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技术论坛  PLC技术在洗洁精配料系统中的应用
PLC技术在洗洁精配料系统中的应用2019-12-14

1.1配料系统组成

配料系统采用研华工业PC机作为上位机,西门子S7-300 PLC作下位机,上位机采用 WinCC6.0 SP3编写界面,操作系统为WindowsXP SP2;下位机采用STEP7 5.3 SP3编程。上位机是一 个人机界面(HMI,下位机是配料系统的执行部分。整个自动配料系统电气设备的控制都由这套PLC 系统集中控制,各种现场模拟和数字信号通过PLC 集中处理。PLC通过与上位机的通信,将这些数据采集送入计算机,通过HMI显示出来。操作人员也可以通过上位机发出指令,PLC接收指令后通过一系列编程工作,对信号进行处理后去控制各种操作。PLC采用本地主站连接现场电子秤称重仪表。主站和现场电子秤称重仪表通信采用Profibus-DP现场总线。主站为S7-300 PLC,由电源、CPU、以太网通信模块组成,其CPU模块采用CPU315-2DP,内置支持多点通信的MPI通信。整个配料系统布线简单,结构更合理。上位机与PLC通过以太网接口通信,易于拓展。

12控制软件组成

配料系统SIMATIC WinCC是基于 Windows 32位操作系统开发的人机界面软件系统,配料系统是SIEMENS公司在过程自动化领域中的先进技术和Windows强大功能相结合的产物。配料系统可以满足对监视和控制生产过程以及对生产数据进行归档处理的诸多要求。用WinCC绘制的用户界面,操作简单人机界面良好,可动态显示现场各种设备的运行状态和配料系统运行的各种参数。操作人员还可以根据需要,灵活地控制现场设备启停和更改配料系统的运行参数。为WinCC编写的洗洁精配置主控流程。根据(A)(B)套洗洁精配制所要监测和控制的点数统计,配料系统共计使用:DI通道数130个;DO 通道数101个;AI通道数96个。故为配料系统选择了 S7-300 PLCS7-300 PLC属于西门子系列中档可编程序控制器,具有较强的控制功能和较强的运算能力。配料系统不仅能完成一般的逻辑运算,也能完成比较复杂的三角函数、指数和PID运算。工作速度比较快,能扩展的AIAODIDO模块的数量也比较多。STEP 7通过MPI(多点接口)可以很容易的实现和WinCC的通信连接。

1.3控制原理

1.3.1 PLC程序设计原理

配料系统设计中由于输入输出点数多,程序复 杂,故PLC程序的编写采用结构化编程方法。将整个应用程序划分成若干个FC功能块,通过一个主程序OB1来对这些功能块进行组织和调用。这种方法可以有效地利用一个函数实现一组相同或相近的控制任务,可大大节省程序的开发工作。 所编制的程序具有程序结构层次清晰、部分程序 通用化、标准化、易于程序的修改和调试等优点。 其中:OB1为主程序块;Fl ~ F8为模数转换、变量采集、配方设定、温度控制比较、阀门连锁、报警程序、温度PID控制等控制模块。DB10-DB15为模拟量、参数设定、报警、PID等数据块。程序采用梯形图方式编写PLC程序。

1.3.2称重精度控制

基于Profibus现场总线的使用,由于实现了数字信号的直接传输,改变了原先将电子秤4-20 mA 信号输入PLC的方式,省去了PLC对模拟量信号的A/D转化过程,并且各电子秤之间可就近与一根屏蔽的双绞线总线连接,不仅降低了布线的成本,而且克服了A/D转换精度低的缺陷,有效提高了系统的精度和抗干扰能力与可靠性。

1.3.3温度控制原理

洗洁精配料是一个复杂的过程,温度、色泽、黏 度、pH值等参数的控制直接影响产品的最终质量。 因此各参数都要严格控制在工艺要求的范围内。新产品配方中加入的消毒除菌原料对温度及其敏感,在高于40%:的环境下,该原料除菌杀菌作用将逐步丧失。因此生产过程中对洗洁精温度的控制就成为极为重要的环节。原有系统对洗洁精温度的控制 实际上是采用人工干预的方法,在配料过程中,操作人员如果发现配料储罐显示温度高于或低于设定温度,则手动启动相应的冷却和加热装置,直到实际温度达到设定温度为止。这种方式控制温度调节精度不高,不仅会有明显的滞后,占用较长的配料时间,而且不能满足工艺上对温度控制的要求,影响产品的最终质量。然而,配料过程中存在的许多不确定 因素又使得配制储罐在部分原料加入之后罐体内温度存在不确定性,这就使得洗洁精配置过程中的温度成为一个复杂的被控对象。

该系统通过PID算法来实现对洗洁精温度的控制。在模拟控制系统中,控制器最常用的控制规律是PID控制,其控制原理简单,易于实现,在工业过程中广泛应用。常规模拟PID控制系统由模拟PID 控制器和被控对象组成

PID控制器是一种线性控制器,它根据给定值 与实际输出c(t)构成偏差信号:

e(t) = r(«) -c(f) o

将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线 性组合构成控制量,对被控对象进行控制,故称PID 控制器。

传递函数的形式为:

D(S)=^^=KP+K,+~+KDS

式中: 为比例增益系数,写为积分时间常数,命为微分时间常数。

在计算机控制系统中,使用的是数字PID控制器,数字PID控制算法通常分为位置式PID控制算 法和增量式PID控制算法。位置式PID的标准数字 控制算法为:

8u(k) = KPe(p) + K] Y e(£)+ K^e^k) ~ e(k -1) ]       

式中止为采样序号』= 0,l ,2,…;u(k)为第k次釆 样时刻的输岀值;e)为第k次采样时刻的偏差值; 码为积分系数;月为微分系数。

对式(3)两边同时取一阶后向差分,可得理想 数字PID调节器输出增量:

= Kp(k) +K;e( k) +KD [ Ae(A) -Ae( k- l)]=Ae(/c) +Be(k1) +Ce(k-2) 其中:A Kp(l 繹十牛)= 乏衆)=

由此可得到理想数字PID调节器的位置式递推 算法:

u(k)= u(k-l) +/\u(k)      (4)

增量式算法由于计算机输出的是增量,机器误 动作对配料系统造成的影响小。增量输出只与现时及前2次采样值有关,无需累加运算,不但节省内存和计 算时间,容易获得较好的控制效果,同时还可避免饱 和现象发生。此外机器在进行手动-自动切换时式中:X为数字量对应的模拟量;

ArA/D转换的参考电压;

3FFHAVR单片机ATmegal6具有10位的 ADC,故对应的最大数字量为3FFH

便可得到需要釆集的数据,最终会存放在数组 中,以便后面的处理和显示。

3结论

通过实验表明:AVR USB技术制成的采集卡能够很好地与Lab VIEW相结合,实现数据的采集, 大大降低了开发成本,并且性能比较稳定。此外,将采集卡描述成HID类这样可以不用另外再编写PC机上的驱动程序,而直接可以被 Lab VIEW所控制,大大减少了上位机编程的难度。 造成的冲击小,因此在过程控制中得到了广泛的应用。该配料系统采用的是增量式PID控制算法,很好地 实现了对洗洁精温度的控制。

14系统其他主要功能

1)可以根据生产需要选择不同的原料,改变或 设定各种原料的化学成分和配比,通过自动配料系统实现所选原料按配比下料。

2) 配料系统具有历史数据、曲线的査询、打印、统计、速 查功能。

3)报警功能。

2结束语

自动配料系统的正常运行是洗洁精成品质量稳定的前提条件。该系统投运以来成功完成每年约10万吨洗洁精的生产提高了配料的精确度。该系统运行可靠性能稳定保证了洗洁精质量的稳步提高。

 

 

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