劉雪林，王榮縣

(新疆天業(yè)節(jié)水灌溉股份有限公司， 新疆 石河子 832000)

0 引言

物料輸送在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中是必不可少的，如何提高物料輸送技術(shù)與裝備水平是促進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的重要內(nèi)容，也是當(dāng)前制造企業(yè)追求的目標(biāo)。隨著科技發(fā)展，依托互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代物料輸送系統(tǒng)的自動(dòng)化程度不斷提高。在信息集成和高度自動(dòng)化環(huán)境下，輸送系統(tǒng)能夠以制造工藝過(guò)程數(shù)據(jù)為依據(jù)，高效、合理地利用全部?jī)?chǔ)運(yùn)裝置，將物料準(zhǔn)時(shí)、準(zhǔn)確、高質(zhì)量地運(yùn)送到位。

滴灌帶生產(chǎn)原料由聚乙烯樹(shù)脂、再生料、增塑劑、抗氧化劑、除濕劑等成份構(gòu)成，經(jīng)篩選、烘干、混合后由物料輸送系統(tǒng)投運(yùn)至生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行加工。當(dāng)大量生產(chǎn)設(shè)備分布在多層建筑內(nèi)形成規(guī)模化生產(chǎn)時(shí)，如何高效、高質(zhì)量的轉(zhuǎn)運(yùn)投放物料成為提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。

1 物料輸送系統(tǒng)現(xiàn)狀

現(xiàn)有的物料輸送系統(tǒng)采用風(fēng)力輸送，能耗高、噪音大，物料在輸送過(guò)程中熱量損失較多。秋冬季節(jié)環(huán)境溫度低、濕度大，物料含水率超標(biāo)現(xiàn)象更加明顯，生產(chǎn)設(shè)備廢品率上升、物料輸送設(shè)備利用率下降的弊端由此產(chǎn)生，生產(chǎn)部門只能采用手工方式投運(yùn)物料。

其次，各種原料、助劑的密度以及顆粒外形差別較大，經(jīng)過(guò)混合的物料在風(fēng)力輸送過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，密度大的物料容易向儲(chǔ)運(yùn)

裝置底部聚集,造成混合均勻度下降，影響生產(chǎn)設(shè)備的加工質(zhì)量，此類問(wèn)題在物料垂直、遠(yuǎn)距離輸送時(shí)更加突出。在物料成分和輸送路徑較為復(fù)雜的條件下，現(xiàn)有的輸送設(shè)備難以解決物料分層、混合不均勻的問(wèn)題。

綜上所述，在依托計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)的基礎(chǔ)上，研究開(kāi)發(fā)一種適用于復(fù)雜供料環(huán)境，能夠體現(xiàn)自動(dòng)化應(yīng)用水平，兼顧冗余性與精確性的自動(dòng)供料控制系統(tǒng)已成必然。

2 系統(tǒng)主要構(gòu)成

研究開(kāi)發(fā)的混合物料輸送系統(tǒng)能夠廣泛應(yīng)用于多層建筑內(nèi)部，對(duì)多組分顆粒狀物料進(jìn)行立體式輸送，控制系統(tǒng)基于S7-300PLC、KingView人機(jī)組態(tài)軟件以及輔料自動(dòng)稱量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

該系統(tǒng)由物料預(yù)處理系統(tǒng)，物料輸送系統(tǒng)，輔料稱量設(shè)備、電氣控制系統(tǒng)，集中監(jiān)控系統(tǒng)等五部分組成

2.1 物料預(yù)處理系統(tǒng)

物料預(yù)處理系統(tǒng)由加熱器、熱風(fēng)機(jī)、旋振篩、一級(jí)拌料機(jī)、螺旋上料機(jī)、儲(chǔ)料倉(cāng)等部件組成。如圖1所示，PE再生料和聚乙烯樹(shù)脂由旋振篩剔除再生料中的料塊與雜物后，經(jīng)過(guò)熱風(fēng)管道輸送至一級(jí)拌料機(jī)混合，熱風(fēng)管道和拌料機(jī)能夠?qū)υ偕项w粒表面以及內(nèi)部孔隙中的水分進(jìn)行烘干處理，混合均勻且濕度達(dá)標(biāo)的物料由螺旋上料機(jī)輸送至一樓儲(chǔ)料倉(cāng)。

圖1 物料預(yù)處理系統(tǒng)示意圖

儲(chǔ)料倉(cāng)容積4.23 m3，儲(chǔ)料量2.5 T，倉(cāng)底水平絞龍直徑200 mm。一級(jí)拌料機(jī)儲(chǔ)料量2 T，加熱功率≥15 kW，出料口安裝Φ150 mm、0.2 MPa雙作用氣動(dòng)蝶閥，機(jī)身本體安裝電導(dǎo)率式固態(tài)物料水分傳感器，能夠?qū)ξ锪纤诌M(jìn)行在線檢測(cè)，量程0～0.5%，測(cè)量精度±0.02%，輸出信號(hào)4～20 mA。控制系統(tǒng)具有料位高低檢測(cè)、烘干溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)、物料濕度自動(dòng)檢測(cè)、拌料時(shí)間自動(dòng)調(diào)整等功能。

2.2 物料輸送系統(tǒng)

物料輸送系統(tǒng)由提升機(jī)、水平絞龍、分料閥、二級(jí)拌料機(jī)、四組份配方機(jī)、星型下料器、放料管組成，如圖2所示。

圖2 物料輸送系統(tǒng)示意圖

其中，提升機(jī)采用板式鏈條傳動(dòng)，提升量為8～12 m3/h，每臺(tái)提升機(jī)出料口連接兩臺(tái)LQ系列電動(dòng)閥門，用于控制物料輸送方向，電動(dòng)閥輸出扭矩50～800 N.m，輸出轉(zhuǎn)速7.5-30S/90deg，行程范圍90°(±10°)。

與提升機(jī)出料口相連的水平絞龍采用U型結(jié)構(gòu)，葉片厚度4 mm，主軸直徑60 mm，螺旋直徑170 mm。

二級(jí)拌料機(jī)與一級(jí)拌料機(jī)配置參數(shù)相同，機(jī)身安裝電容式料位傳感器，用于輸出報(bào)警及控制料位高度。設(shè)備具有烘干溫度自動(dòng)控制功能?；旌贤瓿傻奈锪辖?jīng)星型下料器輸送至三樓或二樓的水平絞龍，繼而向各個(gè)生產(chǎn)設(shè)備持續(xù)供料。

星型下料器轉(zhuǎn)速45轉(zhuǎn)/分(9升/轉(zhuǎn))，電機(jī)功率1.1 kW。與之連接的水平絞龍螺旋直徑170 mm，螺距:170 mm，減速電機(jī)功率1.1 kW，速比17：1。在水平絞龍下方，按固定間距設(shè)置若干下料管，下料管與生產(chǎn)設(shè)備的料斗相連，水平絞龍進(jìn)料口、末端以及料斗側(cè)壁安裝有電容式料位傳感器，用于控制料位或輸出報(bào)警信號(hào)，防止溢料或堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生。

2.3 輔料稱量設(shè)備

輔料稱量設(shè)備由輔料倉(cāng)、螺旋計(jì)量加料器、輔料電子秤、電子稱重儀表組成。如圖3所示。輔料倉(cāng)容積0.2 m3，螺旋加料器采用1.5 kW減速電機(jī)，變頻調(diào)速，電子秤滿量程50 kg，精度±3‰，電子稱重儀表能夠獨(dú)立完成四種物料的配料控制，可存儲(chǔ)10組不同的配方數(shù)據(jù)，支持RS232/RS485接口，采用MODBUS RTU協(xié)議與上位機(jī)通訊。

2.4 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)以SIEMENS S7-300PLC為核心，以觸摸屏為人機(jī)交互窗口，結(jié)合變頻器、溫度、濕度傳感器、測(cè)量顯示控制儀表、料位傳感器及相應(yīng)的執(zhí)行元件對(duì)物料輸送過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制。

圖3 輔料稱量設(shè)備示意圖

在各樓層便于操作的位置設(shè)有本地控制箱，具備手自動(dòng)切換、絞龍運(yùn)行速度調(diào)整、顯示以及故障報(bào)警功能，便于系統(tǒng)設(shè)備檢修、調(diào)試。

2.5 集中監(jiān)控系統(tǒng)

集中監(jiān)控系統(tǒng)由上位機(jī)、KingView組態(tài)軟件、交換機(jī)、專用通訊模塊、硬盤錄像機(jī)、攝像頭構(gòu)成，具備設(shè)備遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、故障報(bào)警、狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)置、以及對(duì)關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。

3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖4所示。運(yùn)行前需在人機(jī)操作界面和輔料稱量設(shè)備中設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，如物料含水率、絞龍運(yùn)行速度、輔料配比重量、加溫時(shí)間、熱風(fēng)溫度、拌料時(shí)間等。自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，聚乙烯顆粒和再生料從旋振篩加入物料預(yù)處理系統(tǒng)，經(jīng)熱風(fēng)輸送至拌料機(jī)內(nèi)部，混合物料的同時(shí)進(jìn)一步烘干物料表面和孔隙中的水分，拌料機(jī)運(yùn)行時(shí)間到達(dá)后，如物料的含水率仍處于超標(biāo)狀態(tài)，系統(tǒng)將自動(dòng)延長(zhǎng)混料時(shí)間，直至含水率合格?；旌贤戤叺奈锪辖?jīng)螺旋上料機(jī)輸送至一樓儲(chǔ)料倉(cāng)。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

提升機(jī)將一樓儲(chǔ)料倉(cāng)內(nèi)的物料輸送至四樓、三樓的二級(jí)拌料機(jī)內(nèi)繼續(xù)加熱混合，與此同時(shí)，四組份配方機(jī)將其余的輔料按照預(yù)設(shè)配比一同輸送至拌料機(jī)內(nèi)部，混料時(shí)間到達(dá)后，物料經(jīng)星型下料器輸送至相應(yīng)樓層的水平絞龍，水平絞龍與生產(chǎn)設(shè)備的料斗相連，當(dāng)PLC接收到料斗高位信號(hào)后，水平絞龍停止運(yùn)行。同樣的，一樓儲(chǔ)料倉(cāng)、一級(jí)、二級(jí)拌料機(jī)的高料位信號(hào)均能夠暫停上游設(shè)備的運(yùn)行。

兩臺(tái)提升機(jī)既能夠獨(dú)立運(yùn)行，也能夠互為冗余，當(dāng)其中一套設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)切換為另一套設(shè)備供料，物料輸送方向的切換由提升機(jī)出口的分料閥控制。二級(jí)拌料機(jī)內(nèi)的物料如有質(zhì)量問(wèn)題，可由放料口直接輸送至一層物料預(yù)處理系統(tǒng)附件，便于工作人員回收利用。

二級(jí)拌料機(jī)與四組份配方機(jī)能夠有效彌補(bǔ)物料輸送過(guò)程中損失的熱量，將幾種用量較少但比重偏大的輔料(如增塑劑、抗氧化劑、除濕劑)添加至拌料機(jī)內(nèi)部進(jìn)行充分混合，同時(shí)減少輔料的輸送距離，避免物料在輸送過(guò)程中出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

4 自動(dòng)控制系統(tǒng)

4.1 硬件選型

自動(dòng)控制系統(tǒng)采用SIEMENS S7-300型PLC，其中CPU為標(biāo)準(zhǔn)314型，工作存儲(chǔ)區(qū)96KB，運(yùn)算速度0.1 ms/1000，MPI/DP接口；擴(kuò)展模塊共有8個(gè)，分別為兩個(gè)SM331型DI模塊(2*DI32*DC24 V)，共64點(diǎn)數(shù)字量輸入；一個(gè)SM332型DO模塊(DO32*DC24 V)，共32點(diǎn)數(shù)字量輸出；兩個(gè)SM321型AI模塊(2*AI8*12 Bit)，共16路模擬量輸入；兩個(gè)SM322型AO模塊(2*AO4*12 Bit)，共8路模擬量輸出；一個(gè)CP343-1型通訊模塊，支持工業(yè)以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議，傳輸速率10/100 Mbps。

人機(jī)界面選用威倫MT506S型觸摸屏，通過(guò)數(shù)據(jù)線與PLC的MPI口相連。PLC與觸摸屏設(shè)置在一樓物料預(yù)處理系統(tǒng)，作為操縱員子站與上位機(jī)保持?jǐn)?shù)據(jù)交互。驅(qū)動(dòng)單元選用英威騰CHF100A通用型變頻器，功率1.5 kW和5 kW。就地顯示單元選用NHR-5740型四回路數(shù)顯儀表，0～20 mA輸入。濕度檢測(cè)單元選用KZSF型電導(dǎo)率水分傳感器，4～20 mA兩線制模擬量輸出。料位檢測(cè)單元選用SLCR 30AC型電容式傳感器，24 VDC開(kāi)關(guān)量輸出。阻旋料位開(kāi)關(guān)選用AC11型。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

采用SIMATIC STEP 7軟件對(duì)PLC進(jìn)行硬件組態(tài)，在HW Config界面對(duì)擴(kuò)展模塊的地址范圍進(jìn)行設(shè)置。數(shù)字量輸入模塊的地址范圍：I0.0-I7.7，共64點(diǎn)位；數(shù)字量輸出模塊的地址范圍：Q0.0～Q3.7，共32點(diǎn)位；模擬量輸入模塊的地址范圍：PIW304-PIW335，共16路輸入；模擬量輸出模塊的地址范圍：PQW336-PQW359,共8路輸出；在以太網(wǎng)通訊模塊的屬性界面中設(shè)置正確的IP地址、MAC地址、子網(wǎng)掩碼和MPI地址。在STEP 7軟件的塊編輯界面中插入組織塊、功能塊和背景數(shù)據(jù)塊，對(duì)數(shù)字量的邏輯功能進(jìn)行編程。其中，功能塊FC1用于將觸摸屏輸入的時(shí)間參數(shù)轉(zhuǎn)換為S5TIME格式(如圖5)。

圖5 功能塊FC1示意圖

建立FC18功能塊，利用兩點(diǎn)之間的直線方程公式，實(shí)現(xiàn)模擬量輸入信號(hào)的工程量轉(zhuǎn)換(如圖6)。

轉(zhuǎn)換公式：

#TEMP12 = #TEMP9 / #TEMP11

(1)

#TIMP13=#Projict_UpLimit - #Projict_LowLimit

(2)

#Projict_Out=#TEMP12*#TIMP13+#Projict_LowLimit

(3)

式中：

#TEMP12 ---數(shù)字量系數(shù)

#TEMP9 ---輸入數(shù)字量實(shí)際值

#TEMP11 ---數(shù)字量閾值(通常為27648)

#TIMP13 ---工程量量程

#Projict_UpLimit ---工程量上限值

#Projict_LowLimit ---工程量下限值

#Projict_Out ---轉(zhuǎn)化完成的工程量

圖6 功能塊FC8示意圖

采用EBpro軟件對(duì)MT506S觸摸屏進(jìn)行組態(tài)，編輯操作界面，主要分為“自動(dòng)控制”、“拌料手動(dòng)”、“參數(shù)設(shè)定”、“報(bào)警信息”四個(gè)功能模塊，其中自動(dòng)控制又分為“拌料設(shè)備自控”、“提升設(shè)備自控”、“輸送設(shè)備自控”三個(gè)操作界面，內(nèi)容主要有物料溫度、濕度、拌料時(shí)間、電機(jī)轉(zhuǎn)速、料位、故障報(bào)警等信息。在“拌料手動(dòng)”模塊中，可單獨(dú)對(duì)每臺(tái)設(shè)備進(jìn)行啟停操作，主要用于設(shè)備調(diào)試和故障處理。

4.3 集中監(jiān)控系統(tǒng)

以上位機(jī)、專用通訊模塊、交換機(jī)、硬盤錄像機(jī)、攝像頭構(gòu)成集中監(jiān)控系統(tǒng)的核心，KingView軟件作為監(jiān)控界面的組態(tài)工具，通過(guò)TCP/IP協(xié)議將上位機(jī)與CP343-1模塊相連，以千兆網(wǎng)卡、雙絞線、工業(yè)交換機(jī)搭建高速以太網(wǎng)，將整套系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)集成到監(jiān)控界面中。通過(guò)MODBUS RTU協(xié)議，建立上位機(jī)與四組份輔料稱量設(shè)備的通訊連接，兩者之間通過(guò)RS485通訊線纜、RS485/RS232轉(zhuǎn)換器建立硬件連接。

MODBUS RTU為主從形式的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，四組份輔料稱量設(shè)備中的電子稱重儀表在MODBUS網(wǎng)絡(luò)中作為從站被上位機(jī)調(diào)用。上位機(jī)安裝的KingView軟件通過(guò)讀寫電子稱重儀表的16位寄存器地址(見(jiàn)表1)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配料的遠(yuǎn)程控制。

表1 電子稱重儀表寄存器地址

監(jiān)控界面共有“輸送界面”、“配料界面”、“參數(shù)設(shè)備”、“報(bào)警界面”、“歷史趨勢(shì)”、“原料調(diào)度”六個(gè)界面，從拌料界面中，能夠清晰、直觀的了解系統(tǒng)運(yùn)行狀況，包括含水率指標(biāo)、拌料剩余時(shí)間、料位、轉(zhuǎn)速、報(bào)警等關(guān)鍵過(guò)程數(shù)據(jù)，同時(shí)能夠?qū)υO(shè)定參數(shù)進(jìn)行在線修改。

“配料界面”能夠?qū)λ慕M份配方機(jī)的關(guān)鍵配比參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，四種輔料的實(shí)時(shí)配比重量能夠直觀顯示，配料完畢后，系統(tǒng)能夠在設(shè)定時(shí)間內(nèi)將輔料輸送至二級(jí)拌料機(jī)內(nèi)部。在提升設(shè)備出現(xiàn)故障或工藝發(fā)生變化時(shí)，工作人員能夠通過(guò)“原料調(diào)度”界面遠(yuǎn)程操作提升機(jī)出口的分料閥，從另一套物料輸送設(shè)備中調(diào)運(yùn)物料，從而滿足連續(xù)生產(chǎn)的需要?！皻v史趨勢(shì)”界面能夠?qū)ξ锪虾实汝P(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行跟蹤、存儲(chǔ)，幫助工藝人員掌握批量原料的使用情況，調(diào)整原料進(jìn)廠檢測(cè)指標(biāo)，對(duì)上游供料單位的原料存儲(chǔ)運(yùn)輸條件提出改進(jìn)意見(jiàn)。

在物料輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)配置監(jiān)控?cái)z像機(jī)，便于工作人員了解和掌握設(shè)備運(yùn)行狀況。監(jiān)控系統(tǒng)的拓?fù)鋱D詳見(jiàn)圖7。

圖7 物料輸送系統(tǒng)視頻監(jiān)控拓?fù)鋱D

5 抗干擾措施

自動(dòng)供料系統(tǒng)附近生產(chǎn)設(shè)備眾多，電磁環(huán)境惡劣，系統(tǒng)控制柜內(nèi)部安裝多臺(tái)變頻器，其中的功率元件會(huì)對(duì)模擬量信號(hào)造成干擾，如不采取防范措施，將會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在實(shí)際使用過(guò)程中，一樓儲(chǔ)料倉(cāng)的低料位傳感器曾受到電磁干擾，造成儲(chǔ)料倉(cāng)水平輸送絞龍異常停機(jī)，為此，系統(tǒng)采用以下防干擾措施：

(1)PLC模塊、傳感器采用獨(dú)立的24 VDC開(kāi)關(guān)電源， 且接地措施良好。

(2)控制柜內(nèi)部的交流線與直流線、輸入線與輸出線分開(kāi)布設(shè)。

(3)對(duì)模擬量信號(hào)電纜的屏蔽層進(jìn)行單端接地。

(4)動(dòng)力線纜和信號(hào)線纜分開(kāi)布設(shè)，橋架兩端的金屬部分可靠接地。

(5)對(duì)傳感器的輸入信號(hào)采取多次取樣、延遲確認(rèn)的方法，消除信號(hào)極端變化或干擾造成的數(shù)據(jù)偏差。

(6)對(duì)模擬量輸入模塊的信號(hào)線加裝磁環(huán)，擬制疊加在輸入信號(hào)上的高頻噪聲。

6 結(jié)論

(1)系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，能夠滿足80～100臺(tái)滴灌設(shè)備的集中供料需求，適合滴灌帶規(guī)?；a(chǎn)。實(shí)現(xiàn)了顆粒狀混合物料的定點(diǎn)稱量、遠(yuǎn)程精準(zhǔn)投放，減少人為因素的影響。

(2)滴灌帶生產(chǎn)原料烘干過(guò)程數(shù)據(jù)化、自動(dòng)化，根據(jù)原料濕度、溫度自動(dòng)調(diào)整烘干時(shí)間。

(3)采用絞龍或斗式提升機(jī)進(jìn)行輸送，物料在提升、存儲(chǔ)、輸送等各個(gè)環(huán)節(jié)均能處于均勻混合狀態(tài)，無(wú)分層現(xiàn)象，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

(4)自動(dòng)供料系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，各項(xiàng)控制功能正常，部分功能已經(jīng)超出了設(shè)計(jì)要求。

(5)人力運(yùn)輸、重復(fù)勞動(dòng)的現(xiàn)象得到了扭轉(zhuǎn)。該系統(tǒng)的投運(yùn)使得拌料崗位員工減少9人，兩個(gè)工作崗位得以取消合并，工作效率提高1/3，員工的勞動(dòng)強(qiáng)度也大幅降低。

(6)工藝配方參數(shù)集中設(shè)置，重要系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)安裝視頻監(jiān)控裝置，安全性、保密性有了很大提高。原料配方的安全性、保密性有了根本保障。

(7)建筑物內(nèi)原有的提升設(shè)備(電梯、提升機(jī))的使用率降低1/2以上，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用減少。由原料運(yùn)輸環(huán)節(jié)導(dǎo)致的浪費(fèi)現(xiàn)象得以避免。