基于S7-1500的石灰石失重秤控制系統(tǒng)

陳 適，袁偉杰，謝峻毅，侯 濤，吳三華

（1.銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司 金冠銅業(yè)分公司，安徽銅陵244100）（2.江西瑞林電氣自動(dòng)化有限公司，江西南昌330038）

失重秤(loss-in-weigh)是20世紀(jì)80年代中期開始應(yīng)用于各流程工業(yè)領(lǐng)域的一種連續(xù)稱重計(jì)量設(shè)備。它結(jié)合了動(dòng)態(tài)稱重和靜態(tài)稱重不同的優(yōu)點(diǎn)，逐步替代皮帶秤、螺旋秤等連續(xù)稱重設(shè)備，被應(yīng)用到越來(lái)越多的工業(yè)領(lǐng)域中。然而業(yè)內(nèi)流量計(jì)算大多是基于單片機(jī)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，這給后期改造和操作帶來(lái)諸多不便。

閃速吹煉過(guò)程中，會(huì)往吹煉爐中添加石灰石作為熔劑，生成鐵酸鈣形成渣層。某冶煉廠為實(shí)現(xiàn)對(duì)石灰石的連續(xù)精確計(jì)量，采用失重秤進(jìn)行計(jì)量控制。本文擬介紹該廠基于西門子S7-1500 PLC研發(fā)的石灰石失重秤控制系統(tǒng)。

1 失重秤工作原理

1.1 失重秤的組成

失重秤機(jī)械部分主要由進(jìn)料閥、進(jìn)料密封閥、排氣閥、進(jìn)料流化閥、呼吸閥、失重倉(cāng)、攪拌器、出料流化閥輸送螺桿等組成；控制部分主要由稱重傳感器、變頻器、PLC及觸摸屏等組成。失重秤工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程

1.2 失重秤工作原理

失重秤的配料過(guò)程分為進(jìn)料和失重兩個(gè)階段。失重秤主程序邏輯見圖2。

圖2 主程序邏輯

由圖2可知，程序啟動(dòng)后，首先進(jìn)入進(jìn)料階段；關(guān)閉進(jìn)料密封閥，開啟進(jìn)料閥，排氣閥開始進(jìn)料，由稱重傳感器進(jìn)行測(cè)量，待重量達(dá)到上限值WH時(shí)，停止進(jìn)料，關(guān)閉進(jìn)料閥、排氣閥，開啟進(jìn)料密封閥，程序進(jìn)入失重階段。失重階段開啟呼吸閥，啟動(dòng)輸送螺桿并給予初始速度，此時(shí)，控制器對(duì)失重倉(cāng)物料重量進(jìn)行檢測(cè)、采樣，當(dāng)失重倉(cāng)物料重量達(dá)到配料設(shè)定的下限值WL時(shí)，程序進(jìn)入進(jìn)料階段，重新向失重倉(cāng)進(jìn)料。但第二次進(jìn)料階段只關(guān)閉呼吸閥，輸送螺桿鎖定轉(zhuǎn)速，進(jìn)行容積式出料。失重倉(cāng)重量變化見圖3。

圖3 失重倉(cāng)重量變化

2 西門子PLC 1500系列性能

新型的西門子S7-1500控制器除了包含多種創(chuàng)新技術(shù)之外，還設(shè)定了新標(biāo)準(zhǔn)，能最大限度地提高生產(chǎn)效率，無(wú)論是小型設(shè)備還是對(duì)速度和準(zhǔn)確性要求較高的復(fù)雜設(shè)備裝置都一一適用。若將西門子S7-1500無(wú)縫集成到博途軟件中，能極大地提高工程組態(tài)的效率。西門子S7-1500系列的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：1）西門子S7-1500的信號(hào)處理速度更快，極大縮短了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，進(jìn)而提高了生產(chǎn)效率。2）新型的背板總線技術(shù)采用高波特率和高效傳輸協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的快速處理。3）西門子S7-1500有3個(gè)PROFINET接口。其中，2個(gè)端口具有相同的IP地址，適用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信；第3個(gè)端口具有獨(dú)立的IP地址，可集成到公司網(wǎng)絡(luò)中。通過(guò)PROFINET IRT可定義響應(yīng)時(shí)間并確保高度精準(zhǔn)的設(shè)備性能。

總之，西門子S7-1500作為西門子目前的高端PLC系列，擁有多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)和優(yōu)異的數(shù)據(jù)處理性能，配合高度集成的博途軟件可以快速上手，適合各種工業(yè)場(chǎng)合。下文即對(duì)S7-1500 PLC的失重秤控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹。

3 失重秤控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 稱重變送器的選擇

稱重變送器也叫重量變送器，是一種將物理量變換成電信號(hào)，將毫伏信號(hào)輸出的傳感器經(jīng)隔離放大轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)的變送器。在工業(yè)稱重過(guò)程中，其廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、信號(hào)傳輸轉(zhuǎn)換和集散稱重控制系統(tǒng)和配料系統(tǒng)。

經(jīng)過(guò)多次選型，最終選擇了梅特利—托利多的新款高集成度的稱重變送器ACT350。該變送器具有高頻率采集、免標(biāo)定、高精度的特點(diǎn)，支持多種通信協(xié)議，特別適合快速灌裝和分揀等場(chǎng)合。其優(yōu)點(diǎn)主要包括：1）ACT350變送器具備全精度800 Hz PLC更新速率。2）支持PROFIBUS DP、PROFINET IO、EtherNet IP通信。3）支持CalFree免標(biāo)定功能。4）計(jì)量認(rèn)證達(dá)到CPA 6 000 d、OIML 6 000 e、NTEP 10 000 d。5）支持多品牌的模擬量稱重傳感器。

3.2 速度控制

稱重料斗內(nèi)物料的重量通過(guò)稱重傳感器轉(zhuǎn)換成0～10 mV電壓電信號(hào)輸送給稱量?jī)x表。稱量?jī)x表將當(dāng)前經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理的重量信號(hào)通過(guò)PROFINET通信傳輸給PLC。PLC程序計(jì)算后將轉(zhuǎn)速設(shè)定值輸出給螺旋變頻器調(diào)節(jié)螺旋轉(zhuǎn)速。

失重秤的流量為單位時(shí)間內(nèi)重量的損失值[2]，理論上表示為：

式中：Vt為失重秤的流量；dw為重量差值；dt為測(cè)量周期時(shí)間。

失重秤控制器Vt與預(yù)設(shè)的給料流量SP進(jìn)行比較，運(yùn)用PID調(diào)節(jié)對(duì)出料裝置進(jìn)行控制，使實(shí)際給料速率準(zhǔn)確地跟蹤設(shè)定值。當(dāng)進(jìn)料閘門開啟向稱重斗內(nèi)喂料時(shí)，控制信號(hào)鎖定給料速率，進(jìn)行容積式排料。

3.3 PID多段參數(shù)控制

失重控制系統(tǒng)采用PID調(diào)節(jié)，為應(yīng)對(duì)多種工況和不同的投料階段對(duì)PID進(jìn)行多段控制，不同的投料階段采用不同的PID參數(shù)配置，使投料量盡可能地穩(wěn)定并接近設(shè)定值。

3.4 定速及定量控制

投料有定速和定量?jī)煞N投料模式，默認(rèn)推薦為定量模式，通過(guò)PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定投量；失重系統(tǒng)在入料階段因?yàn)闊o(wú)法計(jì)量失重部分的料量，則采用保持定速功能，維持入料前的轉(zhuǎn)速和投料量反饋值；在入料階段結(jié)束，計(jì)時(shí)達(dá)到設(shè)定時(shí)間后，恢復(fù)投料量計(jì)算。

3.5 模式設(shè)定

該控制系統(tǒng)有兩種工作模式，即正常模式和帶空模式。正常模式適用于正常生產(chǎn)的時(shí)候，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行。而帶空模式適用于螺旋檢修等工況，一鍵就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排空，不需要手動(dòng)控制進(jìn)行排空制造檢修條件。

該控制系統(tǒng)具有兩種控制模式，即遠(yuǎn)程控制和本地HMI控制。通過(guò)Profibus-DP通信，可將S7-1500 PLC數(shù)據(jù)上傳到DCS中控系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)在DCS上對(duì)失重秤系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。兩種控制模式的切換按鈕設(shè)計(jì)在HMI的屏幕上，在HMI上進(jìn)行簡(jiǎn)單操作即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程DCS控制與本地HMI控制的切換，以及相關(guān)參數(shù)設(shè)定。失重秤流程圖畫面及主要參數(shù)控制畫面如圖4所示。

圖4 失重秤流程圖畫面及主要參數(shù)控制畫面

3.6 高精度的失重控制

失重投料系統(tǒng)的穩(wěn)定性是該系統(tǒng)的核心技術(shù)。通過(guò)對(duì)稱重?cái)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理[2]，既要保證輸出信號(hào)的穩(wěn)定還要保證信號(hào)的真實(shí)性。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的觀察對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行了多次優(yōu)化和調(diào)整，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)穩(wěn)定性取得了較好的效果。圖5為失重系統(tǒng)的投料量的趨勢(shì)記錄。從圖中可以看出記錄非常平滑和穩(wěn)定。

圖5 投料量的趨勢(shì)記錄

4 結(jié)語(yǔ)

隨著PLC功能的完善、傳感器技術(shù)和通信技術(shù)的不斷突破，失重秤作為一種先進(jìn)的連續(xù)稱重設(shè)備，其性能得到了進(jìn)一步的提高，應(yīng)用范圍得到了進(jìn)一步的擴(kuò)展。失重秤在散狀物料輸送系統(tǒng)中具有十分廣泛的應(yīng)用前景，本次基于S7-1500對(duì)失重秤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是對(duì)國(guó)內(nèi)該類設(shè)備應(yīng)用實(shí)踐的一次有益補(bǔ)充。該控制系統(tǒng)目前已成功用于某廠閃速冶煉爐的失重秤，其新開發(fā)的程序配合觸摸屏較好地實(shí)現(xiàn)了石灰石失重的穩(wěn)定投料。經(jīng)過(guò)使用過(guò)程中對(duì)程序參數(shù)的優(yōu)化，已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期效果，值得類似項(xiàng)目借鑒。