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0前言
工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中許多行業(yè)都要求把幾種原料進(jìn)行混合,例飼料的生產(chǎn)需要根據(jù)牲畜的生長(zhǎng)規(guī)律,在不同的生長(zhǎng)期需要成分含量不同的飼料,水泥生產(chǎn)需要由各種原料按一定的比例進(jìn)行混合,各種化工產(chǎn)品、建筑材料、農(nóng)藥的生產(chǎn)也都一樣,并且隨著對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高,對(duì)各種成分原料的配比也提出了更高的要求,這就要求混合系統(tǒng)在控制上具有更高的自動(dòng)化及智能化,但現(xiàn)在的混合系統(tǒng)一般都分成兩部分——配料系統(tǒng)及攪拌系統(tǒng)。先由配料系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行配料,后將配好的原料輸送到攪拌系統(tǒng)進(jìn)行攪拌,這樣的混合系統(tǒng)不僅增加工藝流程,降低生產(chǎn)效率,而且將大大增加生產(chǎn)用房及生產(chǎn)設(shè)備,例如要求建一個(gè)6M3的混合系統(tǒng),不僅要求建一個(gè)6M3的攪拌筒,還將建一個(gè)同樣大小的配料筒。我們開發(fā)的配料系統(tǒng)與攪拌系統(tǒng)一體的混合系統(tǒng)很好地解決了上述問題。該混合系統(tǒng)由上位工控機(jī)以模擬圖形式顯示設(shè)備模型及運(yùn)行狀態(tài),發(fā)出控制命令,并完成報(bào)警、存檔、打印等信息的處理。在文中詳細(xì)說明了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、PLC硬件配置、PLC與工控機(jī)的通信方式、PLC與稱重儀的通信方式及PLC程序框圖。在PLC程序中解決了混合系統(tǒng)的兩個(gè)關(guān)鍵問題:a)攪拌機(jī)引起的震動(dòng)將影響稱重儀所稱物料的精確程度;b)PLC的控制命令滯后于實(shí)際所需物料,例如:現(xiàn)需要5kg物料,如等稱重儀稱出5kg物料PLC才發(fā)出停止命令,則實(shí)際的物料將大于5kg。
1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.1系統(tǒng)構(gòu)成
系統(tǒng)有3個(gè)給料倉,每個(gè)料倉均有一給料機(jī)構(gòu),各由一臺(tái)電機(jī)及輸送螺桿組成,電機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定螺桿轉(zhuǎn)速,螺桿轉(zhuǎn)速?zèng)Q定進(jìn)料速度的快慢,電機(jī)采用變頻調(diào)速方式。混合筒下面有一稱重儀,能稱出混合筒及其內(nèi)部原料重量,混合筒內(nèi)有攪拌機(jī)構(gòu),底部有一底閥,各有電機(jī)帶動(dòng)。輸送螺桿、攪拌機(jī)構(gòu)、底閥的動(dòng)作由PLC控制,為了嚴(yán)格按一定比例配料,按一定時(shí)間攪拌,按一定重量包裝,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全部自動(dòng)化及智能化,需有一臺(tái)上位機(jī)來發(fā)送參數(shù),上位機(jī)用的是工業(yè)控制機(jī),上位工控機(jī)除了發(fā)送參數(shù)外,還用模擬圖形的形式顯示設(shè)備模型及運(yùn)行狀態(tài),發(fā)送控制命令,并完成報(bào)警、存檔、打印等信息處理。由于西門子公司S7-216PLC的通信接口標(biāo)準(zhǔn)為RS485,而稱重儀及工控機(jī)的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)為RS232,所以另外還需要兩個(gè)RS485/RS232的轉(zhuǎn)接接口。系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。

1.2系統(tǒng)工作過程
首先,在混合筒全空的情況下,PLC等待稱重儀稱出空筒的重量,此重量稱為皮重,PLC收到空筒重量后即發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行顯示,上位機(jī)收到皮重后,立即發(fā)送參數(shù)及命令給PLC,其中參數(shù)包括:各種原料應(yīng)加重量、慢加料閥值(大閥值)、停止加料閥值(小閥值)、兩種原料加料之間的時(shí)間間隔、攪拌起始點(diǎn)、攪拌時(shí)間、攪拌停止與放料之間的時(shí)間間隔、攪拌批次等。命令包括:系統(tǒng)運(yùn)行、系統(tǒng)停止,運(yùn)行模式(手動(dòng)或自動(dòng)),如在手動(dòng)模式,另有命令:1#螺桿啟動(dòng)、2#螺桿啟動(dòng)、3#螺桿啟動(dòng)、攪拌機(jī)開始、底閥打開等。PLC根據(jù)PC機(jī)的命令及參數(shù)控制3個(gè)進(jìn)料機(jī)、攪拌機(jī)及底閥的動(dòng)作。如果系統(tǒng)在自動(dòng)運(yùn)行模式下運(yùn)行,那么由PLC控制以下動(dòng)作完成:1#螺桿快速進(jìn)料到慢加料閥值后1#螺桿由高速轉(zhuǎn)動(dòng)變成低速轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行慢加料、加到停止加料閥值后1#螺桿停轉(zhuǎn),間隔一段時(shí)間,啟動(dòng)2#螺桿,過程與1#螺桿同,然后啟動(dòng)3#螺桿,過程與1#相同,3種原料加料結(jié)束后,隔一定時(shí)間啟動(dòng)攪拌機(jī)攪拌原料到設(shè)定時(shí)間,停止攪拌機(jī),再隔一定時(shí)間打開底閥出料,出料完成后關(guān)閉底閥,開始第二批原料的混合。如果系統(tǒng)在手動(dòng)模式下運(yùn)行,每當(dāng)一個(gè)小環(huán)節(jié)完成后,PLC不會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)下一小環(huán)節(jié),而是等待PC機(jī)或現(xiàn)場(chǎng)按鈕發(fā)送命令,接收到命令后,才啟動(dòng)相應(yīng)的環(huán)節(jié)。在整個(gè)運(yùn)行過程中稱重儀不斷地稱出混合筒及所加原料的總重量(毛重)給PLC,PLC一方面將毛重送給PC機(jī)顯示,另一方面,將此毛重減去原來的毛重,可得所進(jìn)原料的凈重,后將凈重與參數(shù)中的閥值、提前量進(jìn)行比較,以此來控制螺桿是快轉(zhuǎn)、慢轉(zhuǎn)還是停轉(zhuǎn)。
2PLC配置
根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn),選用了西門子公司生產(chǎn)的SIMATICS7-216PLC。該可編程控制器具有可靠性高、運(yùn)行速度快、功能強(qiáng)大、使用和編程方便、性能價(jià)格比高、中斷功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。而且它具有兩個(gè)RS485串行接口,本系統(tǒng)中利用此兩個(gè)接口方便地與稱重儀和PC機(jī)相連接。S7-216串口有兩種通信模式:一種是PPI模式,主要用于PLC與其編程器或西門子公司其他人機(jī)接口產(chǎn)品之間的通信;另一種是自由口通信模式,在該模式下,通信口對(duì)用戶完全開放,可由用戶自行定義通信協(xié)議,為用戶編程提供很大的靈活性。在本系統(tǒng)中利用PLC的0口與稱重儀相連,1口與PC機(jī)相連,0口及1口的通信協(xié)議可分別通過寫PLC內(nèi)存單元SMB30及SMB130來定義。
另外,由于S7-216CPU的輸入輸出點(diǎn)數(shù)為24DI/16DQ,而本系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)超過S7-216CPU的I/O點(diǎn)數(shù),所以本系統(tǒng)除PLC本機(jī)外,還加了一塊數(shù)字量輸入輸出擴(kuò)展模板EM223。
3PLC與工控機(jī)的通信協(xié)議
3.1工控機(jī)的通信協(xié)議
在本系統(tǒng)中,上位機(jī)用VB的通信控件MSComm來開發(fā)串行通信程序,MSComm控件的主要屬性有:
b)SETTING屬性:設(shè)置或返回串行端口的波特率,奇偶校驗(yàn),數(shù)據(jù)位,停止位,取MSCommSETTING=“9600,0,8,1”即串行通信速率為9600bps,偶校驗(yàn),8位數(shù)據(jù)位,1位停止位。
3.2PLC通信協(xié)議
為使PLC與工控機(jī)正確通信,把PLC的串行口1與工控機(jī)相連,并定義1口的通信協(xié)議為:偶校驗(yàn),字符長(zhǎng)度為8位,波特率為9600bps,采用自由通信方式,即把PLC內(nèi)存單元SMB130設(shè)置成69(01101001)。另外,為使PLC與稱重儀正確通信,定義PLC串行通信0口的通信協(xié)議為:校驗(yàn)方式為偶校驗(yàn),字符長(zhǎng)度為7位,波特率為9600bps,采用自由通信方式,即把PLC的內(nèi)存單元SMB30設(shè)置成49(01001001)。
4PLC軟件設(shè)計(jì)
4.1系統(tǒng)程序框圖
對(duì)該混合系統(tǒng)采用3種控制方式:自動(dòng)、軟手動(dòng)、現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng),其中自動(dòng)操作與軟手動(dòng)操作兩種方式由工控機(jī)上的模擬界面進(jìn)行控制,為減少程序長(zhǎng)度,軟手動(dòng)和自動(dòng)程序沒有完全分開。另外,由于S7-216的中斷功能十分強(qiáng)大,對(duì)PLC接收命令和發(fā)送響應(yīng)均采用中斷處理。當(dāng)PLC從0口接收到稱重儀發(fā)送的數(shù)據(jù)后,即產(chǎn)生一個(gè)中斷(中斷事件號(hào)為8),從而轉(zhuǎn)入接收字符的中斷程序;PLC從1口發(fā)送數(shù)據(jù)后,產(chǎn)生一個(gè)中斷事件號(hào)為26的中斷,從1口接收字符后產(chǎn)生中斷事件號(hào)為25的中斷,分別轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷程序。
程序框圖如圖2所示。PLC系統(tǒng)軟件完成的主要任務(wù)是:

a)接收從稱重儀來的數(shù)據(jù)并處理數(shù)據(jù):由于從稱重儀來的數(shù)據(jù)采用的是ASCⅡ碼,PLC程序應(yīng)對(duì)它進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理。
b)發(fā)送從稱重儀來的數(shù)據(jù)及系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)給PC機(jī),以便在PC機(jī)的模擬界面上顯示重量及各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。
c)接收從PC機(jī)來的參數(shù)及命令,并依此控制系統(tǒng)的運(yùn)行或停止,控制各設(shè)備的工作狀態(tài)。
d)根據(jù)從PC機(jī)發(fā)來的命令,判別系統(tǒng)是自動(dòng)運(yùn)行還是手動(dòng)運(yùn)行。如果是自動(dòng)運(yùn)行,就按自動(dòng)運(yùn)行的流程控制系統(tǒng);如是手動(dòng)運(yùn)行,則按PC機(jī)的命令運(yùn)行系統(tǒng)。
e)對(duì)故障情況進(jìn)行報(bào)警處理等。
4.2關(guān)鍵問題
在開發(fā)本系統(tǒng)時(shí),關(guān)鍵問題是稱料的精度問題。攪拌機(jī)在攪拌時(shí)將引起混合筒的震動(dòng),而混合筒的下面裝有稱重儀,混合筒的震動(dòng)將導(dǎo)致稱重儀的準(zhǔn)確度。另外,PLC的控制命令將滯后于實(shí)際所需物料重量,如當(dāng)所需物料為10kg,如果PLC等待稱重儀稱出10kg物料時(shí)才發(fā)出停止進(jìn)料命令的話,那么所進(jìn)物料將超過實(shí)際所需的物料,為解決這個(gè)關(guān)鍵問題,在PLC內(nèi)存中設(shè)置了2個(gè)閥值:大閥值和小閥值,當(dāng)所進(jìn)物料與所需物料之差小于大閥值時(shí),就減慢進(jìn)料速度,當(dāng)所進(jìn)物料與所需物料之差小于小閥值時(shí),就停止進(jìn)料。以此來減小所需物料與所進(jìn)物料之間的誤差。并且隨著混合筒的震動(dòng)對(duì)稱重儀的影響程度及所進(jìn)物料的不同,PLC內(nèi)存中的大、小閥值均可通過反饋控制運(yùn)算得到修正?？刂瞥绦蚩驁D如圖3。

5結(jié)束語
本系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試,達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。通過把混合系統(tǒng)中的配料系統(tǒng)和攪拌系統(tǒng)合二為一,不但減少生產(chǎn)工藝流程,而且大大節(jié)省生產(chǎn)用房、降低生產(chǎn)成本,更減輕了系統(tǒng)維護(hù)的負(fù)擔(dān),極大地提高了生產(chǎn)效益。

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