基于PLC的造粒過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于洋

(煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院 實(shí)訓(xùn)處，煙臺(tái) 265500)

0 引言

包括農(nóng)業(yè)、工業(yè)、陶瓷、建筑材料等在內(nèi)的非金屬礦產(chǎn)涉及范圍較廣且利用廣泛，非金屬礦產(chǎn)顆粒生產(chǎn)過(guò)程作為必不可少的環(huán)節(jié)，顆粒質(zhì)量的優(yōu)劣取決于造粒質(zhì)量，造粒進(jìn)行加工的原料狀態(tài)包括粉粒、融液、水溶液等，實(shí)際操作時(shí)需完成特定形狀顆粒的制造，使其具備環(huán)保、便于計(jì)量等優(yōu)點(diǎn)，從而提高運(yùn)輸效率及成本，為更好的滿足造粒市場(chǎng)需求，造粒機(jī)的電氣控制系統(tǒng)成為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

1 系統(tǒng)原理

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)：在設(shè)計(jì)造粒生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)IPC(工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī))完成基于PLC的分布式控制模式的設(shè)計(jì)，同自動(dòng)化技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)有效融合，使造粒生產(chǎn)過(guò)程的高效穩(wěn)定和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得以有效保證，提高了造粒生產(chǎn)過(guò)程的安全性，提高控制系統(tǒng)的效率、拓展系統(tǒng)功能，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)較高程度的智能化及自動(dòng)化控制過(guò)程。

該系統(tǒng)的操作站采用IPC，控制站采用了PLC，數(shù)據(jù)采集和過(guò)程控制的實(shí)現(xiàn)通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)；上層的任務(wù)通過(guò)IPC負(fù)責(zé)完成，包括監(jiān)控、管理整個(gè)工藝過(guò)程，通過(guò)人機(jī)界面局限性相應(yīng)操作，對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警，根據(jù)實(shí)際需要生成打印報(bào)表等；PLC和IPC分工合作，形成分布式的生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，各模塊相互聯(lián)系又彼此獨(dú)立，共同完成系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和控制功能。該造粒生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)造如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成

按照所實(shí)現(xiàn)的功能不同將系統(tǒng)劃分為監(jiān)控、電機(jī)控制、檢測(cè)、計(jì)量、氣動(dòng)(由干燥機(jī)、儲(chǔ)氣罐、過(guò)濾器、空氣壓縮機(jī)、調(diào)壓閥、控制閥等構(gòu)成)5個(gè)子系統(tǒng)，為提高監(jiān)控效率，監(jiān)控子系統(tǒng)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)兩臺(tái)作為操作員工作站和工程師維修站，分別負(fù)責(zé)記錄設(shè)備日常操作及應(yīng)用于設(shè)備維修檢查，并為操作員工作站提供所需的備份系統(tǒng)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊(PLC與監(jiān)控子系統(tǒng)間)，通過(guò)RJ-45接口PLC以及監(jiān)控子系統(tǒng)分別實(shí)現(xiàn)同交換機(jī)將的有效連接，數(shù)據(jù)通訊過(guò)程的實(shí)現(xiàn)需根據(jù)實(shí)際需要對(duì)不同的通訊地址進(jìn)行設(shè)置，從而保證監(jiān)控子系統(tǒng)同PLC間滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控需求[1]。各子系統(tǒng)的功能在于：電機(jī)控制子系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心采用PLC實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，系統(tǒng)中加熱器循環(huán)泵、磁力泵、去離子水泵、真空泵等各泵由其負(fù)責(zé)帶動(dòng)氣動(dòng)；在造粒生產(chǎn)線上通過(guò)檢測(cè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)各過(guò)程參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)過(guò)程(包括溫度、壓力、液位等)；檢測(cè)流量由計(jì)量子系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成，流量計(jì)會(huì)將輸出的電流信號(hào)(4～20 mA)傳遞給PLC，使用禍輪法原理作為流量計(jì)的主要測(cè)量方法，同時(shí)計(jì)量子系統(tǒng)采用變頻型計(jì)量泵對(duì)計(jì)量泵實(shí)施控制任務(wù)，具體的控制原理為：變頻器輸出信號(hào)在PLC的控制下，能夠根據(jù)所需速度驅(qū)動(dòng)計(jì)量泵電機(jī)的運(yùn)行從而調(diào)節(jié)了沖程頻率，完成對(duì)介質(zhì)流量的調(diào)節(jié)；各反應(yīng)罐啟動(dòng)閥的啟閉通過(guò)氣動(dòng)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成，主要通過(guò)PLC的輸出實(shí)現(xiàn)各氣路的控制過(guò)程，各子系統(tǒng)互相配合實(shí)現(xiàn)相關(guān)工藝動(dòng)作[2]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 氣動(dòng)子系統(tǒng)

在造粒生產(chǎn)線項(xiàng)目中該子系統(tǒng)是關(guān)鍵的部分，具體的壓縮空氣產(chǎn)生過(guò)程如圖2所示。

圖2 壓縮空氣產(chǎn)生過(guò)程

空氣需經(jīng)過(guò)相關(guān)處理后(包括壓縮、干燥、降壓、水油過(guò)濾、調(diào)壓等)才能向各氣動(dòng)閥供給使用，對(duì)氣動(dòng)先導(dǎo)閥進(jìn)行控制時(shí)，通過(guò)PLC 控制系統(tǒng)輸出的控制電信號(hào)實(shí)現(xiàn)，對(duì)氣控閥的控制過(guò)程屬于間接控制，以滿足控制液壓管路通斷的動(dòng)態(tài)變化需求，電氣隔離的實(shí)現(xiàn)則通過(guò)轉(zhuǎn)換電—?dú)庑盘?hào)完成，電—?dú)饪刂圃砭唧w如圖3所示。

圖3 電—?dú)饪刂圃?/p>

對(duì)液體管路的通斷控制能夠滿足防爆要求高的環(huán)境中的控制需求[3]。

2.2 PLC控制氣動(dòng)子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

按照功能的不同可將生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中的造粒生產(chǎn)線氣動(dòng)系統(tǒng)劃分為幾個(gè)主要階段：包括開啟輔機(jī)、準(zhǔn)備藥劑、溶解、計(jì)量、造粒、出料等，以各階段的不同控制對(duì)象、步驟及要求為依據(jù)，對(duì)氣動(dòng)子系統(tǒng)相應(yīng)的PLC控制過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體流程如圖4所示。

圖4 氣動(dòng)子系統(tǒng)PLC控制流程

PLC控制氣動(dòng)子系統(tǒng)的方式包括自動(dòng)控制(為正常工作狀態(tài))及單個(gè)閥體點(diǎn)動(dòng)控制(主要用來(lái)調(diào)試)兩種控制方式，除進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作外，還可根據(jù)實(shí)際需要實(shí)現(xiàn)了在控制室內(nèi)通過(guò)氣動(dòng)子系統(tǒng)進(jìn)行造粒生產(chǎn)線的遠(yuǎn)程控制過(guò)程，完成跳轉(zhuǎn)、暫停、和急停等操作過(guò)程[4]。

2.3 工業(yè)以太網(wǎng)通信的實(shí)現(xiàn)

本文在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)采用的PLC(三菱Q系列)CPU模塊處理性能高，能夠有效滿足復(fù)雜控制系統(tǒng)(中大規(guī)模)應(yīng)用需求，具有程序寄存器容量大的優(yōu)勢(shì)，支持較多的I/O點(diǎn)數(shù)(255點(diǎn)以上)，易于連接編程用外圍設(shè)備，提高了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)模塊間的通信性能，計(jì)算機(jī)采用MX部件(支持所有PLC通信的路徑)實(shí)現(xiàn)同PLC的良好的以太網(wǎng)通信過(guò)程，解決了以太網(wǎng)通信中通信協(xié)議復(fù)雜程度高難以掌握的問(wèn)題，通過(guò)相應(yīng)參數(shù)的簡(jiǎn)單設(shè)置用戶即可完成工業(yè)以太通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建立，實(shí)現(xiàn)對(duì)造粒生產(chǎn)線系統(tǒng)的有效控制。

2.4 PLC同IPC 機(jī)通信的實(shí)現(xiàn)

在自動(dòng)化領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)(BUS)已經(jīng)得到普遍應(yīng)用，作為一種多分支結(jié)構(gòu)的通訊網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)總線能夠確保智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的有效連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在自動(dòng)化控制系統(tǒng)內(nèi)的雙向傳輸過(guò)程，通過(guò)通訊口S7—200中PROFIBUS—DP接口完成同現(xiàn)場(chǎng)總線的直接掛接，在無(wú)需外接通訊模塊的情況下即可完成同IPC間的通訊，確保數(shù)據(jù)在PLC同IPC間完成雙向傳輸，同時(shí)可診斷控制系統(tǒng)故障，進(jìn)行遠(yuǎn)程編程和控制服務(wù)等。上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)同核心控制器PLC間的有效連接，信號(hào)采集器完成信號(hào)收集，PLC和執(zhí)行元件間通過(guò)相互通訊實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行元件的控制[5]。

3 上位機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本文主要采用組態(tài)王軟件完成上位機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)造粒生產(chǎn)線的監(jiān)控過(guò)程，功能主界面如圖5所示。

圖5 造粒生產(chǎn)線主畫面圖

主要由主菜單、參數(shù)設(shè)定、PLC診斷、系統(tǒng)調(diào)試等子模塊構(gòu)成，控制各個(gè)泵和閥的開關(guān)，操作者在IPC操作界面通過(guò)各功能的選擇完成各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定(包括壓力、溫度、流量等)及監(jiān)控過(guò)程，對(duì)于新產(chǎn)品在開發(fā)測(cè)試其工藝流程時(shí)，在單個(gè)閥點(diǎn)動(dòng)模式下操作人員通過(guò)對(duì)各閥的通斷進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)[6]。

4 系統(tǒng)測(cè)試

為檢測(cè)本文所設(shè)計(jì)的基于PLC的造粒生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)用性和穩(wěn)定性，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行實(shí)際操作進(jìn)行各功能模塊的測(cè)試，開啟輔機(jī)后，系統(tǒng)自動(dòng)提醒進(jìn)行藥劑準(zhǔn)備，并于完成后發(fā)出藥劑準(zhǔn)備好信號(hào)，接下來(lái)完成溶解、計(jì)量、造粒過(guò)程，最終執(zhí)行出料操作，發(fā)出出料結(jié)束信號(hào)后，即可進(jìn)行下一波造粒操作，對(duì)于故障能夠及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息，整個(gè)過(guò)程通過(guò)人機(jī)界面即可顯示，極大的簡(jiǎn)化了操作程序，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了監(jiān)控、電機(jī)控制、檢測(cè)、計(jì)量、氣動(dòng)各子系統(tǒng)的功能的有效性，監(jiān)控方式采用計(jì)算機(jī)組態(tài)畫面，人機(jī)界面交互性好，操作者在IPC操作界面通過(guò)各功能的選擇完成各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定(包括壓力、溫度、流量等)及監(jiān)控過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)造粒生產(chǎn)線的自動(dòng)化監(jiān)控及控制過(guò)程，使工作人員的工作量得以顯著降低，提高了生產(chǎn)效率，系統(tǒng)具備操作簡(jiǎn)單、安全可靠且易于維護(hù)的優(yōu)勢(shì)，具備較高的實(shí)用性，為生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)提供參考。

5 總結(jié)

本文主要研究了生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)路徑，設(shè)計(jì)了一種分布式造粒生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于PLC為上下位機(jī)模式的自動(dòng)控制，主要由供料、加工、裝配、輸送和分揀五個(gè)相互獨(dú)立的工作模塊單元構(gòu)成，各工作單元通過(guò)不同的PLC進(jìn)行控制，通過(guò)使用RS485串口各工作單元實(shí)現(xiàn)相互間的連通，上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)同核心控制器PLC間的有效連接，信號(hào)采集器完成信號(hào)收集，PLC和執(zhí)行元件間通過(guò)相互通訊實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行元件的控制，實(shí)現(xiàn)了各模塊相互聯(lián)系又彼此獨(dú)立的目標(biāo)，檢測(cè)結(jié)果表明該系統(tǒng)使造粒生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制過(guò)程得以有效實(shí)現(xiàn)，顯著提高了生產(chǎn)效率。