糖厂蔗层厚度自动控制系统的开发和应用

    摘要：介绍了糖厂蔗层厚度自动控制系统的设计与开发。系统以PLC为控制核心，使用核子秤检测蔗层厚度，通过控制输蔗速度实现碎蔗均衡输送。通过上位监程序完成输蔗的计量、系统的动态监控和控制参数的线设置。

    关键词：蔗层厚度自动控制  核子秤  可编程序控制器PLC  变频器控制  上位监控程序

    均衡输蔗对制糖企业的生产管理十分重要。这体现在两个方面：一是在压榨机设备固定、榨机转速和渗透水量一定时，送入压榨设备的蔗丝是否均衡，影响着甘蔗压榨的抽出率，对糖厂的经济效益十分重要；二是很多糖厂将压榨后的碎蔗直接送入锅炉燃烧，生产热能用于发电和蒸发、煮炼、分蜜和酒精生产。均衡输蔗对于全厂均衡稳定生产具有重要的意义。

    要实现蔗层的均衡输送，首先要准确检测蔗层的厚度。由于压榨车间空气中蔗糖分子浓度很高，许多仪器设备上都粘满了糖蜜斑块，用常规的检测手段如平层机、红外检测等，测量精度、可靠性和控制效果都不理想。也有人通过检测切蔗（撕）机的负荷电流间接测量蔗层厚度，但由于不同品种甘蔗的纤维组织差异较大，造成切蔗（撕）机负荷波动很大，控制效果也差[1]。因此，迫切需要研制出新的蔗层厚度控制系统，实现蔗层的均衡输送。

1 蔗层厚度自动控制系统硬件组成

    甘蔗在压榨前必须经过斩切和撕裂，目的是破坏甘蔗柔细胞，容易压挤出蔗汁。糠厂通常配备两类甘蔗输送和切撕设备，输蔗机是一条长形链板式或胶带式的输送装置。在1#输蔗机输送甘蔗的同时，由1#切蔗机对甘蔗进行斩切，斩切后的甘蔗后由1#输蔗机继续输送、翻转，落到2#输蔗机，经过2#切撕机后，输送到压榨机进行压榨。压榨工段通常由五组压榨机列构成，经反复压挤、渗透、排汁后，蔗渣被送至打包场或锅炉燃烧。

    本系统完成甘蔗喂蔗、破碎和输送到压榨机的整个过程，硬件组成如图1所示。选用SIEMENS S7-216可编程序控制器作为系统控制核心，用两块EM231三路模拟量输入模块对模拟量进行转换。

    s7-216 PLC内部具有4KW的EEPROM程序存储器，2.5KW的数据存储器，内部布尔指令运算速度为0.8us，I/O端口数为24路输入/16路输出，支持16路模拟量输入/输出，具有较强的浮点数运算能力，另外带有两个RS485通讯接口。

    系统中1#、2#输蔗机采用SIEMENS的6SE70变频器驱动。6SE70本身带有PID控制功能，由于系统被控量设定是一个复杂的计算过程，因此，变频器的速度由PLC计算后通过RS485给定。

    1#切蔗机、2#切撕机电流采用电量隔离传感器采集，传感器输出4~20mA电流信号，变换为0~10V电压进入EM231。

    日榨量设定采用精密线绕电位器，5V电压供电，输入信号范围为0~5V。

    系统采用核子秤测量蔗层。核子秤是一种新型的非接触型计量设备，它利用被测物料对伽玛射线吸收原理实现输出送物料的在线相对测量。放射源将伽玛射线照射到输送机上的物料上，射线一部分被物料吸收，其余部分透射到充满高压氩气的电离室内，使气体产生电离，产生与射线强度成比例的电流信号，经前置放大器放大后，输出能够反映输送机上物料多少的电流或电压信号。核子秤在使用前，需要通过实物标定确定K值。

    核子秤生产厂有通常配套提供计量系统软件。在我们的系统中，核子秤除用于计量外，还用于蔗层流量的自动控制，因此选用核子秤秤体和前置放大器，其测量算法由PLC完成。核子秤前置放大器输出0~10mA电流信号，转换为0~5V送入PLC的A/D扩展模块。

    为保证系统的可靠性，所有模拟量信号输入都采用了隔离、接地和箝位措施。

    系统根据操作工设定的当班榨量，通过检测2#输蔗机蔗层厚度，根据输蔗速度计算当前蔗丝流量。通过调节2#变频器转速，实现蔗丝的均衡输送。根据榨量设置和2#输蔗机实际输蔗速度，按1#输蔗机的同步算法，调节1#变频器，改变1#输蔗速度。在控制过程中，必须保证1#、2#切蔗（撕）机不能长时间处于过负荷时状态。

    系统通过RS485通讯口与处于监控室的上位计算机相连，在完成均衡入榨自动控制要求的同时，上位计算机和生产现场的PLC之间处于实时的交互通讯状态。

2 PCL控制程序

    系统通过RS485通讯口与位于监控室的上位计算机相连，在完成均衡入榨自动控制要求的同时，上位计算机和生产现场的PLC之间处于实时的交互通讯状态。

    在自动方式下，各设备之间相互联锁，可编程序控制器（PLC）根据核子秤的检测电压，计算输蔗机上的蔗层厚度；根据为频器输出频率，计算输蔗机的线速度；根据切撕机的负荷电流和给定的榨量，按照控制算法计算出输蔗机的目标速度，换算后存入变频器的通信缓冲区，调用变频器通信程序，设置变频器的输出频率；将当前开关量输入输出值、设定榨量、负荷电流、输蔗机速度、变频器输出频率、核子秤电压、相应的蔗层厚度、流量和累计榨量值存入上位监控机通讯缓冲区中。任意一台设备发生故障或异常，故障设备和其前端设备将自动停机，并发出报警信号。其后续设备按照控制逻辑继续运行，在一定的时间后自动停机。

    在手动方式下，由操作工使用操作台按钮控制变频器的启/停、加/减速和故障复位。为实现系统连锁控制，操作面板的开关信号不直接连接有关设备，而是先接入PLC，由PLC进行逻辑判断后，再输出到相应设备。

    在闭锁方式下，所有被控设备掉电，以便于对设备进行机械维修。

    在自动进行下，由PLC调用有关子程序，通过USS协议完成1#/2#变频器的起/停、速度设定控制和故障检测处理。子程序将控制参数值、过程控制命令加工成USS协议格式发送出去，并设置并送标志，复位接收完成标志。变频器的响应报文由PLC采用中断方式接收后，将1#、2#变频器状态值和当前速度存入接收缓冲区，并复位发送标志，设置接收完成标志。当采样时间到时，度控程序根据发送标志和接收完成标志，进行相应的控制处理。

    由于PLC对变频器的控制采用USS协议通信完成，为提高子程序的复用性，我们按照SIEMENS的USS格式定义了PLC和上位监控机的通信数据格式。在自动和手动方式下，PLC采用后台中断接收的方式，接收上位监控计算机发来的采样命令。将通信命令参数存入命令缓冲区，由主控程序在下次扫描周期处理，实现控制参数的在线修改。同时，根据命令类型，取出当前的控制参数和开关量状态及模拟量数据，组织PKW、PZD数据块，构成响应报文，发送出去。

3 上位监控程序设计

    上位监控软件采用DELPHI开发，运行于Windows98/NT操作系统下，实现对生产过程的动态监控、控制参数的在线修改和数据管理功能。

    监控程序采用的微软的通信组件MSCOMM32.OCX，按照用户设定的监控间隔，定时检测接收上次PLC的响应报文，获取诸如输蔗机转速、切撕机负荷电流、甘蔗流量和榨量统计值等现场数据和被控设备的工作状态信息。同时向PLC发送新的采样命令。

    根据生产现场的需要，在不中断生产过程的同时，通过上位机可实时地对诸如切蔗机的上下限报警参数、输蔗机变比参数、串级控制参数、核子秤的物料整定系数等现场参数进行调整，以使控制系统工作于最佳状态。为此，上位监控程序将用户的参数设置成命令，按照命令队列方式进行组织，PLC定时发送命令时，将用户命令队列数据加工为相应的命令报文，与采样命令一起发送到PLC。

    为动态显示系统的工作状态，我们开发了有关动态显示组件，如电机旋转、动圈式仪表、光柱显示仪LED、开关、指示灯、趋势图等组件。使用这些组件在上位机上可动态显示当前工况。

    上位监控程序使用ACCESS数据库和ADO数据库接口完成数据存储，在ACCESS数据库中定义了下列数据表：

    用户权限表 记录每个用户口令、姓名和权限。

    班组代码表 记录班组名称代码、起始结束时间。

    班组工作统计表 按照班组的起始结束时间自动完成每班的榨量统计。

    控制系统记录表 记录每次采样的各开关量数据、模拟量数据和当前流量、榨量累计数据，便于事后监测和分析。由于数据量较大，程序按7天滚动存储。监控程序可以按照用户要求完成任一日日报或任意期间的压榨期报，可按班组、车间层次统计。

    浏览控制记录 可以任选最近一个周内的任一个小时间时隔内控制记录数据浏览。