田 峰，孔玉洲，張德生

(1.山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，山東 濟南 250103；2. 山東杰控電氣技術(shù)有限公司，山東 濟南 250101)

0 引言

隨著工業(yè)自動化的快速發(fā)展，各大白酒企業(yè)為了保持和擴大優(yōu)勢地位，提高經(jīng)濟效益，搶占市場份額，均在提高企業(yè)品牌效應(yīng)的同時不斷地提高其生產(chǎn)過程的智能化[1]。白酒生產(chǎn)過程中，對酒罐存量、配方勾調(diào)、計量、過濾、輸送、灌裝等環(huán)節(jié)缺乏有效的監(jiān)測和控制，難以保證生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全[2]。針對某白酒企業(yè)提高生產(chǎn)智能化的需求，開發(fā)設(shè)計了一條白酒灌裝生產(chǎn)線，實現(xiàn)了對白酒生產(chǎn)中從勾調(diào)、過濾、輸送、灌裝、貼標、回收等生產(chǎn)全過程的實時監(jiān)測和自動控制。當生產(chǎn)線接到訂單時，勾調(diào)中心按配方勾調(diào)完成后，經(jīng)過濾，輸送至高位罐，再利用灌裝機完成瓶酒灌裝。在灌裝后，高位罐往往會剩余白酒。剩余量較多時，一般經(jīng)輸送線至勾調(diào)中心成品罐存儲，如果剩余量較少或無成品罐可用時，則回收存儲在雜酒罐中。由于雜酒罐中為多種酒品混合的白酒，企業(yè)稱之為雜酒。當生產(chǎn)線接到訂單，訂單尾數(shù)不足以起勾時，在不影響成品酒成分、各項指標檢驗符合要求的前提下，可利用雜酒罐中雜酒勾調(diào)。為此，白酒灌裝生產(chǎn)線上設(shè)計了雜酒回收利用系統(tǒng)。

1雜酒回收利用系統(tǒng)

雜酒回收利用系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 雜酒回收利用系統(tǒng)示意圖

當灌裝時，打開高位罐出酒電控球閥，高位罐中白酒經(jīng)三通閥、流量計至灌裝線灌裝，觸摸屏實時顯示當前流量和累計流量；當回收時，打開高位罐出酒電控球閥，三通閥切換至泵送線路，經(jīng)回收泵、流量計、電控球閥，輸送至雜酒罐或勾調(diào)中心的成品罐。

為了適應(yīng)不同的控制要求，系統(tǒng)在回收到雜酒罐時，具有手動操作和自動操作兩種工作方式。手動方式下，需操作人員通過觸摸屏操作雜酒罐進酒電控球閥，以便雜酒存儲到不同的雜酒罐。自動方式下，系統(tǒng)將根據(jù)雜酒罐中的液位高低，自動開啟液位最低雜酒罐的進酒電控球閥，以實現(xiàn)雜酒罐的均衡使用。

當需要使用雜酒罐中雜酒時，勾調(diào)中心控制系統(tǒng)打開雜酒罐出酒電控球閥(圖中未示出)，經(jīng)輸送線將雜酒輸送到勾調(diào)中心勾調(diào)。

生產(chǎn)線上碎瓶酒由人工收集到雜酒桶，當雜酒桶液位上限報警時，啟動回收泵將雜酒桶內(nèi)雜酒回收到雜酒罐中。

輸送線在使用后，需開啟吹拂閥，利用壓縮空氣清除管路中殘留成品酒。

2控制系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)為白酒灌裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)。主系統(tǒng)中由S7-300 CPU315-2PN/DP作為控制系統(tǒng)主站。雜酒回收利用控制子系統(tǒng)和其他子系統(tǒng)分別作為從站，通過網(wǎng)絡(luò)交換機與主站通信，實現(xiàn)各自的控制功能。

雜酒回收利用控制系統(tǒng)采用西門子S7-200 SMART PLC作為核心控制器，擴展模擬量輸入模塊采集高位罐液位、雜酒罐液位；PLC通過Modbus RTU協(xié)議讀取高位罐出酒流量、雜酒回收流量；上位機采用西門子SMART 700 IE V3觸摸屏實現(xiàn)狀態(tài)顯示、模式切換、閥門開關(guān)及運行過程監(jiān)控等功能[3]，控制系統(tǒng)總體方案如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)總體方案

2.2系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)

設(shè)計中， S7-200 SMART PLC通過以太網(wǎng)與觸摸屏通信監(jiān)控系統(tǒng)運行。高位罐和雜酒罐液位檢測采用E+H靜壓液位計，液位計電流信號送入模擬量輸入模塊處理。高位罐出酒流量和雜酒回收流量，采用Walsn質(zhì)量流量計檢測并基于Modbus RTU協(xié)議和PLC通信。

控制系統(tǒng)主要使用的硬件包括PLC、觸摸屏、開關(guān)電源、液位計、流量計、按鈕、中間繼電器等元器件。主要硬件選型如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)主要硬件選型

3 控制系統(tǒng)PLC設(shè)計

3.1 I/O分配

經(jīng)對控制系統(tǒng)詳細分析，確定系統(tǒng)需要數(shù)字量輸入點數(shù)為24點，數(shù)字量輸出點數(shù)為21點，模擬量輸入點數(shù)為8點，根據(jù)輸入輸出點的數(shù)量，結(jié)合考慮I/O點數(shù)冗余，系統(tǒng)選擇S7-200 SMART CPU ST60為控制器，擴展一塊EM AE08作為模擬量輸入模塊[4]，具體I/O地址分配情況如表2所示。

表2 PLC I/O地址分配表

3.2 PLC程序設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)控制要求及硬件配置，控制系統(tǒng)PLC程序流程如圖3所示。

圖3 PLC程序流程圖

3.2.1 液位數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)

設(shè)計時，考慮到液位變化相對緩慢，沒有必要在每個PLC掃描周期采集液位數(shù)據(jù)。因此，對液位數(shù)據(jù)的采集使用了定時中斷的方式來處理。定時中斷常用來支持一個周期性的活動[5]。程序中，利用定時中斷實現(xiàn)以固定的時間間隔作為采樣周期，對高位罐液位和雜酒罐液位進行采樣。液位計將液位高度轉(zhuǎn)換為4-20mA的電流信號，經(jīng)模擬量輸入模塊AD轉(zhuǎn)換得到對應(yīng)5530-27648之間的數(shù)值，編寫帶參子程序?qū)崿F(xiàn)從模擬量數(shù)值到液位值的轉(zhuǎn)換，其換算公式為：

Ov=[Osh-Osl)*(Iv-Isl)/(Ish-Isl)]+Osl

其中：

Ov—換算結(jié)果

Iv—換算對象

Osh—換算結(jié)果的高限

Osl—換算結(jié)果的低限

Ish—換算對象的高限

Isl—換算對象的低限

PLC液位轉(zhuǎn)換子程序變量表如表3所示。

表3 液位轉(zhuǎn)換子程序變量表

3.2.2 流量數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)

對于流量數(shù)據(jù)的采集，選用了Walsn公司的質(zhì)量流量計，其采用了工業(yè)標準的Modbus協(xié)議。Modbus協(xié)議是一種可靠而有效的工業(yè)控制通信協(xié)議，被眾多的硬件廠商支持并得到廣泛應(yīng)用[6]。設(shè)計中，S7-200 SMART PLC作為Modbus主站，Walsn質(zhì)量流量計作為Modbus 從站，采用Modbus協(xié)議，實現(xiàn)對質(zhì)量流量計中的流量數(shù)據(jù)的讀寫。Modbus通信涉及的流量計參數(shù)地址如表4所示。

表4 Modbus通信涉及流量計參數(shù)地址表

S7-200 SMART PLC使用庫Modbus RTU Master中的MBUS_CTRL指令和MBUS_MSG指令與流量計進行Modbus RTU通信。

MBUS_CTRL指令用來配置Modbus主站的通信參數(shù)，該指令需要在每個掃描周期都被調(diào)用。該指令參數(shù)含義: Mode為通信協(xié)議的類型；Baud為波特率；Parity為校驗位；Port為端口號；Timeout為超時的時間值，單位為毫秒。系統(tǒng)中，各參數(shù)設(shè)置為：波特率9600bps、無奇偶校驗、端口0、超時時間1000ms，程序段如圖4所示。

圖4 Modbus主站初始化

MBUS_MSG指令用于向Modbus從站發(fā)送請求消息以及處理從站返回的響應(yīng)消息。系統(tǒng)中，PLC需要與兩個流量計通信，程序中有多條MBUS_MSG指令，但同一時刻只能有一條MBUS_MSG指令可以處于激活狀態(tài)。為此，在讀取流量計數(shù)據(jù)時，MBUS_MSG指令使用上一條MBUS_MSG指令的Done完成位來激活，以保證MBUS_MSG指令循環(huán)執(zhí)行。圖5為部分程序示例。

3.2.3 與灌裝生產(chǎn)線主站通信實現(xiàn)

S7-200 SMART PLC作為白酒灌裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的從站，需將高位罐、雜酒罐及輸送管道上各類閥門的開關(guān)狀態(tài)、流量、液位等數(shù)據(jù)提供給主站。同時，主站也要實現(xiàn)遠程對各類閥門的操作以及對酒品、酒度等信息的寫入。設(shè)計中，S7-200 SMART PLC從站與S7-300 PLC主站之間通過以太網(wǎng)通信。具體編程實現(xiàn)時，只需在作為客戶機的S7-300主站下編寫通信程序即可，而作為服務(wù)器的S7-200 SMART PLC從站不用編寫通信程序[7]，從站只需規(guī)劃好存儲區(qū)由主站讀取和寫入。經(jīng)對通信的數(shù)據(jù)分析、估算，最終規(guī)劃為主站讀取地址：MB200-MB399，寫入地址：MB400-MB599；從站讀取地址：VB400-VB599，寫入地址：VB200-VB399。S7-300 PLC主站OB1中有關(guān)與本從站通信程序如下：

程序段1：時鐘信號反相

圖5 MBUS_MSG指令循環(huán)執(zhí)行

AN M10.1 //時鐘存儲器位，5Hz時鐘

= M20.0//與M10.1反相，上升沿差100ms

程序段2：讀取回收利用系統(tǒng)PLC數(shù)據(jù)

CALL FB14,DB14//DB14為背景數(shù)據(jù)塊

REQ :=M10.1//上升沿激活數(shù)據(jù)傳輸

ID :=W#16#1//S7連接號

NDR :=M0.1

ERROR:=M0.2//錯誤標志

STATUS:=MW2//狀態(tài)字

ADDR_1=P#DB1.DBX400.0 BYTE 200

RD_1:=P#M400.0 BYTE 200

程序段3：向回收利用系統(tǒng)PLC寫入數(shù)據(jù)

CALL FB15,DB15//DB15為背景數(shù)據(jù)塊

REQ :=M20.0

ID :=W#16#1

DONE :=M10.1//寫操作完成產(chǎn)生一個脈沖

ERROR :=M10.2

STATUS:=MW12

ADDR_1=P#DB1.DBX200.0 BYTE200

SD_1:=P#M200.0 BYTE200

4 人機界面組態(tài)

人機界面裝置是操作人員與PLC之間雙向溝通的橋梁[8]，用來實現(xiàn)操作人員與控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)選用西門子的SMART 700 IE V3 觸摸屏作為組態(tài)監(jiān)控設(shè)備，利用WinCC flexible SMART V3軟件對觸摸屏進行組態(tài)。系統(tǒng)主要包括3個界面：系統(tǒng)狀態(tài)、高位罐操作及狀態(tài)顯示、回酒罐操作及狀態(tài)顯示界面，其中系統(tǒng)狀態(tài)為主界面。

系統(tǒng)狀態(tài)界面顯示高位罐和雜酒罐酒品、酒度、容量、液位高度、灌裝流量、累計流量及雜酒回收流量、各類閥門狀態(tài)等信息。高位罐操作及狀態(tài)顯示界面用于實現(xiàn)對高位罐出酒閥門的操作，閥門狀態(tài)、故障原因、出酒流量累計等信息的顯示。回酒罐操作及狀態(tài)顯示界面用于實現(xiàn)回酒模式選擇、進酒閥門的操作、閥門狀態(tài)、故障原因、雜酒流量累計、泵運行時間等信息的顯示。如圖6所示為人機操作界面。

(a)系統(tǒng)狀態(tài)

(b)高位罐操作及狀態(tài)顯示

(c)回酒罐操作及狀態(tài)顯示圖6 人機操作界面

5 結(jié)語

該系統(tǒng)已投入到企業(yè)生產(chǎn)中，系統(tǒng)在運行過程中，穩(wěn)定可靠高效，降低了資源消耗，提升了產(chǎn)能，滿足了企業(yè)自動化的需求，達到了用戶預(yù)期的效果，為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。