基于PLC的生產(chǎn)線自動(dòng)配料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖楠

（深圳市長(zhǎng)城樓宇科技有限公司北京分公司，北京，100001）

傳統(tǒng)配料工藝需要消耗大量的人力資源，再現(xiàn)性差、配料質(zhì)量不穩(wěn)定，而且部分配料對(duì)人類健康和環(huán)境都有害，容易導(dǎo)致安全生產(chǎn)事故，此外，人工配料模式下，大多數(shù)的生產(chǎn)信息主要依靠人工記錄，無法實(shí)時(shí)傳輸，不利于生產(chǎn)質(zhì)量控制。一般情況下，自動(dòng)配料控制系統(tǒng)需要根據(jù)配料平臺(tái)上的配方智能給料、稱重、混合，最終得到成品，以滿足配料精度的要求，同時(shí)能通過人機(jī)界面直觀地檢查系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，通過傳感器、PLC主機(jī)接口提供系統(tǒng)預(yù)警，以便在出現(xiàn)問題時(shí)可以及時(shí)糾正，幫助用戶維護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)技術(shù)要求

為滿足生產(chǎn)線配料工藝要求，配料控制系統(tǒng)必須滿足以下技術(shù)要求：(1)系統(tǒng)必須具有良好的擴(kuò)展性和靈活性，以便按照所需的混合比例進(jìn)行配料混合。(2)整個(gè)控制系統(tǒng)應(yīng)提供分布式控制和集中控制功能，以便有效控制整個(gè)生產(chǎn)線配料過程，同時(shí)記錄和打印配料工藝數(shù)據(jù)和操作日志。(3)下位機(jī)PLC、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與上位機(jī)通訊必須穩(wěn)定快速。(4)系統(tǒng)可以在各種工況下正常運(yùn)行，可以在自動(dòng)和手動(dòng)操作之間快速轉(zhuǎn)換。(5)稱量精度控制在1%以內(nèi)，同時(shí)可以對(duì)稱量過程中的誤差進(jìn)行修正。(6)可以記錄來自電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、皮帶等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的錯(cuò)誤信息、報(bào)警信息。(7)方便檢測(cè)系統(tǒng)故障，方便排除故障。(8)控制邏輯科學(xué)、精煉、高效，可以以較低的能耗有效提高配料生產(chǎn)速度。(9)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，可靈活配置不同的操作人員權(quán)限。

1.2 系統(tǒng)控制方案比選

本次設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線配料控制系統(tǒng)由存儲(chǔ)、供應(yīng)、布料、運(yùn)輸、稱重、清理、通信、管理等模塊組成。每個(gè)模塊相互獨(dú)立，同時(shí)又相互補(bǔ)充，形成一個(gè)完整的配料控制系統(tǒng)，其中稱重系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)最為關(guān)鍵?？蛇x的配料控制系統(tǒng)主要有兩種控制方案，兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要結(jié)合具體需求選擇。

1.2.1 擴(kuò)展卡+工控機(jī)

控制系統(tǒng)由帶擴(kuò)展卡的工控機(jī)組成。系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集和命令的發(fā)布由工控機(jī)完成。為了得到模擬值數(shù)據(jù)，被測(cè)模擬信號(hào)經(jīng)傳感器放大后送到A/D轉(zhuǎn)換板，得到的數(shù)字信號(hào)直接送到工控機(jī)。數(shù)字信號(hào)經(jīng)由I/O板控制，由I/O板生成的數(shù)字信號(hào)傳輸至工控機(jī)，由工控機(jī)運(yùn)算分析數(shù)字信號(hào)，最終形成輸出指令。輸出命令通過串行線發(fā)送到 I/O 板，驅(qū)動(dòng)程序由I/O板驅(qū)動(dòng)。該方案所需設(shè)備和控制回路較少，因此，成本較低，但主控室通常無法靠近生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，通信容易受到外界干擾，因此，對(duì)抗干擾技術(shù)要求較高。此外，采用這種控制方式，所有的數(shù)據(jù)采集和控制都由同一臺(tái)工控機(jī)負(fù)責(zé)。如果其無法正常運(yùn)行就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，該方案正在逐步淘汰。

1.2.2 PLC+工控機(jī)

該系統(tǒng)方案包括工控機(jī)、PLC以及必要的控制設(shè)備，如各種傳感器，工控機(jī)發(fā)送控制指令給PLC，由PLC進(jìn)行運(yùn)算分析。傳感器采集信號(hào)并發(fā)送給控制裝置，由后者轉(zhuǎn)換信號(hào)，最后發(fā)送給PLC，由PLC生成控制指令，該方案優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，穩(wěn)定性好，確實(shí)是成本較高。

基于以上分析，本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用第二種方案，基于分散控制、集中管理的思路。數(shù)據(jù)采集由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備完成，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制信號(hào)，通過現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)傳輸給PLC，整個(gè)系統(tǒng)由PLC直接控制，工控機(jī)主要負(fù)責(zé)顯示和存儲(chǔ)PLC中采集的信號(hào)和數(shù)據(jù)。

2 配料系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線自動(dòng)配料系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖1所示，在對(duì)選擇各部分硬件型號(hào)規(guī)格時(shí)應(yīng)基于系統(tǒng)控制要求，同時(shí)考慮硬件兼容性、互通性等因素。該控制系統(tǒng)主要硬件包括：PLC、稱重傳感器、變頻器、稱重儀表、工控機(jī)、I/O擴(kuò)展模塊等。

圖1 生產(chǎn)線自動(dòng)配料控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 上位工控機(jī)選型

研華工控機(jī)以其卓越的性能在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化控制中得到廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)上位工控機(jī)選用研華IPC610系列，支持14槽背板ATX母板，前端最多可以支持設(shè)置3個(gè)驅(qū)動(dòng)器/1個(gè)軟驅(qū)前置USB/PS2接口，具有良好的抗振動(dòng)、抗沖擊、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，此外還可以很好地多電源，支持多種總線標(biāo)準(zhǔn)，采用高速風(fēng)扇，雙排散熱。主機(jī)采用韓國(guó)三星21英寸液晶屏，可動(dòng)態(tài)監(jiān)控配料過程，在系統(tǒng)軟件維護(hù)時(shí)可以為運(yùn)維人員提供動(dòng)態(tài)提示。

2.2 PLC選型

本系統(tǒng)選擇西門子S7-200作為系統(tǒng)中央控制單元。該型PLC主要由處理器、數(shù)字I/O、RS485接口、指示燈、電源組成，S7-200是西門子在中國(guó)做出調(diào)研后開發(fā)的高性價(jià)比、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的一款產(chǎn)品，其具有以下特點(diǎn)：

（1）CPU模塊包括6種類型。CPU的 I/O點(diǎn)數(shù)最大可達(dá)60點(diǎn)，內(nèi)部計(jì)算速度，本次設(shè)計(jì)選用SR40型 CPU。屬于繼電器控制類型，可以有效控制繼電器接口電路。

（2）SR40型CPU增設(shè)一個(gè)信號(hào)板，用戶程序區(qū)大小為24KB，數(shù)據(jù)區(qū)為16 KB，可滿足比較復(fù)雜的控制任務(wù)。

（3）與西門子產(chǎn)品和設(shè)備完全兼容，方便用戶使用，可以為中小企業(yè)提供低成本的解決方案，投資回報(bào)良好。

（4）控制器具有強(qiáng)大的通訊功能，可通過一個(gè)交換機(jī)與多臺(tái)設(shè)備通訊。RS485接口支持多種協(xié)議，方便用戶更靈活地選擇通訊方式。

2.3 稱重傳感器選型

傳感器是稱重系統(tǒng)的核心部分，也是工作環(huán)境最惡劣的系統(tǒng)機(jī)構(gòu)。稱重傳感器必須能夠承受物體沖擊以及密封劑的影響，需要具有高靈敏度和高可靠性。 本系統(tǒng)選用最大稱量為1000kg的C16/Μ1LB60T稱重傳感器，該傳感器測(cè)量靈敏度高，體積小巧、可靠性高，非常用來作為適配料控制系統(tǒng)的稱重設(shè)備，該型傳感器的主要性能參數(shù)見表1。

表1 稱重傳感器主要性能參數(shù)

?

為確保稱量精度，需要注意稱重傳感器的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，主要按照以下步驟操作：（1）安裝時(shí)要密切關(guān)注稱重傳感器各個(gè)面承受的壓力大致相等，確保安裝表面平整。（2）傳感器、安裝面之間保留3-5m距離，方便清除傳感器表面灰塵，防止顆粒附著在傳感器上。（3）確保傳感器上沒有積水。（4）傳感器到接線盒的傳輸線有剛性管保護(hù)，防止落物損壞。

2.4 稱重儀表選型

該系統(tǒng)采用稱重儀+稱重傳感器的方式進(jìn)行物料重量的測(cè)定，稱重傳感器負(fù)責(zé)采集物理重量數(shù)據(jù)并將物料重量值傳送到PLC，經(jīng)過PLC運(yùn)算分析后在稱重儀表上顯示，這樣能夠有效降低大電流設(shè)備造成的干擾。本系統(tǒng)采用XK3101（N）型稱重儀表，該型稱重儀表具有以下特點(diǎn)：(1)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快，準(zhǔn)確性高。(2)有多檔更新數(shù)據(jù)頻率可選：6.25次/秒、12.5次/秒、25次/秒、50次/秒。(3)20段燈帶提示，7位數(shù)碼管顯示，可見性好，清晰度高。(4)提供三種校準(zhǔn)和校準(zhǔn)方式，可以滿足不同場(chǎng)景使用需求。

2.5 變頻器選型

選擇變頻器時(shí)，要考慮環(huán)境、成本、質(zhì)量控制、尺寸等因素。本系統(tǒng)采用西門子V20基本型變頻器控制三相感應(yīng)電機(jī)執(zhí)行輸出速度控制任務(wù)。V20基本型變頻器是西門子為小型企業(yè)設(shè)計(jì)的一款性價(jià)比高的產(chǎn)品，其抗干擾能力強(qiáng)，調(diào)速均勻、可調(diào)范圍廣，節(jié)能效果好，同時(shí)支持?jǐn)?shù)字、模擬和485總線輸入信號(hào)控制。變頻器集成了多種控制模塊，對(duì)于技術(shù)基礎(chǔ)較差的開發(fā)者來說是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，工作電壓220V AC，額定功率1.5kW。

3 配料系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

配料控制系統(tǒng)中的軟件由兩部分組成：上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件。下位機(jī)PLC控制各驅(qū)動(dòng)器、數(shù)字輸入量的邏輯控制以及數(shù)據(jù)采集處理，將采集到的信息傳送至WINCC進(jìn)行歸檔，作為向WINCC傳送數(shù)據(jù)的中介，將WINCC數(shù)據(jù)發(fā)送給變頻器、稱重裝置。

3.1 控制程序結(jié)構(gòu)

生產(chǎn)線配料控制過程涉及許多I/O信號(hào)，需要同時(shí)收集和處理各種數(shù)據(jù)。如果所有的程序都寫在同一個(gè)子程序中，程序就會(huì)很臃腫，不利于后期的運(yùn)行維護(hù)和升級(jí)。因此，本系統(tǒng)程序被分成幾個(gè)程序段，各個(gè)模塊都有相應(yīng)的控制項(xiàng)子程序，主程序負(fù)責(zé)調(diào)用子程序。

生產(chǎn)線配料控制子程序主要包括稱重儀表控制子程序、皮帶運(yùn)行控制子程序、進(jìn)料過程控制子程序、布料過程控制子程序、故障與報(bào)警子程序、運(yùn)行中斷控制子程序、逆變器通信控制子程序、數(shù)據(jù)傳輸控制子程序等。每個(gè)子程序都可以單獨(dú)更改，程序中各個(gè)流程的邏輯關(guān)系如下：

(1)進(jìn)料、布料形成互斥關(guān)系，同一時(shí)間只能進(jìn)行其中一種操作。(2)生產(chǎn)前必須先讓皮帶運(yùn)行。首先是斜帶，然后是水平帶。

3.2 程序控制流程

系統(tǒng)運(yùn)行過程中，主要由主程序調(diào)用子程序以達(dá)到既定的配料自動(dòng)控制目的。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，PLC首先自檢，完成系統(tǒng)初始化，然后分析上位機(jī)的配料數(shù)據(jù)，等待上位機(jī)的上電信號(hào)，收到上電信號(hào)后PLC再次判斷布料電振機(jī)是否正在運(yùn)行以及是否達(dá)到給料要求。在整個(gè)過程中，PLC通過現(xiàn)場(chǎng)總線通訊實(shí)時(shí)讀取稱重設(shè)備數(shù)據(jù)，并根據(jù)轉(zhuǎn)換后的重量值決定何時(shí)給料、何時(shí)切換給料速度、何時(shí)停止給料，并實(shí)時(shí)采集當(dāng)前數(shù)據(jù)，基于目標(biāo)配比分析配料重量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以達(dá)到最佳修正量。然后啟動(dòng)皮帶進(jìn)行布料，確定下一批材料的狀態(tài)，等待下一批配料生產(chǎn)。當(dāng)布料完成后，皮帶會(huì)在一定的延遲后停止。整個(gè)配料過程由PLC自動(dòng)控制，基本程序控制流程如圖2所示。

圖2 配料控制系統(tǒng)程序控制流程

3.3 上位監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用WINCC組態(tài)軟件，WINCC組態(tài)軟件是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，集成了腳本語(yǔ)言、監(jiān)控技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換、通訊協(xié)議等技術(shù)，提供完整的過程控制可視化功能。在配料控制過程中，上位機(jī)界面充當(dāng)人機(jī)交互的平臺(tái)，需要能夠控制整個(gè)配料生產(chǎn)過程，并且給出控制參數(shù)和指令。因此，上位機(jī)界面應(yīng)簡(jiǎn)潔明了、功能齊全，每個(gè)控制和監(jiān)控對(duì)象一目了然。此外，上位機(jī)界面應(yīng)該提供各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的手動(dòng)/自動(dòng)切換功能，方便進(jìn)行設(shè)備維護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本次研究基于PLC、組態(tài)技術(shù)、精密稱重技術(shù)開發(fā)出一套全自動(dòng)配料生產(chǎn)控制系統(tǒng)，具有全自動(dòng)給料、布料、誤差檢測(cè)、統(tǒng)計(jì)查詢等功能。PLC可根據(jù)生產(chǎn)需要調(diào)整給料速度以及給料順序，準(zhǔn)確智能的控制配料成分，以無人值守為主要模式，有效節(jié)省人工。與傳統(tǒng)的生產(chǎn)線配料系統(tǒng)相比，基于PLC的自動(dòng)配料控制系統(tǒng)可靠性高、維護(hù)方便、工作速度快，具有很少的應(yīng)用前景。