基于數(shù)據(jù)比對的稱重罐漏料監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)

董偉?k趙瑜++胡長霆

摘要：為避免稱重罐漏料事故，保障香料配方安全，通過PLC控制器采集記錄各罐的起始重量，并以此為基礎(chǔ)，運(yùn)用STEP7軟件開發(fā)實(shí)時(shí)重量的數(shù)據(jù)比對模塊，當(dāng)實(shí)時(shí)重量與起始重量的差值超出設(shè)定閾值時(shí)，模塊自動輸出報(bào)警信號。在WinCC開發(fā)平臺上，設(shè)計(jì)HMI人機(jī)交互界面，用于集中顯示各罐重量數(shù)據(jù)和報(bào)警信息。系統(tǒng)運(yùn)行以來，取得了較好的效果，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控稱重罐的重量變化，及時(shí)預(yù)警閥門泄漏現(xiàn)象，從而有效預(yù)防可能引起的配方質(zhì)量事故，減少了原料浪費(fèi)，保障了制絲產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：香料廚房；數(shù)據(jù)比對；漏料；監(jiān)控

中圖分類號：TP277文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1引言

在煙用香精、香料的配制工藝中，根據(jù)配方的不同，往往需要十幾種液體或固體的原料配制，要求各種原料的比例要準(zhǔn)確、穩(wěn)定[1-2]。原料罐通過安裝在下方的稱重傳感器進(jìn)行料液稱重，由氣動閥控制下料過程，經(jīng)過公用管路進(jìn)入成品罐。當(dāng)氣動閥關(guān)閉不嚴(yán)導(dǎo)致泄漏，不但會造成原料的浪費(fèi)，甚至?xí)共粦?yīng)添加的原料泄漏到公用管路，導(dǎo)致配方失控，造成重大質(zhì)量事故[3-4]。為此，設(shè)計(jì)一種基于數(shù)據(jù)比對的稱重罐漏料監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控稱重罐內(nèi)的料液重量，與原始重量進(jìn)行自動比對與判斷，從而及時(shí)預(yù)警因下料閥門漏料引起的質(zhì)量事故，以期減少原料浪費(fèi)，保障香料配方的準(zhǔn)確與安全。

2存在問題

徐州卷煙廠香料廚房各類稱重罐共計(jì)72個(gè)，下料氣動球閥近200個(gè)，從07年使用至今，由于料液粘稠或腐蝕的原因，造成部分閥芯的密封性能下降，易出現(xiàn)關(guān)閉不嚴(yán)的現(xiàn)象，導(dǎo)致原料泄漏。為預(yù)防和減少因泄漏帶來的損失，通過現(xiàn)場調(diào)查和分析，發(fā)現(xiàn)存在以下幾個(gè)問題：

1）由于氣動球閥數(shù)量眾多，管路內(nèi)部的泄漏不易觀察和預(yù)判，從日常點(diǎn)檢中很難發(fā)現(xiàn)問題。另外，閥門密封不嚴(yán)具有偶然性，若對所有閥門進(jìn)行定期更換，勢必造成浪費(fèi)，增加生產(chǎn)制造成本。

2）目前，為檢測這種泄漏現(xiàn)象，常用的手段是在氣動球閥上安裝用于檢測閥門到位信號的接近開關(guān)，或管路上安裝漏料檢測傳感器的方式[5]。其中，接近開關(guān)僅能檢測閥門開啟或關(guān)閉的兩點(diǎn)信號，對于密封失效引起的微小滲漏無從檢測，而漏料檢測傳感器若安裝在每個(gè)料罐下，改造的費(fèi)用較多，若安裝在公用管路上，則無法及時(shí)、有效地檢測具體的漏料罐。

3）由于料液配方含有酒精成分，香料廚房的安全防護(hù)等級要求較高，禁止使用明火和電焊，新增檢測設(shè)備或管路改造的難度較大。

為此，如何在不新增設(shè)備的基礎(chǔ)上，避免增加成本和改造管路，僅依賴現(xiàn)有的檢測元件，實(shí)現(xiàn)對泄漏現(xiàn)象的實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警，是配料生產(chǎn)所迫切需要的。

3硬件配置

香料廚房電控系統(tǒng)采用Profinet工業(yè)以太網(wǎng)集成Profibus DP總線的通訊方式[6]，控制器選用SIMATIC S7 CPU416-2 DP PLC，稱重罐下方安裝梅特勒-托利多MT1260型單點(diǎn)式稱重傳感器，采用懸浮式靜態(tài)稱重方式檢測罐內(nèi)料液重量和料液配制計(jì)量，通過稱重模塊SIWAREX CS將傳感器毫伏信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將實(shí)時(shí)重量數(shù)據(jù)傳輸至PLC中。在圖1香料廚房的硬件組態(tài)中，SIMATIC S7 CPU416-2 DP PLC（含CP443-1 Advanced）作為IO控制器，可以同時(shí)操作Profinet IO系統(tǒng)和Profibus系統(tǒng)。Profinet IO系統(tǒng)用于各控制子站的通訊連接，根據(jù)控制元件分布位置建立兩條Profibus DP總線，用于流量計(jì)、閥導(dǎo)、稱重傳感器的通訊連接。

4技術(shù)方案

本監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)核心是設(shè)計(jì)料液重量的數(shù)據(jù)比對模塊，通過PLC控制器分別采集記錄各料罐在上次配料結(jié)束時(shí)的重量數(shù)據(jù)，作為比對的起始數(shù)據(jù)，以當(dāng)前料液的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和起始數(shù)據(jù)的差值與設(shè)定的閾值比較，當(dāng)差值超出閾值范圍時(shí)，PLC控制器輸出報(bào)警信號，并在HMI人機(jī)交互界面顯示報(bào)警提示。

如圖2所示的監(jiān)控系統(tǒng)流程圖，以1#稱重罐為例，其起始重量為X1，實(shí)時(shí)重量為Y1。當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)，Y1-X1<0，考慮到測量精度、環(huán)境溫度、料液溫度以及罐體抖動等因素的影響，易產(chǎn)生X1、Y1的稱重誤差，為此設(shè)定的閾值S，S為負(fù)值，具體監(jiān)控流程如下：

1）當(dāng)1#稱重罐未下料時(shí)，數(shù)據(jù)比對模塊實(shí)時(shí)比較Y1與X1的差值，若Y1-X1≤S，系統(tǒng)判斷此時(shí)1#稱重罐出現(xiàn)泄漏，及時(shí)發(fā)出報(bào)警提示，并對其他罐的下料任務(wù)進(jìn)行終止，根據(jù)需要對發(fā)生泄漏的管路進(jìn)行清吹。反之，系統(tǒng)判斷1#稱重罐正常，下料任務(wù)繼續(xù)；

2）當(dāng)1#稱重罐下料時(shí)，停止對其進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，在完成下料任務(wù)時(shí)，自動記錄當(dāng)前料液重量，并以此數(shù)據(jù)刷新起始重量X1，用于下一次的數(shù)據(jù)比對。5系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)是制絲生產(chǎn)線的人機(jī)交互平臺，以圖形化方式對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視、控制、調(diào)度和報(bào)警等，并與設(shè)備層和管理層的系統(tǒng)實(shí)時(shí)通訊[7]。本系統(tǒng)的開發(fā)平臺為SIMATIC STEP7 5.4和WinCC 6.0，采用C/S結(jié)構(gòu)，在集中監(jiān)控WinCC服務(wù)器上開發(fā)多用戶項(xiàng)目，通道單元類型為TCP/IP[8]。

5.1重量數(shù)據(jù)的讀取與存儲

首先，通過STEP7軟件新建DB600、DB601數(shù)據(jù)塊，分別對糖料罐和香料罐的起始重量、實(shí)時(shí)重量進(jìn)行存儲，新建用于讀取和記錄重量數(shù)據(jù)的FC600、FC601功能塊。為避免在下料作業(yè)時(shí)氣動閥門的開啟與關(guān)閉動作對稱重計(jì)量的影響，設(shè)定在配料結(jié)束后延時(shí)3秒，采集和刷新相應(yīng)稱重罐的起始重量。

如圖3所示，1#糖料罐的實(shí)時(shí)重量存儲地址為DB13.DBD32，起始重量的存儲地址為DB600.DBD6，為避免下料閥門動作引起的稱重誤差，設(shè)定在配料結(jié)束3秒后，實(shí)時(shí)重量向起始重量賦值[9]。5.2重量數(shù)據(jù)比對

由于糖料的配制有一定的溫度要求，本系統(tǒng)使用的罐體為蒸汽加溫罐，最大容量為500Kg，采用的傳感器非線性參數(shù)為0.02%。而溫度變化對稱重?cái)?shù)值影響較大，冷凝水的排放也將引起重量波動，誤差范圍在±0.5Kg。同時(shí)，考慮到料液重量不同對檢測有效性的影響，分區(qū)域設(shè)定報(bào)警閾值，

即當(dāng)實(shí)時(shí)重量為Y1≥50Kg時(shí)，設(shè)定閾值為-0.5Kg；當(dāng)Y1<50Kg時(shí)，設(shè)定閾值為-0.2Kg。如圖4所示，在糖料未開始配制，1#糖料罐開啟數(shù)據(jù)比對功能，并在實(shí)時(shí)重量與起始重量的差值小于等于閾值時(shí)，系統(tǒng)判斷為發(fā)生泄漏事故，觸發(fā)地址為DB600.DBD328.0的報(bào)警信號。

另外，為保證每次配料前公共管路內(nèi)清潔、無殘料，設(shè)計(jì)在配料前的自動清吹、清洗程序，也可以在處理泄漏事故后手動進(jìn)行。清吹和清洗功能同時(shí)進(jìn)行，清洗延時(shí)2分鐘，清吹延時(shí)3分鐘，最后將清洗水吹掃干凈。

5.3監(jiān)控報(bào)警畫面

香料廚房生產(chǎn)監(jiān)控畫面由SIMATIC WinCC6.0軟件開發(fā)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)漏料監(jiān)控畫面，建立與PLC通訊的罐重量信號、報(bào)警信號等變量標(biāo)簽，分別組態(tài)糖料罐、香料罐的重量數(shù)據(jù)集中顯示界面，能夠直觀顯示各罐實(shí)時(shí)重量、起始重量以及差值，如圖5所示，并設(shè)計(jì)三種報(bào)警提示。

1）彈出窗口報(bào)警：編寫WinCC全局腳本，一旦糖料罐或香料罐發(fā)生泄漏，觸發(fā)報(bào)警變量，立即彈出報(bào)警信息框，提示操作人員注意，如圖5所示。

2）消息欄報(bào)警：通過WinCC報(bào)警記錄編輯器，添加各罐的報(bào)警變量，輸入文字報(bào)警信息，可以在報(bào)警消息欄體現(xiàn)當(dāng)前漏料罐的具體信息。

3）文字閃爍報(bào)警：在重量數(shù)據(jù)集中顯示界面開發(fā)報(bào)警提示信息，使發(fā)生報(bào)警的料罐號文字閃爍，更加醒目直觀的顯示。

6結(jié)論

本系統(tǒng)通過采集記錄稱重罐的起始重量，與實(shí)時(shí)重量進(jìn)行比對，自動判斷和預(yù)警漏料現(xiàn)象，并設(shè)計(jì)罐重量數(shù)據(jù)集中顯示界面及報(bào)警系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控稱重罐的重量變化，及時(shí)預(yù)警閥門泄漏現(xiàn)象，從而避免出現(xiàn)香料配方錯(cuò)誤的安全事故，為保障制絲產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量提供了有力支撐，同時(shí)也減輕了操作和維護(hù)人員的工作壓力。

參考文獻(xiàn)

[1]馬慶文，張勝利，黃曉東.香料配料監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].煙草科技，2011（6）：23-25.

[2]曹琦，何善君，林苗俏，等. 煙草制絲加料加香過程的無辨識自適應(yīng)控制方案[J].煙草科技，2012（4）：16-19.

[3]胡駿，宋晨路，沈錦林.一種適用于配料控制的累積量PID算法[J].材料科學(xué)與工程，2002（4）：517-518.

[4]于建軍.卷煙工藝學(xué)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2003.

[5]郝愛云.卷煙廠香料廚房自動控制系統(tǒng)[D]. 吉林：吉林大學(xué)，2005：32-35.

[6]董偉，李坤.基于WinCC的香料廚房監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2011（10）：23-24.

[7]趙瑞林. 基于Wincc鋼化爐溫度監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].計(jì)算技術(shù)與自動化，2011（1）：54-59.

[8]馬新，王懷杰.基于WinCC的卷煙生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009（25）：60-61.

[9]張蒙生，毋玉蓮，王聚奎，等.制絲線加香加料摻配系統(tǒng)計(jì)量精度的在線校準(zhǔn)[J].煙草科技，2009（3）：30-32.