基于PLC和Wincc的飼料廠智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹應(yīng)明 顧菊芬

本文針對(duì)現(xiàn)代飼料廠對(duì)控制系統(tǒng)特別是對(duì)配料控制的特殊要求，設(shè)計(jì)了基于PLC和Wincc的飼料廠智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全廠設(shè)備的自動(dòng)控制、狀態(tài)顯示、報(bào)警記錄和數(shù)據(jù)歸檔等功能，特別是應(yīng)用自適應(yīng)控制算法實(shí)現(xiàn)連續(xù)配料控制，很好地解決了現(xiàn)代飼料廠對(duì)全廠控制特別是精確配料的要求。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與配置

根據(jù)全廠及配料工藝控制要求與特點(diǎn)，我們本著“集中管理、分散控制”的原則，采用了西門(mén)子公司S7－300控制器和ET200分布式IO站點(diǎn)，監(jiān)控操作層配置了兩臺(tái)DELL計(jì)算機(jī)作為工程師站和操作員站。如圖1所示，上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與PLC實(shí)現(xiàn)通訊，PLC作為主站通過(guò)Profibus總線與ET200通訊。

圖1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成與配置

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了管理與控制相分離，上位機(jī)用于集中監(jiān)視管理功能，下位機(jī)下放分散到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)分布式控制，上下位機(jī)之間用工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)互連實(shí)現(xiàn)相互之間的信息傳遞。因此，這種分布式的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)提高了控制器處理能力和響應(yīng)速度，為實(shí)現(xiàn)精確控制提供了保證。

2 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控部分采用Wincc6.0組態(tài)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。Wincc的性能、功能和開(kāi)放性均達(dá)到當(dāng)今工業(yè)控制的先進(jìn)水平，它不僅功能強(qiáng)大，易于使用，安全性好，而且全面開(kāi)放，擴(kuò)展靈活，性價(jià)比高，國(guó)內(nèi)外已有相當(dāng)?shù)挠脩艋A(chǔ)。監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)交互界面友好，操作方便，主要實(shí)現(xiàn)流程顯示、手動(dòng)/遠(yuǎn)程控制、狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)定、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)存檔、趨勢(shì)分析、報(bào)警和打印等功能。

圖2 Wincc畫(huà)面——多組份混合配料線

3 控制軟件設(shè)計(jì)

PLC編程工具采用STEP 7V5.3專業(yè)版，編程使用STL語(yǔ)言，STL語(yǔ)言執(zhí)行效率高、可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，這是梯形圖等編程方法所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)工藝流程的要求，實(shí)現(xiàn)如下控制功能。

3.1 進(jìn)料線和傳輸線的順序控制

根據(jù)控制要求，實(shí)現(xiàn)各設(shè)備的啟動(dòng)順序逆物料流向，停止順序順物料流向。啟動(dòng)時(shí)先啟動(dòng)最后一臺(tái)設(shè)備，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間延時(shí)，再依次啟動(dòng)其他設(shè)備。停止時(shí)應(yīng)先停止最前一臺(tái)設(shè)備，待物料運(yùn)送完畢后再依次停止其他設(shè)備。停車時(shí)前后兩臺(tái)設(shè)備之間的時(shí)間差由后一臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行速度和設(shè)備長(zhǎng)度而定。正常運(yùn)行時(shí),只要有一個(gè)倉(cāng)下料位器發(fā)出信號(hào)，該倉(cāng)就按規(guī)定流程進(jìn)料，直到該倉(cāng)上料位器發(fā)出“滿”信號(hào)時(shí)方停止進(jìn)料。在該倉(cāng)進(jìn)料過(guò)程中，其他倉(cāng)即便下料位器發(fā)出無(wú)料信號(hào)也不能啟動(dòng)。為便于操作、維修和調(diào)整，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)都有順序操作、機(jī)旁操作和點(diǎn)動(dòng)啟動(dòng)方式。當(dāng)某臺(tái)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，該臺(tái)設(shè)備及其前面的設(shè)備立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)，而該臺(tái)設(shè)備以后的設(shè)備待運(yùn)完物料后再停止。

3.2 配料控制

多組份配料系統(tǒng)如圖2所示，各飼料組份經(jīng)過(guò)PLC控制的變頻絞龍投入下面的批量秤中，達(dá)到配方要求的重量后放入混合機(jī)混合。下面簡(jiǎn)單介紹應(yīng)用自適應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)精確配料的方法。

3.2.1 連續(xù)配料

圖3 自適應(yīng)配料過(guò)程

如圖3所示，這是正常情況下兩級(jí)連續(xù)配料控制的曲線，分為快速配料、慢速配料和沖量配料三部分。P1為快慢配料切換點(diǎn)，P2為配料斷點(diǎn)即此時(shí)慢速配料結(jié)束，絞龍停止配料，由絞龍下方管道內(nèi)剩余的原料實(shí)現(xiàn)沖量配料?？刂瞥绦虻哪康氖且_認(rèn)在快/慢投料后原料實(shí)際重量在配料秤允許偏差范圍內(nèi)。為了達(dá)到這個(gè)目的，控制器在每次倉(cāng)投料后測(cè)得的兩個(gè)數(shù)值w1和w2，通過(guò)這兩個(gè)數(shù)值可算出實(shí)際原料重量。配料在重量達(dá)到P1之前為快配料，然后速度由v2線性遞減到v1。遞減曲線的斜率(遞減速度)由每個(gè)配倉(cāng)的參數(shù)t1定義。重量達(dá)到P2之后配料停止。設(shè)定時(shí)間t3結(jié)束之后，系統(tǒng)將確認(rèn)實(shí)際重量是否在偏差允許范圍之內(nèi)。

3.2.2 脈沖再配料(見(jiàn)圖4)

如果快/慢連續(xù)投料完成之后原料實(shí)際重量還低于目標(biāo)重量負(fù)偏差，將進(jìn)行脈沖模式再配料。循環(huán)：以速度v1清空配料絞龍（投料速度：慢速），脈沖長(zhǎng)度=t6；秤穩(wěn)定時(shí)間（t3）后，測(cè)試重量，如果沒(méi)有滿足負(fù)偏差則繼續(xù)重復(fù)脈沖配料，但必須在時(shí)間c1之內(nèi)。

3.2.3 配料斷點(diǎn)P2和快/慢速配料切換點(diǎn)P1的優(yōu)化

在快/慢速傳送連續(xù)喂料完成之后，系統(tǒng)將自動(dòng)對(duì)配料斷點(diǎn)和快/慢速配料切換點(diǎn)進(jìn)行修正。

圖4 脈沖自動(dòng)配料過(guò)程

圖5 斷點(diǎn)和切換點(diǎn)修正

圖6 切換點(diǎn)修正

①如果目標(biāo)值（目標(biāo)重量）不等于實(shí)際值（實(shí)際重量），“快/慢速切換點(diǎn)”和配料斷點(diǎn)都必須進(jìn)行修正，如圖5。但為了保證穩(wěn)定有序輸出，每次操作只修正50%的偏差。

配料斷點(diǎn)修正值＝f1×δw(修正值≤c2)；

快/慢速切換點(diǎn)修正值＝f1×δw(修正值≤c2)。

②如果測(cè)得的慢速傳送時(shí)間（t7）不等于目標(biāo)時(shí)間（t1加t2），必須對(duì)“快/慢速切換點(diǎn)”進(jìn)行修正，如圖6。如果t7＜(t1+t2)/4，用測(cè)得的平均值“flowrate”修正。

快/慢速切換點(diǎn)修正值=f1×(t1+t2－t7)×(實(shí)際值/t6)(修正值≤c2)；

如果t7＞(t1+t2)/4，切換重量與修正的目標(biāo)時(shí)間成比例；

快/慢速切換點(diǎn)修正值=w1×f1×(t1+t2－t7)/t7(修正值≤c2)。

4 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)在使用過(guò)程中取得了良好的效果，不僅提高了配料的精度和速度、增加了配方管理的靈活性、降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度而且實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程中的整體優(yōu)化，為生產(chǎn)廠家取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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