在食品、化工、石油等行業(yè)中，配料環(huán)節(jié)起著重要的作用，配料工序的質(zhì)量直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。在食品行業(yè)中，各種成分按照一定的比例進(jìn)行添加配制，長(zhǎng)期以來多采用由單片機(jī)構(gòu)成的儀表進(jìn)行控制，由于單片機(jī)組成的儀表抗電磁干擾能力差，在具有強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中，系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到影響，甚至無法正常工作。可編程控制器PLC 是按照直接應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的，因此可編程控制器具有可靠性高、編程簡(jiǎn)單靈活、抗干擾能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。筆者采用小型PLC 為控制器，開發(fā)了通用的控制系統(tǒng)，成功應(yīng)用于食品配料生產(chǎn)中和石油配液中。

1 系統(tǒng)配料工藝過程及控制方案

　　圖1 為配料工藝設(shè)備圖。在工業(yè)配料中其中一個(gè)環(huán)節(jié)是水與粉的均勻混配，人工添加粉到儲(chǔ)料裝置中，通過控制螺旋給料裝置，調(diào)節(jié)給料速度的快慢。在儲(chǔ)料裝置下面安裝有稱量裝置，當(dāng)達(dá)到稱量設(shè)定值時(shí)，電動(dòng)螺旋給料裝置自動(dòng)停止工作。流量計(jì)時(shí)刻檢測(cè)管路中水的流量大小，并且通過變送器將其轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)?？删幊炭刂破鱌LC 實(shí)時(shí)采集流量信號(hào)的大小，實(shí)時(shí)改變電動(dòng)螺旋給料裝置的給料速度，從而保證了動(dòng)態(tài)配液的質(zhì)量，具有較高的配液精度，而且配液均勻。水流量控制采用模擬量控制，水泵的啟動(dòng)停止采用直接接觸器啟動(dòng)的方法。通過可編程控制器的I /O 口連接控制。給料系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，給料精度高，其控制原理圖如圖2 所示。給料控制系統(tǒng)根據(jù)流量大小自動(dòng)計(jì)算出給料量參數(shù)值SV，PLC 系統(tǒng)采用PID 調(diào)節(jié)方法控制變頻器頻率從而控制給料電機(jī)出料量，通過稱量裝置將實(shí)際給料量信號(hào)PV 值與理論值SV 比較后，輸出系統(tǒng)控制量，從而達(dá)到高精度給料的要求。

圖1 配料工藝過程圖

圖2 給料系統(tǒng)控制原理圖

2 硬件系統(tǒng)

　　整套控制系統(tǒng)由可編程控制器、電磁閥、調(diào)節(jié)閥等組成。在系統(tǒng)的控制中，涉及到模擬量控制方法和開關(guān)量控制方法。其中，對(duì)于電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止信號(hào)的控制屬于開關(guān)量控制，而對(duì)于水流量控制屬于模擬量控制，系統(tǒng)采用一款集模擬量和開關(guān)量于一體的可編程控制器，當(dāng)系統(tǒng)采集到流量信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)發(fā)送給可編程控制器，可編程控制器根據(jù)用戶的要求完成相應(yīng)的操作。利用PLC 輸出的電流信號(hào)大小控制變頻器輸出的頻率的大小，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，起到控制電動(dòng)給料裝置給料速度的目的。

　　系統(tǒng)的運(yùn)行情況實(shí)時(shí)反饋到觸摸屏，操作人員通過觸摸屏將實(shí)時(shí)監(jiān)控執(zhí)行狀況，同時(shí)將操作命令發(fā)送給可編程控制器，可編程控制器PLC 按照設(shè)定要求執(zhí)行。該自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框見圖3。

圖3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

　　2.1 PLC 選型

　　整體型PLC是一種超高速集多功能于一身的控制器。它整合了CPM2A 和CJ1系列PLC的優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)置功能，如數(shù)字I /O、高速計(jì)數(shù)、脈沖輸出、模擬輸入輸出。集成的通信網(wǎng)關(guān)功能使之成為第一個(gè)符合Smart Platform 概念的緊湊型PLC。只需一個(gè)連接通過CX-One 軟件包，所有通過以太網(wǎng)、DeviceNet、Mechatro linkⅡ或者串行連接到PLC 的設(shè)備都能被配置、編程和監(jiān)視。

　　從給料系統(tǒng)被控對(duì)象的I /O點(diǎn)數(shù)以及工藝要求、處理速度、程序容量及系統(tǒng)擴(kuò)展性方面的考慮，選用整體型PLC。該機(jī)型具有模擬量輸入輸出模塊繼電器輸出的控制器。具有24 個(gè)輸入點(diǎn)，16 個(gè)輸出點(diǎn)，可擴(kuò)展至320 個(gè)I /O點(diǎn)。

　　內(nèi)置有模擬量電壓/電流輸入4 點(diǎn)和模擬電壓/電流輸出2 點(diǎn)，程序容量20K 步。

　　2.2 觸摸屏選型

　　觸摸式可編程終端由顯示器和觸摸屏系統(tǒng)組成，俗稱觸摸屏，是一種用觸摸方式進(jìn)行人機(jī)交互的人機(jī)界面( Human Machine Interface) 。觸摸屏以卓越的人機(jī)交互功能在工業(yè)領(lǐng)域及人們生活中得到廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)采用NS 系列觸摸屏實(shí)現(xiàn)給料系統(tǒng)設(shè)計(jì)。技術(shù)參數(shù):

　　(1) 電源DC 24 V ± 15%;

　　(2) 畫面存儲(chǔ)容量60 MB，最大3999 畫面;

　　(3) 支持視頻卡，ATA Compact Flash 接口1槽;

　　(4) 顯示顏色256 色。

　　2.3 變頻器選型及其參數(shù)設(shè)定

　　根據(jù)精密給料電機(jī)功率及三相異步變頻電機(jī)相匹配的技術(shù)參數(shù)及負(fù)載情況，選用變頻器。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)精密給料電機(jī)PLC 控制要求對(duì)變頻器參數(shù)設(shè)定如下:

　　(1) B1－01 頻率指令選擇1，即控制回路端子模擬量輸入。

　　(2) B1－02 運(yùn)行指令選擇1，即控制回路端子順控控制。

　　(3) E2－01 額定電流，由實(shí)際電機(jī)額定電流值決定。

　　(4) E2－04 電機(jī)極數(shù)，由實(shí)際電機(jī)極數(shù)決定。

　　(5) H3－09 模擬量輸入選擇3，即4 ～ 20 mA電流信號(hào)輸入。

3 軟件系統(tǒng)

　　3.1 PLC 程序設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的上位機(jī)( 觸摸屏) 和下位機(jī)( 可編程控制器) 之間的通信采用串口RS232C 進(jìn)行，通信協(xié)議采用Toolbus，其中通信參數(shù)設(shè)置為: 波特率9600 ( 標(biāo)準(zhǔn)) ，奇偶校驗(yàn): 奇校驗(yàn)，數(shù)據(jù)位: 8 位，停止位: 1 位。系統(tǒng)軟件控制流程圖如圖4 所示。

圖4 配料控制系統(tǒng)軟件控制流程圖

　　整體型可編程控制器PLC 是一款智能型控制器，該系列PLC 采用具有在線模擬功能的編程軟件編寫控制程序，可以在線修改設(shè)定參數(shù)。不僅可以使用梯形圖和語句表等形式進(jìn)行離線編程，還可以在線修改程序中的變量值，為調(diào)試工作帶來了極大的方便。

　　3.2 觸摸屏程序設(shè)計(jì)

　　自動(dòng)配料系統(tǒng)采用型號(hào)為NS 觸摸屏，利用組態(tài)軟件編寫監(jiān)控程序畫面。組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件具有實(shí)時(shí)多任務(wù)、畫面顯示、豐富的功能模塊、良好的開放性等特點(diǎn)。

　　本系統(tǒng)觸摸屏軟件程序包括登錄畫面、系統(tǒng)主菜單、配方管理畫面、操作畫面及報(bào)警畫面，如圖5所示。畫面之間的切換可以利用系統(tǒng)主菜單實(shí)現(xiàn)，也可以通過子畫面上的按鈕切換。

圖5 給料系統(tǒng)觸摸屏程序結(jié)構(gòu)框圖

　　(1) 登錄畫面。為了提高系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性，為整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)置登錄界面是非常必要的，每次操作者進(jìn)行操作前，輸入操作密碼，即可進(jìn)入操作界面。

　　(2) 系統(tǒng)主菜單畫面。給料系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況，包括配方管理、報(bào)警、流程監(jiān)控等功能，系統(tǒng)登錄后進(jìn)入主菜單，使操作人員一目了然。

　　(3) 配方管理畫面。操作技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，通過配方管理畫面設(shè)定相應(yīng)的給料參數(shù)，給料系統(tǒng)按照配方的要求均勻連續(xù)給料。

　　(4) 操作界面。顯示當(dāng)前給料系統(tǒng)工作狀態(tài)，及儲(chǔ)料罐中料量、手動(dòng)設(shè)定給料速度及啟動(dòng)給料系統(tǒng)。

　　(5) 報(bào)警畫面。主要監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及觸摸屏本身故障報(bào)警，通訊報(bào)警，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)啟動(dòng)報(bào)警。顯示報(bào)警信息，操作技術(shù)人員根據(jù)報(bào)警信息迅速分析故障原因，解決故障。

　　在食品生產(chǎn)的自動(dòng)配料過程中，此控制系統(tǒng)水與粉配比精度達(dá)到1‰，給料速度為0 ～ 2.64 kg /min 均勻可調(diào)，配液速度為0 ～ 2.5 m3 /min，自由設(shè)定。實(shí)現(xiàn)了多個(gè)配液罐之間切換選擇，無人值守自動(dòng)配液，滿足現(xiàn)場(chǎng)工藝要求。

4 結(jié)語

　　自動(dòng)配料控制系統(tǒng)配液均勻，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)采用變頻器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)螺旋精密給料裝置的螺旋速度，結(jié)合高精度電子稱量，實(shí)現(xiàn)了高精度自動(dòng)配液，達(dá)到了全自動(dòng)控制，不需要操作人員繁瑣的操作，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)節(jié)約了勞動(dòng)成本。