| 基于PLC和變頻器的配料系統設計與實現 | 2020-01-16 |
| 摘要：配料是精細化工廠生產工藝過程中的一道非常重要的工序，落后的配料系統不僅效率低而且配料不準，手工操作又將人為因素引入配料環節，使工藝配方難以在生產中實現，嚴重影響產品質量的穩定及進一步提高，因此實現高精度自動配料對工業企業生產有極為重要的意義。原配料系統采用模擬電路控制滑差調速電機的方法進行速度控制，由于滑差電機調速方式在低速時特性差、效率低，現場外部工作環境又很惡劣，工業粉塵很多，這些粉塵很容易進入滑差電機內部而出現磨損、卡死等現象，維修、維護麻煩，造成工作故障多，影響正常生產。隨著計算機技術的飛速發展，對原有配料系統進行技術改造，以無級變速的變頻器控制封閉式鼠籠電機轉速方式，用可編程序控制器控制變頻器，配料系統將生產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，提高配料系統的配料精度和穩定性。配料系統采用PLC為稱重儀表、變頻器為執行器，MCGS監控軟件為人機交互界面，設計了一套液位控制稱重配料系統，并利用西門子S7-200PLC的PID參數自整定功能實現了控制參數的在線自調整。MCGS監控軟件構成了控制稱重配料系統的操作站，可以實現實時數據采集、控制參數輸入、控制模式轉換等多項功能。在液位控制實驗中，MCGS監控軟件記錄了在設定液位下的PID參數整定過程和設定液位控制效果，S7-200PLC整定出的PID參數較好地實現了設定液位的穩定跟蹤。整套稱重配料系統具有控制靈活、精確度高、故障率低的特點，能滿足一般化工生產過程中對液位的控制要求。 因配料系統所配的物料種類較多，達到7種。稱重終端導致需用的給料設備較多，進而需用的變頻器數量較多，變頻器柜內溫升較快，變頻器內半導體器件容易損壞，設計時，我們采用2臺變頻器柜，柜內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扇，前門下部安裝出口過濾器，和正常設計采用4臺變頻器柜相比，這樣不僅降低了生產成本，而且還減少了安裝空間；由于現場潮濕、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；由于現場周圍大功率設備較多，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，特別注意線路的鋪設距離，因其線路越長，線壓降就越大，有時會產生電機轉矩不足。其二是控制回路，因其信號較微弱，受外界的干擾較大，選擇和鋪設時應考慮抗干擾對策。變頻器的接地主要包括三方面：其一弱電壓、電流回路，應取一點接地；其二是使用屏蔽電纜時應使用絕緣電線，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進行，使用專設的接地端子，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，這樣的脈沖調制形式使得變頻器運行時在電源側產生高次諧波電流，并導致電壓波形畸變，對電源系統產生嚴重影響，特別是對稱重信號和速度信號干擾特別嚴重，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，從而保證系統高精度運行。 自動配料系統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絡，通過現場總線連接現場稱重儀表、控制計算機、ＰＬＣ、變頻器等智能程度較高、處理速度快的設備。ＰＬＣ主要承擔對系統故障檢測、顯示及報警，并同時向變頻器輸出信號，變頻器完成調節電機機轉速的作用。電機電子秤稱量的是瞬時流量，上位機給出的是設定流量，二者在實時計量中有所偏差。采用工業控制中應用廣泛的ＰＩＤ調節進行流量實際控制，為系統流量ＰＩＤ閉環調節結構圖，根據流量偏差，利用比例、積分、微分計算出控制量，通過變頻器調節電機防爆電子秤速度，調整給定量，使之與設定值相等，完成自動配料過程。當自動配料系統開始工作，啟動配料生產線，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，若設定流量與實際流量有偏差，調節器根據自動配料系統控制要求比較設定值與實際流量的偏差，經ＰＩＤ調節改變輸出信號以控制變頻器對輸送電機的速度調節，從而實現流量控制。 1引言 稱重儀表是以微處理器為基礎，綜合了計算機、微電子、自動控制、網絡通信等技術而發展起來的一種適合工業現場的自動控制裝置[1]。自1969年美國出現臺稱重儀表以來，經過幾十年的發展，稱重儀表已經成為一種最重要、最普及、應用場合最多的工業控制器。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域。變頻器是應用變頻技術和微電子技術，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備[2]。隨著工業自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應用。本文主要研究利用PLC和變頻器等控制設備來組建一個自動化應用控制稱重配料系統，能夠根據生產實際需要，控制水箱內液位。使用人機交互界面對液位控制過程進行監控。 2稱重配料系統組成 本稱重配料系統主要由3個模塊組成，分別是稱重儀表模塊、變頻器調節模塊和人機交互模塊。稱重配料系統組成見圖1。 2.1稱重儀表模塊 本稱重配料系統采用西門子S7-200PLC作為稱重儀表[1]，它接收被控對象的狀態信息，根據控制目標，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有目的地運行。 選擇CPU226作為S7-200的主機模塊。它具有40路數字量I/O點，可連接7個擴展模塊，擴展至248路數字量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通訊協議、MPI通訊協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過濾波去掉干擾信號后，再通過A/D轉換，將液位模擬量信號變換成S7-200能夠處理的數字信號，然后經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輸出的數字量經光電耦合器，再經過D/A轉換器后，數字信號轉換成模擬信號，經過運算放大器后驅動變頻器。光電耦合器和EM231模塊中的功能一樣，是將內外電路隔開，防止外部電磁干擾信號對S7-200內部電路造成干擾。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，控制稱重配料系統只需1路模擬量輸出。 2.2變頻器調節模塊 4稱重配料系統軟件設計 變頻器接收S7-200PLC發出的控制信號并向水泵電機供電，構成開環或閉環稱重配料系統[3]。變頻器是利用電力半導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]。本稱重配料系統采用MITSUBISHIS500變頻器，它采 4.1稱重儀表PID算法的軟件實現 本稱重配料系統在S7-200PLC中實現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節、逆變環節、直流環節3個部分組成。整流環節為三相橋式不可控整流器；逆變環節為IGBT三相橋式逆變器，輸出PWM控制量；直流環節起到濾波、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，本稱重配料系統采用MCGS通用監控軟件。MCGS稱重配料系統包括組態環境和運行環境2個部分[6]，主要完成現場數據的采集與監測、前端數據的處理與控制等功能[7]。本文設計的監控界面以動畫顯示、流程控制等多種方式解決了液位控制稱重配料系統的數據采集、液位監測、故障報警等實際工程問題。 3稱重配料系統硬件設計 基于PLC和變頻器的液位調節控制稱重配料系統硬件構成如圖2所示。控制稱重配料系統的稱重儀表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，轉化成數字量信號后送至CPU226中，CPU226對檢測值和設定值的偏差進行PID運算，運算結果經EM232模擬量輸出模塊轉化為（4～20）mA信號，輸出給變頻器，由變頻器來調節水泵電機的轉速，從而調節進水量，最終控制水箱內液位穩定在設定值。 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。 本稱重配料系統中設定值為操作人員設定的液位控制目標值。過程變量值是經A/D轉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場實際液位跟隨液位設定值并且保持穩定。 主機模塊CPU226支持PID指令向導，利用指令向導生成液位控制PID程序[9-10]。在STEP7-Micro/WIN編程軟件中，進入PID指令向導。步，選擇PID回路，有8個回路可以，本稱重配料系統只需要一個回路的PID。第二步，確定給定值范圍，即液位控制范圍，設置為0～100，設定采樣時間為1s，設定增益、積分時間和微分時間的初始參數。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，利用向導生成的PID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上位機監控畫面設計 上位機上安裝MCGS監控軟件作為整套稱重配料系統的操作站。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定值以及PID參數的設置，同時進行對水位測量值的監控和歷史數據的記錄。設計組態的主監控畫面如圖3所示。 | |
