基于PLC的涂料配料控制系統(tǒng)設計與應用

康慶陽，吳明亮，吳明永

(1.蘭州理工大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730050)(2.蘭州城市學院培黎石油工程學院，甘肅 蘭州 730070)

涂料產(chǎn)品是為社會經(jīng)濟各個行業(yè)提供裝飾和保護的表面功能性材料。傳統(tǒng)的涂料生產(chǎn)過程基本上都是人工控制，在配料—分散—研磨—調(diào)漆等整個工藝過程中主要憑操作人員的經(jīng)驗來進行控制。整個生產(chǎn)工藝中存在較多的不可控因素，這些對產(chǎn)品質量和穩(wěn)定性產(chǎn)生了很大影響。近年來，我國涂料工業(yè)的工藝水平和生產(chǎn)裝置得到了不斷的改進。大型的涂料企業(yè)在生產(chǎn)工藝上基本上實現(xiàn)了連續(xù)生產(chǎn)和自動控制，生產(chǎn)效率和工作環(huán)境也較傳統(tǒng)的工藝有了很大的提高和改進，但在粉體和液體的配料、計量、輸送上仍以人工稱重后采用真空吸料或人工直接投料為主[1]。產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率有待進一步提高。

隨著涂料產(chǎn)品性能的完善化及其結構的復雜化和精細化，以及功能的多樣化和智能化，多品種和變批量的生產(chǎn)需求，要求現(xiàn)代涂料制造系統(tǒng)表現(xiàn)出更高的靈活性和智能性。想要高效率地生產(chǎn)高質量的涂料產(chǎn)品，不僅需要有好的原材料、配方、生產(chǎn)工藝和檢測手段，更需要一套科學嚴謹?shù)默F(xiàn)代化自動控制系統(tǒng)，如此才能保證產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質量的穩(wěn)定性。本文針對某涂料企業(yè)對自動生產(chǎn)線的需求，設計了一套基于西門子PLC(可編程邏輯控制器)和質量流量計的自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了涂料配料的自動化，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量。從流量計、電液控制閥、輸送泵等主要設備的選型到上位機和下位機的程序開發(fā)，實現(xiàn)了涂料生產(chǎn)線的自動配料的集中控制，最終以丙烯酸涂料為代表，形成不同花色、小批量工業(yè)定制涂料的自動化生產(chǎn)制造系統(tǒng)[2]。

1 工藝流程和系統(tǒng)整體方案

涂料自動配料系統(tǒng)流程如圖1所示。根據(jù)涂料企業(yè)產(chǎn)品的配方設定，本課題設計的基礎單色漿包括黑、白、黃、藍、紅 5種顏色。加注計量系統(tǒng)根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的配方信號，將基礎色漿加注到混勻裝置中，按照涂料原料的配比要求得到目標產(chǎn)品。

1—基礎單色漿；2—樹脂罐；3—溶劑罐；4—加注計量系統(tǒng)；5—混勻裝置；6—自動生產(chǎn)控制系統(tǒng)

液體色漿一般采用流量計計量，通過輸送泵輸送至合成裝置中。為保證計量的準確性，本設計采用科里奧利質量流量計作為計量裝置。該流量計根據(jù)科里奧利原理實現(xiàn)對流體質量的直接測量，具有較高的精度(0.1%～0.2%)，應用范圍廣泛(可測量各種非牛頓流體、漿液、懸浮液、高黏度流體等)，運行可靠穩(wěn)定，能夠提高涂料配料的精度。

由于不同客戶所定制的產(chǎn)品種類不同，因此基礎色漿按樹脂種類劃分也會有很多種。此外為了保證基礎色漿的存儲穩(wěn)定性，就需要在色漿中加入防塵助劑。每一類基礎色漿中鈦白粉的含量以及規(guī)格都必須按照配方加入以確保后續(xù)生產(chǎn)中調(diào)色的準確性。另外，相同種類的基礎色漿中鈦白粉含量會有所不同，以滿足不同產(chǎn)品的生產(chǎn)需要。

2 設備選型

1)質量流量計。系統(tǒng)選用首科實華DMF-1系列質量流量計。質量流量計的管材為316L不銹鋼或哈C合金，測量精度為±0.2%，電源電壓為DC 24V，信號輸出為4～20mA的電流信號或0～10kHz的瞬時流量脈沖信號；另外流量計與控制系統(tǒng)采用RS-485通訊。防爆標志為EXd ib IICT5Gb。

2)輸送設備。其中原料輸送泵選用QBK新型氣動隔膜泵，該型號泵體主要用于泵吸油漆、樹膠、顏料、粘合劑和膠水等，不需要灌引，吸程高達7m，揚程達70m，出口壓力≥0.2MPa。揚程和流量可以通過調(diào)整氣閥的開度實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)(氣壓調(diào)節(jié)在0.1～0.7MPa之間)。

3)控制閥門。控制閥門采用電液閥，控制電壓為DC 24V，控制信號有2組(開關各1組)，防爆等級為EXdIIBT4。通過電液閥門的開度構成閉環(huán)回路調(diào)節(jié)流量的大小，實現(xiàn)精度控制。

4)現(xiàn)場操作臺?，F(xiàn)場操作臺帶有1個急停按鈕、1個電源指示燈，用于現(xiàn)場確認控制系統(tǒng)和泵閥的運行狀態(tài)，并能在緊急情況下關閉泵和電液閥。

5)PLC控制系統(tǒng)。西門子S7-200 PLC控制系統(tǒng)，包括1臺CPU224XP CN、1套8路DO輸出模塊EM222 CN、2套4路模擬量AI輸入模塊EM235 CN。上位機采用MT系列的威綸通觸摸屏，上位機與下位機之間采用RS-485通訊[3]。

3 模糊控制器對流量控制的實現(xiàn)

3.1 模糊控制原理

以模糊集合論、模糊邏輯推理、模糊語言變量為基礎的模糊自動控制是一種計算機數(shù)字控制。從線性與非線性的角度來分類，模糊控制屬于非線性控制的范疇，而且已經(jīng)成為目前實現(xiàn)智能控制的一種重要的手段[4]。

模糊控制根據(jù)系統(tǒng)輸出的偏差和偏差變化情況來決定控制量。PLC模糊控制利用模糊集理論把邏輯控制策略自然語言轉變?yōu)镻LC的知識經(jīng)驗庫和程序。模糊控制的基本結構如圖2所示。

圖2 模糊控制結構

3.2 模糊控制算法

在日常生活中，用戶在選擇涂料顏色時，通常是根據(jù)個人喜好，而不是經(jīng)過一系列的精確計算來完成顏色選擇，因此色彩的選擇不能硬性地規(guī)定各種色彩的配比數(shù)值。在涂料配色時，以紫色漆為例，根據(jù)12色相環(huán)(如圖3所示)，可知紫色漆是由基礎單色漆紅色和藍色以一定比例混合而成，不同的比例混合成不同的紫色。

圖3 12色相環(huán)

在模糊控制算法中，應用模糊集合論概念對紫色的色彩進行處理。根據(jù)12色相環(huán)將紫色分為：“藍色”、“藍紫色”、“紫色”、“紅紫色”、“紅色”。模糊集合論中有隸屬度的概念，對于用戶來說，紫色是用戶想要的顏色，設其隸屬度為1.0，而藍紫色和紅紫色接近用戶所需要的顏色，設其隸屬度為0.5，其余的顏色不是用戶所需要的，設其隸屬度為0,因此紫色的隸屬度函數(shù)如圖4所示。在通常定義的模糊概念中，“藍色”、“藍紫色”、“紫色”、“紅紫色”、“紅色”也應該對應有相應的模糊子集，其隸屬度與紫色的關系如圖5所示。由此，將顏色的模糊色彩分成若干模糊子集，將系統(tǒng)中準確的流量信號模糊化。

圖4 紫色的隸屬度

圖5 紫色的模糊子集隸屬度

3.3 解模糊算法

模糊推理的輸出仍然是模糊量，要控制信號的輸出，則必須按照一定的算法轉化為精確量，即為解模糊。在本文中，要使顏色符合用戶的需求，可依照上文的模糊子集來改變流量信號。具體為：顏色為“藍色”，流量較大，向紅色方向增加(ZRR)；顏色為“藍紫色”，流量較小，向紅色方向增加(ZR)；顏色為“紫色”，流量不變(ZP)；顏色為“紅紫色”，流量較小，向藍色方向增加(ZB)；顏色為“紅色”，流量較大，向藍色方向增加(ZBB)。它與輸出流量信號這個精確量之間的關系如圖6所示。常用的解模糊的方法有最大隸屬度法和加權平均法。最大隸屬度法比較簡潔方便，選擇隸屬度最大者取與其對應的值作為輸出。加權平均法，顧名思義，就是將隸屬度加權平均求值，把求得的值作為輸出。解模糊的過程實際上是數(shù)據(jù)處理的過程，對于擁有大量運算邏輯指令的PLC來說，處理起來非常方便[5]。

圖6 流量信號隸屬度

4 軟件編程

4.1 下位機邏輯關系實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用西門子STEP7編程軟件實現(xiàn)涂料配料中泵和閥門以及流量計的控制。該編程軟件是專門為西門子公司S7-200系列小型機而設計的編程工具軟件，使用該軟件可根據(jù)控制系統(tǒng)的要求編寫控制程序并完成與PLC的實時通信，進行程序的下載與上傳以及在線監(jiān)控。本文主要以STEP7編程軟件編寫質量信號的采集與處理程序為例，簡要說明程序設計過程。在STEP7軟件中選擇大于指令(GT)、小于等于指令(LE)、傳送指令(MOV_R)以及數(shù)據(jù)采集指令(Scale _I _to _R)，設置指令塊中相應的參數(shù)，各程序塊如下所示：

1)配料選擇程序塊。

LD SM0.0

AR> VD3056,1.0

AR> VD3000,VD3028

= M9.2

2)配料數(shù)據(jù)傳送程序塊。

LD SM0.0

AND M19.2

MOVR VD3172,VD3028

MOVR VD3200,VD3056

MOVR VD3228,VD3084

3)配料數(shù)據(jù)采集程序塊。

LD SM0.0

SIR AIW0,VD3340

SIR AIW2,VD3344

最后進行程序的編譯和下載，實現(xiàn)質量信號的采集與處理，并與上位HMI(human machine interface，人機界面)進行實時通信，獲得流量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)配方的設定與修改[6]。

4.2 上位機組態(tài)實現(xiàn)

上位界面采用 HMI組態(tài)軟件EasyBuilder8000(簡稱EB8000)編程。該組態(tài)軟件是臺灣省威綸科技公司開發(fā)的新一代人機界面軟件，該軟件支持USB設備，支持歷史數(shù)據(jù)的查詢、調(diào)用和故障報警等功能，還可以實現(xiàn)HMI之間的互聯(lián)，通過Internet或者局域網(wǎng)對HMI和與HMI連接的PLC等上傳下載程序，維護便利。根據(jù)涂料配料工藝要求可在EB8000中設計出所需要的操作流程畫面、報警畫面、實時趨勢圖、歷史趨勢曲線和歷史數(shù)據(jù)表等，共同完成涂料配料系統(tǒng)的設備監(jiān)控和生產(chǎn)管理。

如圖7所示，HMI監(jiān)控畫面的設計是在組態(tài)軟件EB8000的編輯器中完成的。HMI界面是操作員與下位機程序直接對話的窗口，通過該界面對涂料配料生產(chǎn)線的運行情況進行監(jiān)控。主界面中布置主要設備和關鍵工藝段，將其他設備和配方數(shù)據(jù)置于另一界面中，界面之間可以相互切換[7]。

圖7 HMI監(jiān)控畫面

系統(tǒng)運行時，在配方設定界面中輸入并設定目標顏色的配方數(shù)據(jù)，然后點擊開始配料，觸摸屏通過串行通訊來控制PLC進行各物料的加入配比，質量流量計即可實時顯示加入單色漆的累計質量，并在觸摸屏中顯示，最終通過觸摸屏數(shù)據(jù)報表記錄各原料質量，從而獲得配料數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運行中觸摸屏起到了良好的人機交互作用，大大簡化了配料流程。

5 結束語

涂料配料自動控制系統(tǒng)采用上位界面與下位機相結合的設計方法，實現(xiàn)對涂料配料過程的控制與實時監(jiān)控。該系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試后，工作穩(wěn)定，監(jiān)控數(shù)據(jù)可靠。除了實現(xiàn)一般控制系統(tǒng)的常規(guī)控制功能外，還可以滿足單品種、小批量產(chǎn)品的試制、生產(chǎn)的過程需要，無需對生產(chǎn)控制系統(tǒng)進行調(diào)整。在企業(yè)實際應用后大大降低了工人的勞動強度，規(guī)范了工人的操作，實現(xiàn)了配料作業(yè)環(huán)節(jié)的自動化。

[1] 謝紅輝.全密閉一體化生產(chǎn)裝置在涂料生產(chǎn)中的應用[J].中國涂料,2008,23(4):14-16.

[2] 甘海云.基于PLC的油流量裝置控制系統(tǒng)研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2012.

[3] 吳明永,李菊生,王國偉.基于PLC的沸騰爐燃燒控制系統(tǒng)設計與應用[J].測控技術,2016,35(11):48-51.

[4] 李士勇.模糊控制[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社,2011.

[5] 譚彥彬,陳鋮,曾磊.PLC模糊控制程序設計[J].信息工程大學學報,2010,11(1):79-82.

[6] 西門子自動化與驅動集團.深入淺出西門子S7-200 PLC[M].2版.北京：北京航空航天大學出版社,2005：135-150.

[7] 吳明永,王國偉.基于S7-200PLC的定量灌裝伺服控制系統(tǒng)[J].電氣自動化,2012,34(6):82-84.