張　勇

(鹽城市科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所，江蘇 鹽城　224001)

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刨花板生產(chǎn)線攪拌機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張勇

(鹽城市科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所，江蘇 鹽城224001)

摘要：為實(shí)現(xiàn)刨花板生產(chǎn)線攪拌機(jī)的自動(dòng)控制以保證刨花板的質(zhì)量，對(duì)基于單片機(jī)和PLC的兩種控制方案進(jìn)行了比較分析。選擇PLC進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用模塊化思想將攪拌機(jī)的整個(gè)控制過(guò)程分解成幾個(gè)不同的模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，再重新組合為一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。結(jié)果表明，基于PLC的刨花板生產(chǎn)線攪拌機(jī)控制系統(tǒng)具有可靠性高、控制程序簡(jiǎn)單、輸入輸出端子使用少等特點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：攪拌機(jī)；控制系統(tǒng)；PLC；模塊化

刨花板因其幅面大、品種多、機(jī)械加工性好而廣泛用于家具、建筑及裝潢等行業(yè)[1]。影響刨花板質(zhì)量和生產(chǎn)效率的主要因素有成品料溫度、配比精度、攪拌時(shí)間等；保證刨花板生產(chǎn)線安全、正常工作的主要因素有：原料比和連續(xù)投放原料之間的邏輯連鎖關(guān)系、攪拌機(jī)的攪拌狀態(tài)等[2-3]。為保證刨花板的安全、優(yōu)質(zhì)和高效生產(chǎn)，有必要對(duì)刨花板生產(chǎn)線攪拌機(jī)實(shí)行自動(dòng)控制。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，單片機(jī)與可編程控制器( programmable logical controller， PLC)控制方案的應(yīng)用最為廣泛[4-5]。本文對(duì)單片機(jī)和PLC兩種控制方案進(jìn)行了對(duì)比分析，從中選擇合理的控制方案進(jìn)行刨花板生產(chǎn)線攪拌機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1單片機(jī)和PLC控制方案比較分析

1.1　單片機(jī)控制方案

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)是雙參量隨動(dòng)系統(tǒng)，讓刨花量和膠量保持一定的比例關(guān)系，使膠量隨刨花量的變化而變化，保證刨花量和膠量的基本穩(wěn)定，從而保證刨花板生產(chǎn)質(zhì)量。

圖1　單片機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1　SCM control system structure diagram

根據(jù)控制要求，刨花回路采用比例控制膠回路，使膠量準(zhǔn)確跟蹤刨花量。4×4薄膜鍵盤用于數(shù)據(jù)設(shè)定、隨動(dòng)方式選擇等；3排8位LED顯示器用于顯示比例數(shù)、刨花量和膠量，也用于閃爍報(bào)警；80C552的兩路PWM脈沖寬度調(diào)制輸出經(jīng)隔離和后向通道平滑后，變?yōu)?~20 mA的電流信號(hào)至供膠系統(tǒng)和送刨花系統(tǒng)，控制腔泵電機(jī)和螺旋給料電機(jī)的轉(zhuǎn)速。壓力傳感器、電磁、流量傳感器連續(xù)不斷地檢測(cè)刨花量、膠量，并將信號(hào)傳遞至80C552；80C552將刨花設(shè)定值和反饋值作差值運(yùn)算，取絕對(duì)值后乘以比例系數(shù)P，再控制PWM的輸出。當(dāng)隨動(dòng)方式選擇為膠跟隨刨花后，刨花的反饋量用作膠的給定量；反之，膠量單獨(dú)給定。

1.2　PLC控制方案

攪拌機(jī)工藝流程圖如圖2所示，刨花由刨花料倉(cāng)供給，用稱刨花斗檢測(cè)刨花量；膠由膠倉(cāng)供給，用稱膠斗檢測(cè)膠量。刨花和膠按一定比例送到攪拌機(jī)內(nèi)攪拌，然后混料供給下一工序(熱壓機(jī))熱壓成型。

圖2　刨花板生產(chǎn)線攪拌機(jī)控制系統(tǒng)示意圖Fig.2　Schematic diagram of the mixer control system in particleboard production line

采用PLC控制的系統(tǒng)具有配置靈活、編程簡(jiǎn)單、運(yùn)算高速、品種豐富、安全可靠、外部機(jī)器通訊簡(jiǎn)單化等特點(diǎn)，適合多種特殊用途，可以滿足攪拌機(jī)系統(tǒng)的控制需求。

1.3　方案的比較與選擇

從工程的角度，比較PLC與單片機(jī)2方案的優(yōu)劣[6]。

(1)對(duì)于單項(xiàng)工程或重復(fù)數(shù)極少的項(xiàng)目，采用PLC方案是明智、快捷的途徑。該方案具有成功率高、可靠性好、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建造工作量小、維護(hù)方便、容易改造等特點(diǎn)。

(2)對(duì)于量大的配套項(xiàng)目，采用單片機(jī)系統(tǒng)具有成本低、效益高的優(yōu)點(diǎn)，但需要相當(dāng)?shù)难邪l(fā)力量和行業(yè)經(jīng)驗(yàn)才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。事實(shí)上，最理想的方案是結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)系統(tǒng)中嵌入PLC的功能，這樣既可大大簡(jiǎn)化單片機(jī)系統(tǒng)的研制時(shí)間，又可保證系統(tǒng)性能。

本系統(tǒng)為單一工程項(xiàng)目，選用PLC控制方案較理想。

2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1　模擬量輸入模塊的選用

模擬量輸入用于對(duì)外部物理量的檢測(cè)，通常外部物理量為：料位、壓力、流量、溫度、重量、位移等連續(xù)的非電量，使用儀表將其轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的電量；還有一些物理量本身即為電量，如：電壓、電流、功率因素，有功或無(wú)功功率等，模擬量輸入模塊也不能直接接收這些信息，而是從檢測(cè)儀表將其轉(zhuǎn)換為可接收信號(hào)。因此，選用模擬量輸入模塊需要考慮模擬量使用電信號(hào)的輸入范圍，以及模擬量的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系。本設(shè)計(jì)采用了三菱FX-4AD特殊功能模擬量輸入模塊[7]，它是FX系列專用的模擬量輸入模塊，具有4個(gè)輸入通道(CH)，通過(guò)輸入端子變換，可以任意選擇電壓或電流輸入狀態(tài)，很好地滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

2.2　PLC的選型

系統(tǒng)要求記錄生產(chǎn)過(guò)程中各種材料數(shù)據(jù)所選用的PLC必須可配置A/D模塊，功能模塊和數(shù)據(jù)運(yùn)算需要PLC提供較豐富的特殊功能指令和數(shù)據(jù)處理指令。滿足了設(shè)計(jì)指標(biāo)的技術(shù)要求。為此，選用了FX2N-48MR PLC，系統(tǒng)使用了9個(gè)開關(guān)量輸入信號(hào)、2個(gè)模擬量輸入信號(hào)、7個(gè)計(jì)時(shí)器，程序容量為8K/步，I/O點(diǎn)數(shù)為256個(gè)[8]，12位的A/D轉(zhuǎn)換器可使刨花料稱量分辨率達(dá)0.5 kg。

2.3　I/O接線

可編程控制器的對(duì)外功能主要是通過(guò)各類接口模塊的外接線，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程的檢測(cè)與控制。通過(guò)I/O接口檢測(cè)所需的過(guò)程信息，實(shí)際生產(chǎn)中的電平信號(hào)多種多樣，外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的電平也是多種多樣的，可編程控制器的CPU所處理的只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，正是實(shí)現(xiàn)了這種信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換，并將處理結(jié)果傳送給外部過(guò)程，驅(qū)動(dòng)各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的控制。

為了適應(yīng)各種過(guò)程信號(hào)，相應(yīng)的有許多種I/O接口模塊。例如，數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊；模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊。在這些模塊中又包含了各種不同信號(hào)電平的模塊[9]，滿足工業(yè)過(guò)程的不同需要。

FX2系列可編程控制器由基本單元、擴(kuò)展單元、擴(kuò)展模塊、特殊功能模塊和編程器等構(gòu)成，僅用基本單元或?qū)⑸鲜龈鞣N單元組合起來(lái)使用均可。不管用哪種基本單元與擴(kuò)展單元或擴(kuò)展模塊組合，均可使所控制的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)達(dá)到256個(gè)。根據(jù)輸入輸出點(diǎn)數(shù)，設(shè)計(jì)的PLC I/O接線圖如圖3所示。

圖3　PLC及模擬量輸入接線圖Fig.3　PLC and analog input wiring diagram

3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

將攪拌機(jī)的整個(gè)控制過(guò)程分解成4個(gè)不同的模塊：通道設(shè)定及初始化、稱膠過(guò)程、稱刨花過(guò)程及小車運(yùn)料過(guò)程，對(duì)這些模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)[10]，再把它們重新組合為一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，本文主要對(duì)其中的稱膠過(guò)程和稱刨花過(guò)程進(jìn)行分析。

3.1　稱膠過(guò)程

程序梯形圖如圖4所示。步進(jìn)指令S21上跳，M13接通一個(gè)掃描周期，稱膠開始。M13接通，放膠稱量值數(shù)據(jù)寄存器D3清零，Y0置1，膠倉(cāng)門開，膠倉(cāng)開始放膠到膠斗中，并將A/D CH2采入的膠值與80%膠給定值比較。當(dāng)稱量值大于等于80%給定值時(shí)，Y0復(fù)位，膠倉(cāng)關(guān)門。Y0下降沿使M2接通一個(gè)掃描周期，M1置1，系統(tǒng)將第1次稱量值放入D3寄存器中寄存。此時(shí)若允許膠補(bǔ)稱修正量標(biāo)志M0=1，膠斗開始第2次稱量。

圖4　稱膠及補(bǔ)稱膠過(guò)程分析Fig.4　Weighing and fill glue process analysis

步進(jìn)指令S22上跳，使M14接通一個(gè)掃描周期。M14接通，置Y0=1，膠倉(cāng)門再次打開，開始稱膠修正量。系統(tǒng)將A/D CH2采入的膠稱量值與修正膠稱量給定值比較，若稱量值大于等于修正膠給定值，Y0復(fù)位，膠倉(cāng)門關(guān)閉。關(guān)閉膠倉(cāng)門后T4延時(shí)2 s，將計(jì)入落差的膠重量值放入D3中寄存，此時(shí)膠已全部稱量完畢，就等石料放料完畢后放膠到拌缸中，即T3=1時(shí)，S23=1。

S23上跳，膠斗打開放膠到拌缸中，膠斗開門限位X4=1，延時(shí)2 s放石粉，結(jié)石粉斗關(guān)門后再關(guān)膠斗，則S23=0，S24=1。S24上跳，Y2=1，膠斗關(guān)門，關(guān)門限位到X0=1。若要系統(tǒng)連續(xù)工作，則X4=1，重復(fù)膠稱量過(guò)程。

3.2　稱刨花過(guò)程分析

步進(jìn)指令S25上跳，M15接通一個(gè)掃描周期。M15接通，刨花實(shí)際稱料量數(shù)據(jù)寄存器D4清零，接著Y4置1，刨花倉(cāng)門打開，開始往刨花斗里放刨花。系統(tǒng)將A/D CH2采入的刨花稱量值與刨花稱量給定值比較。當(dāng)稱量值大于等于刨花給定值時(shí)Y1復(fù)位，刨花倉(cāng)門關(guān)。關(guān)刨花倉(cāng)門后T6延時(shí)2 s，將計(jì)入落差的刨花重量放入D4寄存器寄存。等膠放料后2 s將刨花放料到拌缸中，則S25=0，S26=1。

程序梯形圖如圖5所示。S26上跳，刨花斗打開放刨花到拌缸中。刨花斗開門限位到X3=1，T7延時(shí)2 s，S26=0，S27=1，程序進(jìn)入下一步。S31上跳，刨花斗關(guān)門。關(guān)門限位到X5=1，若要系統(tǒng)連續(xù)工作則X7=1，重復(fù)刨花稱量過(guò)程。

4總結(jié)

選用PLC對(duì)刨花板生產(chǎn)線控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用模塊化思想將攪拌機(jī)的整個(gè)控制過(guò)程分解成幾個(gè)不同的模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，再把它們重新組合為一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)際體驗(yàn)表明，采用PLC的步進(jìn)指令能方便地實(shí)現(xiàn)順序、分支和并行控制，而基于PLC的刨花板生產(chǎn)線攪拌機(jī)控制系統(tǒng)具有可靠性高、控制程序簡(jiǎn)單、輸入輸出端子使用少等特點(diǎn)。

圖5　稱刨花程序梯形圖Fig.5　Weighing particleboard process analysis

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(責(zé)任編輯：張英健)

The Control System Design of Particleboard Production Line Agitator

ZHANG Yong

(Institute of Scientific Technical Information of Yancheng, Yancheng Jiangsu224001, China)

Abstract：To realize the automatic control of particleboard production line agitator, this study proposes two control schemes of single chip and PLC, which are further compared and analyzed. The control system design based on PLC is chosen after comparative analysis. It divides the whole control process of agitator into several different modules, which will be designed respectively, and then rearranged into a complete control system. The result shows that the automatic control of particleboard production line agitator based on PLC is characterized by high reliability, simple control program and less in-out terminals.

Keywords：agitator; control system; PLC; modularization

作者簡(jiǎn)介：張勇(1972-)，男，江蘇鹽城人，工程師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用與機(jī)電控制。

收稿日期：2015-01-12

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-5322(2015)02-0040-04

doi:10.16018/j.cnki.cn32-1650/n.201502008