| PLC在油漆配料系統中的應用研究 | 2020-01-21 |
| 摘要:油漆稱重配料系統技術改造為背景,闡述了油漆生產的工藝流程,采用基于PLC的集散配料系統作為總體控制方案,對油漆生產主要環節進行了分析并給出控制方案。設計了基于PLC的稱重混合配料系統,給出了配料系統硬件設計和軟件控制流程,對配料系統的模糊PID控制和仿真進行了研究。結果表明:該油漆稱重配料系統經過PLC技術改造后,配料精度大幅提高。 油漆工業是連接種建筑業、船舶業、家具業產品等產業鏈條中極其重要的一個關鍵環節。其作為世界經濟的新興工業之一,在較短的時間內迅速發展起來,受到了各國政府和企業界的高度重視。油漆加工生產線控制特點主要是各加工設備及檢測裝置間的順序控制,而這種順序控制正是PLC控制的優勢所在。PLC控制是當前工業配料系統中應用非常廣泛的控制方式,使用PLC控制可以極大地提高生產的自動化程度。可編程控制器與上位機PC的通訊實現,可使生產過程整體優化,確保正常生產和管理水平的提高。各種預混合油漆、濃縮油漆、配合油漆為主油漆生產車間兩個,建成的生產線采用了微機控制技術,現代化水平比較高;而早期建設的生產線配料系統仍然是接觸器、繼電器控制方式,其管理水平和生產效率均遠低于另一條生產線。為適應生產需求,對舊的生產線進行了技術改造。 1油漆生產工藝 傳統的油漆生產企業采用串聯布置，即物料從原料倉庫開始，按照工藝流程依次經過各個車間，然后到達成品倉庫。然而，隨著產品種類的不斷增加和產品類型的不斷差異，近年來并行布局已經被取代，即物料可以分成多條路線，同時經過不同的車間，最終到達成品倉庫。顯然，這種方法大大提高了串聯物料的產量，減少了干擾，生產效率更高。同時，這種布局也有利于助劑、電力、燃氣等電力線路的合理鋪設，降低投資成本。目前，公司車間布局是按照平行布局設計的。目前，一些涂料生產配料系統也提出了車間組合布局模式，即在生產車間內設立針對特定產品的原料倉庫、成品倉庫、實驗室、檢驗室等。合并，物料在車間內流動，改變了原原料倉庫、車間和成品倉庫的拆分方式，節省了物流的行程和時間，大大提高了生產效率。鑒于需要新建一個車間來配置工程液體灌裝機的涂料和汽車涂料產品的配料系統，可以采用組合布局的方法，既可以避免原料和成品之間距離過長、效率降低的缺點，又可以集中同類產品的所有揀選和生產環節，便于過程控制和生產管理，有利于產品質量的穩定。一般來說，生產車間的布局設計應考慮原材料入庫、生產揀選、成品交付等各個方面。在生產過程中，材料的布局方法是最短路徑、最短時間和資本占用。涂料配料系統具有原料和產品種類多、生產工藝簡單、流程短的特點。涂裝車間生產線的布置有兩種方式:一種是工藝專用配料系統的生產線，也稱為車隊配料系統的生產線，即根據不同的生產工藝建立不同的車間或工段團隊。工藝專業車間安裝了同類型的配料系統液體灌裝機，便于大規模生產組織。第二，產品專用配料系統的生產線，也稱為封閉配料系統生產線，是以產品為基礎建立車間。在產品的專業化生產車間，生產某種產品的各種液體灌裝機集中在一條批量自動配料系統生產線上，可以獨立完成產品生產的所有工藝流程。大多數傳統的油漆配料系統車間都是按照工藝建立的，尤其是在以前的大中型油漆廠，絕大多數都是按照專業生產線的工藝建立的。根據工藝專業化設立車間的優點包括:(1)配料系統中液體灌裝機利用率高；(2)配料系統便于過程的專業管理。 該配料系統以電腦稱重顯示器為控制中心，控制其它設備完成配料。原料由絞龍驅動從料倉落入稱斗，共l2路，分別輸送不同的物料。液體灌裝機絞龍運行的速度由變頻調速器根據稱重顯示器輸出電壓的高低來調節。實際配料時，通過稱重顯示器鍵盤設定配料配方及配料批次，再運行自動配料系統，稱重顯示器自動選擇所要求的料倉，驅動絞龍電機，使物料落入稱斗．通過稱斗上測量重量的稱重模塊來控制變頻調速器．調節絞龍速度以控制進料量，使終點值達到足夠精度．配料結束時，自動開門，物料進入混合機混合．稱重顯示器自動計算混合時間，待混合結束，放成品出料。 2配料系統基于PLC的總體控制方案設計 自動配料系統由工業計算機，PLC模塊、工業組態軟件、中間繼電器、交流接觸器、熱繼電器、空氣開關等組成。在Windows環境下，自動配料系統使用工業組態軟件繪制的實際流程圖，自動配料系統可以使生產線的各個電機、控制閥、泵、管路的流程顯示出來，自動配料系統可以非常直觀地了解生產情況和控制整個自動配料系統的工藝過程。整套自動配料系統集中于中控室。車間內平臺旁設中控室，用于放置主控柜和中控臺。 計量過程：生產前先輸入配方，計算機根據配方量聯動啟動對應自動閥開始加料，當稱重到達設定值，稱重模塊自動關閉進料閥門，同時啟動另一種助劑計量。計量完畢，計量反應罐的出料閥門自動打開，并打開E1號分散釜（反應罐號先設定）上對應的自動閥門，助劑真空吸入到E1號分散釜中。在全部助劑加料完畢，同理輸入純水加料的重量，點動純水進料閥門，利用少量純水清洗計量反應罐及下料管路以保證助劑無殘留。12種助劑的計量和輸送為自動化控制過程，計量反應罐可以采取先加助劑、后加水的方式。 自動配料系統噸包粉體由壓送反應罐壓入粉料倉進行儲存。5種粉料的計量和輸送為自動化控制過程，利用粉料計量反應罐計量。計算機控制，自動配料系統根據加料的重量，自動開啟對應閥門，自動配料系統聯動啟動對應螺旋輸送機開始加料，當稱重到達設定值，稱重模塊連鎖進料閥門及螺旋輸送機關閉。計量完畢，計量反應罐的出料閥門自動開啟，并打開GD1過渡反應罐進料閥門粉料進入過渡反應罐儲存， E1號分散釜加粉料時，采取釜底上料，對釜內抽真空，過渡反應罐出料閥及E1反應罐進料閥自動打開，粉體從反應罐體底部進入反應釜內。 油漆生產過程中的每一個配料系統相對獨立,油漆生產的自動化包括整個配料系統的自動控制與各工序自動控制以及單機設備的自動控制；其中PLC負責控制現場設備的運行并獲取其運行狀態及故障信息,傳感配料系統采集現場信息數據,計算機利用網絡通訊獲取數據進行儲存管理,動態顯示工藝流程、設備運行狀態、生產數據、報警信息,并生成各類生產報表。其核心控制部件PLC,采用模塊化的編程思想,分離各子配料系統與相對獨立的內部功能,并將各功能塊按照油漆生產配料系統的工藝流程貫穿在一起,形成整個配料系統的集散控制,并通過網絡實現與生產管理的遠程監控指揮配料系統。 3稱重混合配料系統設計 3.1稱重混合工藝方案選擇及配料系統的確定 配料工序是油漆生產過程中的關鍵性環節,其配料精度直接影響著油漆產品的質量。稱重混合配料系統實現將兩種或兩種以上的物料按照一定的配比自動定量加入到混合機內,經過混合達到預定要求后自動出料的過程。通過對常見稱重混合工藝方案優缺點的對比,選擇多料數電子秤秤配混工藝,如圖2所示。即將所有計量的物料按照其物理性能或稱量范圍進行分組,每組配上相應的計量裝置來實現計量作業,從而經濟、精確地完成整個配料過程。多料數防爆電子秤秤配混工藝能夠顯著縮短油漆的配混時間,大幅度提高產量,結合該公司油漆生產情況,配混工藝選擇為多料雙防爆電子秤秤同時配料工藝。 油漆自動配料系統由PC機、PLC、送料器、料斗、稱重稱重模塊和執行機構等組成,如圖3所示。 配料系統的運行過程是先由上位計算機將原料配方數據傳到下位機PLC,然后再由PLC進行控制。各種油漆原料經反應釜頂輸送設備和分配器分配進入相應配料反應釜中存貯。配料時由送料器分別依次將原料送至防爆電子秤秤斗中。大配比(&1048577;20%)的原料送至大電子秤秤斗;小配比(5%~20%)的原料則被送至小電子秤秤斗稱量。稱重稱重模塊檢測每種料的數量,將信號傳給稱重控制儀,控制送料器的給料,從而控制每種料的定量。當全部料反應釜的物料按設定配方要求稱量配料完畢,達到規定 累計質量(每批料量)時,PLC依照控制程序打開料閥門,將防爆電子秤秤斗內物料放入混合機混合室中進行攪拌混合。混合機在達到預定的混合時間,即混合均勻度達到要求時,在PLC的控制下,料閥門開啟出料,送料至緩沖反應釜,落入成品刮板式輸送機,送至斗式提升機入口升運至混合料反應釜貯存,至下一工序。 3.2稱重混合配料系統硬件設計 上位機選擇帶有標準的RS232C通信口、打印機接口的品牌機,本配料系統控制精度要求高,根據輸入輸出信號數量,下位機選用一個三菱FX2N-80MR型PLC和兩個FX2N-16EX拓展單元,選用SC-09編程電纜作為計算機與PLC通信的連線。在整個配料系統中,重量稱重模塊是一個非常關鍵的部件,自動配料系統的精度如何,接影響著配料系統的配料的精度。本配料系統選用電阻應變式重量稱重模塊,其精度滿足配料的要求,應該比配料精度高一個等級。XSB-A型稱重顯示控制儀是一種多用途的儀表,速度快,精度高,自動配料系統擁有的許多特殊性能很適合稱重顯示及控制的應用。 3.3稱重混合配料系統軟件設計 計算機根據生產工藝把相應的配方和生產工藝參數傳遞到PLC,PLC根據配方參數及下料順序控制變頻器啟動配料絞龍工作,稱重信號由PLC檢測。配料系統工作順序:稱量完成后,當混合機內有料時,防爆電子秤秤斗閥門關閉;當混合機放料關閥門到位后,防爆電子秤秤斗閥門打開。防爆電子秤秤斗開閥門時間到達后,檢測防爆電子秤秤斗上的余料,當余料超過限制值時,配料系統進行報警,防爆電子秤秤斗閥門不關閉。當低于限制值時,防爆電子秤秤斗閥門關閉。防爆電子秤秤斗閥門關閉到位后,如果沒有完成預定生產批次,配料繼續,同時發出添加預混料和油脂添加信號。預混料添加并完成應答復位后,混合機開始混合計時,達到混合時間后,混合機根據緩沖斗的料位情況開閥門放料。混合機開閥門計時,開閥門時間到達后,混合機閥門自動關閉,等下一批料落下后,開始新一輪的循環。本配料系統采用模塊化程序設計的方法,其中心思想是把一個復雜的應用程序按整體功能劃分為若干相對獨立的程序模塊。本配料系統中,按程序完成的功能主要分為三個程序模塊: (1)送料模塊按配方參數和進料次序完成各料反應釜的原料下料以及稱重信號采集,保證各原料在允差范圍內。加料停止后,從螺旋喂料器到防爆電子秤秤斗之間還滯留一部分原料要落入防爆電子秤秤斗中,需考慮這一部分物料,程序中用滯留量&1048577;代表這個值。滯留量是根據企業生產經驗數據,通過試驗選擇值確定。將變頻器設置為多速段頻率,用PLC的輸出點控制變頻器的頻率。送料器配料時,PLC控制送料器電機在變頻器高速段運行,當原料量逼近(給料量-滯留量)時,由PLC輸出點控制送料器電機在變頻器低速段運行,進行緩慢加料。加料過程中,PLC將原料量與(給料量-滯留量)實時比較,在允差范圍內為合格,停止加料;接近允差下限,應進行變頻器低速段加料;大于允差上限為超差,報警。 (2)防爆電子秤秤閥門模塊控制稱重反應釜閥門按邏輯順序開啟和關閉,使當前批次的配料工作順利完成。 (3)混合機閥門模塊實現緩沖反應釜閥門和混合閥門的邏輯控制,使配料按設定時間完成混合攪拌。 在程序設計時,將整個程序分為幾個功能模塊分別實現,PLC工作時通過主程序分別調用各子程序完成相應功能。 4配料系統模糊控制與仿真 由于工藝參數、物料性質、落差等的變化,使配料系統的模型具有非線性和時變性。為改善落差等因素對精度的影響,可采用對落差進行預測和對配料量進行逼近控制,以改善配料精度。根據油漆廠重復批量稱量的特點,利用大量已有的稱量誤差數據對空間物料量進行模糊自適應補償控制,可以保證物料誤差在最小范圍內波動。 4.1模糊PID的控制原理 配料控制器接收到來自主機的控制流量數據作為給定,與實際檢測到的流量進行比較,通過模糊PID控制方法,計算相應的輸出量(0~5V的電壓或4~20mA的電流)來控制變頻器,從而控制電機的轉速,使所配原料流量達到給定的值,其控制框圖如圖5所示。 4.2配料系統的仿真模型及結果分析 4.2.1仿真模型 為了比較控制效果,把常規PID和模糊PID放在一起進行仿真,其仿真模型如圖6所示。 4.2.2仿真結果及分析仿真得到圖7所示的階躍響應曲線。 通過以上MATLAB仿真比較可以看出,模糊PID控制方法與常規的PID控制方法相比,配料系統響應速度快,調節時間短,穩態誤差小。因此,具有更好的動態特性和穩定性能,能夠明顯地提高配料系統的動態性能和配料精度。 5應用 配料系統生產線上的全自動灌裝機主要由監控屏、工控機、操作臺、配料系統自動配料系統、配電柜等組成。其功能包括以下幾個方面: (1)動態監控功能:可在屏幕上清晰顯示液體灌裝機的運行狀態和物料流量。 (2)配方管理功能:技術配方存儲在計算機中。在生產過程中，配方中確定了不同產品配料過程中的物料配比和投料順序。因此，自動配料系統需要在生產前調用配方，自動計算和稱量各種物料，并保持配比的準確性。 (3)自動配料、灌裝和計量:灌裝和配料是化工產品生產過程中最重要的工序之一，稱為“喉部”工序。灌裝和配料過程的質量對整個產品的質量起著重要的作用。在生產過程中，由配料系統控制的氣動球可按配方實現自動計量和自動送料，保證產品質量穩定。 (4)混合速度控制:配料系統控制變頻器控制混合速度，不同的物料可以以不同的混合速度混合，保證混合均勻。 (5)現場調整控制:可根據產品生產要求添加少量材料，實現現場調整。 目前，我國還沒有通用的配料系統——涂料生產用自動灌裝機。生產中有自動控制的例子，例如輔助油漆的自動配料系統。一些企業還試圖自動控制一些生產環節，如磨削溫度、壓力和磨削時間的自動控制等。然而，自動涂料定量自動配料系統生產線將是涂料配料系統生產設備未來的發展趨勢。對于整個配料系統生產線的自動化設計，涂料企業很難獨立完成。隨著涂裝生產線規模的擴大、復雜性和自動化控制程度的提高，涂裝企業必須與配料系統液體灌裝機供應商溝通，共同完成配料系統生產線的設計和制造，以確保目標過程的實現。可以采取總承包的方式，從設計、施工到調試和交付，全部承包給配料系統液體灌裝機承包商。配料系統生產線交付后，承包商還應進行操作培訓和初步試生產，以提供足夠的技術數據，確保生產裝置中輔助桶的持續升級，實現高效率、連續性和自動化。 6結束語 應用PLC技術對傳統的油漆稱重配料系統現代化技術改造進行研究,制定了整體控制方案,結合稱重模塊技術、通信技術和模糊控制技術等相關知識,進行理論研究和實際論證,設計了一套以PLC為控制核心,由PC機和PLC組成的上下位機的配料系統。實踐證明,該配料系統運行可靠,精度基本達到要求,適應企業現代化生產管理要求。 | |
