熊晶晶，楊維明，周民，趙明俊，鄭麗群，葉鵬

（湖北大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，湖北武漢430062）

0 引言

為提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和管理水平，飼料生產(chǎn)企業(yè)積極進(jìn)行生產(chǎn)線自動(dòng)化改造.在飼料生產(chǎn)過(guò)程中配料工段是其中最關(guān)鍵的部分，直接關(guān)系到生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品質(zhì)量.傳統(tǒng)的自動(dòng)化配料系統(tǒng)由于對(duì)配料參數(shù)和配料過(guò)程數(shù)據(jù)管理不完善，存在配料效率不高的缺陷；另一方面，傳統(tǒng)配料系統(tǒng)采用常規(guī)的點(diǎn)動(dòng)方式進(jìn)行提前量修正，難以達(dá)到較高的配料精度.根據(jù)飼料生產(chǎn)線的特點(diǎn)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、PLC控制技術(shù)及通信技術(shù)設(shè)計(jì)全自動(dòng)化的計(jì)算機(jī)控制配料系統(tǒng)，采用自學(xué)習(xí)算法及時(shí)對(duì)配料提前量進(jìn)行修正，同時(shí)采用自動(dòng)點(diǎn)動(dòng)的方式提高配料精度，采用任意點(diǎn)排隊(duì)的方式進(jìn)行生產(chǎn)任務(wù)的管理提高配料效率.

1 自動(dòng)配料系統(tǒng)工藝及組成框圖

自動(dòng)配料系統(tǒng)主要由工控上位機(jī)組態(tài)軟件WinCC、下位機(jī)S7-300 PLC、自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備等組成.分機(jī)械和控制兩大部分.機(jī)械部分工藝流程圖如圖1所示，主要由原料料倉(cāng)、原料秤、混合機(jī)等機(jī)械裝置，并配以稱重儀表和各種電動(dòng)機(jī)組成.配料過(guò)程開始時(shí)，根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)中的配方表，對(duì)應(yīng)的原料料倉(cāng)下面的絞龍電機(jī)驅(qū)動(dòng)下料裝置開始下料，稱重傳感器對(duì)原料進(jìn)行稱重，PLC通過(guò)采集稱重儀表值，控制變頻器轉(zhuǎn)速?gòu)亩刂葡铝纤俣龋_(dá)到設(shè)定秤值時(shí)停止下料，并啟動(dòng)下一臺(tái)絞龍電機(jī)開始配下一種原料.重復(fù)上述過(guò)程直至單個(gè)配方中所有原料完成，PLC驅(qū)動(dòng)電機(jī)開啟秤斗門，原料卸至混合機(jī)進(jìn)行攪拌，再根據(jù)配方判斷是否需要加入油脂，攪拌到規(guī)定時(shí)間之后開混合機(jī)門放料，將混合料傳送至下一工段，一次配料過(guò)程完成[1].

圖1 配料系統(tǒng)工藝流程圖

控制部分系統(tǒng)框圖如圖2所示.操作人員首先按照生產(chǎn)任務(wù)的要求，在上位機(jī)組態(tài)軟件WinCC中設(shè)置生產(chǎn)配方、系統(tǒng)參數(shù)及生產(chǎn)參數(shù)，將其傳送給下位機(jī)，下位機(jī)S7-300 PLC將接收到的生產(chǎn)配方及生產(chǎn)參數(shù)存儲(chǔ)到生產(chǎn)數(shù)據(jù)接收區(qū)，將系統(tǒng)參數(shù)存儲(chǔ)到系統(tǒng)數(shù)據(jù)存放區(qū)，并對(duì)接收的配方進(jìn)行校驗(yàn)，將校驗(yàn)結(jié)果返回給上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)接收的校驗(yàn)結(jié)果判斷是否正確傳送配方并下達(dá)開始配料信號(hào)，下位機(jī)接收到開始配料信號(hào)后，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)接收區(qū)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到生產(chǎn)數(shù)據(jù)應(yīng)用區(qū)，系統(tǒng)參數(shù)和生產(chǎn)參數(shù)供當(dāng)前生產(chǎn)中配料倉(cāng)、配料秤、配料油和配料混合模塊使用.通過(guò)PLC調(diào)度程序調(diào)用各個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)配料過(guò)程，配料過(guò)程中將當(dāng)前生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)返回給上位機(jī)顯示，生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)存盤供查詢使用.

圖2 控制系統(tǒng)框圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 上位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 上位機(jī)采用工業(yè)控制組態(tài)軟件WinCC，主要實(shí)現(xiàn)配方的管理及生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控功能.配方管理主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理，生產(chǎn)控制參數(shù)的管理以及生產(chǎn)任務(wù)的管理.基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理包括原料、配方組成等，生產(chǎn)控制參數(shù)的管理主要包括原料倉(cāng)、秤、混合機(jī)等設(shè)備控制過(guò)程中需要的參數(shù)設(shè)置與修改，生產(chǎn)任務(wù)的管理即配方排隊(duì).在配料系統(tǒng)的監(jiān)控過(guò)程中，需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示，并能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，如啟停、自動(dòng)/手動(dòng)等，使操作人員在控制室就能準(zhǔn)確地了解現(xiàn)場(chǎng)的狀況，保證系統(tǒng)工程的順利進(jìn)行，并可以對(duì)突發(fā)情況進(jìn)行防范，從而保證生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品合格率.上位機(jī)系統(tǒng)流程圖如圖3所示.

圖3 上位機(jī)系統(tǒng)流程圖

為滿足不同的工藝要求快速組建監(jiān)控界面的要求，在設(shè)計(jì)監(jiān)控界面時(shí)采用WinCC畫面模版的方式設(shè)計(jì)各部件，然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際快速組建系統(tǒng).使用畫面模板可以避免反復(fù)組態(tài)相同畫面布局的工作，減少項(xiàng)目后期某些細(xì)節(jié)部位的修改而帶來(lái)的工作量.在實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)及應(yīng)用中，經(jīng)常遇到多個(gè)設(shè)備需要顯示相同參數(shù)的情況，可以利用結(jié)構(gòu)變量改變前綴的方法實(shí)現(xiàn)批量創(chuàng)建變量，減少組態(tài)人員的工作量.畫面模板和結(jié)構(gòu)變量配合使用，能夠快速高效的組態(tài)畫面，滿足現(xiàn)場(chǎng)要求.在配料系統(tǒng)中，主要包括原料倉(cāng)單元、原料秤單元、混合機(jī)單元、小料單元、液體添加單元等，如圖1所示.

為保證配料數(shù)據(jù)的可追溯性，本系統(tǒng)中采用微軟SQL數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)來(lái)存儲(chǔ)和管理配料相關(guān)信息和配料過(guò)程數(shù)據(jù)，同時(shí)設(shè)計(jì)良好的查詢界面，實(shí)現(xiàn)用戶不同方式的查詢要求.

2.2 下位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)下位機(jī)采用西門子S7-300系列PLC，由PLC直接控制前端設(shè)備的啟停操作，保證系統(tǒng)可靠的執(zhí)行啟停指令.同時(shí)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)信號(hào)線直接接入PLC，保證運(yùn)行信號(hào)實(shí)時(shí)、可靠地傳到控制系統(tǒng).當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，并作出相應(yīng)處理動(dòng)作.

根據(jù)配料系統(tǒng)的組成特點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)的方法建立各設(shè)備的模型，然后根據(jù)控制要求在主程序中調(diào)度各模塊完成配料控制，如圖2所示.這種系統(tǒng)架構(gòu)在程序的維護(hù)上比較方便，可以根據(jù)功能塊內(nèi)部功能變化或外部制約條件的變化，有針對(duì)性地進(jìn)行修改，既能減輕維護(hù)的工作量，又能提高生產(chǎn)效率.

配料系統(tǒng)中主要功能模塊：

1）配料倉(cāng)模塊：指某種單一品種的配料，它的任務(wù)是按系統(tǒng)的調(diào)度要求將指定倉(cāng)的原料配置到原料秤.在硬件上包括原料倉(cāng)、出倉(cāng)機(jī)、單向蝶閥、上下料位指示燈等.配料倉(cāng)模塊流程圖如圖4所示，其中保存配料前的秤值是由于配料系統(tǒng)采用的是累加秤值顯示，除去第一種原料外，其他得到的稱重儀表實(shí)際值都是幾種原料重量的累加和.在PLC程序中需要單種原料的重量，因此在每種原料開始配料時(shí)，保存當(dāng)前的秤值，再用不斷變化的稱重儀表值減去歷史秤值得到的就是此種原料下料的實(shí)際重量[2].

圖4 配料倉(cāng)模塊流程圖

2）配料秤模塊：根據(jù)配料模式計(jì)算當(dāng)前配料步數(shù)，從配方表里面查詢到當(dāng)前配料步數(shù)對(duì)應(yīng)的下料倉(cāng)號(hào)、理論值，根據(jù)下料倉(cāng)號(hào)循環(huán)調(diào)度對(duì)應(yīng)的配料倉(cāng)模塊并完成放料.通過(guò)與緩存區(qū)的數(shù)據(jù)交互，重復(fù)上述過(guò)程直至所有生產(chǎn)任務(wù)完成.在硬件上包括原料秤、秤門、氣錘等.配料秤模塊流程圖如圖5所示，其中配料總步數(shù)即為當(dāng)前配方中所有原料的種數(shù).

3）配料混合模塊：指以混合機(jī)為核心的混合系統(tǒng)，其任務(wù)是按系統(tǒng)的調(diào)度要求完成原料的混合.在硬件結(jié)構(gòu)上包括混合電機(jī)、混合隔離門、混合倉(cāng)氣錘、混合門、料位指示等.

圖5 配料秤模塊流程圖

隨著現(xiàn)代工控技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的“梯形圖”編程方式無(wú)法滿足越來(lái)越復(fù)雜的控制要求，梯形圖＋結(jié)構(gòu)化文本的組合編程方式比較適合.結(jié)構(gòu)化文本編程被稱為結(jié)構(gòu)化控制語(yǔ)言（Structured Control Language），一種類似于計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言的編程方式，適合于編寫標(biāo)準(zhǔn)功能塊[3].在配料系統(tǒng)中，用梯形圖寫邏輯控制，用結(jié)構(gòu)化文本處理復(fù)雜邏輯和大量數(shù)學(xué)運(yùn)算，兩種編輯語(yǔ)言組合編程方式，這樣可以加快編程效率并且使程序的可讀性大大提高，更利于系統(tǒng)后期的升級(jí)與維護(hù).

S7-300PLC的存儲(chǔ)區(qū)可以劃分為系統(tǒng)存儲(chǔ)器、工作存儲(chǔ)器、裝載存儲(chǔ)器以及保持存儲(chǔ)器等4個(gè)區(qū)域.保持存儲(chǔ)器是非易失性的RAM，通過(guò)組態(tài)可以在PLC掉電后即使沒有安裝后備電池的情況下，保持一部分位存儲(chǔ)器（M)、定時(shí)器（T)、計(jì)數(shù)器（C)和數(shù)據(jù)塊（DB).在設(shè)置CPU參數(shù)時(shí)一定要指定要保持的區(qū)域.若CPU沒有后備電池，當(dāng)系統(tǒng)斷電時(shí)，在工作存儲(chǔ)器中定義了保持特性的數(shù)據(jù)塊會(huì)把數(shù)據(jù)寫入保持存儲(chǔ)器中，上電后保持存儲(chǔ)器會(huì)把斷電時(shí)的數(shù)據(jù)寫入到工作存儲(chǔ)區(qū)，保證了運(yùn)行數(shù)據(jù)斷電不丟失.若CPU沒有后備電池，當(dāng)系統(tǒng)斷電時(shí)，系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)中定義的保持位存儲(chǔ)器（M)、定時(shí)器（T)和計(jì)數(shù)器（C)斷電時(shí)也會(huì)寫入保持存儲(chǔ)器，恢復(fù)上電時(shí)斷電時(shí)的數(shù)據(jù)重新寫入，保證了運(yùn)行數(shù)據(jù)斷電不丟失.若PLC配置了UPS，具有掉電自保護(hù)功能，能在意外突然掉電后恢復(fù)掉電前的狀態(tài).

3 提高配料系統(tǒng)精度的措施

3.1 影響配料精度的因素在配料過(guò)程中，有很多因素影響配料的精度，主要包括下料速度，落差等因素.下料速度指標(biāo)和配料精度指標(biāo)是互相矛盾的，加快下料速度，可以減少配料時(shí)間，而要提高配料精度，就必須延長(zhǎng)下料時(shí)間.所謂落差是指當(dāng)給料設(shè)備停止后，從給料器出口到物料重量被秤斗采集到之前的這段管道中，一部分物料在空中以自由落體的方式落入稱量料斗，這些余料稱為落差.落差的大小除了與給料器到秤斗之間的距離和物料的流動(dòng)性有關(guān)以外，還與配料順序及給料器給料均勻性有關(guān)[4].

3.2 提高配料精度的措施針對(duì)這些影響因素，本系統(tǒng)PLC控制中采用多段速下料、點(diǎn)動(dòng)和提前量自動(dòng)修正的方式，在多種自動(dòng)測(cè)量、控制方式相互配合下，最終保證了配料的精度.

1）多段速下料.配料開始時(shí)以高速值下料，實(shí)際下料重量達(dá)到下料高速變頻值時(shí)，以中速值下料，隨著實(shí)際下料重量增加到下料低速變頻值時(shí)，以低速值下料.這種下料方式減少了配料時(shí)間同時(shí)提高了配料的效率.下料速度的控制方法如下：

其中高速值、低速值、高速下料值、低速下料值根據(jù)倉(cāng)號(hào)從PLC中系統(tǒng)數(shù)據(jù)存放區(qū)讀取，由操作人員根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)置.

2）點(diǎn)動(dòng).在配料過(guò)程中，當(dāng)實(shí)際下料重量比較接近配方理論重量而不足時(shí)，需要點(diǎn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)充以確保配料的精度.控制過(guò)程如下：檢測(cè)到稱重儀表實(shí)際值小于下料提前量（配方理論重量-提前量）時(shí)，繼續(xù)下料，下料停止后，將實(shí)際下料重量和配方理論重量進(jìn)行比較，在允許誤差范圍內(nèi)為合格，小于允許誤差下限進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)，大于允許誤差上限為超差.

3）提前量自動(dòng)修正.為了使配料精度達(dá)到要求，在程序控制中需要考慮余料的重量，用“提前量”代表這個(gè)值[2].提前量自動(dòng)修正表示在配料控制中，根據(jù)配料倉(cāng)的當(dāng)前配料狀況和上批配料的結(jié)果對(duì)設(shè)定的提前量進(jìn)行判斷，如果連續(xù)3次檢測(cè)到設(shè)定的提前量符合要求，則將該提前量鎖定不再修改，如果連續(xù)3次檢測(cè)提前量不符合則需要將設(shè)定的提前量進(jìn)行修正，并將修正后的提前量反寫到數(shù)據(jù)庫(kù)，保證提前量的準(zhǔn)確性.提前量自動(dòng)修正方法為：

提前量自動(dòng)修正程序流程圖如圖6所示.

圖6 提前量自動(dòng)修正程序流程圖

3.3 提高配料精度的應(yīng)用數(shù)據(jù)該配料系統(tǒng)采用了提高配料精度的措施，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，大大提高了配料的精度，相關(guān)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)如圖7所示.

4 結(jié)論

本文中采用工業(yè)控制組態(tài)軟件WinCC和西門子300/400系列PLC設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制配料系統(tǒng)，目前已用于大北農(nóng)飼料有限公司.系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)單、完善的數(shù)據(jù)記錄和查詢系統(tǒng)，提高了配料效率和精度，并實(shí)現(xiàn)了下發(fā)生產(chǎn)任務(wù)后關(guān)閉工業(yè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)生產(chǎn)，大量減少人力物力的成本投入.

[1]任思成，王書鶴，張青.PLC在飼料配比測(cè)控中的應(yīng)用[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2002，23(Z1):385-386.

[2]張崇智，許東來(lái).PLC在飼料生產(chǎn)自動(dòng)控制中的應(yīng)用[J].中國(guó)飼料，2006(3):39-40.

[3]彭志剛，何鵬，周江濤.PLC變頻控制系統(tǒng)在大型水處理裝備上的研究與應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2012(1):74-78.

[4]張慶彬，畢麗紅，王鑄.工業(yè)自動(dòng)配料系統(tǒng)的精度分析[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2005，24(5):79-81.