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        S7-300PLC在起爆具生產(chǎn)線上的應(yīng)用

        2012-11-26 09:01:42王越勝
        關(guān)鍵詞:模擬量上位生產(chǎn)線

        王越勝,林 森

        (杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化研究所,浙江杭州310018)

        0 引言

        國外一些起爆具廠由于員工違反了開動(dòng)攪拌器前應(yīng)事先進(jìn)行檢查的安全規(guī)定,而產(chǎn)生了一些重大安全事故。目前國內(nèi)的生產(chǎn)過程也同樣存在一些問題:各設(shè)備的開、停及先后順序均由人工操作,而不是根據(jù)實(shí)際物料的有無自動(dòng)進(jìn)行,難以保證混藥的均勻性;各物料的輸送、定量、混合均是在密閉的管道和容器內(nèi),對(duì)于發(fā)生的異常情況,如短時(shí)的少料、缺料或設(shè)備故障,難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理,可能造成批量產(chǎn)品不合格;由于生產(chǎn)者在生產(chǎn)過程中要從事生產(chǎn)準(zhǔn)備、生產(chǎn)作業(yè)、監(jiān)控操作,完全依賴人的注意力,安全生產(chǎn)是異常困難的,有可能會(huì)引起事故[1]。產(chǎn)生這些問題的根本原因在于起爆具生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度低,所以本文采用西門子S7-300可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC),設(shè)計(jì)了一套起爆具生產(chǎn)線的自動(dòng)控制系統(tǒng),有效提高了生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度。

        1 工藝流程

        某企業(yè)起爆具生產(chǎn)線生產(chǎn)工藝如下:首先將三硝基甲苯倒入熔化鍋,將黑索金倒入固相鍋。待到三硝基甲苯完全融化后,將三硝基甲苯和黑索金同時(shí)放置到混合鍋進(jìn)行充分的攪拌,攪拌均勻之后,將混合料注入到澆注鍋準(zhǔn)備澆注。澆注鍋通過澆注頭對(duì)各個(gè)模具分別進(jìn)行澆注。澆注過程分為兩次。第一次澆注將模具灌裝到一半,第二次澆注完成整個(gè)模具的灌裝。待模具冷卻之后退模,最后包裝檢驗(yàn)。該廠的起爆具生產(chǎn)工藝流程入如圖1所示。

        圖1 起爆具生產(chǎn)線工藝流程圖

        根據(jù)起爆具生產(chǎn)工藝和配方的要求,充分考慮影響起爆具產(chǎn)品質(zhì)量和安全生產(chǎn)的各種要素,要實(shí)現(xiàn)起爆具連續(xù)化自動(dòng)化生產(chǎn),控制系統(tǒng)所要承擔(dān)的主要內(nèi)容有:

        (1)起爆具生產(chǎn)流程各設(shè)備的開關(guān)控制、順序控制、連鎖控制;

        (2)溫度測(cè)量與控制,三硝基甲苯融化以及與黑索金混合過程中溫度的檢測(cè)與控制,澆注過程溫度的檢測(cè);

        (3)黑索金與三硝基甲苯重量的檢測(cè);

        (4)澆注過程中每支起爆具的重量控制;

        (5)提供生產(chǎn)過程的安全保護(hù)技術(shù),包括:過載、空料、斷料、超溫等設(shè)備和工藝過程的報(bào)警保護(hù)。

        2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

        根據(jù)工藝的要求和控制目標(biāo)的實(shí)際可行性,以及當(dāng)今工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì),為提高生產(chǎn)過程的安全性和可靠性,得到符合各項(xiàng)指標(biāo)的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品,并提高產(chǎn)品生產(chǎn)的效率,采用基于可編程邏輯控制器和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(Industry Personal Computer,IPC)技術(shù)架構(gòu)的集散控制系統(tǒng)將能很好地實(shí)現(xiàn)起爆具生產(chǎn)的控制過程。此控制方式分為上位機(jī)和下位機(jī)兩級(jí)控制的方式。上位機(jī)選用工業(yè)控制計(jì)算機(jī),在上位機(jī)安裝通用組態(tài)軟件,把生產(chǎn)流程監(jiān)視、用戶操作、數(shù)據(jù)管理都集中到上位機(jī)操作;下位機(jī)采用PLC,負(fù)責(zé)將工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種信號(hào)包括模擬量和開關(guān)量信號(hào)都采集進(jìn)來,便于實(shí)現(xiàn)分散控制[2]。上、下位機(jī)之間采用TCP/IP方式實(shí)現(xiàn)通訊??刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        3 PLC硬件選擇

        經(jīng)分析統(tǒng)計(jì)控制系統(tǒng)共計(jì)開關(guān)量輸入112個(gè),開關(guān)量輸出80個(gè),模擬量輸入20個(gè),模擬量輸出8個(gè)。

        PLC選擇西門子的S7-300系列,S7-300是一種通用行的PLC,該系列的PLC運(yùn)行的循環(huán)周期短、處理速度高,可以快速地發(fā)送和接收系統(tǒng)的指令,從而降低了系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間[3];根據(jù)存儲(chǔ)容量、運(yùn)行速度、I/O模塊擴(kuò)展能力、通訊方式等指標(biāo),選用CPU314。電源模塊主要是為CPU及接口模塊供電,所以I/O模塊、接口模塊和CPU模塊所需電流之和要小于電源模塊的額定電流,所以這里選用PS307,額定電流為5A。I/O模塊的選擇主要根據(jù)控制對(duì)象,同時(shí)還要留有一定的余量。最終選擇用8通道模擬量輸入模塊3個(gè),模擬量輸出模塊1個(gè),32點(diǎn)數(shù)字量輸入模塊4個(gè),數(shù)字量輸出模塊3個(gè)??紤]到PLC與上位機(jī)和觸摸屏的通訊采用以太網(wǎng)通訊,所以需配備CP340通訊模塊1個(gè)。由于一塊底板最多只能帶8個(gè)模塊,所以需要擴(kuò)展,擴(kuò)展單元通過接口模塊IM365進(jìn)行通信,模塊通過總線傳遞數(shù)據(jù)。其硬件組態(tài)如圖3所示。

        圖3 PLC硬件組態(tài)

        4 軟件設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境為STEP7 V5.4編程軟件,用模塊式結(jié)構(gòu)程序方式編程,這樣能夠顯著地增加PLC程序的組織透明性、可理解性和易維護(hù)性[4]。

        本系統(tǒng)的控制程序編程結(jié)構(gòu)如圖4所示,圖4中OB1為主程序,OB35為循環(huán)中斷組織塊,OB100為初始化模塊;FC1、FC2、FC3、FC4、FC5是功能程序塊;FB41是STEP7軟件中自帶的PID連續(xù)控制器,DB10和DB41是FB41的背景數(shù)據(jù)塊;DB9和DB10是FC3、FC4、FC5的背景數(shù)據(jù)塊。

        圖4 程序結(jié)構(gòu)圖

        FC1內(nèi)的程序包含了熔化鍋到混合鍋的加料控制、固相鍋的放料控制、混合鍋放料控制、混合鍋和澆注鍋的攪拌控制、液壓攪拌總閥控制。FC2的程序?yàn)闈沧⒖刂萍氨端冁溕献钃鯕飧椎纳悼刂?。FC3為現(xiàn)場(chǎng)模擬量的讀取以及線性轉(zhuǎn)換。FC4為溫度上下限報(bào)警。FC5為各類故障的輸出。DB9用來存放現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際溫度值。DB10用來存放溫度、轉(zhuǎn)速、重量上下限設(shè)定。DB41用來存放PID控制器的各個(gè)參數(shù)設(shè)定。功能塊FB41首先通過OB35進(jìn)行初始化,然后進(jìn)行PID運(yùn)算,從而控制蒸汽閥門的開度。

        5 溫度控制

        在該生產(chǎn)線中,溫度對(duì)產(chǎn)品的品質(zhì)影響較大,所以針對(duì)溫度的控制顯得尤為重要?,F(xiàn)場(chǎng)對(duì)溫度的控制點(diǎn)包括4個(gè)熔化鍋溫度、4個(gè)混合鍋溫度。

        傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,通過在上位機(jī)上輸入的設(shè)定值進(jìn)行比較得到偏差,偏差再通過PLC的運(yùn)算得到的值通過轉(zhuǎn)換,變成4-20mA的電流信號(hào)傳送給閥門定位器,閥門定位器根據(jù)這一信號(hào)的變化不斷改變閥門的開度,完成對(duì)溫度的控制。溫度控制原理如圖5所示。

        圖5 溫度控制原理圖

        這里采用S7-300PLC編程軟件STEP7提供的系統(tǒng)功能塊FB41來實(shí)現(xiàn)PID閉環(huán)控制。FB41是屬于連續(xù)PID控制器,它提供了一種位置式PID算法,PID控制器的輸出u(t)與輸入e(t)的關(guān)系為:

        式中,KP—比例系數(shù);Ti—積分時(shí)間常數(shù);TD—微分時(shí)間常數(shù)。

        式1的右邊前3項(xiàng)分別是比例作用、積分作用和微分作用分量,他們分別與偏差、偏差的積分和微分成正比。設(shè)采樣周期為T,將式1離散化,第k次采樣時(shí)控制器的輸出為:

        式2為離散化的PID控制算法的表達(dá)式,功能塊FB41就是實(shí)現(xiàn)了式2所表示的PID算法[5]。

        PID控制有兩個(gè)輸入量:給定值和過程值。在調(diào)用FB41時(shí),給定值通過所指定的地址由上位機(jī)給出,存放在數(shù)據(jù)塊DB10當(dāng)中。過程值是被控量的實(shí)際值,要得到過程實(shí)際值,首先應(yīng)從AI模塊讀取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量(范圍為0~27 648),然后將其進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換為過程值(實(shí)數(shù)),并存放在DB10當(dāng)中。對(duì)于PID功能塊的結(jié)果輸出,先進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并存放置DB9當(dāng)中,再將其送至AO模塊。AO模塊輸出的電流信號(hào)傳送給閥門定位器,通過改變閥門開度,完成對(duì)溫度的控制。

        6 結(jié)束語

        將西門子S7-300系列的PLC運(yùn)用于起爆具的生產(chǎn),提高了起爆具生產(chǎn)的工藝水平,穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量,提高原材料利用率,節(jié)約能源,降低生產(chǎn)成本;同時(shí)先進(jìn)的控制程序和高可靠性的硬件,可保證生產(chǎn)過程嚴(yán)格按設(shè)定的工藝參數(shù)執(zhí)行,提升了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)過程的安全程。

        [1] 蘇明陽,吳雄鋒.自動(dòng)控制系統(tǒng)在連續(xù)混藥中的應(yīng)用[C].南京:中國民用爆破器材學(xué)會(huì),2004:141-144.

        [2] 嚴(yán)慶偉.工業(yè)磺化生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].杭州:杭州電子科技大學(xué),2006.

        [3] 譚 順.S7-300PLC在反應(yīng)釜溫度控制中的應(yīng)用[J].大科技,2011,(3):293-294.

        [4] 董立永.S7-300在葡萄糖酸鈉生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2011,25(3):68-70.

        [5] 任俊杰,李永霞,李媛,等.基于PLC的閉環(huán)控制系統(tǒng)PID控制器的實(shí)現(xiàn)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2009,31(4):20-23.

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