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.