然后通過Profibus 連接器接入到PLC 中，PLC 通過編程，實(shí)現(xiàn)對該變頻器進(jìn)行報(bào)文的發(fā)送與接收，將控制字發(fā)送到變頻器，同時(shí)把狀態(tài)字從變頻器中讀取回來。CPU315-2DP 作為Profibus 主站，每個(gè)與主站通信的變頻器可以看作是一個(gè)Profibus 從站。通信時(shí)，主站根據(jù)通信報(bào)文中的地址字符來選擇要傳輸數(shù)據(jù)的從站。從站本身不能主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，各個(gè)從站之間也不能直接進(jìn)行信息的傳輸。變頻器采用松下VFOC系列變頻器通信功能用來自PLC、計(jì)算機(jī)等的通信，可以進(jìn)行運(yùn)行、頻率控制、監(jiān)控、參數(shù)的設(shè)定等。利用RS485通信還可以進(jìn)行多臺(tái)控制。PID功能無需溫度調(diào)節(jié)器等外部調(diào)節(jié)器，即可簡單地控制運(yùn)轉(zhuǎn)溫度、壓力、流量等。利用自動(dòng)調(diào)諧功能，還可以自動(dòng)調(diào)整設(shè)定值。 (1)變頻器由于計(jì)量螺桿電機(jī)的負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，并要求有較大的起動(dòng)力矩，同時(shí)考慮到計(jì)量運(yùn)行時(shí)的準(zhǔn)確性；根據(jù)這些特點(diǎn)，此配料系統(tǒng)選用MM440。MM440是全新一代可以廣泛應(yīng)用的多功能標(biāo)準(zhǔn)變頻器。它采用高性能的矢量控制技術(shù)，提供低速高轉(zhuǎn)矩輸出和良好的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)具備的過載能力，能滿足廣泛的應(yīng)用場合。具有標(biāo)準(zhǔn)的RS485接口，利用MM440內(nèi)部的USS標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可方便組成USS串行主一從控制配料系統(tǒng)，硬件支持高達(dá)l15.2Kb／s，可構(gòu)成滿足大多數(shù)應(yīng)用場合的低成本、高性能的網(wǎng)絡(luò)通訊控制配料系統(tǒng)。同時(shí)，可選的PROFIBUS—DP／Device—Net通訊模塊，實(shí)現(xiàn)了通訊的多樣性。 (2)PLC由于配料系統(tǒng)采用基于USS協(xié)議的RS-485串行總線控制方式，s7—200是可以實(shí)現(xiàn)的。此配料系統(tǒng)中選用了新型的CPU226CN，S7.200CN繼承了s7—200的優(yōu)良品質(zhì)和性能，適用于各行各業(yè)、各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動(dòng)化過程。s7—200CN系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能，因此具有的性價(jià)比。 (3)稱重儀表HMI為了方便對配料系統(tǒng)的工藝參數(shù)及過程參數(shù)進(jìn)行設(shè)置或監(jiān)控，選用了西門子TPI70A作為稱重儀表。 三、軟件設(shè)計(jì) （一）PLC程序設(shè)計(jì) 配料系統(tǒng)運(yùn)行過程中，PLC 與上位機(jī)實(shí)時(shí)通信，從而保證界面上顯示的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實(shí)際數(shù)據(jù)的一致性，操作人員在上位機(jī)上發(fā)出的操作命令和設(shè)定參數(shù)都可以實(shí)時(shí)送到PLC ，PLC 的主要工作有：①接收上位機(jī)發(fā)送來的命令，通過變頻器控制振動(dòng)電機(jī)的起、停和快慢；②將變頻器的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)寫入內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)，供工控機(jī)讀取；③將自身的各種狀態(tài)以狀態(tài)字的形式準(zhǔn)備好，共工控機(jī)實(shí)時(shí)讀取。 當(dāng)操作者把系統(tǒng)起動(dòng)后，工控機(jī)向PLC發(fā)出開始加料信號，PLC控制變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行快速加料，同時(shí)，工控主機(jī)通過串口持續(xù)不斷的讀取稱重儀表的稱重?cái)?shù)據(jù)，當(dāng)重量值接近設(shè)定值時(shí)，工控主機(jī)向PLC發(fā)出停止加料的控制指令，此時(shí)，PLC控制變頻器進(jìn)行慢加，通過事先估計(jì)出傳送機(jī)構(gòu)上原料的殘余，設(shè)定值和實(shí)際加料的差值和傳送機(jī)構(gòu)上原料的殘余相當(dāng)時(shí)，PLC真正發(fā)出停止指令，該指令由變頻器執(zhí)行，從而控制電機(jī)停機(jī)，停機(jī)后傳送機(jī)構(gòu)上的原料無殘余，配料精度符合要求。 (1)主程序塊用于調(diào)用USS—INIT和USS—CTRL指令，USS—INIT指令定義了通訊時(shí)的波特率和通訊方式；USS—CTRL指令分別定義了各個(gè)變頻器的通訊地址，以及各個(gè)變頻器頻率的設(shè)定和顯示都體現(xiàn)出來了。 (2)邏輯動(dòng)作塊-配料系統(tǒng)是一個(gè)以各個(gè)環(huán)節(jié)檢測執(zhí)行為條件，一步接一步的順序控制。用來控制外部的各種電磁閥和電機(jī)的動(dòng)作，同時(shí)也控制每臺(tái)計(jì)量螺桿的計(jì)量時(shí)間。 (3)參數(shù)設(shè)定根據(jù)一些實(shí)際操作要求，通過幾個(gè)乘法指令對計(jì)量螺桿電機(jī)的計(jì)量時(shí)間做了設(shè)定，在頻率的設(shè)定和顯示時(shí)通過幾個(gè)乘法和除法指令，優(yōu)點(diǎn)是在參數(shù)設(shè)定過程中明晰、一目了然，如果在運(yùn)行過程中時(shí)間和頻率的設(shè)定出現(xiàn)了問題，可以通過監(jiān)控很容易地找到問題所在點(diǎn)。(4)報(bào)警塊主要是用來顯示各個(gè)貯反應(yīng)釜下限和混料下限的報(bào)警顯示。 （二）工控主機(jī)軟件設(shè)計(jì) 工控機(jī)主要任務(wù)如下： 1、提供配料過程的動(dòng)畫顯示。 2、向PLC發(fā)出控制指令，讀取PLC的運(yùn)行狀態(tài)。 3、讀取稱重儀表上的稱重信號，根據(jù)稱重?cái)?shù)據(jù)，向PLC發(fā)送指令。 4、配方的增加與修改。 5、系統(tǒng)故障輔助報(bào)警等其他功能。 （三）觸摸屏程序設(shè)計(jì) 此系統(tǒng)觸摸屏軟件程序包括登錄界面，系統(tǒng)主菜單，配方、操作、報(bào)警，報(bào)表界面，如下圖所示。畫面間的切換可以利用系統(tǒng)主菜單實(shí)現(xiàn)，也可以通過子畫面上的按鈕切換。 在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)的自動(dòng)配料過程中，此控制系統(tǒng)水與料配比精度高，給料速度均勻可調(diào)，配液速度能自由設(shè)定。實(shí)現(xiàn)了多個(gè)配液罐之間切換選擇，無人值守自動(dòng)配料，滿足了現(xiàn)場工藝要求，給現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)帶來了極大的方便。 四、結(jié)語 此自動(dòng)配料系統(tǒng)充分利用了PLC具有可靠性高、功能完善、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化以及編程簡單直觀等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效彌補(bǔ)繼電器控制和單片機(jī)控制在可靠性方面的缺陷，與工控機(jī)配合易于實(shí)現(xiàn)操作與管理。同時(shí)自動(dòng)配料控制系統(tǒng)配料均勻，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。變速給料結(jié)合高精度電子稱量，實(shí)現(xiàn)了高精度自動(dòng)配料，達(dá)到全自動(dòng)控制，大大提高了生產(chǎn)效率，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了勞動(dòng)成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。 | |
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