PLC技术在洗洁精自动配料系统中的应用.pdf

8 4 工业仪 表与 自动化装置 2 0 1 0年第 6 期 P L C技 术在洗洁精 自动配料 系统 中的应 用 李晓军 同济大学 电子与信息工程学院， 上海 2 0 0 4 3 6 摘要 以公司洗洁精配制 系统改造项 目为背景， 介 绍 了基 于西 门子 s 7 3 0 0 P L C和组 态软件 Wi n C C在 自动配料 系统 中的应用。解决了改造前配料精度差， 温度控制滞后 ， 质量不稳定等缺点。 实践证明该控制 系统设计合理、 运行稳定可靠， 很好地满足 了洗洁精生产工艺要 求。 关键词 P L C； 配料 系统； s 7 3 0 0 ； Wi n C C 中图分 类号 T P 2 7 3 ． 5 文献标 志码 A 文章编 号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 0 0 6 0 0 8 4 0 4 PLC b a e s d t e c h n o l o g y a n d i t s a p p l i c a t i o n i n a u t o m a t i c d o s a g e s y s t e m L J X i a o j u n C o l le g e o f E l e c t r o n ic a n d l n fi r m a t i o n E n g i n e e r i n g， T o n g j i U n i v e r s i t ， S h a n g h a i 2 0 0 4 3 6 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h e b a c k g r o u n d o f t h e l i q u i d d e t e r g e n t d o s a g e s y s t e m ， t h e s y s t e m ha s b e e n d e s i g n e d a n d i mp l e me n t e d b y t h e u s e o f S i e me n s S 7- 3 0 0 s e r i e s P LC a n d W i n CC． Th e s y s t e m h a s r e s o l v e d t h e p r o b l e ms s u c h a s l o w a c c u r a c y， u n s t a b l e q u a l i t y ． Th i s n e w l i q u i d d e t e r g e n t do s a g e s y s t e m h a v e b e e n l a u n c h e d i n d a i l y p r o d u c t i o n ． Th e o p e r a t i o n r e s u l t s s h o ws t h a t t h i s s y s t e m i s d e s i g n e d r e a s o n a b l y a n d s a t i s fie d t h e r e q u i r e me n t o f t h e l i q ui d d e t e r g e n t d o s a g e p r o c e s s ． Ke y wor ds PL C；d o s a g e s y s t e m ； 7-3 0 0；W i n CC 0引言 1 控制 系统组成及控制原理 洗洁精 自动配料系统是整个洗洁精生产工艺过 程中一道非常重要的工序 ， 配料工序对整个产品的 质量有举足轻重的作用 。自动配料控制过程是一个 多输入 、 多输出系统， 各配料输送装置严格地协调控 制 ， 对重量 、 温度 、 阀门、 泵等及时准确地进行监测和 调节。系统由 P L C与多台电子秤和现场温度 、 压力 仪器仪表 、 阀门、 输送泵等相连。在 自动配料过程 中， 根据配方的要求将主料与辅料按一定 比例配合 ， 由电子秤完成对物料的计量。P L C主要控制整个配 料过程的有序进行 ， 并对输送设备秤量过程进行实 时控制 ， 完成对系统的故障检测、 显示及报警等 。系 统解决了改造前配料精度差 ， 温度控制滞后 ， 质量不 稳定等缺陷 ， 从而进一步提高了洗洁精产品的质量 和生产效率。 收稿 日期 2 0 1 0 0 7 ～1 7 作者简介 李晓军 1 9 7 4 ， 男 J 海人， 学 士学位， 同济大学硕 { 研究生 ， 目前供职于上海和黄 白猫有限公 司生产 支持部。曾参与公 司多个车间 自动化项 目改造 ， 并且有很长时 间现 场安装 、 涮试 、 使用 维护经验 ， 在多年的工作实践中 ， 为现场 自动化工控设 备 、 仪器仪表 的正常运转解决了许多实际的问题 1 ． 1 控 制系统组成 该系统采用研华 多媒体 工业 P c机作 为上 位 机 ， 西 门子 s 7 3 0 0 P L C作下 位机。上位 机采 用 Wi n C C 6 ． 0 S P 3编写界面 ， 操作系统为 Wi n d o w s X P S P 2 ； 下位机采用 S T E P ／ 5 ． 3 S P 3编程。上位机是一 个人机界面 HMI ， 下位机是控制系统的执行部分。 整个 自动配料 系统 电气设 备的控制都 由这套 P L C 系统集中控制 ， 各种现场模拟和数字信号通过 P L C 集中处理 。P L C通过与上位机的通信 ， 将这些数据 采集送人计算机 ， 通过 HM I 显示出来。操作人员也 可以通过上位机发 出指令 ， P L C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 。 P L C采用本地主站连接现场电子秤重仪表。主站和 现场电子秤重仪表通信采用 P r o fi b u s D P现场总线。 主站为 S 7 3 0 0 P L C， 由电源 、 C P U、 以太网通信模块 组成 ， 其 C P U模块采用 C P U 3 1 5 ～ 2 D P ， 内置支持 多 点通信的 M P I 通信 。整个系统布线简单 ， 结构更合 理。上位机与 P L C通 过以太 网接 口通信 ， 易于拓 展。洗洁精 自动配料系统硬件平台原理图如图 1所 不 2 0 1 0年第 6期 工业仪 表与 自动化装置 8 5 图 1 洗 洁精 自动配料系统硬件平台原理图 1 ． 2 控 制软件 组成 S I MA T I C Wi n C C是基于 Wi n d o w s 3 2位操作系 统开发 的人机界面软件 系统 ， 它是 S I E ME N S公 司 在过程 自动化领域 中的先进技术 和 Wi n d o w s强大 功能相结合 的产物 。它可 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 Wi n C C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 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 和更改系 统 的运 行 参数 。图 2为 Wi n C C编写的洗洁精配置主控流程 图界 面 。 图 2 洗 洁精 A 套配置 主控流程 图 根据 A 、 B 套洗洁精配制所要监测和控制 的点数统计 ， 系统共计使用 D I 通道数 1 3 0个 ； D O 通道数 1 0 1个 ； A I 通道数 9 6个 。故 为系统选择 了 s 7 - 3 0 0 P L C 。s 7 3 0 0 P L C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。它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 P I D运算。工作速度 比 较快 ， 能扩展的 A I 、 A O、 D I 、 D O模块 的数量也 比较 多 。S T E P 7通过 M P I 多点接 口 可以很容易 的实 现和 Wi n C C的通信连接 。 1 ． 3控 制原 理 1 ． 3 ． 1 P L C程序设计原理 8 6 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 0年第 6期 在系统设计 中， 由于输入输 出点数多 ， 程序复 杂 ， 故 P L C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 F C功能块 ， 通过一个 主程序 O B 1 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 1 o - q 1 ． 1 - O 通用化 、 标准化 、 易于程 序的修改 和调试等优 点。 其 中 O B 1为主程序块 ； F I～F 8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 P I D控制等控制模块。D B 1 0一D B 1 5为模 拟量、 参数设定 、 报警 、 P I D等数据块 。程序采用梯 形图方式编 写 P L C程序 。图 3为 P L C程 序梯形 图 。 图 3 P L C程序梯形图 1 ． 3 ． 2 称重精度控制 ． 基于 P r o fi b u s 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～ 2 0 m A 信号输人 P L C的方式， 省去了 P L C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 、 p H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4 O ℃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 ， 占用较长的配料时问， 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 P I D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 P I D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 P I D控制系统 由模拟 P I D 控制器和被控对象组成 ， 原理框 图如图 4所示。 图 4模拟 P I D控制系统原理框 图 P I D控 制器是一种线性控制器 ， 它根据给定值 r t 与实际输出 C t 构成偏差信号 e t r t 一 C t 。 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 P I D 控制器。 P I D控制规律为 k e ] 1 传递 函数的形式为 2 0 1 0年第 6期 工业仪表与 自动化装置 8 7 K e 十 K I 十 了 1 s 2 式 中 K e为 比例增益系数 ， 为积分 时间常数 ， 为微分时间常数 。 在计算机控制系统 中， 使用 的是数字 P I D控 制 器 ， 数字 P I D控制算法通 常分为位置式 P I D控制算 法和增量式 P I D控制算法。位置式 P I D的标准数字 控制算法为 “ K p e p ∑e K o E e k 一 e k 一 1 ] 3 式中 k为采样序号 ， k 0， 1 ， 2 ， ⋯； u k 为第 k次采 样时刻的输 出值 ； e 为第 次采样时刻的偏差值 ； ，为积分系数 ； 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 P I D调节器输出增量 Au k K A e k 十 e k K 。 [ △ e k 一 A e k 一 1 ] A e k B e k 一 1 C e k - 2 造成的冲击小 ， 因此在过程控制 中得到 了广泛 的应 用 。该系统采用的是增量式 P I D控制算法 ， 很好地 实现了对洗洁精温度的控制 。 1 ． 4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 自动配料控 制系统实现所选原料按配比下料。 2 具有历史数 据、 曲线 的查询、 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 1 0万 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。 参 考文献 [ 1 ] 李铁桥 ， 张虹． 计算 机控 制理 论与 应用 [ M] ． 哈 尔滨 其 中 A 十 ， ， 曰一 c 十 ， ， G K e T o 。 网 M ．北 京 机械工业 由此可得到理想数字 P I D调节器 的位置式递推 算法 u u k 一 1 △ “ k 4 增量式算法 由于计算机输 出的是增量， 机器误 动作对系统造成的影响小。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 一自动切换 时 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 钱能． c程序设计[ M] ． 北京 清华大学出版社， 1 9 9 9 ． [ 4] 龚沛曾， 陆慰民 V i s u a l B a s i c程序设计 6 ． 0版[ M] ． 北 京 高 等教 育出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 5 ] 王兆义． 可编 程控 制器 [ M] ． 北 京 机械 工业 出版社 ， 1 9 99． [ 6 ] 工业称 重及 系统 [ Z ] ． 梅 特勒 一 托 利多 常州 称 重设 备系统有限公司 ， 2 0 0 5 ． 上接 第 6 8页 式中 为数字量对应 的模拟量 ； A 为 A ／ D转换的参考电压 ； 3 F F H为 A V R单片机 A T m e g a l 6具有 1 0位 的 A D C， 故对应的最大数字量为 3 F F H。 便可得到需要采集的数据 ， 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 用 A V R U S B技术制成的采集卡 能够很好地 与 L a b V I E W 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 H I D类游戏杆设备 ， 这样可以不 用另外再编写 P C机上的驱动程序 ， 而直接可 以被 L a b V I E W 所 控制 ， 大 大减 少 了上位 机编 程 的难度 。 参考文献 [ 1 ] 黄云江． 基 于 L a b V I E W 的数据 采集 的实现 [ J ] ． 福 建 电脑 ， 2 0 0 8 0 4 1 1 4 9 9 ． [ 2 ] 杨波， 刘延波． 具有 U S B 2 ． 0接口的高速数据采集卡设 计[ J ] ． 单片机及嵌入式系统应用 ， 2 0 0 4 04 5 3 5 6 ． [ 3 ] I S P 1 5 8 1器件手册[ E B ／ O L ] ． 广州周立功单片机发展 有限公司 ， w w w ． z l g m c u ． c o rn． [ 4 ] 杜娟． 基于 H I D类的U S B设备通信程序设计[ J ] ． 中国 水 运 ， 2 0 0 8 1 1 1 3 5 1 3 7． [ 5 ] 孙福文 ． 基 于 A V R U S B接 口的温 度测 量 系统硬 件及 上位机设计 [ J ] ． 电子元器件应用 ， 2 0 0 8 1 0 6 2 6 4 ． [ 6 ] 邵 子 扬 ， 王 育 强 ， 吕益 光． A V R U S B技 术 探 讨 [ E B ／ O L ] ． h t t p ／ ／ w w w ． o H r a v r ． c o m． 2 0 0 2 ． [ 7 ] J E F F R E Y T R A V I S ， J I M K R I N G ．L a b V I E W f n r E v e r y o n e [ J ] ．P e a o n E d u c a t i o n A S I A L T D ．2 0 0 8 ． [ 8 ] 张 伟 ， 刘 红丽． 基 于 L a b V I E V 的温 度测 控 系 统设 计 [ J ] ． 国外 电子元器件 ， 2 0 0 8 1 2 1 9 2 1 ． [ 9 ] 隋红林， 王华． I a b V I E W 下普通数据采集卡的驱动与调用 [ J ] ． 微计算机信息 测控 自动化 ， 2 0 0 9 0 4 1 13 o l O 2 ．