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基于PLC控制的自动配料系统研究与应用

作者:Admin  更新时间:2018/07/02  点击次数:

1.自动配料系统的构成
  该自动配料系统由5台电子皮带秤配料线组成,编号分别为1#、2#、3# 、4#、5#、,其中1#~4#为一组,1#为主料秤,其余三台为辅料秤。当不需要添加辅料时,5#电子秤单独工作输送主料。系统具有恒流量和配比控制两种功能。对于恒流量控制时,电子皮带秤根据皮带上物料的多少自动调节皮带速度,以达到所设定流量要求。以主秤(1#)系统工艺流程来分析,工艺流程如图1所示。
 电子产品世界http://www.eepw.com.cn/article/201701/342560.htm 自动配料系统加电后,皮带驱动电机开始旋转,微处理机根据当前操作控制电机转速。料斗中的物料落在落料区,经皮带运送到达称重区,由电子皮带秤对皮带上的物料进行称重。称重传感器根据所受力的大小输出一个电压信号,经变送器放大,输出一个正比于物料重量的计量电平信号。该信号送至上位机的接口,经采样后并转电子产品世界http://www.eepw.com.cn/article/201701/342560.htm换成一个流量信号,在上位机上显示当前流量值。同时将此流量信号送至PLC接口,与上位机设定的各种配料给定值进行比较,然后进行调节运算,其控制量送至变频器,以此来改变变频器的输出值,从而改变驱动电动机的转速。调整给定量,使之与设定值相等,完成自动配料过程。
   

  图1:系统工艺流程
  流量就是一定时间内皮带上走过的物料量。电子皮带秤称量的是瞬时流量,上位机给出的是设定流量,二者在实时计量中有所偏差。在流量实际控制中采用工业控制中应用最为广泛的PID调节,根据流量偏差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制,控制量输入和输出(误差)之间的关系在时域中可用公式表示如下:

  公式中e(t)表示误差、控制器输入,u(t)是控制器的输出,kp为比例系数,Ti为积分时间常数,Td为微分时间常数。图2为系统流量PID闭环调节结构图。在生产过程进行自动调节时,以主料成分的流量计量为依据,根据生产工艺要求通过上位机设定出总流量及主、辅料配比参数,按配方比例掺杂其余辅料。流量计量控制是计量偏差与变频调速的结合,具有结构简单、稳定性好、工作可靠和调整方便等优点。

  图2: 流量PID闭环调节
  2.系统控制流程
  当系统开始工作时,启动配料生产线。首先系统程序进行初始化,通过上位机或触摸屏设置配料配比,检查料斗有无物料。若无物料,向料斗送料,启动配料生产线,由电子皮带秤进行称重并实时计量,CPU计算得实时流量及累计流量。若设定流量与实际流量有偏差,调节器根据系统控制要求比较设定值与实际流量的偏差,经PID调节改变输出信号以控制变频器对输送电机的速度调节,从而实现恒流量控制。根据配比各辅料同时混合计量,并按配方工艺要求添加。系统主程序控制流程如图3。
   

  图3: 系统主程序控制流程
  3.PLC控制系统硬件设置
  系统中主、辅料秤由可编程控制器(PLC)和上位机实现两级控制。现以1#~4#四台电子皮带秤的PLC控制分析为例,每一电子皮带秤有一台皮带驱动电机,两个料位传感器,一个速度传感器,一个称重传感器,一台变频器,它们构成了被控对象。电动机的启、停由开关量控制,PLC数字量输出信号作为变频器的控制端输入信号,经变频器调制输出高频脉冲给皮带驱动电机。料位传感器检测料斗有无物料,速度传感器测量电机的转速。系统需8个数字量输入信号,25个开关量输入信号和24个开关量输出信号,I/O点总数量为57。I/O点数量和类型如表1所示。


  公司的SIMATIC S7-/300,属于模块化小型PLC系统,各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。
  根据系统被控对象的I/O点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能等方面的考虑,选用SIEMENS公司S7-300系列PLC的CPU 315-2DP 。CPU 315-2DP是唯一带现场总线(PROFIBUS)SINEC L2-DP接口的CPU模板,具有48KB的RAM,80KB的装载存储器,可用存储卡扩充装载存储容量最大到512KB,最大可扩展1024点数字量或128个模拟量。根据统计出的I/O点数选择一个直流32点和一个16点的SM321数字量输入模块和一个32点SM322继电器输出模块。
  3.2变频器选型及其功能设定
  三菱公司提供了FR-A540系列变频器与该公司的标准电机相匹配时的技术参数。采用三菱的标准电机,1#皮带机额定功率2.2KW,2~4#皮带机额定功率为0.4KW,额定电压380V,额定电流5A,转速1420r/ min,调速范围120~1200r/min。三菱FR-A540变频器自带有PID调节功能,根据自动配料系统生产工艺要求进行PID控制,需要检测设定的部分参数设定如下:
  ① Pr.1=50 Hz, Pr.2= 5 Hz,本系统Pr.18=120 Hz不变。
  ② Pr.19=9999,与电源电压相同
  ③ Pr.7=2s,加速时间(7.5K以下出厂设定值5s,0~3600s/0~360s)
  Pr.8=2s,减速时间(7.5K以下出厂设定值5s,0~3600s/0~360s)
  ④ Pr.9 由电机额定值决定
  ⑤ Pr.14=0,适用恒转矩负载
  ⑥ Pr.79=3,外部/PU组合操作模式
  ⑦ Pr.183=8,实现RT开关=REX开关
  ⑧ Pr.128、Pr.129、Pr.130、Pr.131、Pr.132 、Pr.133、Pr.134根据现场PID调节具体要求来设定。
  4.PLC控制系统软件设计
  STEP 7是西门子的S7-300系列PLC所用的编程语言,它是一种可运行于通用微机中,在WINDOWS环境下进行编程的语言。通过STEP 7编程软件,不仅可以非常方便地使用梯形图和语句表等形式进行离线编程,并通过转接电缆可直接送入PLC的内存中执行,而且在调试运行时,还可在线监视程序中各个输入输出或状态点的通断情况,甚至进行在线修改程序中变量的值,给调试工作也带来极大的方便。
  STEP 7将用户程序分成不同的类型块。程序块分为两大类:系统块和用户块。用户块包括:OB=组织块,FB=功能块,FC=功能,DB=数据块。主程序可以放入“组织块”(OB)中,而子程序可以放入“功能块”(FB或FC)中。
  在本系统中,PLC的主要任务是接受外部开关信号(按钮、继电器触点)和传感器产生的数字信号的输入,判断当前的系统状态以及输出信号去控制接触器、继电器、电磁阀等器件,以完成相应的控制任务。除此之外,另一个重要的任务就是接受工控机(上位机)的控制命令,以进行自动配料控制。
  自动配料程序共有OB 1及FC1至FC6等7个“块”。OB1是主程序,通过6个“CALL”调用语句,依次调用FC1至FC6等功能模块,达到组织整个程序的目的。程序中6个功能块的任务分配如下所示:
  FC l 负责系统开始运行以及运行方式的设定; FC2 负责对系统的停止;
  FC3 负责计量泵和计量泵配比控制; FC4 负责故障、事故处理控制;
  FC5 负责对变频器的控制; FC6 负责指示灯的显示控制。
  5.结束语
  PLC代替了传统的机械传动及庞大的控制电器,实现了电气的自动化控制。通过对皮带电动机的变频调速,达到节约能源和提高配料精度。

 

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