基于PLC和組態(tài)技術(shù)的機采棉加工自動化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

陳金成，紀(jì) 超，李亞雄，李 斌，王 濤，劉 洋（新疆農(nóng)墾科學(xué)院機械裝備研究所，新疆石河子832000）

基于PLC和組態(tài)技術(shù)的機采棉加工自動化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

陳金成，紀(jì) 超，李亞雄，李 斌，王 濤，劉 洋
（新疆農(nóng)墾科學(xué)院機械裝備研究所，新疆石河子832000）

為實現(xiàn)機采棉加工過程的自動化監(jiān)控和自動化控制管理，設(shè)計了基于PLC和組態(tài)技術(shù)的機采棉加工自動化監(jiān)控系統(tǒng)。以影響加工質(zhì)量相關(guān)設(shè)備參數(shù)為采集、控制和監(jiān)控對象，實現(xiàn)了關(guān)鍵參數(shù)的自動化控制。結(jié)果表明：該系統(tǒng)的應(yīng)用能夠較好的監(jiān)控加工過程中的出現(xiàn)的問題，并能實現(xiàn)設(shè)備加工的自動控制，提高了棉花加工質(zhì)量，減少了耗能，實現(xiàn)了企業(yè)的精細(xì)化管理。

PLC；組態(tài)；機采棉；自動化

0　引言

隨著國內(nèi)外紡織企業(yè)形勢的變化，棉紡企業(yè)對原棉質(zhì)量的要求越來越高，棉花市場形勢日趨嚴(yán)峻，給新疆支柱產(chǎn)業(yè)棉花種植、加工帶來新的挑戰(zhàn)。棉花加工企業(yè)依然采用傳統(tǒng)的管理及加工方式已很難滿足市場需求，因此，新技術(shù)的應(yīng)用是改變現(xiàn)狀，對接市場，實現(xiàn)效益最大化的有效途徑。中國的棉花加工技術(shù)較十年前雖然有很大程度的提升［1～2］，生產(chǎn)工藝過程基本實現(xiàn)了自動化，但提升質(zhì)量的智能化新技術(shù)還十分落后，因此造成了管理上的粗放，表現(xiàn)在：棉花物理性狀不同、含水、含雜不同卻采取相同的加工工藝及單一設(shè)備參數(shù)加工，加工過程中皮棉質(zhì)量不可控，人工控制滯后，加工的皮棉只能在加工后再進(jìn)行檢驗，效益較差；有經(jīng)驗的技術(shù)人員逐年減少，梯隊建設(shè)跟不上，缺乏對生產(chǎn)線有效的技術(shù)指導(dǎo)；設(shè)備故障較多，運行效率偏低，零部件損壞較多，維修成本較高；工人勞動強度大，用工量多；火情時有發(fā)生，隱患較大；大馬拉小車，能耗高，噸皮棉耗電不小于220kW·h；安全保障能力較弱，存在安全隱患；決策過程信息來源較少，缺少數(shù)據(jù)分析，不能科學(xué)化管理［3～6］。為了滿足現(xiàn)代化的管理要求和精細(xì)的管理方式，本文基于PLC和組態(tài)技術(shù)設(shè)計了機采棉加工自動化監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程全方位自動化控制，滿足了棉花加工企業(yè)提升棉花質(zhì)量、降低成本、管理科學(xué)化、增加效益的迫切需求。

1　系統(tǒng)分析

我們以新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團農(nóng)八師149團棉花加工工藝和設(shè)備為研究對象，分析了籽棉清理、軋花和皮棉清理等工藝、設(shè)備參數(shù)、工作原理及過程。其棉加工線系統(tǒng)流程如下：

自動棉模開松機→通大氣閥→重雜物清理機→籽棉卸料器→異性雜質(zhì)清理機或自動喂料控制器→一級烘干塔→籽棉清鈴機→回收式籽棉清理機→二級烘干塔→傾斜式籽棉清理機→回收式籽棉清理機→配棉絞龍→軋花機→氣流皮清機→鋸齒皮清機（兩級）→集棉機→皮棉加濕器（預(yù)留）→皮棉打包機。

棉花加工自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從管理層面上設(shè)計為3層，從上至下依次為：管理層、監(jiān)控層和現(xiàn)場層（從技術(shù)層面分為上位機和下位機）。由于各設(shè)備在車間中布局較為分散，且棉花加工車間工作環(huán)境惡劣，低溫、塵土、電磁干擾等都對系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生較大的干擾，因此各層之間采用現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)相結(jié)合的組網(wǎng)技術(shù)。為保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和通訊可靠性，系統(tǒng)中除了PLC與傳感器之間使用現(xiàn)場總線連接之外，上位機、在線檢測系統(tǒng)和PLC之間均使用可靠性更好的以太網(wǎng)連接。智能化系統(tǒng)安裝后與原生產(chǎn)線成為一個軟件、硬件相結(jié)合的有機整體。其系統(tǒng)流程如圖1。

圖1　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2　系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分析

在生產(chǎn)過程中為了防止設(shè)備在運行過程中出現(xiàn)空轉(zhuǎn)、飛車、超負(fù)荷等不良現(xiàn)象，需對設(shè)備轉(zhuǎn)動部分進(jìn)行實時在線監(jiān)控，采集并分析轉(zhuǎn)速信息，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后獲得控制決策方案，通過在線反饋調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速來維持常態(tài)運轉(zhuǎn)，若發(fā)生設(shè)備運轉(zhuǎn)故障將報警停車或進(jìn)行人工輔助處理。軸承的溫升是影響軸承使用壽命的主要因素，在設(shè)備運轉(zhuǎn)過程中可以通過監(jiān)測軸承溫升的變化了解設(shè)備運行狀態(tài)。

棉花加工處理廣義上包括棉花的收購、儲運、加工等全過程，收購的籽棉和加工后的棉花都是易燃物質(zhì)，其纖維細(xì)小蓬松，與空氣接觸面大，一旦遇到微小的火星便能迅速燃燒，并蔓延擴大。除此之外，在棉花的軋制過程中產(chǎn)生的棉粉塵還有引發(fā)粉塵爆炸的危險。所以，在加工過程中進(jìn)行火星檢測是非常必要的。安全問題是棉花加工過程中需要首要注意的問題，也包括一系列對人身安全、設(shè)備運行和產(chǎn)品質(zhì)量等造成直接或潛在影響的因素。具體來說，棉花加工過程中的安全問題主要有火災(zāi)、工作人員誤入禁區(qū)和非規(guī)范操作引起的危險狀況。

系統(tǒng)應(yīng)用火星探測器、視頻監(jiān)控、接近開關(guān)等傳感器和PLC控制等設(shè)備進(jìn)行火情監(jiān)控、禁區(qū)報警和緊急停車等自動監(jiān)控技術(shù)，實時監(jiān)控各個站點情況，做到防患于未然。

3　系統(tǒng)參數(shù)測定的方法

3.1轉(zhuǎn)速和溫度測定

轉(zhuǎn)速的待測對象包括傾斜式籽清機、提凈式籽清機、回收式籽清機、軋花機、皮清機、外吸分離器等設(shè)備的工作轉(zhuǎn)軸。將測速傳感器安裝于轉(zhuǎn)動機構(gòu)末端附近，同時在轉(zhuǎn)動機構(gòu)末端焊接一塊凸起的金屬，每轉(zhuǎn)動一圈接近開關(guān)將會產(chǎn)生一次脈沖信號，通過信號線傳輸?shù)娇刂破鳎≒LC）進(jìn)行轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)進(jìn)行分析顯示。

其中以歐姆龍CP系列PLC作為主控制單元，控制臺可以通過啟動和停止開關(guān)控制各設(shè)備狀態(tài)。接近開關(guān)產(chǎn)生的脈沖信號傳送到PLC輸入0通道02等位端子進(jìn)行高速脈沖接受，同時通過內(nèi)部轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速數(shù)字值，并經(jīng)通信接口RS-422A/485傳輸?shù)焦た貦C進(jìn)行顯示分析。顯示處理軟件可以生成轉(zhuǎn)速歷史曲線圖和生產(chǎn)報表?？刂茊卧筛鶕?jù)傳感器測定的速度通過RS-232控制變頻器實現(xiàn)正常電機的調(diào)速，若設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重故障可自動緊急停車，控制單元通過輸出100通道的02位驅(qū)動繼電器使報警裝置工作，提示工作人員處理故障。

通過將熱電偶傳感器安插在軸承座上進(jìn)行軸承溫度的檢測。熱電偶是雙金屬材料，即兩種不同的金屬，在溫度變化過程中，兩個不同金屬絲的兩端將產(chǎn)生電勢差，由于PLC控制器只能輸入0～5 V、1～5V、0～10 V、-10～+10 V、0～20 mA、4～20mA，所以需要在輸出段接入溫度變送器轉(zhuǎn)換成PLC所能接收的電流或電壓范圍，并發(fā)送至PLC模擬量輸入端。轉(zhuǎn)速和溫度接線如圖2。

圖2　轉(zhuǎn)速與溫度示意

3.2火星探測與智能監(jiān)測

由于火星檢測位置相對較少，同時為了盡可能減少火星檢測的反應(yīng)時間，采用點對點方式接入歐姆龍PLC CJ2M的擴展模塊CJ12-ID211的各接線端子。一旦發(fā)生火情，PLC控制程序發(fā)出相應(yīng)指令使相關(guān)設(shè)備進(jìn)行動作，防患于未然。

棉花智能分析裝置主要由采樣板、采樣驅(qū)動、濕度傳感器和圖像傳感器組成，其結(jié)構(gòu)如圖3。待檢測的參數(shù)包括棉花的黃度、反射率、回潮率等。棉花在輸棉管道中依靠風(fēng)力輸送，采樣驅(qū)動器控制采樣板旋轉(zhuǎn)90°，并以一定壓力將棉花壓實在傳感器一側(cè)，此時濕度傳感器測量棉花的回潮率信息，圖像傳感器通過圖像處理技術(shù)獲取棉花含雜情況等參數(shù)，采樣完畢后，采樣板反轉(zhuǎn)回到初始位置。采樣板以一定頻率打開、關(guān)閉，實現(xiàn)了棉花回潮率和含雜率參數(shù)的自動采樣。

圖3　籽棉品質(zhì)檢測裝置

3.3變頻器控制

在整個機采棉加工過程中，為了減少能耗、便于控制，在每臺電機安裝變頻器進(jìn)行控制和監(jiān)測。通過軟件提取變頻器的電流、電壓、頻率等參數(shù)值間接獲取設(shè)備的工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集的主控制單元及其變頻器控制監(jiān)測如圖4，數(shù)據(jù)的采集通過RS-485總線的形式將多個變頻器接入PLC控制器中。

圖4　變頻器控制監(jiān)測

4　軟件的設(shè)計

圖5　PLC控制系統(tǒng)程序流程圖

本系統(tǒng)堅持易于開發(fā)和維護、穩(wěn)定性和擴展性好的原則，對于下位機的開發(fā)采用了歐姆龍PLC編程軟件CX-One，這是一種綜合性軟件包，為歐姆龍PLC編程軟件集成了支持軟件，可對包括網(wǎng)絡(luò)、可編程終端、伺服系統(tǒng)、變頻器、電子溫度控制器進(jìn)行設(shè)置，便于軟件的開發(fā)和調(diào)試。上位機軟件的開發(fā)采用國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的組態(tài)軟件—組態(tài)王，組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)，它以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)，功能強大，運行穩(wěn)定且使用方便，提供了豐富的、簡捷易用的配置界面，提供了大量的圖形元素和圖庫精靈，同時也為用戶創(chuàng)建圖庫精靈提供了簡單易用的接口，從而降低了開發(fā)難度、提高了開發(fā)效率。

圖6　設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控界面

PLC系統(tǒng)軟件主要根據(jù)上述各設(shè)備的控制和功能參數(shù)的監(jiān)測進(jìn)行編程以實現(xiàn)機采棉加工過程中的實時監(jiān)控。軟件設(shè)計時，主要采用梯形圖和功能塊的編程方法，并按照加工過程功能順序和優(yōu)先級進(jìn)行控制。通過PLC的編程采集設(shè)備的溫度、濕度、火情、轉(zhuǎn)速、電流、頻率等參數(shù)，并通過工業(yè)以太網(wǎng)傳送到上位機進(jìn)行監(jiān)控處理，還可根據(jù)采集的參數(shù)值進(jìn)行分析判斷發(fā)出相應(yīng)指令進(jìn)行設(shè)備控制。PLC程序流程圖如圖5。

上位機組態(tài)王的設(shè)計主要是與下位機PLC進(jìn)行通信，并將PLC采集的信號實時顯示到軟件界面上，便于工作人的觀察和判斷，同時可以根據(jù)傳入的數(shù)據(jù)分析判斷是否向下位機發(fā)送指令進(jìn)行控制。通過上位機的可視化界面可以人工操作部分設(shè)備的運行，如調(diào)節(jié)各電機的頻率或緊急停止（啟動）設(shè)備。圖6所示為對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視界面。

5　結(jié)論

利用PLC控制技術(shù)和組態(tài)王上位機的組態(tài)技術(shù)，對機采棉加工過程進(jìn)行了實時數(shù)據(jù)信息的采集、控制和監(jiān)控的設(shè)計。實現(xiàn)了加工過程中的全程動態(tài)監(jiān)控，降低了人員管理成本，減少了棉花損傷和損耗，提高了棉花的加工質(zhì)量，實現(xiàn)了企業(yè)的精細(xì)化管理。

［1］郭斌杰.清花刺釘輥筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.中國棉花加工，2010 （2）：8～11.

［2］郭倩如.鋸齒皮棉清理機排雜刀的調(diào)整［J］.中國棉花加工，2007（3）：11～12.

［3］董全成，馮顯英.基于自適應(yīng)模糊免疫PID的軋花自動控制系統(tǒng)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29（23）：30～37．

［4］胡燦，吳明清，陳曉川.基于PLC技術(shù)的軋花自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究［J］.農(nóng)機化研究，2015（5）：167～172.

［5］李勇.皮棉質(zhì)量評價模型與棉機變頻調(diào)速系統(tǒng)的建立［D］.北京：清華大學(xué)，碩士學(xué)位論文，2003：1～30.

［6］李孝華.棉花加工對棉纖維原生品質(zhì)影響分析［J］.中國棉花加工，2013（4）：27～28.

The Automatic System of Cotton Processing Based on PLC and Configuration Technology

CHEN Jin-cheng，JI Chao，LI Ya-xiong，LI Bin，WANG Tao，LIU Yang
（Mechanical Equipment Research Institute，XinJiang Academy of Agricultural And Reclamation Science，Shihezi，832000，China）

For the sake of realizing the automatic supervisory control and management of machine-harvested cotton processing，the automatic monitoring system of cotton processing is designed based on PLC and configuration technology.The relative associated equipment parameters of machining quality acquisition，control and monitoring as objects to realize automate the key parameter control.The results showed that the application of the system to better monitor the problems in the process of machining，realize automatic-control machine，improve the quality of the cotton processing，reducing the energy consumptionand achieve precise management leve.

Programmable logic controller；Configuration；Machine-harvested cotton；Automation

1007-7782（2016）03-0015-04

10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2016.03.006

TS112.7

A

2016-05-11

國家科技支撐項目，機采棉原棉品質(zhì)控制技術(shù)研究與示范（2014BAD09B02）