基于PLC的全自動(dòng)打料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 偉，王連彪，張廣帥

(青島科技大學(xué)自動(dòng)化與電子工程學(xué)院，山東青島 266061)

0 引言

工業(yè)制藥的打料過(guò)程是一個(gè)高度復(fù)雜的化學(xué)工藝流程，涉及多個(gè)崗位之間的聯(lián)動(dòng)操作。早期打料主要依賴(lài)人工完成查表、啟動(dòng)電機(jī)、調(diào)節(jié)進(jìn)出料閥門(mén)等工作[1]。然而，部分制藥物料具有易揮發(fā)、毒性大、強(qiáng)腐蝕性等特點(diǎn)，一旦人工操作不當(dāng)則會(huì)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)以及個(gè)人安全造成危害。為避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，在調(diào)研分析、論證的基礎(chǔ)上，提出了一種基于可編程邏輯控制器(PLC)和視窗控制中心(WinCC)技術(shù)的集成物料卸車(chē)、車(chē)間打料、超限報(bào)警等功能的全自動(dòng)化系統(tǒng)[2]。考慮到系統(tǒng)信號(hào)較多，為減少?gòu)?fù)雜的配線過(guò)程，方便后期維護(hù)，設(shè)計(jì)1個(gè)PLC主站和9個(gè)分站，每個(gè)分站對(duì)應(yīng)1個(gè)生產(chǎn)車(chē)間的分布式I/O模塊，同時(shí)將信號(hào)線連接到現(xiàn)場(chǎng)建立的分站機(jī)柜，以滿(mǎn)足車(chē)間同時(shí)生產(chǎn)且要量不同的要求。通過(guò)使用PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)[3]，實(shí)現(xiàn)S7-1500和ET200S之間的信號(hào)交互，保證自動(dòng)打料的連續(xù)性、穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

打料系統(tǒng)主要包括卸車(chē)、儲(chǔ)存、輸送3個(gè)階段，如圖1所示。

圖1 打料系統(tǒng)流程示意圖

物料在罐區(qū)入口處卸車(chē)后，通過(guò)卸車(chē)泵的離心作用在管道內(nèi)加速運(yùn)輸，最終流入儲(chǔ)罐。為防止意外情況發(fā)生，使用壓力表、流量計(jì)等設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控物料運(yùn)輸狀態(tài)。根據(jù)各車(chē)間的要量需求，由罐區(qū)往車(chē)間打料，早期的打料系統(tǒng)需要人工實(shí)時(shí)操作與監(jiān)控，不僅成本高，而且容易出現(xiàn)操作失誤。為了改善打料過(guò)程，在現(xiàn)有工藝的基礎(chǔ)上，增加了對(duì)卸車(chē)泵電機(jī)、物料進(jìn)出閥門(mén)的控制，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)打料。

為簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)布局的復(fù)雜性，節(jié)約場(chǎng)地成本，根據(jù)制藥公司的設(shè)施布局，在滿(mǎn)足管路走向要求的基礎(chǔ)上，提出了罐區(qū)自動(dòng)打料設(shè)計(jì)方案，如圖2所示。

圖2 罐區(qū)打料設(shè)計(jì)圖

考慮到部分車(chē)間所需的物料種類(lèi)不同，以車(chē)間作為類(lèi)別點(diǎn)會(huì)造成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的繁瑣。綜合比較后，以物料作為區(qū)分，將打料系統(tǒng)分為罐區(qū)、車(chē)間2個(gè)子系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)環(huán)己烷、液堿、醋酐、氨水、鹽酸、硫酸、甲酸、異丁基苯8種物料在2個(gè)子系統(tǒng)之間的輸送任務(wù)。

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)主要由PLC主站、分布式I/O模塊、工程師站、液位壓力傳感器、氣動(dòng)閥、離心泵等設(shè)備組成，電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

S7-1500 PLC作為控制系統(tǒng)的中心，通過(guò)以太網(wǎng)、PROFINET實(shí)現(xiàn)與工程師站、操作員站、分布式I/O模塊的信號(hào)交互[4]。作為系統(tǒng)上位機(jī)的工程師站負(fù)責(zé)程序編譯與下載，操作員站負(fù)責(zé)打料系統(tǒng)常規(guī)操作，2種站臺(tái)管理權(quán)限不同可以有效保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[5]。

氣動(dòng)閥、離心泵的變頻器通過(guò)光纜連接到就近的分布式I/O模塊機(jī)柜，接收主站PLC發(fā)送的打料控制信號(hào)，依據(jù)物料信息，自動(dòng)完成打料功能，并將開(kāi)關(guān)狀態(tài)等相關(guān)信息實(shí)時(shí)反饋給PLC。

操作員站根據(jù)PLC與液位、壓力傳感器之間的信號(hào)反饋，按照工藝標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)突發(fā)情況采取相應(yīng)操作，如壓力過(guò)大時(shí)，可修改離心泵頻率降低輸送量從而達(dá)到維持壓力穩(wěn)定的目的。

2.1 電氣控制硬件配置

電氣控制硬件配置主要包括機(jī)架、導(dǎo)軌、CPU模塊、24V-DC電源模塊、數(shù)字量(DI)輸入模塊、數(shù)字量(DO)輸出模塊、模擬量(AI)輸入模塊、模擬量(AO)輸出模塊、ET200S模塊、PROFINET以太網(wǎng)通信模塊等。

使用通訊光纜將PLC主站、遠(yuǎn)程I/O分站機(jī)柜和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接組成網(wǎng)絡(luò)。主站CPU的第1個(gè)接口PROFINET IO控制器依據(jù)傳輸協(xié)議TCP/IP實(shí)現(xiàn)與從站ET200S之間的開(kāi)放式通信。為避免通信沖突，建立子網(wǎng)PN/IE_1分配設(shè)備站號(hào)，主站編號(hào)為0，從站編號(hào)為1～9，同時(shí)啟用主站的系統(tǒng)和時(shí)鐘存儲(chǔ)器[6]。

I/O變量分為輸入類(lèi)型和輸出類(lèi)型，其中模擬量輸入模塊選擇4AI-I2線制型號(hào)、輸出模塊選擇2AO-1型號(hào)，數(shù)字量輸入模塊選擇8DI-24VDC型號(hào)、輸出模塊選擇8DO-24VDC/0.5A型號(hào)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信號(hào)控制要求，在一個(gè)ET200S機(jī)架上并聯(lián)多種型號(hào)模塊。分站機(jī)柜如圖4所示。

圖4 分站機(jī)柜實(shí)物圖

2.2 站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

在對(duì)PN/IE_1網(wǎng)絡(luò)連接及設(shè)備硬件配置完成后，需要對(duì)各站網(wǎng)絡(luò)通信地址設(shè)置[7]，如表1所示。

表1 站信息設(shè)置

PLC分配給系統(tǒng)變量地址為I80.0～I(xiàn)106.5、IW0～I(xiàn)W70、Q40.0～Q54.3、QW4～QW14，部分變量名稱(chēng)與地址分配關(guān)系如圖5所示。

圖5 變量關(guān)系分配圖

3 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)包括PLC程序、WinCC界面[8]程序及報(bào)表程序設(shè)計(jì)。

3.1 PLC程序

PLC程序架構(gòu)如圖6所示。

圖6 PLC程序架構(gòu)圖

打料系統(tǒng)的運(yùn)行模式分為手動(dòng)和自動(dòng)。手動(dòng)狀態(tài)下，可實(shí)現(xiàn)卸車(chē)泵、氣動(dòng)閥的開(kāi)關(guān)切換；自動(dòng)狀態(tài)下，在滿(mǎn)足所有打料的前提條件后，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)啟動(dòng)和停止。打料結(jié)束即車(chē)間申請(qǐng)要量滿(mǎn)足后，系統(tǒng)將會(huì)彈出結(jié)束畫(huà)面，提醒操作員及時(shí)觀察現(xiàn)場(chǎng)反饋信號(hào)，確保系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與連續(xù)性[9]。

液位傳感器讀取的模擬量范圍為-32 768～32 767，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)罐、計(jì)量罐高度，使用操作指令SCALE將模擬量轉(zhuǎn)換為十位數(shù)字量，轉(zhuǎn)換公式為

(1)

式中：L為轉(zhuǎn)換后的液位量高度，m；l為讀取的液位模擬量數(shù)值；h為儲(chǔ)罐或計(jì)量罐高度，m。

工藝標(biāo)準(zhǔn)要求流速上下限為0～50 m3/h，流速傳感器讀取的模擬量轉(zhuǎn)為十位數(shù)字量公式為

(2)

式中：v為轉(zhuǎn)換后的物料流速，m3/h；υ為讀取的流速模擬量。

為提高打料系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，使用數(shù)學(xué)指令DIV和MUL將物料衡量標(biāo)準(zhǔn)由m3/h轉(zhuǎn)換為kg/ms，其公式為

(3)

式中m為物料密度，kg/m3。

打料系統(tǒng)接收到要料請(qǐng)求后，執(zhí)行自動(dòng)運(yùn)行模式，當(dāng)流速或壓力超過(guò)設(shè)定高低限值時(shí)，控制室安裝的聲光報(bào)警器會(huì)被觸發(fā)，提醒崗位值班人員，同時(shí)自動(dòng)記錄報(bào)警信息并停止系統(tǒng)運(yùn)行。

3.2 自動(dòng)打料流程

根據(jù)車(chē)間計(jì)量罐的罐號(hào)、物料種類(lèi)，設(shè)計(jì)自動(dòng)打料的控制順序，打料流程如圖7所示。

圖7 自動(dòng)打料流程圖

自動(dòng)打料時(shí)設(shè)置計(jì)量罐中物料的質(zhì)量，然后點(diǎn)擊自動(dòng)打料按鈕。程序會(huì)首先判斷車(chē)間計(jì)量罐液位是否超出額定容量，有一定冗余時(shí)會(huì)打開(kāi)計(jì)量罐進(jìn)料閥以及已選擇儲(chǔ)罐的出料閥；同時(shí)為避免管道壓力過(guò)大造成打料泵故障，將打料泵的泵前閥、泵后閥同時(shí)打開(kāi)。打料系統(tǒng)一般有2臺(tái)或2臺(tái)以上打料泵，這些打料泵互為備用，防止一臺(tái)出現(xiàn)故障需要維修時(shí)影響生產(chǎn)。如果出現(xiàn)緊急情況需要停泵時(shí)，操作人員可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)停止按鈕停止電機(jī)，也可以通知崗位操作人員停止自動(dòng)打料系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)開(kāi)啟電機(jī)后繼續(xù)打料。

3.3 WinCC組態(tài)

上位機(jī)WinCC界面可實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)交互，發(fā)出控制指令并將接收的反饋信號(hào)使用不同顏色控件表示。系統(tǒng)界面主要包括打料界面、登錄界面、液位歷史曲線界面、鳥(niǎo)瞰圖、用戶(hù)管理界面、報(bào)警查詢(xún)界面等[10]。

8種物料單獨(dú)設(shè)置打料界面，可滿(mǎn)足多種物料的同時(shí)要料需求，避免發(fā)生打料沖突。界面中可操作的按鈕包括手自動(dòng)、選罐、選泵、緊急停止、開(kāi)始打料等。硫酸打料界面設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 硫酸WinCC打料界面設(shè)計(jì)圖

登錄、退出按鈕可以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)賬號(hào)的切換。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，根據(jù)崗位職責(zé)的分配，設(shè)置工程師、操作員、管理員3種不同權(quán)限的賬號(hào)，工程師只擁有程序調(diào)試下載的權(quán)限，操作員只擁有監(jiān)視操作權(quán)限，管理員具有最高權(quán)限，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行任何操作。

按鈕發(fā)出控制指令，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接收到信號(hào)并做出相應(yīng)操作，同時(shí)傳感器會(huì)將設(shè)備狀態(tài)反饋給PLC[11]。為了保證信號(hào)交互的真實(shí)性，確?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備已完成操作，WinCC組態(tài)界面需要具備信號(hào)監(jiān)視功能。以硫酸儲(chǔ)罐的出料閥為例，當(dāng)點(diǎn)擊“開(kāi)閥”按鈕時(shí)，如果閥門(mén)開(kāi)到位則指示燈變?yōu)榫G色，相反則變?yōu)榧t色。閥門(mén)監(jiān)視界面如圖9所示。

圖9 閥門(mén)監(jiān)視界面設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)發(fā)生異常情況時(shí)，聲光報(bào)警器被觸發(fā)同時(shí)將異常狀態(tài)信息存入報(bào)警列表，如表2所示。

表2 系統(tǒng)報(bào)警列表

WinCC組態(tài)軟件提供了2種腳本語(yǔ)言C-Editor和VBS-Editor。為調(diào)用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)[12]，創(chuàng)建過(guò)程變量并通過(guò)HMI連接到PLC內(nèi)部變量。過(guò)程變量布爾值發(fā)生變化時(shí)可觸發(fā)VB腳本，將打料信息包括日期、罐號(hào)、批號(hào)、百分?jǐn)?shù)含量、物料名稱(chēng)、車(chē)間罐號(hào)、崗位名稱(chēng)、開(kāi)始打料時(shí)間、結(jié)束打料時(shí)間、開(kāi)始打料量、結(jié)束打料量、實(shí)際打料量等打料信息存入報(bào)表，同時(shí)在工程師端生成EXCEL表格。

4 實(shí)際生產(chǎn)效果及分析

通過(guò)合適的通信端口，將編譯的程序下載到PLC中。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，105車(chē)間向罐區(qū)申請(qǐng)硫酸要量10 000 kg，點(diǎn)擊打料界面的手動(dòng)清零按鈕，輸入打料設(shè)定值，選擇自動(dòng)、硫酸B罐、硫酸b泵，最后點(diǎn)擊打料按鈕。當(dāng)氣動(dòng)閥動(dòng)作且反饋信號(hào)為綠色時(shí)，打料泵才能啟動(dòng)。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)打料時(shí)罐區(qū)和車(chē)間各需要1個(gè)崗位就可以完成打料任務(wù)，人工打料時(shí)需要增加泵房、流量計(jì)、壓力表的崗位；同時(shí)車(chē)間與罐區(qū)采用多層混凝土澆筑，距離較遠(yuǎn)，給通信增加了難度。閥門(mén)關(guān)閉延遲時(shí)，由于地勢(shì)與壓力造成回流現(xiàn)象，造成物料浪費(fèi)。分析可得該系統(tǒng)生產(chǎn)效率比人工高0.2倍左右，節(jié)約物料25%左右，減少用人量3人，同時(shí)具有自動(dòng)報(bào)警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能，實(shí)際應(yīng)用效果良好，符合設(shè)計(jì)要求。

表3 自動(dòng)與人工打料生產(chǎn)對(duì)比情況

5 結(jié)論

通過(guò)PLC程序設(shè)計(jì)以及WinCC人機(jī)界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了罐區(qū)與車(chē)間自動(dòng)打料的過(guò)程監(jiān)視與控制。目前該系統(tǒng)已在工廠投入使用，工人經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可上崗操作，整體打料時(shí)運(yùn)行安全平穩(wěn)，滿(mǎn)足8種物料的打料要求。

實(shí)踐證明，該自動(dòng)打料系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，能夠嚴(yán)格按照設(shè)定的工藝參數(shù)，將質(zhì)量、流量、液位、打料量控制在工藝要求之內(nèi)。在有限的空間中，提高了化工生產(chǎn)效率和產(chǎn)能，降低了人工操作帶來(lái)的誤差。