基于PLC 的柔性生產(chǎn)線溫度自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（池州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電技術(shù)系，安徽 池州 247000）

近幾年，經(jīng)濟(jì)與科技發(fā)展迅速，人們生活水平逐漸提升，生活產(chǎn)品更新速度逐漸加快，這對(duì)制造業(yè)生產(chǎn)線提出了更高的要求［1］。生產(chǎn)線自動(dòng)化水平?jīng)Q定著其在制造行業(yè)的地位，人們對(duì)產(chǎn)品功能需求的多樣化，使生產(chǎn)線柔性面臨著極高的挑戰(zhàn)。高柔性是生產(chǎn)線適應(yīng)社會(huì)需求、增強(qiáng)自身競(jìng)爭(zhēng)力的必然發(fā)展趨勢(shì)。現(xiàn)今，在工業(yè)自動(dòng)化發(fā)達(dá)國(guó)家，例如美國(guó)、日本、德國(guó)等，柔性生產(chǎn)線應(yīng)用非常廣泛。而相對(duì)來看，我國(guó)柔性生產(chǎn)線研究年限較短，推廣與應(yīng)用范圍較小。在柔性生產(chǎn)線中，核心構(gòu)成部分為測(cè)控系統(tǒng)，是決定生產(chǎn)線效率與自動(dòng)化程度的關(guān)鍵影響因素。而溫度是生產(chǎn)線中至關(guān)重要的物理量之一，直接影響著化學(xué)反應(yīng)速率、空氣流動(dòng)、物理反應(yīng)效果等［2］。若生產(chǎn)線溫度測(cè)控失敗，則極有可能引起生產(chǎn)安全、產(chǎn)品質(zhì)量等多種問題。由此可見，柔性生產(chǎn)線溫度測(cè)控意義重大。

現(xiàn)有柔性生產(chǎn)線溫度自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)存在響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、測(cè)控自動(dòng)化參數(shù)小的問題，故引入PLC設(shè)計(jì)柔性生產(chǎn)線溫度自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)。PLC 是專門應(yīng)用在工業(yè)環(huán)境下的數(shù)字運(yùn)算操作設(shè)備，可執(zhí)行順序控制、邏輯運(yùn)算、計(jì)數(shù)、定時(shí)等操作指令，利用數(shù)字信號(hào)輸入與輸出來實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備或生產(chǎn)過程的控制。PLC 具備可靠性高、編程容易、組態(tài)靈活、功能齊全、安裝方便、運(yùn)行速度快等優(yōu)勢(shì)，引入PLC可提升設(shè)計(jì)系統(tǒng)的溫度測(cè)控性能［3］。

1 柔性生產(chǎn)線溫度自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件主要包括溫度采集單元、PLC 配置單元與溫度控制單元，具體硬件單元設(shè)計(jì)如下所述。

1.1 溫度采集單元

溫度采集單元是設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件中最為關(guān)鍵的組成部分之一，由數(shù)字溫度傳感器、濾波電路與A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成［4］。

1）數(shù)字溫度傳感器

柔性生產(chǎn)線要求熱電偶冷端溫度必須保持在0oC。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，由美國(guó)半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器DS18B20 能夠補(bǔ)償熱電偶冷端，具備補(bǔ)償電路簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確性高等優(yōu)勢(shì)，故采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器作為柔性生產(chǎn)線溫度采集設(shè)備［5］。DS18B20數(shù)字溫度傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 DS18B20數(shù)字溫度傳感器參數(shù)

DS18B20 數(shù)字溫度傳感器的測(cè)量精度能夠通過編程進(jìn)行改變，但是也會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生一定的不利影響，為了滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求，供電方式為外部供電。

2）濾波電路

濾波電路主要是對(duì)數(shù)字溫度傳感器采集信號(hào)中的無用信號(hào)進(jìn)行濾波處理。熱電偶信號(hào)變換較慢，系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用低通濾波［6］。其中，無源器件選擇運(yùn)算放大器OP07，其具備高精度、低噪聲、低成本等優(yōu)勢(shì)，運(yùn)算放大器OP07參數(shù)如表2所示。

表2 運(yùn)算放大器OP07參數(shù)

此單元選擇巴特沃斯型低通濾波器，其能夠極好地抑制工頻干擾。濾波電路示意圖如圖1所示。

圖1 濾波電路

圖1 中，U與U′分別表示濾波電路的輸入電壓與輸出電壓；C615 與C616 表示電解電容。電解電容可以消除電源紋波，提升設(shè)計(jì)系統(tǒng)的抗干擾性能［7］。

3）A/D轉(zhuǎn)換器

A/D 轉(zhuǎn)換器的功能是將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，為信號(hào)后續(xù)處理提供便利［8］。依據(jù)柔性生產(chǎn)線溫度自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)需求，選取MAX197作為系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器，其技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 MAX197A/D轉(zhuǎn)換器技術(shù)參數(shù)

1.2 PLC配置單元

PLC 是柔性生產(chǎn)線溫度控制的關(guān)鍵，依據(jù)規(guī)格分為4 種系列，分別為小型、中小型、中型與大型。依據(jù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的容量需求，選擇中型S7-300PLC作為系統(tǒng)溫控器件。S7-300PLC具備處理速度快、掃描周期短、功能豐富、尺寸小、配置靈活、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，由電源、CPU、接口以及信號(hào)子單元構(gòu)成，具體配置情況如下所述。

電源子單元為直流+24 V 電源，為PLC 提供動(dòng)力，同時(shí)也供通信單元使用，還可以保護(hù)系統(tǒng)避免雜波與噪聲的影響，將子單元輸入與輸出進(jìn)行有效地隔離。

CPU子單元是PLC的核心部分，負(fù)責(zé)程序分擔(dān)處理與通信任務(wù)，能夠提升系統(tǒng)的運(yùn)算能力，為程序定制提供便利。選取315-2PN/DP作為該單元的CPU，其模擬I/O 通道數(shù)量為128個(gè)，可以組成32種模塊。

接口子單元的功能為連接拓展機(jī)架與中央機(jī)架，拓展CPU 子單元［9］。需要注意的是，接口數(shù)量必須是雙數(shù)，且發(fā)送接口與接收接口是對(duì)等的。

信號(hào)子單元功能是輸入與輸出信號(hào)，使其與PLC 內(nèi)部信號(hào)電平匹配，是實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)線溫度自動(dòng)化控制的關(guān)鍵。模擬量處理程序如圖2所示。

圖2 模擬量處理程序

1.3 溫度控制單元

溫度控制單元由控制處理器、H 橋功率放大器、半導(dǎo)體制冷器、光電隔離、低通濾波器等組成［10-11］。在柔性生產(chǎn)線溫度控制過程中，誤差小、精度高、噪聲低是此單元設(shè)計(jì)的要求，而實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)主要取決于溫度控制電路設(shè)計(jì)。由于偏度的限制，此研究只針對(duì)H 橋電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體示意圖如圖3所示。

圖3 H橋電路

2 柔性生產(chǎn)線溫度自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

以設(shè)計(jì)硬件單元為依據(jù)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件模塊主要包括溫度信號(hào)處理模塊、PLC 控制程序模塊與越限報(bào)警設(shè)計(jì)模塊。

2.1 溫度信號(hào)處理模塊

利用溫度采集單元采集柔性生產(chǎn)線溫度信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理，具體處理過程如下所述。

溫度由熱電偶模擬信號(hào)獲取，并通過電動(dòng)勢(shì)補(bǔ)償法計(jì)算［12］。熱電偶產(chǎn)生熱動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式為

依據(jù)式（2）中E()t,t0的結(jié)果，在熱電偶分度表中查找對(duì)應(yīng)溫度數(shù)值。由于柔性生產(chǎn)線溫度限制為100oC，故給出部分熱電偶分度表如表4 所示。

表4 部分熱電偶分度表

由于數(shù)字溫度傳感器自身具備一定的脆弱性，導(dǎo)致溫度信號(hào)中存在一定的噪聲，故分析溫度控制電路噪聲，并采用低通濾波對(duì)其進(jìn)行去除，為溫度控制程序的制定提供精確的數(shù)據(jù)支撐［14］。

在占空比為0.8%的情況下，溫度控制電路輸出最小電流為240 mA，則TEC輸入端誤差電流為

式中，δ光表示H橋電路誤差；δLC表示濾波器誤差。

2.2 PLC控制程序模塊

柔性生產(chǎn)線溫度自動(dòng)化控制較為復(fù)雜，并且控制邏輯需要重復(fù)多次引用，故PLC控制程序應(yīng)該具備簡(jiǎn)便與結(jié)構(gòu)化等特征［15］。

PLC 控制程序組織塊具備不同的優(yōu)先級(jí)，如表5所示。

表5 PLC控制程序組織塊優(yōu)先級(jí)

依據(jù)表5 組織塊優(yōu)先級(jí)設(shè)置情況，制定PLC 控制程序的順序：①設(shè)計(jì)系統(tǒng)初始化；②采集柔性生產(chǎn)線溫度；③模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換；④閥門溫度控制；⑤變頻器通訊；⑥溫度報(bào)警；⑦實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)化測(cè)控。

2.3 越限報(bào)警設(shè)計(jì)模塊

在柔性生產(chǎn)線作業(yè)過程中，若溫度超出環(huán)境或者產(chǎn)品所能承受的最大值時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)報(bào)警程序，通知管理人員暫停生產(chǎn)線或者對(duì)其進(jìn)行修理。由此可見，超限報(bào)警設(shè)計(jì)模塊是系統(tǒng)必不可少的模塊，也是保障生產(chǎn)線安全的關(guān)鍵［16］。

輸出溫度數(shù)值計(jì)算公式為

式中，ΔI表示由電流誤差帶來的溫度誤差數(shù)值。越限報(bào)警規(guī)則表達(dá)式為

式中，k表示硬件單元輸出溫度數(shù)值；ξ*表示柔性生產(chǎn)線溫度限值。

通過上述系統(tǒng)硬件單元與軟件模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了柔性生產(chǎn)線溫度自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行，為生產(chǎn)安全、產(chǎn)品質(zhì)量提供更加有效的保障。

3 系統(tǒng)性能仿真測(cè)試

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備選取

上述過程實(shí)現(xiàn)了柔性生產(chǎn)線溫度自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是否能夠解決現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問題，故選取仿真設(shè)備，設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)選取仿真工具與MATLAB 的SIMULINK仿真環(huán)境，并結(jié)合STEP7 編程軟件，模擬S7-300PLC 功能，以此來實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)線溫度自動(dòng)化測(cè)控仿真實(shí)驗(yàn)。

另外，選取數(shù)據(jù)采集卡收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，方便后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。數(shù)據(jù)采集卡結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集卡結(jié)構(gòu)

3.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

為了保障實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，需要對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)置。通過現(xiàn)有文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，濾波器輸出電流紋波值會(huì)極大地影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取，為此，需要分析濾波器輸出電流紋波值，以便對(duì)其進(jìn)行剔除處理。濾波器輸出電流紋波值數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 濾波器輸出電流紋波值數(shù)據(jù)

依據(jù)表6 數(shù)據(jù)對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行處理，保障溫度信號(hào)的精確性。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

依據(jù)上述選取的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和設(shè)置的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，通過系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間和測(cè)控自動(dòng)化參數(shù)反映系統(tǒng)性能。

3.3.1 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間分析

系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間越短，表明系統(tǒng)測(cè)控性能越好。該實(shí)驗(yàn)指標(biāo)容易受到噪聲的影響，故分別在噪聲50 dB 與100 dB 環(huán)境下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)表

由表7 可知，隨著噪聲環(huán)境強(qiáng)度的增加，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。在50 dB 噪聲環(huán)境下，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間范圍為8.95 ms～10.23 ms；在100 dB噪聲環(huán)境下，設(shè)計(jì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間范圍為15.00 ms～17.74 ms，均低于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值。

3.3.2 測(cè)控自動(dòng)化參數(shù)分析

測(cè)控自動(dòng)化參數(shù)越大，表明系統(tǒng)測(cè)控性能越強(qiáng)。通過仿真實(shí)驗(yàn)得到測(cè)控自動(dòng)化參數(shù)數(shù)據(jù)如表8所示。

表8 測(cè)控自動(dòng)化參數(shù)數(shù)據(jù)

由表8 可知，設(shè)計(jì)系統(tǒng)測(cè)控自動(dòng)化參數(shù)范圍為18.45～25.46，均高于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值相比較，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間較短，測(cè)控自動(dòng)化參數(shù)較大，充分表明了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的溫度測(cè)控性能更好。

4 結(jié)語

此研究將PLC 應(yīng)用于柔性生產(chǎn)線溫度的自動(dòng)化測(cè)控中，極大地降低了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，提升了測(cè)控自動(dòng)化參數(shù)，為柔性生產(chǎn)線的發(fā)展與應(yīng)用提供更好的幫助。