PLC控制的自動配料系統研究與應用

　自動配料系統是精細化工廠生產工藝過程中一道非常重要的工序，配料工序質量對整個產品的質量舉足輕重。自動配料控制過程是一個多輸入、多輸出系統，各條配料輸送生產線嚴格地協調控制，對料位、流量及時準確地進行監測和調節。系統由可編程控制器與電子皮帶秤組成一個兩級計算機控制網絡，通過現場總線連接現場儀器儀表、控制計算機、PLC、變頻器等智能程度較高、處理速度快的設備。在自動配料生產工藝過程中，將主料與輔料按一定比例配合，由電子皮帶秤完成對皮帶輸送機輸送的物料進行計量。PLC主要承擔對輸送設備、秤量過程進行實時控制，并完成對系統故障檢測、顯示及報警，同時向變頻器輸出信號調節皮帶機轉速的作用。

1.自動配料系統的構成

　　該自動配料系統由5臺電子皮帶秤配料線組成，編號分別為1#、2#、3# 、4#、5#、，其中1#～4#為一組，1#為主料秤，其余三臺為輔料秤。當不需要添加輔料時，5#電子秤單獨工作輸送主料。系統具有恒流量和配比控制兩種功能。對于恒流量控制時，電子皮帶秤根據皮帶上物料的多少自動調節皮帶速度，以達到所設定流量要求。以主秤（1#）系統工藝流程來分析，工藝流程如圖1所示。

　　自動配料系統加電后，皮帶驅動電機開始旋轉，微處理機根據當前操作控制電機轉速。料斗中的物料落在落料區，經皮帶運送到達稱重區，由電子皮帶秤對皮帶上的物料進行稱重。稱重傳感器根據所受力的大小輸出一個電壓信號，經變送器放大，輸出一個正比于物料重量的計量電平信號。該信號送至上位機的接口，經采樣后并轉換成一個流量信號，在上位機上顯示當前流量值。同時將此流量信號送至PLC接口，與上位機設定的各種配料給定值進行比較，然后進行調節運算，其控制量送至變頻器，以此來改變變頻器的輸出值，從而改變驅動電動機的轉速。調整給定量，使之與設定值相等，完成自動配料過程。

　　圖1：系統工藝流程

　　流量就是一定時間內皮帶上走過的物料量。電子皮帶秤稱量的是瞬時流量，上位機給出的是設定流量，二者在實時計量中有所偏差。在流量實際控制中采用工業控制中應用的PID調節，根據流量偏差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制，控制量輸入和輸出（誤差）之間的關系在時域中可用公式表示如下：

　　公式中e（t）表示誤差、控制器輸入，u（t）是控制器的輸出，kp為比例系數，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數。圖2為系統流量PID閉環調節結構圖。在生產過程進行自動調節時，以主料成分的流量計量為依據，根據生產工藝要求通過上位機設定出總流量及主、輔料配比參數，按配方比例摻雜其余輔料。流量計量控制是計量偏差與變頻調速的結合，具有結構簡單、穩定性好、工作可靠和調整方便等優點。

　　圖2： 流量PID閉環調節

2.系統控制流程

　　當系統開始工作時，啟動配料生產線。首先系統程序進行初始化，通過上位機或觸摸屏設置配料配比，檢查料斗有無物料。若無物料，向料斗送料，啟動配料生產線，由電子皮帶秤進行稱重并實時計量，CPU計算得實時流量及累計流量。若設定流量與實際流量有偏差，調節器根據系統控制要求比較設定值與實際流量的偏差，經PID調節改變輸出信號以控制變頻器對輸送電機的速度調節，從而實現恒流量控制。根據配比各輔料同時混合計量，并按配方工藝要求添加。系統主程序控制流程如圖3。

　　圖3： 系統主程序控制流程

3.PLC控制系統硬件設置

　　系統中主、輔料秤由可編程控制器（PLC）和上位機實現兩級控制。現以1#～4#四臺電子皮帶秤的PLC控制分析為例，每一電子皮帶秤有一臺皮帶驅動電機，兩個料位傳感器，一個速度傳感器，一個稱重傳感器，一臺變頻器，它們構成了被控對象。電動機的啟、停由開關量控制，PLC數字量輸出信號作為變頻器的控制端輸入信號，經變頻器調制輸出高頻脈沖給皮帶驅動電機。料位傳感器檢測料斗有無物料，速度傳感器測量電機的轉速。系統需8個數字量輸入信號，25個開關量輸入信號和24個開關量輸出信號，I/O點總數量為57。I/O點數量和類型如表1所示。

　　公司的SIMATIC S7-/300，屬于模塊化小型PLC系統，各種單獨的模塊之間可進行廣泛組合構成不同要求的系統。

　　根據系統被控對象的I/O點數以及工藝要求、掃描速度、自診斷功能等方面的考慮，選用SIEMENS公司S7-300系列PLC的CPU 315-2DP 。CPU 315-2DP是*帶現場總線（PROFIBUS）SINEC L2-DP接口的CPU模板，具有48KB的RAM，80KB的裝載存儲器，可用存儲卡擴充裝載存儲容量zui大到512KB，zui大可擴展1024點數字量或128個模擬量。根據統計出的I/O點數選擇一個直流32點和一個16點的SM321數字量輸入模塊和一個32點SM322繼電器輸出模塊。

　　3.2變頻器選型及其功能設定

　　三菱公司提供了FR-A540系列變頻器與該公司的標準電機相匹配時的技術參數。采用三菱的標準電機，1#皮帶機額定功率2.2KW，2～4#皮帶機額定功率為0.4KW，額定電壓380V，額定電流，轉速1420r/ min，調速范圍120～1200r/min。三菱FR-A540變頻器自帶有PID調節功能，根據自動配料系統生產工藝要求進行PID控制，需要檢測設定的部分參數設定如下：

　　① Pr.1=50 Hz， Pr.2= 5 Hz，本系統Pr.18=120 Hz不變。

　　② Pr.19=9999，與電源電壓相同

　　③ Pr.7=2s，加速時間（7.5K以下出廠設定值5s，0～3600s/0～360s）

　　Pr.8=2s，減速時間（7.5K以下出廠設定值5s，0～3600s/0～360s）

　　④ Pr.9 由電機額定值決定

　　⑤ Pr.14=0，適用恒轉矩負載

　　⑥ Pr.79=3，外部/PU組合操作模式

　　⑦ Pr.183=8，實現RT開關=REX開關

　　⑧ Pr.128、Pr.129、Pr.130、Pr.131、Pr.132 、Pr.133、Pr.134根據現場PID調節具體要求來設定。
4.PLC控制系統軟件設計

　　STEP 7是西門子的S7-300系列PLC所用的編程語言，它是一種可運行于通用微機中，在WINDOWS環境下進行編程的語言。通過STEP 7編程軟件，不僅可以非常方便地使用梯形圖和語句表等形式進行離線編程，并通過轉接電纜可直接送入PLC的內存中執行，而且在調試運行時，還可在線監視程序中各個輸入輸出或狀態點的通斷情況，甚至進行在線修改程序中變量的值，給調試工作也帶來極大的方便。

　　STEP 7將用戶程序分成不同的類型塊。程序塊分為兩大類：系統塊和用戶塊。用戶塊包括：OB=組織塊，FB=功能塊，FC=功能，DB=數據塊。主程序可以放入“組織塊”（OB）中，而子程序可以放入“功能塊”（FB或FC）中。

　　在本系統中，PLC的主要任務是接受外部開關信號（按鈕、繼電器觸點）和傳感器產生的數字信號的輸入，判斷當前的系統狀態以及輸出信號去控制接觸器、繼電器、電磁閥等器件，以完成相應的控制任務。除此之外，另一個重要的任務就是接受工控機（上位機）的控制命令，以進行自動配料控制。

　　自動配料程序共有OB 1及FC1至FC6等7個“塊”。OB1是主程序，通過6個“CALL”調用語句，依次調用FC1至FC6等功能模塊，達到組織整個程序的目的。程序中6個功能塊的任務分配如下所示：

　　FC l 負責系統開始運行以及運行方式的設定; FC2 負責對系統的停止;

　　FC3 負責計量泵和計量泵配比控制; FC4 負責故障、事故處理控制;

　　FC5 負責對變頻器的控制; FC6 負責指示燈的顯示控制。

5.結束語

　　PLC代替了傳統的機械傳動及龐大的控制電器，實現了電氣的自動化控制。通過對皮帶電動機的變頻調速，達到節約能源和提高配料精度。