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0引言
在橡膠工業(yè)生產(chǎn)中，按設(shè)定的配方準(zhǔn)確配料是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工序之一。在產(chǎn)品生產(chǎn)的配料過程中除主料外，往往還有各種化學(xué)藥品做輔料（俗稱小料）。這些小料的配比精度常常以克（g）為單位進(jìn)行調(diào)配，其準(zhǔn)確性對(duì)產(chǎn)品的特性影響很大。
在實(shí)驗(yàn)室中可由人工稱量精確配料，但在工業(yè)化批量生產(chǎn)過程中，由于種種人為因素的隨機(jī)影響，人工配料就無法保證各批次產(chǎn)品的均一性。因此現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)均釆用自動(dòng)配料稱量系統(tǒng)，這樣就可以保證產(chǎn)品質(zhì)量的均一性、穩(wěn)定性。同時(shí)還可消除人為因素的影響，減少環(huán)境污染，提高勞動(dòng)效率和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。自動(dòng)配料稱量系統(tǒng)便是基于此而產(chǎn)生的，它把PLC控制技術(shù)和先進(jìn)的控制算法相結(jié)合，保證了設(shè)備運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，滿足了工廠生產(chǎn)的實(shí)際要求。
1ABControllogix系統(tǒng)簡介
Controllogix系統(tǒng)作為Allen-Bradley下一代的控制系統(tǒng)，將順序控制、過程控制、傳動(dòng)控制、運(yùn)動(dòng)控制以及通訊功能融合在一起?？刂破骺梢钥刂票緬両/O,也可以通過Ethemet/IP’ControlNet、DeviceNet及通用I/O網(wǎng)絡(luò)來控制遠(yuǎn)程I/O.Controllogix系統(tǒng)提供了各種各樣的輸入輸出模板，以適應(yīng)從高速離散控制到過程控制的多種應(yīng)用場合。
同時(shí)Controllogix系統(tǒng)的多任務(wù)操作系統(tǒng)支持32個(gè)可組態(tài)的連續(xù)性或周期性任務(wù)，這些任務(wù)根據(jù)具體應(yīng)用程序?qū)凑諆?yōu)先級(jí)來執(zhí)行程序代碼。用戶可以為每一個(gè)任務(wù)分配最多32個(gè)程序，每個(gè)程序都可以有自己的本地?cái)?shù)據(jù)或梯形圖邏輯，而且在同一處理器內(nèi)還允許虛擬獨(dú)立運(yùn)行。這種強(qiáng)大的多任務(wù)處理能力對(duì)自動(dòng)配料系統(tǒng)這種適時(shí)性要求特別高的系統(tǒng)特別有用。
2自動(dòng)配料工藝概況
自動(dòng)配料系統(tǒng)如圖1所示，它主要由除塵、解包、順料筒、儲(chǔ)料倉、給料裝置'稱量裝置、集料斗輸送線等組成，釆用多工位、多秤同時(shí)工作方式。
配料過程主要由稱量裝置完成，控制系統(tǒng)根據(jù)配方控制其準(zhǔn)確稱量，在每一稱量裝置的下方均有一個(gè)集料斗，各集料斗圍成一個(gè)環(huán)形互相用拉桿連接固定在集料斗輸送線的軌道上，每一次稱量后，將稱量完的物量卸到集料斗中，然后輸送線氣缸動(dòng)作一次，推動(dòng)集料斗組成的環(huán)在軌道上滑行，前進(jìn)一個(gè)料位后即停止運(yùn)行，進(jìn)行下一次稱量。集料斗內(nèi)襯塑料袋，集料斗繞環(huán)滑行一周后，塑料袋內(nèi)收集到各種配方所需重量的小料。

同時(shí)在操作者位置處有一個(gè)總檢量秤，集料斗運(yùn)行時(shí)，它與集料斗底面間有間隙。集料斗停止運(yùn)行時(shí)，下面的氣缸把總檢量秤升起，托起裝有完整配方小料的集料斗，進(jìn)行總重量的檢量，待總檢量秤下降復(fù)位后，就完成一袋此配方物料的稱量，操作者更換集料斗內(nèi)襯塑料袋，為新周期作好準(zhǔn)備。
3控制系統(tǒng)概述
因釆用多工位、多秤同時(shí)工作方式，對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求很高，故需要控制系統(tǒng)有較強(qiáng)的運(yùn)算和控制能力。為此，我們采用以PLC為主進(jìn)行控制的兩級(jí)控制方案，即系統(tǒng)控制級(jí)和管理級(jí)。
系統(tǒng)控制級(jí)主要完成物料配料的全部動(dòng)作。每個(gè)工位配備一臺(tái)稱重儀表，主要完成重量數(shù)據(jù)的釆集及顯示工作，此儀表支持ControlNet通訊，通過此通訊口可迅速將重量數(shù)據(jù)傳遞到PLC中，協(xié)助PLC完成稱量過程的控制。PLC作為控制的核心，主要完成配方分析、自動(dòng)稱量控制、輸送及其他輔助動(dòng)作。由于Controllogix的強(qiáng)大運(yùn)算能力和響應(yīng)速度，在實(shí)際使用上相當(dāng)于可同時(shí)控制各稱量裝置工作，這大大增強(qiáng)了配料過程控制的實(shí)時(shí)性。稱量過程中PLC按配方設(shè)定，自動(dòng)控制稱量速度，釆用無級(jí)調(diào)速、反饋控制的方法，使本稱量系統(tǒng)具有稱量精度高，配料速度快等特點(diǎn)。Controllogix的使用，提高了本套控制系統(tǒng)的可靠性和控制效果。
管理級(jí)用個(gè)人計(jì)算機(jī)與系統(tǒng)控制級(jí)通過現(xiàn)場總線構(gòu)成計(jì)算機(jī)管理和控制網(wǎng)，主要完成配方管理、配方運(yùn)行、生產(chǎn)計(jì)劃、數(shù)據(jù)報(bào)表，同時(shí)還完成系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集等功能。
4控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)配置
控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，在此系統(tǒng)中應(yīng)用了Ethernet、ControlNet^DeviceNet三種網(wǎng)絡(luò)形式。
 

在硬件配置上，CPU選用了Controllogix控制器1756-L55M14.通過熱備模板1757-SRM構(gòu)成CPU的冗余系統(tǒng)，控制器內(nèi)存為3.5M字節(jié)，還選用了Ethernet網(wǎng)絡(luò)模塊1756-ENBT,ControlNet網(wǎng)絡(luò)模塊1756-CNB、DeviceNet網(wǎng)絡(luò)模塊1756-DNB等.
本系統(tǒng)以ControlNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為基本骨架搭建而成。ControlNet網(wǎng)是一個(gè)開放的高速確定性網(wǎng)絡(luò)，它用于傳輸對(duì)時(shí)間有苛刻要求的信息通訊，速率可達(dá)5Mbps,提供實(shí)時(shí)的控制和對(duì)等的通訊服務(wù)。ControlNet融合了現(xiàn)有的遠(yuǎn)程I/O和DH+網(wǎng)的性能，對(duì)于離散和連續(xù)過程控制均具有確定性和可重復(fù)性功能，用戶可自行設(shè)定網(wǎng)絡(luò)交換時(shí)間達(dá)毫秒級(jí)，從而極大改善了網(wǎng)絡(luò)控制的實(shí)時(shí)性和抉速性。釆用生產(chǎn)者/客戶方式，將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)針對(duì)不同站點(diǎn)需多次發(fā)送改為一次發(fā)送多點(diǎn)共享，減少了網(wǎng)絡(luò)發(fā)送次數(shù)，從而使網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)高效。而且ControlNet建立在開放性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的革新方案一Producer/Consumer方式上，該方式允許網(wǎng)上所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)讀取一個(gè)數(shù)據(jù)源同樣的數(shù)據(jù)，因而具有較高的吞吐量，而多點(diǎn)傳送通訊能力使許多控制器可以分享輸入數(shù)據(jù)和對(duì)傳互鎖數(shù)據(jù)，以達(dá)到更好的性能并減少編程的需求。通過它將本系統(tǒng)最關(guān)鍵的重量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、可靠地傳送給PLC,在硬件上保證了PLC系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確性和可靠性。
從圖2可以看岀信息層釆用現(xiàn)在最流行的以太網(wǎng)，它將控制系統(tǒng)與監(jiān)視和信息管理系統(tǒng)集成起來。通過以太網(wǎng)，用于監(jiān)控可編程控制器、工業(yè)計(jì)算機(jī)工作站以及高級(jí)商用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以存取設(shè)備層和控制層的生產(chǎn)現(xiàn)場信息，這樣的信息可用于數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、計(jì)劃管理、統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制、遠(yuǎn)程設(shè)備維護(hù)、生產(chǎn)流程以及物料跟蹤等。
從圖2還可以看出，為了保證ControlNet網(wǎng)絡(luò)重量數(shù)據(jù)的高速傳輸，在設(shè)備層也同時(shí)釆用了DeviceNet總線來處理一些輔助部分的數(shù)據(jù)通訊。DeviceNet是由美國Rockwell公司在CAN基礎(chǔ)上推出的一種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它使用CAN的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，11位標(biāo)識(shí)符，加上DeviceNet的應(yīng)用層，形成可靠、靈活的通信規(guī)約。在這里通過這種總線來控制稱量電機(jī)的變頻器，使得控制方式更加靈活，做到了對(duì)稱量電機(jī)的連續(xù)調(diào)節(jié)，為實(shí)現(xiàn)后續(xù)的準(zhǔn)確控制奠定了硬件基礎(chǔ)。同時(shí)它的數(shù)據(jù)傳輸能力也比較強(qiáng)，傳輸速率大約為125-500kb/s，完全可以滿足監(jiān)控觸摸屏的通訊數(shù)據(jù)要求。
5控制過程概述
如圖3所示，在以前的集中配料控制系統(tǒng)中，一般釆用雙速給料，即快速和慢速兩種給料,稱量精度靠預(yù)關(guān)門值來保證。通過對(duì)稱量物料的了解和實(shí)驗(yàn)，影響稱量的因素主要有以下幾種:
 

①物料的粘度：在相同的環(huán)境中和同一給料裝置的情況下，不同物料的給料速度不同，因而造成調(diào)試?yán)щy，稱量精度難以控制；②物料的比重：因物料的比重不同，釆用同一裝置給料速度也不同：③環(huán)境的影響：環(huán)境的溫度、濕度變化將導(dǎo)致物料粘度、比重等物理特性的變化。主要是物料的粘度隨溫度的增加而增加，導(dǎo)致物料易起拱、結(jié)塊，對(duì)稱量不利；④由于控制給料裝置和控制裝置的非線性，即使在相同的控制方法和控制量下，各給料裝置的振動(dòng)力和給料速度均是不同的。由于以上因素的影響，在以往的雙速給料中，每種物料均要調(diào)整到相應(yīng)的狀態(tài)，才能達(dá)到預(yù)期的稱量精度。然而，隨著環(huán)境溫度的變化或物料批號(hào)的不同，原來狀態(tài)下的給料狀態(tài)，往往保證不了稱量的精度，需重新調(diào)整，從而降低了生產(chǎn)效率。由此可見，保證稱量的準(zhǔn)確、快速是很復(fù)雜的?；谝陨戏治鎏岢隽私o料速度控制方案（見圖4）,這種控制方法采用閉環(huán)控制，以下料速度為控制參數(shù)，克服了以上各因素對(duì)稱量精度和生產(chǎn)效率的影響。以上各因素的變化均以改變振動(dòng)力加以克服，這種控制方法，雖然克服了以上因素對(duì)稱量速度和精度的影響，但同時(shí)控制算
法和控制手段也變得更復(fù)雜了。
 

從圖4可以看出，配料速度控制器控制給料裝置，對(duì)物料以給定速度Vset進(jìn)行給料，控制系統(tǒng)不斷對(duì)物料重量進(jìn)行釆樣計(jì)算得到下料速度，并將此速度V與給定速度Vset進(jìn)行比較。如V偏離Vset，則控制系統(tǒng)根據(jù)所偏離的幅度進(jìn)行運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果調(diào)整配料速度控制器的輸出值,通過對(duì)輸出值的調(diào)節(jié)進(jìn)而影響給料裝置的下料速度，使給料速度始終控制在所允許的范圍之內(nèi)，通過這樣不斷的釆樣調(diào)節(jié)，使得整個(gè)稱量過程始終保持以給定的速度進(jìn)行下料，保證了最終稱量的準(zhǔn)確和可靠。
可以看出本系統(tǒng)對(duì)給定速度的連續(xù)調(diào)節(jié)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，如要想實(shí)現(xiàn)對(duì)Vset的準(zhǔn)確調(diào)控，控制系統(tǒng)就必須要對(duì)給料速度V有很快的釆樣頻率，同時(shí)又要有很高的運(yùn)算能力，保證能根據(jù)復(fù)雜的控制算法及時(shí)完成對(duì)Vset的調(diào)節(jié)控制。以前的PLC控制系統(tǒng)通訊速率比較慢、運(yùn)算能力差,編程方式也不適合復(fù)雜程序的編寫，因此想實(shí)現(xiàn)對(duì)給料的速度控制幾乎是不可能的。但網(wǎng)絡(luò)PLC——Controllogix系統(tǒng)的釆用很好地解決了這方面的問題。ControlNet網(wǎng)絡(luò)的高通訊速率可以保證對(duì)給料速度V的高速釆樣，Controllogix強(qiáng)大的運(yùn)算能力保證了各類復(fù)雜控制算法的及時(shí)完成。同時(shí)復(fù)雜的程序編寫，也因?yàn)镃ontrollogix提供的實(shí)時(shí)多任務(wù)編程環(huán)境而變得十分方便。
本系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)的連續(xù)調(diào)節(jié)下料過程如圖5所示，可以很明顯的看出與雙速給料控制的下料過程（圖6）的區(qū)別。雙速給料過程中給定兩段速度，但對(duì)這兩段速度是開環(huán)控制的，即系統(tǒng)無法確切保證物料會(huì)以這兩段給定的速度下料，整個(gè)過程都是不可控的。而且在雙速給料過程中，速度增大給料快但精度難以控制；速度減小給料慢精度可以控制，但稱量時(shí)間長，效率低。因此,這種方式無法解決精度與效率的矛盾•而連續(xù)調(diào)節(jié)通過對(duì)稱量速度不斷給定，并在下料過程中通過反饋連續(xù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使整個(gè)下料過程的速度始終保持在給定范圍之內(nèi)，直至最終結(jié)束。具體的過程是這樣，在稱量初期穩(wěn)定在速度V”系統(tǒng)是一個(gè)定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。當(dāng)稱量值接近設(shè)定值時(shí)，速度的設(shè)定值減小，從而該系統(tǒng)又變?yōu)橐粋€(gè)隨動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。將以往的分段控制改為連續(xù)控制，越接近目標(biāo)值速度越慢，最后階段可以將下料速度控制在很小的范圍之內(nèi)，因?yàn)榉Q量過程速度的可控,保證了稱量的精度，同時(shí)也保證了稱量的速度。

6系統(tǒng)總結(jié)
本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中主要考慮控制方法的先進(jìn)性和自適應(yīng)性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)適用性及可擴(kuò)展性。該系統(tǒng)使用后，控制效果良好，在長期的使用過程中，無需用戶對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)備會(huì)根據(jù)物料自動(dòng)進(jìn)行速度控制，解決了雙速控制系統(tǒng)的很多缺點(diǎn)，物料配料速度加快，準(zhǔn)確度提高，保證了所配物料的產(chǎn)品質(zhì)量，滿足了客戶的要求。

作者：杭柏林

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