在食品、化工、石油等行業(yè)中，配料環(huán)節(jié)起著重要的作用，配料工序的質(zhì)量直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。在食品行業(yè)中，各種成分按照一定的比例進行添加配制，長期以來多采用由單片機構(gòu)成的儀表進行控制，由于單片機組成的儀表抗電磁干擾能力差，在具有強電磁干擾的環(huán)境中，系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到影響，甚至無法正常工作。可編程控制器PLC 是按照直接應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境設(shè)計的，因此可編程控制器具有可靠性高、編程簡單靈活、抗干擾能力強等一系列優(yōu)點。筆者采用小型PLC 為控制器，開發(fā)了通用的控制系統(tǒng)，成功應(yīng)用于食品配料生產(chǎn)中和石油配液中。

1 系統(tǒng)配料工藝過程及控制方案

　　圖1 為配料工藝設(shè)備圖。在工業(yè)配料中其中一個環(huán)節(jié)是水與粉的均勻混配，人工添加粉到儲料裝置中，通過控制螺旋給料裝置，調(diào)節(jié)給料速度的快慢。在儲料裝置下面安裝有稱量裝置，當達到稱量設(shè)定值時，電動螺旋給料裝置自動停止工作。流量計時刻檢測管路中水的流量大小，并且通過變送器將其轉(zhuǎn)化為電流信號。可編程控制器PLC 實時采集流量信號的大小，實時改變電動螺旋給料裝置的給料速度，從而保證了動態(tài)配液的質(zhì)量，具有較高的配液精度，而且配液均勻。水流量控制采用模擬量控制，水泵的啟動停止采用直接接觸器啟動的方法。通過可編程控制器的I /O 口連接控制。給料系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，給料精度高，其控制原理圖如圖2 所示。給料控制系統(tǒng)根據(jù)流量大小自動計算出給料量參數(shù)值SV，PLC 系統(tǒng)采用PID 調(diào)節(jié)方法控制變頻器頻率從而控制給料電機出料量，通過稱量裝置將實際給料量信號PV 值與理論值SV 比較后，輸出系統(tǒng)控制量，從而達到高精度給料的要求。

圖1 配料工藝過程圖

圖2 給料系統(tǒng)控制原理圖

2 硬件系統(tǒng)

　　整套控制系統(tǒng)由可編程控制器、電磁閥、調(diào)節(jié)閥等組成。在系統(tǒng)的控制中，涉及到模擬量控制方法和開關(guān)量控制方法。其中，對于電動機的啟動和停止信號的控制屬于開關(guān)量控制，而對于水流量控制屬于模擬量控制，系統(tǒng)采用一款集模擬量和開關(guān)量于一體的可編程控制器，當系統(tǒng)采集到流量信號轉(zhuǎn)化為電流信號發(fā)送給可編程控制器，可編程控制器根據(jù)用戶的要求完成相應(yīng)的操作。利用PLC 輸出的電流信號大小控制變頻器輸出的頻率的大小，從而改變電動機的轉(zhuǎn)速，起到控制電動給料裝置給料速度的目的。

　　系統(tǒng)的運行情況實時反饋到觸摸屏，操作人員通過觸摸屏將實時監(jiān)控執(zhí)行狀況，同時將操作命令發(fā)送給可編程控制器，可編程控制器PLC 按照設(shè)定要求執(zhí)行。該自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框見圖3。

圖3 自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

　　2.1 PLC 選型

　　整體型PLC是一種超高速集多功能于一身的控制器。它整合了CPM2A 和CJ1系列PLC的優(yōu)點。內(nèi)置功能，如數(shù)字I /O、高速計數(shù)、脈沖輸出、模擬輸入輸出。集成的通信網(wǎng)關(guān)功能使之成為第一個符合Smart Platform 概念的緊湊型PLC。只需一個連接通過CX-One 軟件包，所有通過以太網(wǎng)、DeviceNet、Mechatro linkⅡ或者串行連接到PLC 的設(shè)備都能被配置、編程和監(jiān)視。

　　從給料系統(tǒng)被控對象的I /O點數(shù)以及工藝要求、處理速度、程序容量及系統(tǒng)擴展性方面的考慮，選用整體型PLC。該機型具有模擬量輸入輸出模塊繼電器輸出的控制器。具有24 個輸入點，16 個輸出點，可擴展至320 個I /O點。

　　內(nèi)置有模擬量電壓/電流輸入4 點和模擬電壓/電流輸出2 點，程序容量20K 步。

　　2.2 觸摸屏選型

　　觸摸式可編程終端由顯示器和觸摸屏系統(tǒng)組成，俗稱觸摸屏，是一種用觸摸方式進行人機交互的人機界面( Human Machine Interface) 。觸摸屏以卓越的人機交互功能在工業(yè)領(lǐng)域及人們生活中得到廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)采用NS 系列觸摸屏實現(xiàn)給料系統(tǒng)設(shè)計。技術(shù)參數(shù):

　　(1) 電源DC 24 V ± 15%;

　　(2) 畫面存儲容量60 MB，最大3999 畫面;

　　(3) 支持視頻卡，ATA Compact Flash 接口1槽;

　　(4) 顯示顏色256 色。

　　2.3 變頻器選型及其參數(shù)設(shè)定

　　根據(jù)精密給料電機功率及三相異步變頻電機相匹配的技術(shù)參數(shù)及負載情況，選用變頻器。根據(jù)現(xiàn)場精密給料電機PLC 控制要求對變頻器參數(shù)設(shè)定如下:

　　(1) B1－01 頻率指令選擇1，即控制回路端子模擬量輸入。

　　(2) B1－02 運行指令選擇1，即控制回路端子順控控制。

　　(3) E2－01 額定電流，由實際電機額定電流值決定。

　　(4) E2－04 電機極數(shù)，由實際電機極數(shù)決定。

　　(5) H3－09 模擬量輸入選擇3，即4 ～ 20 mA電流信號輸入。

3 軟件系統(tǒng)

　　3.1 PLC 程序設(shè)計

　　系統(tǒng)的上位機( 觸摸屏) 和下位機( 可編程控制器) 之間的通信采用串口RS232C 進行，通信協(xié)議采用Toolbus，其中通信參數(shù)設(shè)置為: 波特率9600 ( 標準) ，奇偶校驗: 奇校驗，數(shù)據(jù)位: 8 位，停止位: 1 位。系統(tǒng)軟件控制流程圖如圖4 所示。

圖4 配料控制系統(tǒng)軟件控制流程圖

　　整體型可編程控制器PLC 是一款智能型控制器，該系列PLC 采用具有在線模擬功能的編程軟件編寫控制程序，可以在線修改設(shè)定參數(shù)。不僅可以使用梯形圖和語句表等形式進行離線編程，還可以在線修改程序中的變量值，為調(diào)試工作帶來了極大的方便。

　　3.2 觸摸屏程序設(shè)計

　　自動配料系統(tǒng)采用型號為NS 觸摸屏，利用組態(tài)軟件編寫監(jiān)控程序畫面。組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件具有實時多任務(wù)、畫面顯示、豐富的功能模塊、良好的開放性等特點。

　　本系統(tǒng)觸摸屏軟件程序包括登錄畫面、系統(tǒng)主菜單、配方管理畫面、操作畫面及報警畫面，如圖5所示。畫面之間的切換可以利用系統(tǒng)主菜單實現(xiàn)，也可以通過子畫面上的按鈕切換。

圖5 給料系統(tǒng)觸摸屏程序結(jié)構(gòu)框圖

　　(1) 登錄畫面。為了提高系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性，為整個控制系統(tǒng)設(shè)置登錄界面是非常必要的，每次操作者進行操作前，輸入操作密碼，即可進入操作界面。

　　(2) 系統(tǒng)主菜單畫面。給料系統(tǒng)根據(jù)實際情況，包括配方管理、報警、流程監(jiān)控等功能，系統(tǒng)登錄后進入主菜單，使操作人員一目了然。

　　(3) 配方管理畫面。操作技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)場情況，通過配方管理畫面設(shè)定相應(yīng)的給料參數(shù)，給料系統(tǒng)按照配方的要求均勻連續(xù)給料。

　　(4) 操作界面。顯示當前給料系統(tǒng)工作狀態(tài)，及儲料罐中料量、手動設(shè)定給料速度及啟動給料系統(tǒng)。

　　(5) 報警畫面。主要監(jiān)控現(xiàn)場電機運行狀態(tài)及觸摸屏本身故障報警，通訊報警，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時啟動報警。顯示報警信息，操作技術(shù)人員根據(jù)報警信息迅速分析故障原因，解決故障。

　　在食品生產(chǎn)的自動配料過程中，此控制系統(tǒng)水與粉配比精度達到1‰，給料速度為0 ～ 2.64 kg /min 均勻可調(diào)，配液速度為0 ～ 2.5 m3 /min，自由設(shè)定。實現(xiàn)了多個配液罐之間切換選擇，無人值守自動配液，滿足現(xiàn)場工藝要求。

4 結(jié)語

　　自動配料控制系統(tǒng)配液均勻，運行穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)采用變頻器實時調(diào)節(jié)螺旋精密給料裝置的螺旋速度，結(jié)合高精度電子稱量，實現(xiàn)了高精度自動配液，達到了全自動控制，不需要操作人員繁瑣的操作，降低了操作人員的勞動強度，同時節(jié)約了勞動成本。