基于PLC控制的自动配料系统研究与应用

0.引言

　　自动配料系统是精细化工厂生产工艺过程中一道非常重要的工序，配料工序质量对整个产品的质量举足轻重。自动配料控制过程是一个多输入、多输出系统，各条配料输送生产线严格地协调控制，对料位、流量及时准确地进行监测和调节。系统由可编程控制器与电子皮带秤组成一个两级计算机控制网络，通过现场总线连接现场仪器仪表、控制计算机、PLC、变频器等智能程度较高、处理速度快的设备。在自动配料生产工艺过程中，将主料与辅料按一定比例配合，由电子皮带秤完成对皮带输送机输送的物料进行计量。PLC主要承担对输送设备、秤量过程进行实时控制，并完成对系统故障检测、显示及报警，同时向变频器输出信号调节皮带机转速的作用。

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。

　　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。