摘? 要: 介紹了糖廠蔗層厚度自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。系統(tǒng)以PLC為控制核心,使用核子秤檢測蔗層厚度,通過控制輸蔗速度實(shí)現(xiàn)碎蔗的均衡輸送。通過上位監(jiān)控程序完成輸蔗的計(jì)量、系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)控和控制參數(shù)的在線設(shè)置。

　　關(guān)鍵詞: 蔗層厚度自動控制? 核子秤? 可編程序控制器PLC? 變頻器控制? 上位監(jiān)控程序

?

　　均衡輸蔗對制糖企業(yè)的生產(chǎn)管理十分重要。這體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是在壓榨機(jī)設(shè)備固定、榨機(jī)轉(zhuǎn)速和滲透水量一定時(shí),送入壓榨設(shè)備的蔗絲是否均衡,影響著甘蔗壓榨的抽出率,對糖廠的經(jīng)濟(jì)效益十分重要;二是很多糖廠將壓榨后的碎蔗直接送入鍋爐燃燒,產(chǎn)生熱能用于發(fā)電和蒸發(fā)、煮煉、分蜜和酒精生產(chǎn)。均衡輸蔗對于全廠均衡穩(wěn)定生產(chǎn)具有重要的意義。

　　要實(shí)現(xiàn)蔗層的均衡輸送,首先要準(zhǔn)確檢測蔗層的厚度。由于壓榨車間空氣中蔗糖分子濃度很高,許多儀器設(shè)備上都粘滿了糖蜜斑塊,用常規(guī)的檢測手段如平層機(jī)、紅外檢測等,測量精度、可靠性和控制效果都不理想。也有人通過檢測切蔗(撕)機(jī)的負(fù)荷電流間接測量蔗層厚度,但由于不同品種甘蔗的纖維組織差異較大,造成切蔗(撕)機(jī)負(fù)荷波動很大,控制效果也差^[1]。因此,迫切需要研制出新的蔗層厚度控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)蔗層的均衡輸送。

1 蔗層厚度自動控制系統(tǒng)硬件組成

　　甘蔗在壓榨前必須經(jīng)過斬切和撕裂,目的是破壞甘蔗柔細(xì)胞,容易壓擠出蔗汁。糖廠通常配備兩條甘蔗輸送和切撕設(shè)備,輸蔗機(jī)是一條長形鏈板式或膠帶式的輸送裝置。在1#輸蔗機(jī)輸送甘蔗的同時(shí),由1#切蔗機(jī)對甘蔗進(jìn)行斬切,斬切后的甘蔗由1#輸蔗機(jī)繼續(xù)輸送、翻轉(zhuǎn),落到2#輸蔗機(jī)。經(jīng)過2#切撕機(jī)后,輸送到壓榨機(jī)進(jìn)行壓榨。壓榨工段通常由五組壓榨機(jī)列構(gòu)成,經(jīng)反復(fù)壓擠、滲透、排汁后,蔗渣被送至打包場或鍋爐燃燒。

　　本系統(tǒng)完成甘蔗喂蔗、破碎和輸送到壓榨機(jī)的整個(gè)過程,硬件組成如圖1所示。選用SIEMENS S7-216可編程序控制器作為系統(tǒng)的控制核心,用兩塊EM231 三路模擬量輸入模塊對模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

?

　　S7-216 PLC內(nèi)部具有4 KW的EEPROM程序存儲器、2.5KW的數(shù)據(jù)存儲器,內(nèi)部布爾指令運(yùn)算速度為0.8μs,I/O端口數(shù)為24路輸入/16路輸出,支持16路模擬量輸入/輸出,具有較強(qiáng)的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算能力,另外帶有兩個(gè)RS485通訊接口。

　　系統(tǒng)中1#、2#輸蔗機(jī)采用SIEMENS的6SE70變頻器驅(qū)動。6SE70本身帶有PID控制功能,由于系統(tǒng)被控量設(shè)定是一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算過程,因此,變頻器的速度由PLC計(jì)算后通過RS485給定。

　　1#切蔗機(jī)、2#切撕機(jī)電流采用電量隔離傳感器采集,傳感器輸出4～20mA電流信號,變換為0～10V電壓進(jìn)入EM231。

日榨量設(shè)定采用精密線繞電位器,5V電壓供電,輸入信號范圍為0～5V。

　　系統(tǒng)采用核子秤測量蔗層。核子秤是一種新型的非接觸型計(jì)量設(shè)備,它利用被測物料對伽瑪射線吸收原理實(shí)現(xiàn)輸送物料的在線相對測量。放射源將伽瑪射線照射到輸送機(jī)上的物料上,射線一部分被物料吸收,其余部分透射到充滿高壓氬氣的電離室內(nèi),使氣體產(chǎn)生電離,產(chǎn)生與射線強(qiáng)度成比例的電流信號,經(jīng)前置放大器放大后,輸出能夠反映輸送機(jī)上物料多少的電流或電壓信號。核子秤在使用前,需要通過實(shí)物標(biāo)定確定K值。

　　核子秤生產(chǎn)廠家通常配套提供計(jì)量系統(tǒng)軟件。在我們的系統(tǒng)中,核子秤除用于計(jì)量外,還用于蔗層流量的自動控制,因此選用核子秤秤體和前置放大器,其測量算法由PLC完成。核子秤前置放大器輸出0～10mA電流信號,轉(zhuǎn)換為0~5V送入PLC的A/D擴(kuò)展模塊。為保證系統(tǒng)的可靠性,所有模擬量信號輸入都采用了隔離、接地和箝位措施。

　　系統(tǒng)根據(jù)操作工設(shè)定的當(dāng)班榨量,通過檢測2#輸蔗機(jī)蔗層厚度,根據(jù)輸蔗速度計(jì)算當(dāng)前蔗絲流量。通過調(diào)節(jié)2#變頻器轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)蔗絲的均衡輸送。根據(jù)榨量設(shè)置和2#輸蔗機(jī)實(shí)際輸蔗速度,按1#輸蔗機(jī)的同步算法,調(diào)節(jié)1#變頻器,改變1#輸蔗速度。在控制過程中,必須保證1#、2#切蔗(撕)機(jī)不能長時(shí)間處于過負(fù)荷時(shí)狀態(tài)。

　　系統(tǒng)通過RS485通訊口與位于監(jiān)控室的上位計(jì)算機(jī)相連,在完成均衡入榨自動控制要求的同時(shí),上位計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)現(xiàn)場的PLC之間處于實(shí)時(shí)的交互通訊狀態(tài)。

2 PLC控制程序

　　PLC控制程序用梯形圖程序進(jìn)行編程,完成自動、手動、閉鎖三種工作方式的處理和與上位機(jī)、變頻器的參數(shù)傳遞及信息交換。

　　在自動方式下,各設(shè)備之間相互聯(lián)鎖,可編程序控制器(PLC)根據(jù)核子秤的檢測電壓,計(jì)算輸蔗機(jī)上的蔗層厚度;根據(jù)變頻器輸出頻率,計(jì)算輸蔗機(jī)的線速度;根據(jù)切撕機(jī)的負(fù)荷電流和給定的榨量,按照控制算法計(jì)算出輸蔗機(jī)的目標(biāo)速度,換算后存入變頻器的通信緩沖區(qū),調(diào)用變頻器通信程序,設(shè)置變頻器的輸出頻率;將當(dāng)前開關(guān)量輸入輸出值、設(shè)定榨量、負(fù)荷電流、輸蔗機(jī)速度、變頻器輸出頻率、核子秤電壓、相應(yīng)的蔗層厚度、流量和累計(jì)榨量值存入上位監(jiān)控機(jī)通訊緩沖區(qū)中。任意一臺設(shè)備發(fā)生故障或異常,故障設(shè)備和其前端設(shè)備將自動停機(jī),并發(fā)出報(bào)警信號。其后續(xù)設(shè)備按照控制邏輯繼續(xù)運(yùn)行,在一定的時(shí)間后自動停機(jī)。

　　在手動方式下,由操作工使用操作臺按鈕控制變頻器的啟/停、加/減速和故障復(fù)位。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)連鎖控制,操作面板的開關(guān)信號不直接連接有關(guān)設(shè)備,而是先接入PLC,由PLC進(jìn)行邏輯判斷后,再輸出到相應(yīng)設(shè)備。

　　在閉鎖方式下,所有被控設(shè)備掉電,以便于對設(shè)備進(jìn)行機(jī)械維修。

　　在自動方式下,由PLC調(diào)用有關(guān)子程序,通過USS協(xié)議完成1#、2#變頻器的起/停、速度設(shè)定控制和故障檢測處理。子程序?qū)⒖刂茀?shù)值、過程控制命令加工成USS協(xié)議格式發(fā)送出去,并設(shè)置發(fā)送標(biāo)志,復(fù)位接收完成標(biāo)志。變頻器的響應(yīng)報(bào)文由PLC采用中斷方式接收后,將1#、2#變頻器狀態(tài)值和當(dāng)前速度存入接收緩沖區(qū),并復(fù)位發(fā)送標(biāo)志,設(shè)置接收完成標(biāo)志。當(dāng)采樣時(shí)間到時(shí),主控程序根據(jù)發(fā)送標(biāo)志和接收完成標(biāo)志,進(jìn)行相應(yīng)的控制處理。

　　由于PLC對變頻器的控制采用USS協(xié)議通信完成,為提高子程序的復(fù)用性,我們按照SIEMENS的USS格式定義了PLC和上位監(jiān)控機(jī)的通信數(shù)據(jù)格式。在自動和手動方式下,PLC采用后臺中斷接收的方式,接收上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)來的采樣命令。將通信命令參數(shù)存入命令緩沖區(qū),由主控程序在下次掃描周期處理,實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的在線修改。同時(shí),根據(jù)命令類型,取出當(dāng)前的控制參數(shù)和開關(guān)量狀態(tài)及模擬量數(shù)據(jù),組織PKW、PZD數(shù)據(jù)塊,構(gòu)成響應(yīng)報(bào)文,發(fā)送出去。

3 上位監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

　　上位監(jiān)控軟件采用DELPHI 開發(fā),運(yùn)行于Windows 98/NT操作系統(tǒng)下,實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的動態(tài)監(jiān)控、控制參數(shù)的在線修改和數(shù)據(jù)管理功能。

　　監(jiān)控程序采用微軟的通信組件MSCOMM32.OCX,按照用戶設(shè)定的監(jiān)控間隔,定時(shí)檢測接收上次PLC的響應(yīng)報(bào)文,獲取諸如輸蔗機(jī)轉(zhuǎn)速、切撕機(jī)負(fù)荷電流、甘蔗流量和榨量統(tǒng)計(jì)值等現(xiàn)場數(shù)據(jù)和被控設(shè)備的工作狀態(tài)信息。同時(shí)向PLC發(fā)送新的采樣命令。

　　根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的需要,在不中斷生產(chǎn)過程的同時(shí),通過上位機(jī)可實(shí)時(shí)地對諸如切蔗機(jī)的上下限報(bào)警參數(shù)、輸蔗機(jī)變比參數(shù)、串級控制參數(shù)、核子秤的物料整定系數(shù)等現(xiàn)場參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,以使控制系統(tǒng)工作于最佳狀態(tài)。為此,上位監(jiān)控程序?qū)⒂脩舻膮?shù)設(shè)置成命令,按照命令隊(duì)列方式進(jìn)行組織,PLC定時(shí)發(fā)送命令時(shí),將用戶命令隊(duì)列數(shù)據(jù)加工為相應(yīng)的命令報(bào)文,與采樣命令一起發(fā)送到PLC。

　　為動態(tài)顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài),我們開發(fā)了有關(guān)動態(tài)顯示組件,如電機(jī)旋轉(zhuǎn)、動圈式儀表、光柱顯示儀、LED、開關(guān)、指示燈、趨勢圖等組件。使用這些組件在上位機(jī)上可動態(tài)顯示當(dāng)前工況。

　　上位監(jiān)控程序使用ACCESS數(shù)據(jù)庫和ADO數(shù)據(jù)庫接口完成數(shù)據(jù)存儲,在ACCESS數(shù)據(jù)庫中定義了下列數(shù)據(jù)表:

　　用戶權(quán)限表 記錄每個(gè)用戶口令、姓名和權(quán)限。

　　班組代碼表 記錄班組名稱代碼、起始結(jié)束時(shí)間。

　　班組工作統(tǒng)計(jì)表 按照班組的起始結(jié)束時(shí)間自動完成每班的榨量統(tǒng)計(jì)。

　　控制系統(tǒng)記錄表 記錄每次采樣的各開關(guān)量數(shù)據(jù)、模擬量數(shù)據(jù)和當(dāng)前流量、榨量累計(jì)數(shù)據(jù),便于事后監(jiān)測和分析。由于數(shù)據(jù)量較大,程序按7天滾動存儲。

　　監(jiān)控程序可以按照用戶要求完成任一日日報(bào)或任意期間的壓榨期報(bào),可按班組、車間層次統(tǒng)計(jì)。

瀏覽控制記錄 可以任選最近一個(gè)周內(nèi)的任一個(gè)小時(shí)間隔內(nèi)控制記錄數(shù)據(jù)瀏覽。

?

參考文獻(xiàn)

1 梁 周.制糖工業(yè)儀表及自動化.輕工業(yè)出版社,1988

2 SIEMENS公司 S7-200可編程序控制使用手冊.SIEMENS公司,1998