配料系統(tǒng)?工作原理

自動配料系統(tǒng)的恒流量控制采用PID調(diào)節(jié)，流量計量控制是計量偏差與變頻調(diào)速的結(jié)合。依據(jù)系統(tǒng)工藝流程介紹了配料系統(tǒng)的流量控制方式和系統(tǒng)控制過程，詳細(xì)講述了PLC的選型及PLC配料系統(tǒng)變頻控制中的硬件設(shè)置、參數(shù)設(shè)定和軟件設(shè)計過程。

自動配料系統(tǒng)是精細(xì)化工廠生產(chǎn)工藝過程中一道非常重要的工序，配料工序質(zhì)量對整個產(chǎn)品的質(zhì)量舉足輕重。自動配料控制過程是一個多輸入、多輸出系統(tǒng)，各條配料輸送生產(chǎn)線嚴(yán)格地協(xié)調(diào)控制，對料位、流量及時準(zhǔn)確地進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)節(jié)。系統(tǒng)由可編程控制器與電子皮帶秤組成一個兩級計算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò),通過現(xiàn)場總線連接現(xiàn)場儀器儀表、控制計算機(jī)、PLC、變頻器等智能程度較高、處理速度快的設(shè)備。在自動配料生產(chǎn)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(jī)輸送的物料進(jìn)行計量。PLC主要承擔(dān)對輸送設(shè)備、秤量過程進(jìn)行實(shí)時控制，并完成對系統(tǒng)故障檢測、顯示及報警，同時向變頻器輸出信號調(diào)節(jié)皮帶機(jī)轉(zhuǎn)速的作用。

配料系統(tǒng)的軟件組成:常規(guī)的配料系統(tǒng)軟件部分是針對配料工段進(jìn)行監(jiān)控和自動化配料而設(shè)計開發(fā)的可視化電腦操作系統(tǒng)。具有操作簡單方便、可靠性強(qiáng)、人機(jī)界面友好、功能完備等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于飼料、糧食、制藥、冶金、化工等需要電腦自動配料的行業(yè),智能化信息化水平高:上位機(jī)具有配方庫管理功能;智能報表軟件為生產(chǎn)管理提供大量數(shù)據(jù)信息，如配料結(jié)果列表、原材料消耗列表、生產(chǎn)量列表、配方使用結(jié)果記錄等，可按時間、配方等生產(chǎn)班報、日報、月報和年報等統(tǒng)計及打印功能。同時提供兩種用戶自定義報表組件，一種是采用水晶報表進(jìn)行二次設(shè)計;另外一種是把數(shù)據(jù)無縫嵌入到EXCEL報表中。另外，系統(tǒng)可與其他管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，滿足深層次的數(shù)據(jù)分析要求。上位將每次運(yùn)行各路的累計量、配比、運(yùn)行起止時間等參數(shù)存儲，以便查詢。配料系統(tǒng)的軟件部分可自動完成系統(tǒng)配料工藝流程，計算機(jī)畫面實(shí)時顯示配料系統(tǒng)(工作流程，軟件操作簡單，畫面逼真。同時具有如下特點(diǎn):上位機(jī)軟件設(shè)置運(yùn)行密碼和重要參數(shù)密碼修改保護(hù)，且用戶實(shí)現(xiàn)分級管理，可任意定義人員的權(quán)限。

該配料系統(tǒng)的核心硬件均采用進(jìn)口或國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，其中控制儀表采用優(yōu)質(zhì)稱重控制儀表，它具有高精度，高可靠性，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。傳感器選用高精度稱重模塊。稱重模塊安裝簡單、維護(hù)方便，為系統(tǒng)長期穩(wěn)定性提供了可靠的保證。因此我們的配料系統(tǒng)精度高、速度快、穩(wěn)定性能好，自動化程度高。

1.自動配料系統(tǒng)的構(gòu)成

自動配料系統(tǒng)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(dāng)不需要添加輔料時，5#電子秤單獨(dú)工作輸送主料。系統(tǒng)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(jù)皮帶上物料的多少自動調(diào)節(jié)皮帶速度，以達(dá)到所設(shè)定流量要求。以主秤(1#)系統(tǒng)工藝流程來分析，工藝流程如圖1所示。

自動配料系統(tǒng)加電后，皮帶驅(qū)動電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，微處理機(jī)根據(jù)當(dāng)前操作控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。料斗中的物料落在落料區(qū)，經(jīng)皮帶運(yùn)送到達(dá)稱重區(qū)，由電子皮帶秤對皮帶上的物料進(jìn)行稱重。稱重傳感器根據(jù)所受力的大小輸出一個電壓信號，經(jīng)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(jī)的接口，經(jīng)采樣后并轉(zhuǎn)換成一個流量信號，在上位機(jī)上顯示當(dāng)前流量值。同時將此流量信號送至PLC接口，與上位機(jī)設(shè)定的各種配料給定值進(jìn)行比較，然后進(jìn)行調(diào)節(jié)運(yùn)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(qū)動電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。調(diào)整給定量，使之與設(shè)定值相等，完成自動配料過程。

流量就是一定時間內(nèi)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(jī)給出的是設(shè)定流量，二者在實(shí)時計量中有所偏差。在流量實(shí)際控制中采用工業(yè)控制中應(yīng)用最為廣泛的PID調(diào)節(jié)，根據(jù)流量偏差，利用比例、積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制，控制量輸入和輸出(誤差)之間的關(guān)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(shù)，Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)。圖2為系統(tǒng)流量PID閉環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)圖。在生產(chǎn)過程進(jìn)行自動調(diào)節(jié)時，以主料成分的流量計量為依據(jù)，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求通過上位機(jī)設(shè)定出總流量及主、輔料配比參數(shù)，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(diào)速的結(jié)合，具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠和調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)自動配料系統(tǒng))開始工作時，啟動配料生產(chǎn)線。首先系統(tǒng)程序進(jìn)行初始化，通過上位機(jī)或觸摸屏設(shè)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(chǎn)線，由電子皮帶秤進(jìn)行稱重并實(shí)時計量，CPU計算得實(shí)時流量及累計流量。若設(shè)定流量與實(shí)際流量有偏差，調(diào)節(jié)器根據(jù)系統(tǒng)控制要求比較設(shè)定值與實(shí)際流量的偏差，經(jīng)PID調(diào)節(jié)改變輸出信號以控制變頻器對輸送電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)恒流量控制。根據(jù)配比各輔料同時混合計量，并按配方工藝要求添加。系統(tǒng)主程序控制流程如圖:

自動配料系統(tǒng))中主、輔料秤由可編程控制器(PLC)和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)兩級控制?，F(xiàn)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(qū)動電機(jī)，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(gòu)成了被控對象。電動機(jī)的啟、停由開關(guān)量控制，PLC數(shù)字量輸出信號作為變頻器的控制端輸入信號，經(jīng)變頻器調(diào)制輸出高頻脈沖給皮帶驅(qū)動電機(jī)。料位傳感器檢測料斗有無物料，速度傳感器測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)需8個數(shù)字量輸入信號，25個開關(guān)量輸入信號和24個開關(guān)量輸出信號，I/O點(diǎn)總數(shù)量為57。I/O點(diǎn)數(shù)量和類型如表1所示。

公司的SIMATICS7-/300，屬于模塊化小型PLC系統(tǒng)，各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合構(gòu)成不同要求的系統(tǒng)。

根據(jù)系統(tǒng)被控對象的I/O點(diǎn)數(shù)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CPU315-2DP。CPU315-2DP是唯一帶現(xiàn)場總線(PROFIBUS)SINECL2-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(kuò)充裝載存儲容量最大到512KB，最大可擴(kuò)展1024點(diǎn)數(shù)字量或128個模擬量。根據(jù)統(tǒng)計出的I/O點(diǎn)數(shù)選擇一個直流32點(diǎn)和一個16點(diǎn)的SM321數(shù)字量輸入模塊和一個32點(diǎn)SM322繼電器輸出模塊。

3.2變頻器選型及其功能設(shè)定

三菱公司提供了FR-A540系列變頻器與該公司的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)相匹配時的技術(shù)參數(shù)。采用三菱的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，1#皮帶機(jī)額定功率2.2KW，2~4#皮帶機(jī)額定功率為0.4KW，額定電壓380V，額定電流5A，轉(zhuǎn)速1420r/min，調(diào)速范圍120~1200r/min。三菱FR-A540變頻器自帶有PID調(diào)節(jié)功能，根據(jù)自動配料系統(tǒng)生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行PID控制，需要檢測設(shè)定的部分參數(shù)設(shè)定如下:

① Pr.1=50 Hz， Pr.2= 5 Hz，本系統(tǒng)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(shè)定值5s，0~3600s/0~360s)

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

④ Pr.9 由電機(jī)額定值決定

⑤ Pr.14=0，適用恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

⑥ Pr.79=3，外部/PU組合操作模式

⑦ Pr.183=8，實(shí)現(xiàn)RT開關(guān)=REX開關(guān)

⑧ Pr.128、Pr.129、Pr.130、Pr.131、Pr.132 、Pr.133、Pr.134根據(jù)現(xiàn)場PID調(diào)節(jié)具體要求來設(shè)定。

STEP7是西門子的S7-300系列PLC所用的編程語言，它是一種可運(yùn)行于通用微機(jī)中，在WINDOWS環(huán)境下進(jìn)行編程的語言。通過STEP7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(jìn)行離線編程，并通過轉(zhuǎn)接電纜可直接送入PLC的內(nèi)存中執(zhí)行，而且在調(diào)試運(yùn)行時，還可在線監(jiān)視程序中各個輸入輸出或狀態(tài)點(diǎn)的通斷情況，甚至進(jìn)行在線修改程序中變量的值，給調(diào)試工作也帶來極大的方便。

STEP7將用戶程序分成不同的類型塊。程序塊分為兩大類:系統(tǒng)塊和用戶塊。用戶塊包括:OB=組織塊，F(xiàn)B=功能塊，F(xiàn)C=功能，DB=數(shù)據(jù)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(tǒng)中，PLC的主要任務(wù)是接受外部開關(guān)信號(按鈕、繼電器觸點(diǎn))和傳感器產(chǎn)生的數(shù)字信號的輸入，判斷當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)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(yīng)的控制任務(wù)。除此之外，另一個重要的任務(wù)就是接受工控機(jī)(上位機(jī))的控制命令，以進(jìn)行自動配料控制。

自動配料程序共有OB1及FC1至FC6等7個"塊"。OB1是主程序，通過6個"CALL"調(diào)用語句，依次調(diào)用FC1至FC6等功能模塊，達(dá)到組織整個程序的目的。程序中6個功能塊的任務(wù)分配如下所示:

FCl負(fù)責(zé)系統(tǒng)開始運(yùn)行以及運(yùn)行方式的設(shè)定;FC2負(fù)責(zé)對系統(tǒng)的停止;

FC3負(fù)責(zé)計量泵和計量泵配比控制;FC4負(fù)責(zé)故障、事故處理控制;

FC5負(fù)責(zé)對變頻器的控制;FC6負(fù)責(zé)指示燈的顯示控制。

5.結(jié)束語

PLC代替了傳統(tǒng)的機(jī)械傳動及龐大的控制電器，實(shí)現(xiàn)了電氣的自動化控制。通過對皮帶電動機(jī)的變頻調(diào)速，達(dá)到節(jié)約能源和提高配料精度。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)是:自動配料系統(tǒng)采用PLC控制方案，具有功能強(qiáng)大、方便靈活、可靠性高、低成本、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了配料精度，便于計量的微機(jī)化控制，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)管理，通過投產(chǎn)使用取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。此項目的經(jīng)濟(jì)效益為20萬元。

監(jiān)控功能:對皮帶稱配料過程的瞬時流量、日累計、月累計、年累計等參數(shù)進(jìn)行檢測和監(jiān)視;

畫面顯示:通過計算機(jī)顯示器可顯示配料過程中有關(guān)控制參數(shù)的運(yùn)行狀況，以及顯示實(shí)時配料曲線和表格;

打印管理:可隨時打印配料報表，以便保存和查詢;

通訊功能:工控機(jī)與PLC和儀表之間進(jìn)行可進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)及信息交換;

數(shù)據(jù)處理:配料系統(tǒng)可自動對采集的信號進(jìn)行運(yùn)算處理，并輸出到相應(yīng)的控制量;

控制功能:根據(jù)操作前相應(yīng)的設(shè)定值，自動控制設(shè)備的正常運(yùn)行，包括PID調(diào)節(jié);

報警功能:上位機(jī)以畫面方式和聲光信號方式對各種參數(shù)超限或設(shè)備狀態(tài)異常進(jìn)行報警。

配料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是怎樣的?

本配料系統(tǒng)由一套PLC配料系統(tǒng)和一套上位機(jī)監(jiān)控配料系統(tǒng)組成。PLC配料系統(tǒng)由碩人時代STEC系列控制器和儀表及通訊電纜組成，STEC控制器之間用 以太網(wǎng)通訊，控制器還提供RS232、RS485接口和ADSL、GPRS、CDMA、光纖等通訊，上位機(jī)監(jiān)控配料系統(tǒng)采用 Windows操作配料系統(tǒng)，安裝碩人時代SRDev2.0編程軟件及HOMS5.0組態(tài)軟件。

比PLC更具優(yōu)勢的:(支持普通電腦)+板卡+放大器模式，性能穩(wěn)定，性價比高，精度高。

1，主從式分布控制微機(jī)配料控制系統(tǒng)

這種全自動配料控制系統(tǒng)的設(shè)計是采用主從式結(jié)構(gòu)，將多臺單片微機(jī)連接成功能強(qiáng)大的系統(tǒng)，可應(yīng)用于大型混凝土配料站，同時配料的物料可以多達(dá)9~12種。

2，失重秤自動配料系統(tǒng)

在化工、建材、冶金等行業(yè)經(jīng)常要進(jìn)行多種物料的連續(xù)配料,因此經(jīng)常使用失重秤.由于失重秤秤體是基于斗式秤的結(jié)構(gòu),能直接進(jìn)行砝碼標(biāo)定,通過對秤斗各瞬間 重量的測試計算出實(shí)際排料量,再進(jìn)行閉環(huán)調(diào)整,從而可以達(dá)到較高的控制精度,一般而言累計精度為0.5%.由于是斗式結(jié)構(gòu)，標(biāo)定,這種系統(tǒng)維護(hù)也比皮帶秤 容易得多.

3，率值配料系統(tǒng)

率值配料不是一個新概念。早在1987年河南硅酸鹽學(xué)會的劉篤新工程師在《河南建材》上發(fā)表的《關(guān)于水泥生料配料公式研究》中就提出了率值配料的概念，1991年還出版專著《水泥生料配料的率值公式法》，詳細(xì)探討了生料反饋回調(diào)的各種方法，證明在原材料成分波動時單控制生料CaO、Fe2O3不能穩(wěn)定生料三率值，進(jìn)一步明確了率值配料的概念。他沒有止步于揭示鈣鐵控制的缺陷，而是進(jìn)一步研究了6種回調(diào)方法，提出了鈣鐵控制下保證率值合格的最佳回調(diào)方法，最大限度地避免了鈣鐵控制的缺陷。水泥廠目前普遍采用的回調(diào)方法實(shí)際上就是劉篤新工程師倡導(dǎo)的方法。 此后，率值配料的理論并沒有新的突破。目前率值配料的基本假定是:要實(shí)現(xiàn)率值配料必須要測定出生料硅、鐵、鋁、鈣4種化學(xué)成分。