基于PLC的PID調(diào)節(jié)控制在蛋粉定量自動裝箱機上的應(yīng)用

蔣 洋, 劉 正 浩, 祖 龍 起

(大連工業(yè)大學 信息科學與工程學院, 遼寧 大連 116034)

0 引 言

食品包裝中質(zhì)量是一個很難控制的問題,尤其是要求精確控制被包裝物質(zhì)量更是一項困難的事情。大多數(shù)食品包裝都是在線完成的,譬如蛋粉生產(chǎn)過程中的蛋粉包裝。以往技術(shù)是將包裝箱放在一個地磅秤上,蛋粉經(jīng)蛋粉干燥器中絞龍輸送到干燥器外,由重力作用自由落入包裝箱中,工作人員監(jiān)看地磅秤儀表盤,達到規(guī)定的質(zhì)量后立即移走包裝箱,此種稱重過程會產(chǎn)生蛋粉質(zhì)量誤差。如何實現(xiàn)包裝自動化,實現(xiàn)包裝過程中精確控制食品箱中包裝物質(zhì)量,是自動化領(lǐng)域一直在探索的課題。本文設(shè)計了一種由西門子專用稱重模塊SIWAREX MS、西門子PLC、觸摸屏、上位機等組成的控制系統(tǒng)實現(xiàn)蛋粉定量裝箱。利用西門子專用模擬量稱重模塊測量蛋粉的質(zhì)量,經(jīng)PID調(diào)節(jié)后,將裝箱蛋粉的質(zhì)量誤差降低到最小。

1 蛋粉定量自動包裝工藝簡介

該蛋粉定量自動裝箱機控制系統(tǒng)是蛋粉干燥控制系統(tǒng)的集料裝料部分。蛋粉干燥控制系統(tǒng)工藝流程圖如圖1所示。當稱重模塊向PLC發(fā)出缺料信號時,PLC控制干燥器中的傳送帶,將傳送帶上的蛋粉通過絞龍輸送到干燥器外的稱重料斗中。稱重料斗中蛋粉質(zhì)量達到設(shè)定質(zhì)量時,PLC控制絞龍停止送料,此時送料結(jié)束。PLC控制稱重料斗向位于稱重料斗下方的蛋粉箱裝料,當稱重料斗空時,裝料結(jié)束。稱重料斗底端的擋板關(guān)閉,蛋粉箱由下箱導(dǎo)輥移走,完成蛋粉的定量自動裝箱。

圖1 蛋粉干燥控制系統(tǒng)工藝流程圖

圖2 蛋粉定量裝箱機工藝示意圖

本文主要介紹蛋粉定量自動裝箱控制系統(tǒng),如圖1虛框所示。蛋粉裝箱過程由定量裝箱設(shè)備完成,定量裝箱設(shè)備由上箱導(dǎo)輥、稱重料斗、電磁振動器、下箱導(dǎo)輥四部分組成,如圖2所示。當系統(tǒng)上電后,經(jīng)過蛋粉干燥生產(chǎn)線處理后的蛋粉由輸送絞龍開始向稱重料斗里傳送蛋粉,當料斗中蛋粉的質(zhì)量與計量秤的設(shè)定質(zhì)量一致時,輸送絞龍停止輸送蛋粉,與此同時上箱導(dǎo)輥將空箱傳送到稱重料斗下方,當有箱子到達稱重料斗下方時,光電傳感器發(fā)出一個信號,上箱導(dǎo)輥停止,稱重料斗開始放料,同時電磁振動器開始工作。電磁振動器的作用是使從料斗中落下的蛋粉均勻填滿箱子,不會出現(xiàn)中間蛋粉高四周蛋粉少的現(xiàn)象。當稱重料斗空時,裝滿蛋粉的箱子繼續(xù)被導(dǎo)輥向前傳輸,電磁振動器下降,絞龍重新給稱重料斗輸送蛋粉,下一個箱子將被輸送到稱重料斗下方,新的循環(huán)裝箱過程開始。

2 蛋粉定量自動裝箱機控制系統(tǒng)的構(gòu)成與選型

蛋粉定量自動裝箱機控制系統(tǒng)的工藝要求:可根據(jù)用戶需要自動調(diào)整待裝箱蛋粉的質(zhì)量,蛋粉質(zhì)量誤差在允許值范圍之內(nèi)(大連綠雪蛋粉廠要求誤差不大于2%)。蛋粉裝箱過程實現(xiàn)自動化,無需人工扶箱及監(jiān)測蛋粉質(zhì)量等。上位機組態(tài)要實現(xiàn)蛋粉裝箱工藝流程的監(jiān)視、調(diào)整裝箱蛋粉質(zhì)量、記錄裝箱數(shù)量、運行故障報警及復(fù)位等功能。觸摸屏實現(xiàn)各個工作狀態(tài)的切換操作,在觸摸屏界面實現(xiàn)設(shè)備啟停等基本控制操作。系統(tǒng)控制框圖如圖3所示。

根據(jù)大連綠雪蛋粉廠提出的工藝要求和圖2的蛋粉定量裝箱機工藝流程,作者設(shè)計了一套以西門子PLC224XP為主控制器,利用西門子專用稱重模塊SIWAREX MS和PID調(diào)節(jié)完成蛋粉自動稱重控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)的硬件包括:西門子PLC 224XP、西門子專用稱重模塊、稱重傳感器、上位計算機、觸摸屏等。系統(tǒng)硬件接線圖如圖4所示。將西門子公司的專用稱重模塊用于蛋粉定量裝箱機,構(gòu)成一款非常經(jīng)濟實用又可靠完善的控制系統(tǒng)。

圖3 系統(tǒng)控制框圖

圖4 系統(tǒng)硬件接線圖

2.1 PLC選型

西門子公司的CPU 224XP是PLC家族中較常用的一種。由于該系列PLC具備如下特點:14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點?？蛇B接7個擴展模塊,最大擴展至168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點。16 K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30 kHz高速計數(shù)器,2路獨立的20 kHz高速脈沖輸出,具有PID控制器。2個RS485通訊/編程口。I/O端子排可很容易的整體拆卸。CPU 224XP是具有較強控制能力的控制器?？紤]到本系統(tǒng)需要連接計算機上位機組態(tài)和觸摸屏,所以需要2個RS485通訊/編程口。因本PLC計算速度快、性能穩(wěn)定有利于擴展,又因本系統(tǒng)有PID調(diào)節(jié)控制,所以選用繼電器輸出類型CPU 224XP PLC。

2.2 稱重模塊

本控制系統(tǒng)稱重模塊采用西門子SIWAREX MS專用稱重模塊。SIWAREX MS專用稱重模塊的主要功能是精確測量被測物的實際質(zhì)量值,與設(shè)定質(zhì)量值實時進行比較,當被測物的實際質(zhì)量值與設(shè)定值相一致時,便發(fā)出信號控制裝料動作停止[1]。SIWAREX MS專用稱重模塊由于是集成在PLC中,所以它能夠直接在PLC中處理質(zhì)量值。SIWAREX MS具有兩個串行接口,可以通過RS232端口與一臺PC連接,用于使用SIWAREX MS來設(shè)置秤。CPU 224XP 最大可連接7個SIWAREX MS稱重模塊。稱重模塊與稱重傳感器的連線如圖5所示。

圖5 稱重傳感器與稱重模塊接線圖

Fig.5 Weighing sensor and weighing module wiring diagram

2.3 人機界面

考慮到經(jīng)濟實用性,人機界面采用西門子公司的PT070觸摸屏,在觸摸屏上可以進行上箱導(dǎo)輥和下箱導(dǎo)輥的速度調(diào)節(jié)、改變裝箱蛋粉質(zhì)量設(shè)置、運行監(jiān)視操作和運行參數(shù)記錄。觸摸屏是系統(tǒng)的操作員站,人機對話簡單方便、系統(tǒng)組態(tài)便于修改和擴充,并且觸摸屏具有可以長期穩(wěn)定運行的優(yōu)點。觸摸屏與CPU的通信協(xié)議采用RS485口連接。

3 蛋粉定量自動裝箱機系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計思想

根據(jù)控制要求軟件的總體設(shè)計思想:通過觸摸屏手動設(shè)置蛋粉定量裝箱機的裝箱蛋粉的質(zhì)量,在設(shè)定蛋粉質(zhì)量后,絞龍開始向稱重料斗里送料。送料同時PID控制器開始工作,計算稱重料斗里的實際蛋粉質(zhì)量與設(shè)置值差,控制絞龍是否繼續(xù)加料。當設(shè)置值與稱重料斗中蛋粉的質(zhì)量相等時,上箱導(dǎo)輥開始運行,箱子到達料斗下方,料斗開始放料。綜上所述,蛋粉定量誤差可以達到最小。所設(shè)計的軟件流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

3.2 程序編制

3.2.1 PLC程序編制

3.2.1.1 PID控制

如圖7所示,這里用SM0.0直接調(diào)用了編程軟件自帶的PID子程序,即就是用PID指令向?qū)Ь幊?。上面的指令?PV_I為反饋值,也就是將檢測到的當前質(zhì)量值送入稱重模塊后輸出的模擬電壓值A(chǔ)IW0；Setpoint_R為設(shè)定值[2]。

圖7 PID-INIT子程序調(diào)用

每個PID回路都有兩個輸入變量,給定值SP和過程變量PV。執(zhí)行PID指令前必須把它們轉(zhuǎn)換成標準的浮點型實數(shù)。即先把整數(shù)值轉(zhuǎn)換成浮點型實數(shù)值,再把實數(shù)值進行歸一化處理,使其為0～1的實數(shù)[3]。歸一化的公式為

R1=(R/S+M)

(1)

式中,R1為標準化的實數(shù)值；R為未標準化的實數(shù)值；M為偏置,單極性為0,雙極性為0.5；S為值域大小,為最大允許值減去最小允許值,單極性為32 000,雙極性為64 000[4]。

在本系統(tǒng)中,R=100,設(shè)定質(zhì)量是100 kg；S=32 000,M=0,所以按照歸一化公式R1=100/32 000+0=0.031 25,即Setpoint_R為0.031 25。

如圖8所示,網(wǎng)絡(luò)的程序功能是把PID回路輸出轉(zhuǎn)換成占空比。因PID回路的輸出PID0_Output為0～1的實數(shù)值[5],又因設(shè)置了采樣時間為10 s,所以第一個指令MUL_R中IN2為100.0。ROUND是將實數(shù)轉(zhuǎn)換成雙整數(shù),DI_I是將雙整數(shù)轉(zhuǎn)換成整數(shù)。VW2和VW4分別是采樣周期內(nèi)的加料時間和非加料時間。

圖8 PID輸出轉(zhuǎn)換占空比

如圖9所示,該網(wǎng)絡(luò)的程序是為了在電腦上通過STEP7-Micro/WIN編程軟件顯示當前質(zhì)量和設(shè)定質(zhì)量值而寫的,其實也就是歸一化的逆過程。若無該網(wǎng)絡(luò),則顯示的質(zhì)量值都是歸一化的實數(shù)值,不便于記錄和觀察。

圖9 質(zhì)量設(shè)定值與當前值顯示

3.2.1.2 PID指令參數(shù)設(shè)置

STEP7-Micro/WIN提供了PID Wizard(PID指令向?qū)?,可以幫助用戶方便地生成一個閉環(huán)控制過程的PID算法。此向?qū)Э梢酝瓿山^大多數(shù)PID運算的自動編程,用戶只需在主程序中調(diào)用PID向?qū)傻淖映绦?就可以完成PID控制任務(wù)[6]。

本控制系統(tǒng)在配置PID環(huán)路參數(shù)時,各參數(shù)設(shè)置如下:增益Kc=120,積分時間為3 min,微分時間為1 min,抽樣時間為10 s,PID環(huán)路的設(shè)定點設(shè)置為0～1,一般單極性的值域都是0～32 000。

設(shè)置好以上參數(shù)后,再根據(jù)回路表為PID參數(shù)分配存儲地址。到此,PID參數(shù)設(shè)置結(jié)束。

3.2.2 觸摸屏畫面

觸摸屏畫面采用西門子的PT070[7],包括系統(tǒng)運行主畫面、稱重料斗上料畫面、稱重料斗放料畫面、箱子計數(shù)畫面、報警畫面和系統(tǒng)I/O表畫面。各控制畫面的控制按鈕均帶有各對應(yīng)控制對象的狀態(tài)指示,能夠真實反映各被控對象的運行狀態(tài)。I/O表畫面組態(tài)有各開關(guān)量信號的狀態(tài)指示燈,能夠真實反映開關(guān)量信號的輸入輸出狀態(tài),能夠監(jiān)測生產(chǎn)量,對設(shè)備的運行維護起到十分重要的作用。

3.2.3 上位機組態(tài)畫面

上位機監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控主畫面及相應(yīng)的功能子畫面組成,畫面是用組態(tài)軟件來做的,本系統(tǒng)選用組態(tài)王6.5.3[8]。將服務(wù)器組態(tài)與PLC通訊,在利用組態(tài)王的外網(wǎng)發(fā)布功能,即可實現(xiàn)在局域網(wǎng)里的所有計算機都能夠監(jiān)視連接到局域網(wǎng)中的PLC的工作狀態(tài),不同權(quán)限的服務(wù)器和客戶機可以不同程度的控制PLC的程序運行以及工作情況,實現(xiàn)了遠程監(jiān)控的功能。

4 結(jié)束語

根據(jù)上述的設(shè)計方法,基于PLC的PID調(diào)節(jié)控制蛋粉定量裝箱機已經(jīng)通過調(diào)試,并在大連綠雪蛋粉廠投入運行。根據(jù)該控制系統(tǒng)運行參數(shù)可知,每箱蛋粉的凈重誤差由原來的約2.3 kg降低到約0.8 kg,蛋粉裝箱數(shù)由原來的2箱/min提高到3.5箱/min,增加了蛋粉的質(zhì)量精確度,提高了裝箱效率。運行該蛋粉定量自動裝箱機控制系統(tǒng)前,需要兩名工作人員進行稱重、搬運蛋粉箱的工作,現(xiàn)在僅需一名工作人員將裝好的蛋粉箱推到暫時存貨區(qū),減輕了工作人員的工作強度,節(jié)省了用人成本。該控制系統(tǒng)增加了原蛋粉干燥系統(tǒng)沒有的上位機組態(tài)及觸摸屏功能,使操作方式人性化,使用方便,操作簡單,即使一般工作人員也可以通過上位機組態(tài)監(jiān)視、調(diào)整設(shè)備運行參數(shù),及時地調(diào)整裝箱蛋粉質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)并解決運行中出現(xiàn)的問題。

[1] 張運剛,宋小春,郭武強. 從入門到精通——西門子S7-200 PLC技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京:人民郵電出版社, 2007:385-356.

[2] 曾貴娥,邱麗,朱學峰. PID控制器參數(shù)整定方法的仿真與實驗研究[J]. 石油化工自動化, 2005(4):49-54.

[3] YAMAMOTO T, SHAH S L. Design and experimental evaluation of a multivariable self-tuning PID controller[J]. IEE Proceedings of Control Theory and Applications, 2004, 45(4):645-652.

[4] 張浩風. 梯形圖設(shè)計方法與應(yīng)用舉例[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2008:307-309.

[5] 張揚. S7-200PLC原理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2007:212-215.

[6] 肖寶興. 西門子S7-200PLC的使用經(jīng)驗和技巧[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2008:57-59.

[7] 黃艷麗,黎旭. 設(shè)計與人機界面[M]. 北京:北京理工大學出版社, 2007:312-315.

[8] 嚴盈富. 監(jiān)控組態(tài)軟件與PLC入門[M]. 北京:人民郵電出版社, 2006:189-191.