某工廠粉料輸送控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

楊勤林　謝廣興　姚晶宏

摘 要

針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)粉料輸送中存在的人力勞動(dòng)強(qiáng)度較大、粉塵現(xiàn)象嚴(yán)重以及可控性較差等問題，研究并設(shè)計(jì)了一套以PLC為核心的粉料輸送控制系統(tǒng)，從而大大減少了人工操作，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了車間的粉塵，提高了系統(tǒng)的可靠性以及可控性。

【關(guān)鍵詞】粉料輸送控制系統(tǒng) PLC 設(shè)計(jì)

1 引言

在傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)中，當(dāng)生產(chǎn)原料中有粉料時(shí)，往往依賴人力進(jìn)行粉料的輸送、投入等操作，一是增大了工人的勞動(dòng)負(fù)荷，二是降低了粉料攪拌的均勻性以及投入量的準(zhǔn)確性，三是造成了生產(chǎn)車間的粉塵現(xiàn)象，對(duì)工人的健康造成較大的傷害。針對(duì)這些問題，本文研究設(shè)計(jì)了一套以PLC為核心的粉料輸送控制系統(tǒng)，不僅大大減少了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，更降低了車間的粉塵，同時(shí)提高了系統(tǒng)的可靠性，提升了產(chǎn)品的質(zhì)量。

2 粉料輸送控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

根據(jù)工廠生產(chǎn)需要，粉料輸送控制系統(tǒng)需要先將原料進(jìn)行充分的攪拌，待原料攪拌均勻后，對(duì)其進(jìn)行稱重，而后將給定量的原料自動(dòng)輸送至相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，其中整個(gè)粉料輸送控制系統(tǒng)的流程圖如圖1所示。

本系統(tǒng)是以PLC為核心的自動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)攪拌時(shí)間、加工時(shí)間、原料重量等信息進(jìn)行采集，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的時(shí)間與重量值，控制執(zhí)行模塊對(duì)攪拌設(shè)備、稱重設(shè)備或輸送設(shè)備進(jìn)行控制。工作人員通過上位機(jī)即可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，并通過對(duì)上位機(jī)的操作和參數(shù)修改即可完成對(duì)系統(tǒng)的調(diào)整控制，另外系統(tǒng)通過以太網(wǎng)完成各硬件部分之間的通訊。具體的粉料輸送控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

3 粉料輸送系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制模塊的設(shè)計(jì)

由于PLC使用方便，性價(jià)比較高，編程快捷，功能較強(qiáng)，適應(yīng)性較強(qiáng)，并且有著較高的可靠性及較強(qiáng)的抗干擾能力，因此選用PLC作為粉料輸送控制系統(tǒng)的核心，筆者通過分析和比較，選用的PLC為美國Rockwell公司所生產(chǎn)的型號(hào)為Control Logix 5000的PLC。在設(shè)計(jì)PLC控制模塊時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際生產(chǎn)需要，選擇I/O點(diǎn)數(shù)滿足要求的PLC，并對(duì)其進(jìn)行合理的分配，擴(kuò)展通信、模擬量控制及數(shù)字量控制等功能。

在對(duì)粉料原料進(jìn)行稱重時(shí)，傳感器獲得的數(shù)據(jù)信息是模擬量信號(hào)，需要在稱重設(shè)備與PLC之間增加一個(gè)模擬量數(shù)字量轉(zhuǎn)換裝置，即A/D轉(zhuǎn)換器，從而將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供PLC處理。

在利用變頻器對(duì)粉料輸送設(shè)備的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，PLC輸出的是數(shù)字信號(hào)，因此需要在PLC與輸送設(shè)備之間增設(shè)數(shù)字量模擬量轉(zhuǎn)換裝置即D/A轉(zhuǎn)換器，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)粉料輸送速度的快慢調(diào)節(jié)。

3.2 上位機(jī)的設(shè)計(jì)

由于工業(yè)生產(chǎn)的需要，粉料輸送控制系統(tǒng)需要有較高的交互性，從而使得系統(tǒng)具有較高的可控性。粉料輸送控制系統(tǒng)利用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)信號(hào)的綜合和顯示，并采用Wondare公司的Intouch軟件，為工作人員提供了可視化工具，使得其可以便捷地通過界面操作完成對(duì)系統(tǒng)相關(guān)的操作及參數(shù)的修改。與其他人機(jī)界面相比較，Intouch有著較高的開放性，具備較強(qiáng)的適應(yīng)能力，還具有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)功能，使用戶可以較為輕松地完成網(wǎng)絡(luò)通信功能，另外Intouch還具有數(shù)據(jù)庫功能，能夠與其他數(shù)據(jù)庫十分便捷地實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，這也就大大提高了粉料輸送控制系統(tǒng)的可控性。

3.3 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)

在粉料原料進(jìn)行稱重和輸送時(shí)，需要對(duì)粉料的重量及輸送速度進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，既要避免重量超重，速度過快導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備過負(fù)荷，又要避免重量不足，速度過慢導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備欠負(fù)荷，另外在對(duì)粉料原料進(jìn)行攪拌時(shí)，也要保證足夠的攪拌時(shí)間，避免攪拌時(shí)間不足導(dǎo)致的原料不均勻，避免這些情況可能對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成的影響，也是粉料輸送控制系統(tǒng)的既定要求。

粉料輸送控制系統(tǒng)在稱重設(shè)備上裝有重量傳感器，實(shí)時(shí)將粉料原料的重量信息反饋至PLC控制模塊，另外在輸送設(shè)備上也裝有速度傳感器，對(duì)輸送設(shè)備的輸送速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，此外系統(tǒng)還加入了計(jì)時(shí)器，以對(duì)時(shí)間進(jìn)行精準(zhǔn)的控制。粉料輸送控制系統(tǒng)通過精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)粉料輸送的精準(zhǔn)控制，大大提高了生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。

3.4 執(zhí)行模塊的設(shè)計(jì)

執(zhí)行模塊是粉料輸送控制系統(tǒng)中的重要模塊，精準(zhǔn)的控制離不開執(zhí)行模塊快速的響應(yīng)能力，因此在對(duì)執(zhí)行模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，較好的響應(yīng)速度是重要的影響因素。

3.4.1 攪拌設(shè)備

系統(tǒng)選用攪拌能力較強(qiáng)的攪拌設(shè)備，并受PLC控制模塊的控制，保證充足的攪拌時(shí)間，保證粉料原料得到充分的攪拌。另外攪拌設(shè)備還應(yīng)具有較高的響應(yīng)能力，當(dāng)PLC控制模塊發(fā)出開始攪拌命令后，立即開始攪拌，而當(dāng)其發(fā)出停止攪拌命令后，立即停止攪拌，這樣可以大大減少信號(hào)延遲以及啟動(dòng)、停機(jī)延遲帶來的誤差，同時(shí)當(dāng)緊急停機(jī)時(shí)，能夠大大提高系統(tǒng)的安全性。

3.4.2 稱重設(shè)備

為了保證精準(zhǔn)的重量測(cè)量，粉料輸送控制系統(tǒng)采用了美國梅特勒品牌的稱重設(shè)備，具有絕佳的準(zhǔn)確性、快速性及便捷性，從而大大提高了原料重量控制的準(zhǔn)確性，提升了系統(tǒng)的響應(yīng)能力。

3.4.3輸送設(shè)備

粉料輸送控制系統(tǒng)中選用了瑞士進(jìn)口的Gericke公司的粉料輸送系統(tǒng)，作為一家在粉體處理領(lǐng)域擁有超過百年歷史的企業(yè)，其在粉體處理行業(yè)中處于國際領(lǐng)先地位。Gericke粉料輸送系統(tǒng)有著優(yōu)良的粉料輸送性能，能夠自動(dòng)識(shí)別排除外界干擾，保證輸送量的穩(wěn)定性，同時(shí)具有較快的響應(yīng)速度，大大提高了整個(gè)粉料輸送控制系統(tǒng)的可靠性。

3.5 通訊模塊的設(shè)計(jì)

通訊模塊作為連接粉料輸送系統(tǒng)各個(gè)模塊的通道，其傳輸速度和可靠性對(duì)系統(tǒng)的安全性及響應(yīng)能力有著重要的影響。由于以太網(wǎng)是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)中最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，足以滿足系統(tǒng)對(duì)通訊的要求，因此本系統(tǒng)選擇以太網(wǎng)作為系統(tǒng)的通訊方式，通過以太網(wǎng)，將系統(tǒng)中的各模塊連接起來，從而實(shí)現(xiàn)了各模塊間的通訊與數(shù)據(jù)交互，保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)行。endprint

4 粉料輸送系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)的選擇

除了硬件設(shè)計(jì)外，軟件的設(shè)計(jì)是否合理，也直接影響到粉料輸送系統(tǒng)能否按照預(yù)想正常工作，本系統(tǒng)中的PLC部分統(tǒng)一采用美國Rockwell Control Logix 5000進(jìn)行編寫。由于羅克韋爾的RSLogix5000是模塊化的，用戶可以十分便捷有效地進(jìn)行軟件的編寫，并且還提供專用于順序控制、運(yùn)動(dòng)控制、過程控制以及傳動(dòng)控制的指令集，大大提高了生產(chǎn)效率。另外Rockwell Control Logix 5000與以太網(wǎng)有著較好的適應(yīng)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理與傳輸。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

粉料輸送控制系統(tǒng)中利用美國Rockwell Control Logix 5000平臺(tái)，遵循模塊化的原則進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)編寫。為了增強(qiáng)程序的可讀性及可擴(kuò)展性，便于及時(shí)對(duì)程序中的問題進(jìn)行查找和修改，將系統(tǒng)程序分為四個(gè)子程序，分別為順序啟動(dòng)子程序、順序停機(jī)子程序、修改調(diào)整子程序以及告警子程序。

4.2.1順序啟動(dòng)子程序

粉料輸送控制系統(tǒng)的啟動(dòng)需要遵循一定的順序，切忌違背順序啟動(dòng)設(shè)備，以避免對(duì)設(shè)備等的損壞。在順序啟動(dòng)子程序中，采用順序程序，以前一個(gè)設(shè)備的運(yùn)行信號(hào)作為后一個(gè)設(shè)備的啟動(dòng)信號(hào)，并留有延時(shí)，逐個(gè)設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)，避免違背啟動(dòng)順序造成的損壞。

4.2.2 順序停機(jī)子程序

當(dāng)粉料輸送控制系統(tǒng)啟動(dòng)后，在正常情況下需要停機(jī)時(shí)，同啟動(dòng)過程一樣，也需要遵循一定的順序，順著來料的方向逐個(gè)設(shè)備進(jìn)行停機(jī)，使正在輸送的粉料原料走完全部設(shè)備，避免原料在設(shè)備中的堆積與阻塞。

4.2.3修改調(diào)整子程序

在粉料輸送系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，有時(shí)需要對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行修改，通過修改調(diào)整子程序，能夠?qū)崿F(xiàn)不停機(jī)下參數(shù)的修改。將參數(shù)修改后，將根據(jù)實(shí)際情況，精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)參數(shù)的調(diào)整與修改。

4.2.4告警子程序

在粉料輸送系統(tǒng)正常運(yùn)行中，如果因?yàn)橥饨鐢_動(dòng)或設(shè)備故障等因素造成系統(tǒng)無法正常運(yùn)行時(shí)，通過告警子程序，當(dāng)發(fā)生輕微擾動(dòng)時(shí)，發(fā)出警告，使工作人員盡快發(fā)現(xiàn)并解決；當(dāng)發(fā)生故障或嚴(yán)重?cái)_動(dòng)時(shí)，緊急停機(jī)，避免造成更大的損壞。

5 總結(jié)

本文研究設(shè)計(jì)的粉料輸送控制系統(tǒng)能夠有效解決工業(yè)生產(chǎn)粉料輸送中存在的問題，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了投料所致的車間粉塵，更提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性，降低了維護(hù)成本，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，大大提高了工廠的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]李成群等.PLC在礦山破碎給料輸送控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].礦山機(jī)械，2012，3（40）：52-56.

[2]李江燕.牙膏生產(chǎn)粉料輸送系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].牙膏工業(yè)，2008，2（3）；46-47.

[3]高寶軍.拌合系統(tǒng)粉料輸送優(yōu)化對(duì)比[J].科技與企業(yè)，2013，23（10）：329-330.

作者單位

東莞市力源機(jī)電工程有限公司 廣東省東莞市 523000endprint