王志剛，虎恩典，王 寧

WANG Zhi-gang,HU En-dian,WANG Ning

（寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，銀川 750021）

0 引言

煤質(zhì)活性炭是以煤為主要原料制成的活性炭，它具有較大的比表面積和發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，是一種性能優(yōu)良的吸附材料，被廣泛應(yīng)用于環(huán)保、化工、食品、醫(yī)藥和國(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域，主要用于脫色、空氣凈化、煙氣脫硫和水凈化等，其前景非常廣闊[1]。在煤質(zhì)柱狀活性炭生產(chǎn)過(guò)程中，將原料煤磨粉到一定細(xì)度，加入一定量的焦油和水，經(jīng)混捏、成型、晾干、預(yù)炭化、炭化和活化后再經(jīng)過(guò)一些后處理，最后篩分、包裝制成成品活性炭。在活性炭的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，混捏成型對(duì)后續(xù)的炭化、活化時(shí)的孔隙生成和強(qiáng)度形成都有較大影響，從而會(huì)影響活性炭的品質(zhì)。

本文針對(duì)活性炭混捏成型生產(chǎn)過(guò)程生產(chǎn)效率低、可靠性差和生產(chǎn)成本高等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了以三菱FX2N系列PLC為核心控制器，以三菱觸摸屏和組態(tài)王為上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了混捏成型過(guò)程的自動(dòng)控制。

1 混捏成型控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)混捏成型生產(chǎn)過(guò)程的工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)以及執(zhí)行系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)PLC控制系統(tǒng)和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。混捏成型控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[2～4]。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

混捏成型過(guò)程控制系統(tǒng)主要以PLC為核心控制器，向上位機(jī)傳遞各設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，接受并執(zhí)行上位機(jī)下達(dá)的控制命令，并通過(guò)控制繼電器及接觸器等實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制；檢測(cè)部分主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的檢測(cè)輸入；執(zhí)行部分則主要驅(qū)動(dòng)被控設(shè)備；觸摸屏和組態(tài)王軟件作為上位監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)記錄、監(jiān)控及顯示數(shù)據(jù)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，真實(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備運(yùn)行狀況。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件配置

硬件系統(tǒng)是混捏成型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)平臺(tái)，本系統(tǒng)采用研華工控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控，作為用戶界面。通過(guò)對(duì)被控對(duì)象和控制任務(wù)的整體規(guī)劃和統(tǒng)計(jì)分析，以及廠家的相關(guān)要求，本項(xiàng)目最終選擇了三菱FX2N系列PLC（FX2N-64MR）。

考慮到活性炭廠惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，除了選用組態(tài)王作為監(jiān)控界面還以三菱觸摸屏GT-1575VBN作為人機(jī)界面。使用這樣的操作終端，工人可以觀察并修改被監(jiān)控的參數(shù)，可靠性高、操作簡(jiǎn)單及維護(hù)方便，適于現(xiàn)場(chǎng)控制。

2.2 系統(tǒng)電氣控制線路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)所需電氣設(shè)備主要有攪拌電機(jī)一臺(tái)、送料電機(jī)一臺(tái)、出料電機(jī)一臺(tái)、送煤粉電機(jī)一臺(tái)和液壓泵電機(jī)一臺(tái)。說(shuō)明：攪拌電機(jī)和液壓泵電機(jī)均需采取星角降壓?jiǎn)?dòng)；送料電機(jī)在安裝初期需要進(jìn)行手動(dòng)調(diào)速，以使得螺旋推進(jìn)器、推料缸和四柱液壓機(jī)能協(xié)調(diào)工作，因此，此處采取三菱變頻器FR-A740-11K-CHT對(duì)螺旋推料的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)[5]。主電氣控制回路，如圖2所示。

圖2 主電氣控制回路

2.3 PLC模塊及接線

三菱可編程控制器基本單元由電源、CPU、輸入輸出以及程序存儲(chǔ)器組成，根據(jù)需要選取FX2N-64MR作為該P(yáng)LC控制系統(tǒng)的主機(jī)。本機(jī)集成32點(diǎn)輸入和32點(diǎn)輸出，內(nèi)部裝有電源，對(duì)擴(kuò)展模塊供給DC24V電源，對(duì)特殊模塊供給DC5V電源?？赏饨佣鄠€(gè)擴(kuò)展單元及特殊模塊，可完全適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。PLC數(shù)字量輸入輸出硬件接線圖如圖3所示。

圖3 PLC接線圖

對(duì)于三臺(tái)電子地磅的稱重信息，采用三菱的4通道模擬量輸入模塊FX2N-4AD。FX2N-4AD中的三個(gè)通道分別輸入煤粉、焦油、水三臺(tái)電子地磅輸出的電流信號(hào)，由于使用電流輸入，因此將V+和I+端短接，模擬輸入通過(guò)雙絞屏蔽電纜來(lái)接收[6]。FX2N-4AD的接線圖如圖4所示。

圖4 模擬量輸入模塊接線圖

2.4 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用三菱GX Deve1oper為編程軟件對(duì)PLC程序進(jìn)行編寫，該軟件提供多種編程方式，編程簡(jiǎn)單易懂。由工藝過(guò)程及控制要求寫出混捏成型過(guò)程程序流程圖，如圖5所示。

3 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，很多控制系統(tǒng)都是由上位工控機(jī)和下位PLC控制裝置所組成。PLC進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和狀態(tài)的采集，并進(jìn)行運(yùn)算處理，然后將所需存儲(chǔ)和顯示的信息，通過(guò)串行口傳送給上位機(jī)。同時(shí)，上位機(jī)的控制信號(hào)也可以通過(guò)串口傳給下位機(jī)PLC，通過(guò)PLC對(duì)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行控制[5]。本控制系統(tǒng)選用組態(tài)王和GT Designer3開發(fā)的畫面用來(lái)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。

圖5 混捏成型過(guò)程程序流程圖

3.1 組態(tài)王監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

選用組態(tài)王作為組態(tài)監(jiān)控軟件，它集數(shù)據(jù)顯示、報(bào)表顯示和報(bào)警顯示等于一體，同時(shí)可以方便快捷的向工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)布控制命令，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制的功能[3]。

3.1.1 建立組態(tài)王與三菱PLC的連接

建立的靜態(tài)畫面是無(wú)法實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的狀況，此時(shí)，就需要在組態(tài)王的數(shù)據(jù)詞典里定義與現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備相關(guān)聯(lián)的變量，即I/O變量[7]。為了使上位工控機(jī)與下位PLC之間的數(shù)據(jù)傳送是直接的、雙向的及動(dòng)態(tài)的，需要在組態(tài)王中定義相應(yīng)的I/O設(shè)備。本系統(tǒng)的硬件設(shè)備是三菱PLC，在設(shè)備配置向?qū)б来芜x擇PLC—>三菱—>FX2—>編程口，就可以將系統(tǒng)硬件組態(tài)信息添加到組態(tài)王中。

根據(jù)設(shè)計(jì)需要，本系統(tǒng)PLC與上位機(jī)采用串行通訊即可，該串口通訊的參數(shù)設(shè)置如圖6所示。

圖6 串口通訊的參數(shù)設(shè)置

圖7 組態(tài)王監(jiān)控主畫面

3.1.2 主監(jiān)控畫面

主監(jiān)控畫面中能實(shí)現(xiàn)各個(gè)畫面的切換，以便觀察混捏成型過(guò)程中各參數(shù)的變化并能隨時(shí)查詢數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。主監(jiān)控畫面如圖7所示。

3.1.3 工藝流程圖畫面

工藝流程畫面主要用來(lái)監(jiān)視混捏成型生產(chǎn)流程，該界面模擬實(shí)際生產(chǎn)，可以更形象、更直觀地表現(xiàn)出各執(zhí)行元器件的工作狀況，如圖8所示。

圖8 工藝流程圖畫面

3.2 觸摸屏監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用三菱GT-1575VBN型觸摸屏，10.4英寸(640 x480像素)、TFT彩色液晶屏幕256色、AC100～240V、存儲(chǔ)器容量5MB。監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)軟件為GT Designer3，該軟件具有良好的畫面編輯功能、豐富的圖形庫(kù)，易于設(shè)計(jì)友好的人機(jī)交互界面，減少畫面制作時(shí)間[8]。

觸摸屏和可編程控制器之間采用RS232串口通訊方式，將在GTDesigner3中設(shè)計(jì)的監(jiān)控畫面和FX系列通訊驅(qū)動(dòng)程序一同下載到觸摸屏。

運(yùn)用GT Designer3制作的監(jiān)控畫面如圖9所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)煤基柱狀活性炭混捏成型工藝的特點(diǎn)及控制要求，設(shè)計(jì)了一套以三菱PLC為核心控制器的全自動(dòng)監(jiān)控方案，上位機(jī)使用組態(tài)王監(jiān)控組態(tài)軟件，再在現(xiàn)場(chǎng)配以三菱觸摸屏用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控。該自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化生產(chǎn)，提高了煤粉、焦油和水的配比精度，在企業(yè)提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本及避免人工誤操作等許多方面起到了非常積極的作用。

圖9 觸摸屏監(jiān)控畫面

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