| 基于PLC控制的自動配料系統的研究 | 2020-01-18 |
| 摘要：針對配料系統提出的快速性和準確性等要求，以PLC為主控制器，通過485總線實現PLC與組態軟件的通信，設計了基于S7-200系列的PLC自動配料配料系統。此系統介紹了PLC和上位機觸摸屏之間的通信參數設定及系統控制流程。經過多次試驗，此PLC控制系統具有運行穩定可靠、較高的控制精度、抗電磁干擾能力強等優點。 在現實生活中,不論在食品加工業還是在工程制造業都涉及到配料環節，其經濟、技術指標對于整個工程的質量和成本有著*的關系。實際工程中,以單片機控制的系統故障率很高,精度不高,誤差大,嚴重的制約了產品的質量,以致制約整個公司的工程質量。所以設計高速、高效、精確、性能穩定的和智能化的配料系統勢在必行。本文采用性能穩定的PLC、高精度稱重儀表設計自動配料控制系統，該系統可以實現從配料計量，到出料生產全過程的自動化、智能化。 一、系統自動配料控制方案 系統采用主從式結構。以工控機為上位主機，以西門子PLC、變頻器和稱重儀表為下位從機。主機處于主導地位，實現對各從機的通信管理和控制，將工控機的RS-232異步通信口經電平轉換后與PLC相連，形成上、下位機通信的一個物理通道；將主機的另一個RS-232口和稱重儀表的通信口相連，構成第二個物理通道。上位機采用輪詢方式，逐個與從站通信。上位機把任務規劃的結果傳送給PLC，在PLC進行控制的過程中，上位機使用上位機連接命令監視下位機的運行狀態和數據區內容，實時讀取PLC的內部狀態以及稱重儀表的實時數據，在上位機上顯示。 二、硬件設計 配料系統具有如下功能：①全自動配料，在設定好配方之后，稱重系統自動按照配方稱重配料，無需操作人員干預；②具有報表功能，可以產生日報表，實時報表和月報表、年報表等；③動態增加和修改報表，系統通過設定權限，賦予技術人員或操作人員修改，增加配方的權利，同時記錄該次修改的日期和操作人員編號；④斷電恢復功能，稱重系統能夠在突然斷電的情況下，恢復斷電前的測量記錄；⑤局域網共享功能，主機在局域網內可以共享數據，方便車間主管了解工程進度和其他情況。整個全自動配料混合稱重系統由工控機、PLC 、工業稱重儀表、變頻器、振動電機、混料機、稱重模塊、傳送帶等部分組成。 上位工控機提供人機交互界面，完成控制信息輸人、數據管理、進行數據顯示、存儲、統計和報表等功能，上位機采用IPC810工控機，它的主要工作如下：工控主機首先根據操作人員的指令，讀取某個編號的配方，然后，根據配方中配料的比例及先后順序，向PLC 發出開始配料的指令，使得PLC 能夠起動特定的變頻器。在配料過程中，工控主機以輪詢的方式，一方面實時讀取PLC 的狀態字，了解PLC 及PLC 下級設備的運行狀態；另一方面實時讀取安裝在配料機上的稱重儀表的稱重數據，按照配料策略，當稱重接近配方中的設定值時，主機向PLC 發出停止本次配料的指令。當一個配方上的所有材料都配完后，整個配料過程暫停，等待操作人員的指令。 整個全自動配料混合系統由工控機、PLC、工業稱重儀表、變頻器、振動電機、混料機、稱重模塊、傳送帶等部分組成。控制系統由可編程控制器、電磁閥、調節閥等組成。在系統的控制中，涉及到模擬量控制方法和開關量控制方法。其中，對于電動機的啟動和停止信號的控制屬于開關量控制，而對于水流量控制屬于模擬量控制，系統采用一款集模擬量和開關量于一體的可編程控制器，當系統采集到流量信號轉化為電流信號發送給可編程控制器，可編程控制器根據用戶的要求完成相應的操作。 （一）上位機選型 上位機采用研華IPC-610H，研華科技實力*，研華工控機以其穩重的外觀、完備的售后服務、有限的擴展性能、高速度的運算速度吸引了廣大用戶。其機箱采用全鋼結構具有抗沖擊、抗振動、抗電磁干擾等作用，內置專用電源具有較強的抗干擾能力，采用底板+CPU卡結構，具有很強的可擴展性，這樣讓系統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，它指令系統功能強；有的機型還提供可以用FP-BASIC語言編程的CPU及多種智能模塊，為復雜系統的開發提供了軟件手段；FP系列各種PLC都配置通信機制，由于它們使用的應用層通信協議具有一致性，這給構成多級PLC網絡和開發PLC網絡應用程序帶來方便。同時提供了的編程特性，易于組態，便于安裝，能方便地取代簡便的繼電器及復雜的中型自動化應用系統。與上位機之間采用PPI通訊協議，可以方便有效地進行數據傳輸。 （三）稱重儀表選型 稱重儀表采用XK3201，該儀表由于采用了的優秀前置放大器（美國產）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穩定性能和增益穩定性能。 具有100/秒的高速A/D轉換處理，對于瞬間的重量變化也能迅速反應，從而大大提高了計量指示器的性能。在全部輸入范圍內，都可保證1/10，000的顯示精度。 （四）變頻器選型 自動配料系統由于配料車間有多種原材料，為了配料方便，我們設置了多個傳送帶，所以配料系統一個PLC 需要鏈接多個變頻器。為此我們在PLC 和變頻器之間使用了Profibus 總線進行通信，將專用的Profibus 通信模塊插入到變頻器上，并設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，實現對該變頻器進行報文的發送與接收，將控制字發送到變頻器，同時把狀態字從變頻器中讀取回來。CPU315-2DP 作為Profibus 主站，每個與主站通信的變頻器可以看作是一個Profibus 從站。通信時，主站根據通信報文中的地址字符來選擇要傳輸數據的從站。從站本身不能主動發送數據，各個從站之間也不能直接進行信息的傳輸。變頻器采用松下VFOC系列變頻器通信功能用來自PLC、計算機等的通信，可以進行運行、頻率控制、監控、參數的設定等。利用RS485通信還可以進行多臺控制。PID功能無需溫度調節器等外部調節器，即可簡單地控制運轉溫度、壓力、流量等。利用自動調諧功能，還可以自動調整設定值。 (1)變頻器由于計量螺桿電機的負載為恒轉矩負載，并要求有較大的起動力矩，同時考慮到計量運行時的準確性；根據這些特點，此配料系統選用MM440。MM440是全新一代可以廣泛應用的多功能標準變頻器。它采用高性能的矢量控制技術，提供低速高轉矩輸出和良好的動態特性，同時具備的過載能力，能滿足廣泛的應用場合。具有標準的RS485接口，利用MM440內部的USS標準協議，可方便組成USS串行主一從控制配料系統，硬件支持高達l15.2Kb／s，可構成滿足大多數應用場合的低成本、高性能的網絡通訊控制配料系統。同時，可選的PROFIBUS—DP／Device—Net通訊模塊，實現了通訊的多樣性。 (2)PLC由于配料系統采用基于USS協議的RS-485串行總線控制方式，s7—200是可以實現的。此配料系統中選用了新型的CPU226CN，S7.200CN繼承了s7—200的優良品質和性能，適用于各行各業、各種場合中的檢測、監測及控制的自動化過程。s7—200CN系列的*功能使其無論在獨立運行中或相連成網絡皆能實現復雜控制功能，因此具有的性價比。 (3)稱重儀表HMI為了方便對配料系統的工藝參數及過程參數進行設置或監控，選用了西門子TPI70A作為稱重儀表。 三、軟件設計 （一）PLC程序設計 配料系統運行過程中，PLC 與上位機實時通信，從而保證界面上顯示的數據與現場實際數據的一致性，操作人員在上位機上發出的操作命令和設定參數都可以實時送到PLC ，PLC 的主要工作有：①接收上位機發送來的命令，通過變頻器控制振動電機的起、停和快慢；②將變頻器的運行狀態實時寫入內存數據區，供工控機讀取；③將自身的各種狀態以狀態字的形式準備好，共工控機實時讀取。 當操作者把系統起動后，工控機向PLC發出開始加料信號，PLC控制變頻器驅動電機進行快速加料，同時，工控主機通過串口持續不斷的讀取稱重儀表的稱重數據，當重量值接近設定值時，工控主機向PLC發出停止加料的控制指令，此時，PLC控制變頻器進行慢加，通過事先估計出傳送機構上原料的殘余，設定值和實際加料的差值和傳送機構上原料的殘余相當時，PLC真正發出停止指令，該指令由變頻器執行，從而控制電機停機，停機后傳送機構上的原料無殘余，配料精度符合要求。 (1)主程序塊用于調用USS—INIT和USS—CTRL指令，USS—INIT指令定義了通訊時的波特率和通訊方式；USS—CTRL指令分別定義了各個變頻器的通訊地址，以及各個變頻器頻率的設定和顯示都體現出來了。 (2)邏輯動作塊-配料系統是一個以各個環節檢測執行為條件，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的動作，同時也控制每臺計量螺桿的計量時間。 (3)參數設定根據一些實際操作要求，通過幾個乘法指令對計量螺桿電機的計量時間做了設定，在頻率的設定和顯示時通過幾個乘法和除法指令，優點是在參數設定過程中明晰、一目了然，如果在運行過程中時間和頻率的設定出現了問題，可以通過監控很容易地找到問題所在點。(4)報警塊主要是用來顯示各個貯反應釜下限和混料下限的報警顯示。 （二）工控主機軟件設計 工控機主要任務如下： 1、提供配料過程的動畫顯示。 2、向PLC發出控制指令，讀取PLC的運行狀態。 3、讀取稱重儀表上的稱重信號，根據稱重數據，向PLC發送指令。 4、配方的增加與修改。 5、系統故障輔助報警等其他功能。 （三）觸摸屏程序設計 此系統觸摸屏軟件程序包括登錄界面，系統主菜單，配方、操作、報警，報表界面，如下圖所示。畫面間的切換可以利用系統主菜單實現，也可以通過子畫面上的按鈕切換。 在現實生產的自動配料過程中，此控制系統水與料配比精度高，給料速度均勻可調，配液速度能自由設定。實現了多個配液罐之間切換選擇，無人值守自動配料，滿足了現場工藝要求，給現實生產帶來了極大的方便。 四、結語 此自動配料系統充分利用了PLC具有可靠性高、功能*、產品標準化以及編程簡單直觀等優點，能夠有效彌補繼電器控制和單片機控制在可靠性方面的缺陷，與工控機配合易于實現操作與管理。同時自動配料控制系統配料均勻，運行穩定可靠。變速給料結合高精度電子稱量，實現了高精度自動配料，達到全自動控制，大大提高了生產效率，降低了操作人員的勞動強度，節約了勞動成本，具有良好的經濟效益。 | |
