基于PLC的物料定量給料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于PLC的物料定量給料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)控制中存在的自動(dòng)化程度低的問題，開發(fā)研制了基于PLC的PID控制算法的物料定量給料系統(tǒng)計(jì)量裝置，闡述了該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及PLC的硬件組成;根據(jù)工藝過程的技術(shù)要求，從控制系統(tǒng)的硬件配置到應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)地考慮了工業(yè)物料定量給料過程的實(shí)際情況。應(yīng)用結(jié)果表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、運(yùn)行可靠、人機(jī)界面直觀靈活，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能均滿足工藝要求，取得了良好的應(yīng)用效果。
關(guān)鍵詞：配料系統(tǒng) 計(jì)量裝置 可編程控制器 變頻

引言

在生產(chǎn)領(lǐng)域中，各種原料之間的配比精度對(duì)生產(chǎn)過程的穩(wěn)定和產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量有重要的影響。定量給料系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于水泥建材、冶金化工、電力煤炭等行業(yè)粉體連續(xù)輸料的流量測量與定量給料的工業(yè)環(huán)節(jié)，如水泥廠人窯煤粉的定量給料及輸送就是一個(gè)典型的例子，其供料過程中的穩(wěn)定性、均勻性等問題是影響計(jì)量精度的主要因素。由于它用途廣泛，對(duì)提高給料系統(tǒng)的自動(dòng)化程度就有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文 的 物 料定量給料系統(tǒng)是根據(jù)國內(nèi)外智能配料系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r和趨勢，結(jié)合企業(yè)提出的具體要求的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的配料系統(tǒng)計(jì)量裝置;它采用可編程序控制器作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，具有原理先進(jìn)、結(jié)構(gòu)簡單、給料均勻可靠、測量準(zhǔn)確等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

可編程控制器在機(jī)電一體化產(chǎn)品中應(yīng)用范圍極廣，其主要特點(diǎn)是:工作可靠、可與工業(yè)現(xiàn)場信號(hào)直接輸人輸出連接、組合靈活、編程容易、安裝簡單、維修方便、運(yùn)行迅速，為繼電器邏輯控制所望塵莫及。

該計(jì)量裝置控制對(duì)象和參數(shù)多，工作條件惡劣，且要求具有一定的管理功能，為提高系統(tǒng)的可靠性，便于維護(hù) ，擬采用以可編程控制器為核心，以觸摸屏計(jì)算機(jī)作為交互界面，配以各種輸人輸出專用模塊和專用信號(hào)調(diào)理電路組成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

1.1 系統(tǒng)測控時(shí)序

系統(tǒng)測控時(shí)序圖[3」如圖2所示。系統(tǒng)在料位最低點(diǎn)①時(shí)，控制輸出裝料生成指令，裝料閥接受打開指令后打開，系統(tǒng)進(jìn)人體積給料期。經(jīng)過一個(gè)時(shí)間延遲后，裝料閥全部打開，并發(fā)出裝料閥全開反饋信號(hào)給控制系統(tǒng)，經(jīng)過一個(gè)設(shè)定的時(shí)間延遲后，硫化空氣打開，系統(tǒng)進(jìn)人快速加料階段。當(dāng)物料加到料位最高點(diǎn)④時(shí)，稱重系統(tǒng)檢測到料斗滿料信號(hào)而輸出裝料閥關(guān)閉指令，裝料閥接受指令開始關(guān)閉，系統(tǒng)運(yùn)行到裝料閥全關(guān)點(diǎn)⑤時(shí)，輸出蝶閥關(guān)閉信號(hào)，到此系統(tǒng)裝料過程結(jié)束，進(jìn)人出料階段。經(jīng)過一段穩(wěn)定時(shí)間后系統(tǒng)運(yùn)行到重量給料開始點(diǎn)⑥，此時(shí)體積給料結(jié)束，系統(tǒng)進(jìn)人到重量給料階段，測量和控制周期開始，持續(xù)到給定的下一個(gè)料位最低時(shí)，系統(tǒng)又發(fā)出裝料控制的指令。以此循環(huán)交替進(jìn)行給料作業(yè)。

圖2 控制系統(tǒng)時(shí)序圖

圖2中，在點(diǎn)②處裝料閥全開、點(diǎn)③處硫化空氣閥打開①-⑤為系統(tǒng)加料周期，同時(shí)裝料和出料;⑤-①為出料周期，系統(tǒng)只有出料;①-⑥為體積測量方式，此時(shí)出料量只是速度控制;⑥-①為重量測量方式，測量和控制的階段。

1.2 計(jì)最裝置電氣控制系統(tǒng)

計(jì)量裝置電氣控制系統(tǒng)由上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。

1.2.1 上位機(jī)系統(tǒng)

觸摸屏計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)督控制級(jí)和管理級(jí)的功能。及時(shí)處理用戶的輸人指令并顯示運(yùn)行信息。由于觸摸屏計(jì)算機(jī)自帶了與PLC通信的功能，而不用編寫專用的通信程序，只要設(shè)計(jì)良好的界面，使用十分方便。

1.2.2 下位機(jī)系統(tǒng)

下位機(jī)系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:

① 可編程控制器?？删幊炭刂破魇窍挛粰C(jī)系統(tǒng)的控制中心，一方面擔(dān)負(fù)著與上位機(jī)的通信功能;另一方面根據(jù)上位機(jī)的指令，控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作?？紤]到系統(tǒng)的負(fù)載情況和控制的需要，選用了三菱公司的FR -540 -5.5K-CH的變頻器。其輸出額定功率為9.1 kV，適應(yīng)的電機(jī)為5.5 kW?？刂品绞綖槿嵝訮WM (V/F控制)。運(yùn)行頻率的輸出控制由模擬量進(jìn)行(0一5 V)，此模擬量值由PLC的2D/A模塊給定。

② 接收調(diào)理電路。接收現(xiàn)場傳送來的差分信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號(hào)后送給PLC的高速計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。

③ 轉(zhuǎn)速檢測模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。將電機(jī)運(yùn)行的速度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送給PLC。

④ 電參數(shù)檢測功能模塊。將電機(jī)運(yùn)行的電流、功率、效率等轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并經(jīng)銘5接口送給PLC和上位機(jī)。

⑤ 數(shù)模轉(zhuǎn)換功能模塊。將經(jīng)PLC計(jì)算后的轉(zhuǎn)速控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)送給變頻器以控制下料電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到給料量控制的目的。

⑥ 重量檢測模塊。稱重傳感器是傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變式壓力傳感器，采用的是ET一3型壓力傳感器。但其輸出范圍只有0一21.6 m V(供電電壓為直流12V ),輸出電阻為351 Sl，無法直接采樣進(jìn)行A/D變換。采用了AD623芯片將此信號(hào)放大50倍。

1.3 機(jī)械本體與機(jī)電接口

現(xiàn)場 部 分 主要是機(jī)電一體化的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要包括機(jī)械本體、動(dòng)力部分、測量傳感部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)部分等要素，各要素之間通過接口相聯(lián)系。

① 加料電磁閥及蝶閥。由PLC的輸出繼電器的閉、合，來控制加料電磁閥的通斷，通過該執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)料斗中物料間隙自動(dòng)加人。

② 測量傳感部分。對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中所需要的重量信息進(jìn)行檢測，變成電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后以差分信號(hào)發(fā)送到控制室。

③ 粉料輸送螺旋及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。它是系統(tǒng)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過它的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)物料的進(jìn)給。該螺旋主軸以變頻電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，通過一級(jí)擺線針輪減速器減速后拖動(dòng)主軸運(yùn)行，變頻電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度由變頻器控制。

④ 粉料壓實(shí)及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。它是系統(tǒng)物料的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過它的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)物料的壓實(shí)。該機(jī)構(gòu)以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，通過二級(jí)擺線針輪減速器減速后拖動(dòng)壓料機(jī)構(gòu)運(yùn)行。

2 可編程控制器PID算法[5]

PID 控 制 具有原理簡單、使用方便、適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，計(jì)量裝置利用PLC的控制計(jì)算能力取代模擬調(diào)節(jié)器，直接通過數(shù)字運(yùn)算，使被調(diào)量保持在給定值。系統(tǒng)PID算法如下:

式中:EVn為當(dāng)前偏;Dn為微分運(yùn)算值;EVn-1為前一次偏差;Dn_1為上一次微分運(yùn)算值;SV為設(shè)定值;KP為比例常數(shù);PVn為當(dāng)前采樣值;α為輸人濾波常數(shù);PVnf為當(dāng)前濾波輸人值;Ts為采樣時(shí)間;PVnf-2為前一次當(dāng)前濾波輸人值;T1為積分時(shí)間;PVnf-2為前二次當(dāng)前濾波輸人值;Td為微分時(shí)間;△MV為操作值的變化;KD為微分增益;MVn為當(dāng)前輸出操作值。

當(dāng)前濾波器輸入值PVnf大于設(shè)定值時(shí)，執(zhí)行正作用PID算法，反之執(zhí)行反作用PID算法。

PID指令的許多參數(shù)都可以由用戶根據(jù)自己的需要設(shè)置或設(shè)定，從控制開始到PID循環(huán)達(dá)到裝置控制要求的困難是找到一個(gè)好的控制起始點(diǎn)。調(diào)節(jié)PID值時(shí)一定要保證操作的安全性，以避免對(duì)設(shè)備的損壞。對(duì)FX2 N系列PLC可以進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)以便為PID控制過程快速賦初值。一個(gè)簡單的方法就是每次改變固定比例的參數(shù)值，如每次增加或減少10%。

3 結(jié)束語

計(jì)量裝置根據(jù)人機(jī)工程學(xué)的原理進(jìn)行計(jì)量裝置界面設(shè)計(jì)，采用彩色液晶顯示和專門的機(jī)柜設(shè)計(jì)，以保證操作的方便和正確;以PLC為控制中樞，以螺旋輸送等為物料的推進(jìn)器，配以相關(guān)的執(zhí)行驅(qū)動(dòng)器件，使系統(tǒng)可自動(dòng)運(yùn)行。整個(gè)系統(tǒng)給料量進(jìn)行閉環(huán)控制，采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒?，和面向過程的編程方法相結(jié)合，進(jìn)行優(yōu)化的接口和流程設(shè)計(jì)，可以方便地進(jìn)行功熊擴(kuò)展;并且具有遠(yuǎn)程通信接口，在需要時(shí)可以組成網(wǎng)絡(luò)，以適應(yīng)工廠現(xiàn)代化發(fā)展的需要，配料精度達(dá)到0.5%級(jí)。該裝置已在企業(yè)應(yīng)用，運(yùn)行狀況良好。

參考文獻(xiàn)
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王亞平，男，1964年生，2005年畢業(yè)于浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，實(shí)驗(yàn)師;主要研究方向?yàn)殡姍C(jī)及其控制實(shí)驗(yàn)研究，機(jī)電一體化