王越勝，林 森

(杭州電子科技大學自動化研究所，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攪拌器前應事先進行檢查的安全規(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:各設備的開、停及先后順序均由人工操作，而不是根據(jù)實際物料的有無自動進行，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)，對于發(fā)生的異常情況，如短時的少料、缺料或設備故障，難以及時發(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)，設計了一套起爆具生產(chǎn)線的自動控制系統(tǒng)，有效提高了生產(chǎn)線的自動化程度。

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放置到混合鍋進行充分的攪拌，攪拌均勻之后，將混合料注入到澆注鍋準備澆注。澆注鍋通過澆注頭對各個模具分別進行澆注。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模具的灌裝。待模具冷卻之后退模，最后包裝檢驗。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，要實現(xiàn)起爆具連續(xù)化自動化生產(chǎn)，控制系統(tǒng)所要承擔的主要內(nèi)容有:

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

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

(3)黑索金與三硝基甲苯重量的檢測;

(4)澆注過程中每支起爆具的重量控制;

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

2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

根據(jù)工藝的要求和控制目標的實際可行性，以及當今工業(yè)自動化的發(fā)展趨勢，為提高生產(chǎn)過程的安全性和可靠性，得到符合各項指標的優(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)控制計算機(Industry Personal Computer，IPC)技術(shù)架構(gòu)的集散控制系統(tǒng)將能很好地實現(xiàn)起爆具生產(chǎn)的控制過程。此控制方式分為上位機和下位機兩級控制的方式。上位機選用工業(yè)控制計算機，在上位機安裝通用組態(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操作;下位機采用PLC，負責將工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的各種信號包括模擬量和開關(guān)量信號都采集進來，便于實現(xiàn)分散控制［2］。上、下位機之間采用TCP/IP方式實現(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)計控制系統(tǒng)共計開關(guān)量輸入112個，開關(guān)量輸出80個，模擬量輸入20個，模擬量輸出8個。

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)的反應時間［3］;根據(jù)存儲容量、運行速度、I/O模塊擴展能力、通訊方式等指標，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)控制對象，同時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，模擬量輸出模塊1個，32點數(shù)字量輸入模塊4個，數(shù)字量輸出模塊3個。考慮到PLC與上位機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。由于一塊底板最多只能帶8個模塊，所以需要擴展，擴展單元通過接口模塊IM365進行通信，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 軟件設計

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的程序為澆注控制及倍速鏈上阻擋氣缸的升降控制。FC3為現(xiàn)場模擬量的讀取以及線性轉(zhuǎn)換。FC4為溫度上下限報警。FC5為各類故障的輸出。DB9用來存放現(xiàn)場的實際溫度值。DB10用來存放溫度、轉(zhuǎn)速、重量上下限設定。DB41用來存放PID控制器的各個參數(shù)設定。功能塊FB41首先通過OB35進行初始化，然后進行PID運算，從而控制蒸汽閥門的開度。

5 溫度控制

在該生產(chǎn)線中，溫度對產(chǎn)品的品質(zhì)影響較大，所以針對溫度的控制顯得尤為重要?，F(xiàn)場對溫度的控制點包括4個熔化鍋溫度、4個混合鍋溫度。

傳感器采集現(xiàn)場實際溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過在上位機上輸入的設定值進行比較得到偏差，偏差再通過PLC的運算得到的值通過轉(zhuǎn)換，變成4－20mA的電流信號傳送給閥門定位器，閥門定位器根據(jù)這一信號的變化不斷改變閥門的開度，完成對溫度的控制。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—積分時間常數(shù);TD—微分時間常數(shù)。

式1的右邊前3項分別是比例作用、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。設采樣周期為T，將式1離散化，第k次采樣時控制器的輸出為:

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

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

6 結(jié)束語

將西門子S7－300系列的PLC運用于起爆具的生產(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;同時先進的控制程序和高可靠性的硬件，可保證生產(chǎn)過程嚴格按設定的工藝參數(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.自動控制系統(tǒng)在連續(xù)混藥中的應用［C］.南京:中國民用爆破器材學會，2004:141－144.

［2］ 嚴慶偉.工業(yè)磺化生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［D］.杭州:杭州電子科技大學，2006.

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

［4］ 董立永.S7-300在葡萄糖酸鈉生產(chǎn)中的應用［J］.山東輕工業(yè)學院學報，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控制器的實現(xiàn)［J］.制造業(yè)自動化，2009，31(4):20－23.