摘要：配料在许多行业的生产工艺过程中都是非常重要的工序，而现在人工配料已经不能满足现实的需要，因此对自动配料系统的要求越来越迫切；针对这一问题设计开发了基于西门子ＰＬＣ的自动配料控制系统，阐述了控制系统的硬件及软件组成、控制系统的实现等一些重要的技术问题，生产实践证明此自动配料系统运行稳定，操作灵活，能达到工艺要求，有广阔的应用前景。
关键词：自动配料；ＰＬＣ；触摸屏；软件设计
前言：随着我国工业生产自动化水平的不断提高，生产效率和质量也有了大幅度的提升。而PLC是进行科学管理、实现生产过程自动化、安全生产和节能降耗的重要技术手段。其应用已趋于完善，已成功地运用于化工、冶金、航天和煤炭等领域。因此，在设计该配料系统时，采用可编程控制器、变频器等先进控制手段，可提高系统的稳定性和精度。
1 配料系统工艺要求
在配料系统中，配料子系统非常关键，它的主要功能是按照产品生产对各种物料的的需求量来计算、分配、控制各个原料槽口的下料量，从而保证原料的物料平衡和成分组成符合要求。在配料过程中，对控制系统的主要工艺要求如下：
（1）实现各个给料机、皮带秤和集料皮带的单机起停和联动起停，并实现故障联锁；
（2）控制各个配料槽口下料量的配比；
（3）原料配比计算。根据总下料量和各个槽口的配比来计算每个槽口的流量设定值；
（4）流量计算。根据皮带秤的重量检测值皮带速度检测值，来计算一定时间段内的物料平均流量，并以此平均流量作为反馈值来进行PID调节；
（5）故障处理。对实际生产出现频率较高的故障（如堵料、皮带打滑、电机过载）等设置声光报警。要求出现堵料时自动启动料斗上的振动电机，恢复下料后应自动停止。如果长时间（启动震动电机后超过设定时间值）堵料，则应自动启动空气炮清堵；
（6）系统热备。要求系统上位机具有热备功能，即每台上位机可同时对系统的各PLC进行监控；
（7）打印报表。人工打印和定时自动打印报表，包括时报、班报、月报等；
（8）断电电保护。断电电后重新上电时，系统进行初始化复位，确保各台设备均处于停机状态，防止出现人身事故或设备事故。
2工作过程
配料系统由上位机、下位机（PLC）、变频器、料仓、阀门、输料小车、防尘罩等组成。系统共有5个配料仓，每个配料仓均有两个给料机构，各由一台电机及输送螺杆组成。电机的转速决定螺杆转速，螺杆转速决定进料速度的快慢。电机采用变频调速方式，一台变频器控制两个给料机构。每个配料仓下面有一称重传感器，能称出配料仓与内部物料的重量。底部有一个阀门和一个防尘罩，各由电机带动，控制其开关和升降螺杆，并由PLC的输出直接控制电机的正反转。另外，对小车装料定位采用光电开关限位。
3 硬件组成
系统采用西门子Ｓ７－２００型ＰＬＣ作为下位机，用触摸屏作为上位机，二者通过ＲＳ－４８５电缆通讯，共同完成对机械部件的控制。根据系统的控制要求和控制规模，需要的输入点和输出点至少各为１９个，因此选用的ＰＬＣ有２４个输入和１６个输出端口，为满足需要，外加一个具有８路数字量输出的ＥＭ２２２模块，由于ＰＬＣ要向步进驱动器发送高速脉冲，因此选用晶体管输出。
上位机选用威纶触摸屏，该触摸屏能够跟西门子ＰＬＣ实现无缝通讯，具有存储配方的功能，而且具有很强的宏指令功能，可以采用文本语言编程，从而能够将配方存储在触摸屏上，通过宏代码程序方便地向ＰＬＣ传送配方数据。该触摸屏还具有强大的数据显示功能，能够将数据以表格的形式显示在触摸屏上，还可以以Ｅｘｃｅｌ的形式保存到Ｕ盘上，使得数据处理更加方便。
配料系统的其他主要部件有：１６个普通进料电机、１７个限位开关、１个可装电子称的步进电机平台、带串口的电子称、打印机、报警灯、导轨、丝杠、料筒等。系统硬件总体结构如图１所示。
图１ 系统总体结构图
4 软件设计
配料系统的功能包括自动配料、配方数据管理、故障诊断及报警等。配料主控程序由ＰＬＣ完成，配方存储、表格生成、数据导出等由触摸屏完成。配方传送、记录配方修改，记录配料实际值等功能由ＰＬＣ和触摸屏共同完成。
系统采用梯形图语言编程，整个控制系统包括一个主程序，三个子程序和三个中断服务程序。主程序主要包括初始化程序、配料控制程序及配方、数据管理程序，中断程序为ＰＬＣ跟电子称采用自由口通讯的程序，三个子程序为步进电机平台控制子程序，结构如图２所示。
图２ 程序组织结构图
4.1配料流程
电子称固定在由步进电机驱动的主运动平台上，主运动平台沿导轨运动，导轨两侧是送料电机，整个机械结构由ＰＬＣ控制。步进电机驱动主运动平台运动，当到达限位开关后，电子称定位，对应的进料电机启动，将料送到电子称上进行称量，当达到需要的重量时，停止加料；主运动平台继续向前运动，当到达下一个限位开关后停止，然后进行同样的送料动作。当所有的料都配完后，平台返回初始位置，配料完成。配料程序的流程图如图３所示。
图３ 配料流程图
5控制过程
5.1自动配料过程的控制
5.1.1控制要求
利用PLC中PID模块来实现对配料过程的动态控制，模拟量输入为0~5V，模拟量输出为0~10V，控制变频器的频率给定。
5.1.2控制过程
首先要对系统的给定进行整定，因为存在空仓重量，而且利用PID模块进行控制时需要将信号整定至0~1，输出信号也得还原为0~10。在整定过程中首先对上位机给定信号进行变换，对称重传感器传入PLC的当前值也要根据模块的设置和单双极性的选择进行整定。采用中断来控制模拟信号的采集。为了实现配料的快速和慢速控制，刚开始时配料过程全速进行，达到给定的90%以后引入PID控制，进入慢速给料，达到减少误差、快速准确配料的目的。
5.2自动输料的控制
5.2.1控制要求
小车从出发点出发，根据上位机给定的顺序行走，直到把要求的仓料都拉完，然后再回到出发点等待下一道工序。
5.2.2控制过程
通过上位机给定5个顺序控制参数，地址分别为：VW11，VW13，VW15，VW17，VW19，VW21（小车出发点）。当配料结束后，小车开始动作，通过小车目的地和当前位的差值决定其为正向还是反向运行，而且其差值也作为减计数的初始值。
6结语
自动配料系统兼顾了功能和成本，一方面提高了配料效率，提高了配料精度，降低了原料对配料人员的伤害；另一方面，可以适度降低设备的总体造价，为企业节约成本，并取得好的经济效益，具有十分广阔的应用前景。本文具体介绍了基于PLC控制的自动配料系统的设计，代替了传统的机械传动及庞大的控制电器，实现了电气的自动化控制。
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论文作者:崔俊文
论文发表刊物:《基层建设》2019年第17期
论文发表时间:2019/9/11
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