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发表人：偶尔路过 |
发表时间：2009/6/18 21:15:00 |
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 发表新论题
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| 本栏论题： |
卷烟配料控制系统的设计与实现 [5594] |
【摘 要】
介绍了以PLC为核心的卷烟配料控制系统的设计。分析了系统配料控制原理及主要功能的实现，阐述了PLC在系统中的应用及其软硬件的设计方法。实践表明，该系统在功能、性能和控制精度上达到或接近国外同类产品的先进水平，投入运行后取得了良好的经济效益。
【关键词】
烟丝生产 配料控制 PLC 触摸屏
【Abstract】The design of control system with PLC as core for cigarette confect is introduced. The elements of confect control and the realizations of main function of the system are analyzed. The application of PLC in the system and the design method of its software and hardware are discussed. The results of application show that the system functions, control performance and precision are close to the advanced level of the same kind of products of the company abroad. It gains a good economic profit after operation.
【Key words】
Production of cut-tobacco; Confect control; PLC; Touch screen
卷烟厂对香烟生产的质量控制，其关键是烟丝成份配比的控制。改变卷烟中叶丝、薄片丝、梗丝、膨胀丝、残丝等的配比，可生产出不同品牌和档次的香烟。烟丝配比的稳定性不仅直接影响到卷烟的吸味，还关系到烟厂的生产效益。所以在烟丝生产过程中，各条配料输送生产线必须严格协调控制，对料位、流量及时准确地进行监测和调节。配料控制系统在线监控点多、采样精度高、逻辑条件复杂，若用一般控制方式设计，系统繁琐，故障率高，性能难以满足工艺要求。为此，宜采用先进的计算机技术和控制理论设计，提高系统的稳定性和可靠性；添加通信功能，实时显示各原料配比的变化趋势及故障报警画面，形成自动检测、控制、监管相结合的一体化系统。
1 系统概述及工作原理
配料控制系统主要由配料输送流水线、高低料位仓监控、配方计量控制、混合搅拌控制及成品仓料位控制等组成。根据生产工艺要求，烟丝成份配料控制和流量计量均由PLC控制。在生产控制过程中，以烟丝主要成份（叶丝）的计量流量为依据，按配方比率掺配其它各料。配方计量控制是计量偏差与变频调速的结合，如图1所示，由PLC、触摸屏、变频器、电子皮带秤等实现。
当秤架上有烟丝流过时，由称重变送器输出一正比于烟丝重量的计量电平信号，经A/D转换成重量码Mp；由旋转编码器发出跟踪皮带速度的脉冲信号，经计数器转换成速度码Mv。再由CPU计算得实时流量Qn=Kn×Mp×Mv及累计产量W=∫Qndt，两值经串口送显示屏显示。实时流量Qn与予置给定流量Qp相比较得配料偏差e=Qp－Qn，经PID调节改变D/A输出接口电平，以控制变频器对输送电机的速度调节，即反向调节Mv值，从而实现定量给料。
各配料同时混合计量，并按配方工艺要求加香、加水等，经均匀搅拌后送烟丝成品柜，以待后用。配料生产控制流程如图2所示。
2 系统技术要求及主要功能
2.1 技术要求
⑴ 各控制秤级联启停，故障自检及应急手动运行，保证正常工作；
⑵ 对配方比率、流量系数Kn、速度系数等进行设定和调整；
⑶ 对生产工艺参数自动记录；
⑷ 计量误差≤±0.5%，高/低速计量误差≤±1%，控制误差≤±1%，配比偏差≤±2%；
⑸ 流量输出信号0～10V或4～20mA任选。
2.2 系统主要功能
⑴ 检测功能 系统能实时检测各配料储柜料位、入口配料重量、输送机速度、烟丝温湿度、操作按钮（开关）状态，故障自检等。
⑵ 控制功能 系统能实现烟丝流量的计量、PID调节，控制变频器输出频率；各配料秤间级联控制；当系统发生故障时，除启动故障报警外，还切换相应设备的工作状态。
⑶ 显示功能 系统具有丰富的显示功能，实时显示检测到的各项工艺参数及工作运行图表，主要包括系统参数设定表、运行参数棒图、流量记录图、配比变化趋势图及故障诊断信息图，方便操作人员了解系统运行工况。
⑷ 诊断功能 系统具有故障自检功能，当系统硬件电路（包括检测、执行元件）损坏、软件运行出错，或电子秤超速、过载、皮重过大时，系统均能给出故障诊断信息，为操作人员提供了直接的故障探查手段，以迅速确定故障点。
⑸ 维护功能 系统可实现自动去皮、自动挂码、自动标定、自动校正端点系数等。利用校准的砝码实际值和测量的带速作为计量基准自动校正计量误差。
3 系统硬件设计
配料控制过程是一个多输入、多输出、滞后特性明显的特定对象，除要求现场生产具备一定工艺条件外，更要求系统硬件配置高可靠。基于系统设计要求，选用A-B公司SLC500系列可编程序控制器为工作主机，并配以相应的接口模块：DI/O模块选用1746-IB16/OW16，AI/O模块为1746-NI8V/NO4V，计数模块为1746-HCSE。该系列PLC采用模块式结构，配置灵活，功能齐全，运行可靠，具有良好的环境适应性和抗干扰能力；且软件编程简单，指令丰富，易于学习和使用。PLC负责配料工艺的算术运算及逻辑控制，包括设备的状态检测、烟丝检测；执行逻辑、算术运算；输出执行指令（参数），完成级联控制、电机速度调节、配料启停等功能。控制系统硬件配置如图3所示。
在人机交互的操作、显示界面上，采用GP370彩显智能触摸屏，实行全程汉化人机对话触摸工作方式，性能稳定，操作灵活。以串行通信方式完成与PLC之间通信，在线运行配比参数设定和信息查询，实现监控配料过程。
烟丝流量检测与配料质量直接相关。检测回路主要由重量传感器、信号放大器、AI模块、速度编码器、计数模块组成。信号放大器采用具有自校准功能、高精密、高性能运放设计，合理运用电磁兼容性、全屏蔽结构设计电路板，具有高稳定、低漂移、输入阻抗高等特性。
对系统的烟丝料位、秤间级联、线路供电、变频器异常等都设有检测保护开关。各检测信号串联，作为PLC启动运行的联锁条件，保证系统在正常条件下工作。
4 系统优化及功能实现
系统设有自动/手动2种控制方式，由选择开关或触摸按钮转换。根据配料工艺要求，以自动控制为主，手动方式仅在应急操作、单秤计量或标定时使用。系统采用了高精度模拟量检测，数字化测速，变频调速，皮带自动纠偏，误差自动校正，触摸屏操作、显示等高新技术设计，实现配料生产的连续计量及稳定控制。若电子秤运行多年出现计量误差时，启用系统维护功能，可实现自动校正。当设备出现故障或工艺参数不正常时，系统给出故障诊断信息，并启动灯光及蜂鸣器报警，且仅当故障排除后，才能有效通过按钮复位报警。系统配料工作时，PLC控制主电控柜上对应状态指示灯亮，触摸屏实时显示各原料配比的变化趋势、瞬时流量、皮带速度及故障报警画面等，方便了操作员对整个配料过程的监视。若生产所需，系统可通过联网与中控室上位机通信，实现集中控制操作。
为提高系统的可靠性，还作了如下优化设计：
（1）烟丝重量检测采用球头拉杆装置，由球头拉杆承载于计量支架与重量传感器间。由于储柜喂料对皮带经常产生颤动及秤架工作运行时的震动，使传感器检测失真。改用垂直受力的拉杆结构后，可减少检测误差。
（2）添加皮带纠偏装置。在秤架两侧安装皮带导轮及跑偏调整托辊，实现皮带运行时自动纠偏，以利于电子秤运行稳定、计量准确。
（3）控制电机选用进口SEW电机，它动态性能好，运行平稳，转矩大，变速反应迅速、准确，有效消除配料因执行机构反应滞后产生的误差。
（4）为抑制电源及变频调速器对控制系统的噪声干扰，采用线路滤波器、隔离变压器及分离开关单独供电。线路滤波器安装时尽量靠近PLC电源，用最短双绞线连接，且将其输入、输出配线分开；变频调速器及其配置的滤波器尽量置于柜体底部，缩短柜内线段，滤波器外壳接地。
（5）对检测开关、PLC I/O信号、重量变送器、速度编码器等采用专用净化电源供电，以提高信号线路的抗干扰能力及整套设备的电磁兼容性。
（6）采取合理的配线方式。控制线路、电源线路和信号线路分别独立配线，且相互间保持一定距离，设法避免长距离平行配线，采取垂直交叉走线方式，以及输入、输出信号线分槽布置。对速度调节、流量计量、测速脉冲等信号采用双绞屏蔽电缆传送，并将信号线屏蔽层一端可靠接地。
5 系统软件设计
5.1 PLC软件设计
根据烟丝各原料在计量运算、配制控制方式上具有一定共性的特点，采用模块化结构方式设计系统控制程序，以提高程序的编程效率和可读性。设计时首先按工艺流程确定配料系统中各运行状态的先后次序及联锁关系；画出PLC各输出信号与输入信号的逻辑、运算关系；再由关系转化为梯形图。该程序分别由烟丝计量、PID运算、过程监控、故障诊断等程序段组成，采用模块化结构方式编制后，程序流程有序、逻辑清晰。烟丝配料过程时间短，条件多，运算复杂，为此，将系统的运行和故障联锁等全部由PLC控制，以提高系统的可靠性；在软件设计中适当添加联锁条件，使各电子秤严格确保相互约束或定时关系；建立合适的状态标志位，并准确应用于各控制状态的设计中；设置识别及处理故障的能力，对系统中的烟丝料位、变频器异常等采用延时确认方式。
5.2 人机交互界面设计
系统人机交互操作、显示界面是基于Windows98环境下设计，选用Digital公司的ProTool软件编程，该组态软件具有较高的稳定性和兼容性，直观的图形界面便于学习和使用。软件编制时以填入式对话建立目标；将功能模块在策略编辑器中按工艺要求所需逻辑将其联接；分别对各功能文档进行配置，即在相应对话框中选择参数，再定制最终的动态显示画面，用于显示设备状态、参数设置、报警信息等。各显示画面可由“主菜单”自由切换，在进入参数设置、配比调整等重要画面前设有口令管理，使合法操作员才可进入对其实时监视，有效防范了系统重要数据的泄密和修改。系统运行主画面如图4所示。
6 结束语
卷烟配料采用PLC控制，可大大减少中间接触部件，简化布线，优化设计，提高系统的可靠性；且操作简单，运行平稳。经全国40余家烟厂使用效果表明该系统设计合理、性能稳定，完全达到用户提出的生产工艺要求。运行多年来，保持低故障率，经济效益和社会效益显著。
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