| 自動配料系統的設計方案及原理 | 2020-01-07 |
| 配料系統是采用S7-200稱重系統的自動灌裝機。灌裝機要求稱重精度高、稱重時間短、分辨率高、自診斷能力強。自動配料系統稱重快速準確，S7-200稱重系統控制靈活。實現上述功能的方法有很多，但每種方法都有各自的優缺點。根據實際需要，我們需要設計一種控制簡單、精度高、性能好的自動灌裝機。因此，我們需要選擇一個合理的方案來滿足稱重系統的上述要求，并確保自動配料系統具有更好的性能。 自動配料系統方案及PLC選擇 自動配料系統設計方案論證 自動配料系統有多種方法來實現這一設計目標。接下來，我們將列出一些設計方案，并通過比較選擇更合理的方案。 方案一:采用稱重稱重顯示器，稱重模塊供電，采集小信號，放大輸出標準0-5V或4-20mA輸出；稱重系統通過標準模擬量模塊采集信號，然后通過轉換和校準，通過稱重系統稱重儀表輸入相應參數，并通過稱重系統集成數字配料系統控制灌裝、配料等計量任務 缺點:由于兩次轉換將信號傳輸到稱重儀表和集散控制系統，誤差會大大增加。此外，必須首先調整變送器，然后在集散控制系統上進行校準。 方案2:使用模擬電流輸出的稱重儀表:稱重控制儀表直接接收稱重模塊/稱重模塊信號。稱重儀表可以指示重量，并將重量值轉換為4-20mA信號，輸出至集散控制系統或稱重系統信號模塊。然后，集散控制系統或稱重系統將4-20mA信號轉換成重量值，重量值由集散控制系統或稱重系統控制。控制方案很復雜。 缺點:由于稱重儀表和集散控制系統對信號進行了兩次轉換，誤差會大大增加；此外，稱重儀表和集散控制系統必須分別校準，并且在秤校準期間校準兩次。防爆電子地磅和集散控制系統的數值不統一，容易產生誤導。 方案3:采用特殊稱重模塊。目前，西門子S7-200、S7-300和ET200S都有特殊的稱重模塊。事實上，該模塊將稱重專用稱重儀表電路傳輸到稱重系統模塊中，數據通過稱重系統背板總線直接讀入稱重系統處理器。數據處理功能集成在這些產品中，發送到處理器的數據已經通過專用軟件進行了校準。歐姆龍也有類似的產品，由另一家電子秤制造商提供。 缺點:成本高；如果沒有模制產品，用戶必須具備程序開發能力，并且有一定的局限性。方案4:使用帶通訊輸出的防爆地磅:防爆電子地磅直接接收稱重模塊的稱重模塊信號，可以在防爆電子地磅中設置參數。預設值、校準值、剝離、清零等。也可以通過稱重系統總線進行修改。稱重儀可采用數字信號通過通信接口指示重量并將重量值傳輸給稱重系統信號模塊，稱重系統接收信號并控制信號。該方案還可以使用稱重儀表檢測、設置參數和顯示工作狀態。稱重模塊稱重模塊采用托萊多稱重模塊稱重模塊和帶進出口閥的四通道配料系統來灌裝配料。 該方案的缺點是每個不同的稱重儀表都需要熟悉其工作模式和過程。然而，與其他方案相比，該方案易于學習，易于修正誤差，控制方法靈活。 近年來，由于長期從事精細化學品的自動控制，上述控制方案已在工程中應用于工業稱重應用，積累了豐富的工程經驗。在使用了托萊多稱重稱重顯示器、托萊多T600稱重稱重顯示器、奇美CB920稱重顯示器和許多國內品牌的液體灌裝機后，出現了各種各樣的問題，主要體現在以下幾個方面: 控制精度難以控制。 通信互聯是最難解決的問題，也是與現有的稱重系統/集散控制系統難以連接的問題。早期產品的通訊功能差，許多參數不能在線修改，修改設置會中斷生產。通信中斷頻率高； 防爆電子地磅簡單，信息量少，普通工人很難掌握。 控制程序相對簡單，現有產品大多適用于定量包裝行業。對于更復雜的過程，例如化學成分，泵和閥需要同步控制，并且還需要手動自切換、臨時中斷和立即添加，這在現有稱重顯示器上是無法實現的。 具有特殊稱重模塊的西門子工業自動灌裝機 因此，我們選擇了方案4。也就是說，防爆電子地磅采用特殊的防爆電子地磅，主稱重顯示器采用西門子200系列稱重系統和稱重顯示器，并由智能線奇妙系列觸摸屏控制。硬件定量灌裝機系統采用托萊多的六線稱重模塊和四通道灌裝機，構成整個工業配料自動灌裝機。 PLC選型方案演示 在設計稱重灌裝機系統時，自動配料系統應首先確定控制方案，下一步是稱重灌裝機的工程設計和選型。工藝流程的特點和應用要求是設計和選擇的主要依據。自動配料系統稱重和灌裝機及相關液體灌裝機應集成并標準化。根據易于與工業自動灌裝機集成和易于擴展功能的原則選擇的稱重灌裝機應是成熟可靠的系統，并具有相關工業領域的運行性能。稱重和灌裝機的系統硬件、軟件配置和功能應符合設備秤和控制要求。熟悉稱重灌裝機、功能圖及相關編程語言有利于縮短編程時間。因此，在選擇和評估工程設計時，應詳細分析過程的特點和控制要求，確定控制任務和范圍，并確定所需的操作和行動。然后，根據控制要求，輸入輸出點，所需的存儲容量，稱重灌裝機的功能，外部液體灌裝機的特點等。應該估計一下。最后，選擇性價比較高的稱重灌裝機，并設計相應的自動灌裝機。1.輸入輸出點的估計 在估算自動配料系統的輸入/輸出點時，應考慮適當的余量。一般情況下，根據統計輸入/輸出點增加10% ~ 20%的可擴展余量作為輸入/輸出點估算數據。在實際訂購中，輸入和輸出點應根據制造商稱重灌裝機的產品特性進行四舍五入。所需的地址分配如下表1所示。 如上表所示，基于稱重系統、稱重儀表和觸摸屏的工業配料自動灌裝機需要12個輸入點和12個輸出點。 2.記憶容量的估計 自動配料系統的存儲容量是稱重灌裝機本身提供的硬件存儲單元的大小，程序容量是用戶應用程序項在存儲器中使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲容量。在設計階段，由于用戶應用程序尚未編譯，程序容量在設計階段是未知的，需要在程序調試后知道。為了估計設計和選擇中的程序容量，通常使用存儲器容量估計來代替。沒有固定的公式來估計存儲器的存儲容量。許多文獻資料給出了不同的公式，一般是輸入輸出點數的10 ~ 15倍，模擬輸入輸出點數的100倍。這個數字是內存中的總字數(16位是一個字)，其余的被認為是這個數字的25%。 3.控制功能的選擇 自動配料系統的選擇包括計算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能、處理速度等特性的選擇。 (1)操作功能 自動配料系統的簡易稱重灌裝機的操作功能包括邏輯操作、計時和計數功能。普通稱重灌裝機的計算功能還包括數據移動、比較和其他計算功能。更復雜的運算功能包括代數運算、數據傳輸等。大型稱重灌裝機中還有模擬PID計算和其他高級計算功能。隨著開放式系統的出現，定量自動配料系統在稱重灌裝機中具有通訊功能。有些產品與下位機通信，有些產品與對等機或上位機通信，有些產品與工廠或企業網絡具有數據通信功能。設計和選擇應從實際應用需求出發，合理選擇所需的計算功能。在大多數應用中，只需要邏輯操作和定時計數功能。在某些應用中，需要數據傳輸和比較。當用于模擬量檢測和控制時，使用代數運算、數值轉換和PID運算。顯示數據需要解碼和編碼等操作。 (2)控制功能 自動配料系統的控制功能包括PID控制操作、前饋補償控制操作、比例控制操作等。應根據控制要求確定。稱重灌裝機主要用于順序邏輯控制。因此，在大多數情況下，單回路或多回路稱重顯示器通常用于控制模擬量。有時，還使用特殊的智能輸入和輸出單元來完成所需的控制功能，以提高稱重灌裝機的處理速度，并節省存儲容量。例如，PID控制單元、高速計數器、帶速度補償的模擬單元、ASC碼轉換單元等。被使用。 (3)通信功能 自動配料系統大中型稱重灌裝機系統應支持多種現場總線和標準通信協議(如網絡協議/協議)，必要時應能與工廠管理網絡(網絡協議/協議)連接。通信協議應符合國際標準化組織/電氣和電子工程師協會的通信標準，并且應為開放的通信網絡。 自動配料系統稱重灌裝機系統的通信接口應包括串行和并行通信接口、RIO通信接口、通用集散控制系統接口等。大中型稱重灌裝機(包括接口液體灌裝機和電纜)的通信總線應配置1: 1冗余。通信總線應符合國際標準，通信距離應滿足設備的實際要求。 液體稱重灌裝機系統的通信網絡中，上級的網絡通信速率應大于1Mbps，通信負載不應大于60%。稱重灌裝機系統通信網絡的主要形式如下: 1)pc機為主站，幾臺同型號的稱重充填機為從站，組成一個簡單的稱重充填機網絡； b)一臺稱重灌裝機為主站，同型號的其他稱重灌裝機為從站，形成主從稱重灌裝機網絡； 3)稱重灌裝機網絡通過特定的網絡接口連接到大型集散控制系統的子網，作為集散控制系統； d)專用稱重灌裝機網絡(各制造商專用稱重灌裝機的通信網絡)。為了減少處理器的通信任務，通信處理器具有不同的通信功能(例如點對點、現場總線等)。)應根據網絡組成的實際需要進行選擇。 離線編程模式:液體稱重灌裝機和編程器共用一個處理器。在編程模式下，處理器只為程序員提供服務，不在現場控制液體灌裝機。編程完成后，程序員切換到操作模式，處理器現場控制液體灌裝機，不能編程。離線編程可以降低系統成本，但使用和調試不方便。在線編程模式:處理器和程序員有自己的處理器。主機處理器負責現場控制，并在一個掃描周期內與程序員交換數據。程序員將在線編程的程序或數據發送給主機。在下一個掃描周期中，主機根據新接收的程序運行。這種方法價格昂貴，但系統易于調試和操作，常用于大中型稱重灌裝機。五種標準化編程語言:順序功能圖(SFC)、梯形圖(LD)、功能模塊圖(FBD)三種圖形語言和語句表(IL)和結構文本(ST)兩種文本語言。所選編程語言應符合其標準(IEC6113123)。同時，還應支持Basic等多種語言編程形式，以滿足特殊控制場合的控制要求。 5.診斷功能 液體稱重灌裝機的診斷功能包括硬件診斷和軟件診斷。硬件診斷通過硬件的邏輯判斷來確定硬件的故障位置。軟件診斷包括內部診斷和外部診斷。軟件診斷稱重系統的內部性能和功能是內部診斷，軟件診斷稱重灌裝機處理器與外部輸入輸出部件之間的信息交換功能是外部診斷。稱重灌裝機診斷功能的強弱直接影響對操作維護人員技術能力和平均維護時間的要求。 6.加工速率 稱重灌裝機通過掃描工作。根據實時性要求，處理速度應盡可能快。如果信號持續時間小于掃描時間，稱重灌裝機將不掃描信號，導致信號數據丟失。處理速度與用戶程序的長度、處理器處理速度、軟件質量等有關。目前，稱重灌裝機的觸點響應快、速度快，每條二進制指令的執行時間約為0.2 ~ 0.4 ls，能夠滿足高控制要求和快速對應要求的應用要求。掃描周期(處理器掃描周期)應滿足以下要求:小型稱重灌裝機的掃描時間不超過0.5毫秒/千；大中型稱重灌裝機的掃描時間不超過0.2毫秒/千 7.稱重灌裝機的類型 自動配料系統的稱重灌裝機根據結構分為整體式和模塊化，根據應用環境分為現場安裝和控制室安裝。根據處理器字長，它分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應用的角度來看，通常可以根據控制功能或輸入和輸出點的數量進行選擇。整體稱重灌裝機的輸入/輸出點是固定的，用戶選擇較少，用于小型自動灌裝機。模塊化稱重灌裝機提供多種輸入輸出卡或插件，用戶可以合理選擇和配置自動灌裝機的輸入輸出點，功能擴展方便靈活，一般用于大中型自動灌裝機。根據實驗液體灌裝機和用戶經驗，選擇西門子小型稱重系統作為主稱重顯示器。 2 . 2 . 3 S7-200稱重系統的特點 1.S7-200體積小，160×80×62mm，設計緊湊，可適用于任何機器控制環境。 2.易于使用: S7-200可以通過STEP7-Micro/Dos軟件非常方便地編程，該軟件可以在任何與IBM兼容的個人計算機上使用，即使是286微型計算機也需要MS-DOS5.0或更高。 3.S7-200的靈活多用途輸入/輸出點可支持各種領域的液體灌裝機，如:光電稱重模塊、驅動電機按鈕開關、燈、泵、攪拌器等。 2 . 2 . 4 S7-200的主要部件 1.處理器:是自動灌裝機的大腦，它根據用戶程序進行控制。 2.輸入輸出:是系統的控制點。輸入用于監控現場設備，輸出用于控制執行器。 3.編程端口:用于連接編程液體灌裝機，例如計算機或手持式編程器。 原理分析 自動配料系統以S7-200稱重系統和稱重儀表為稱重顯示器完成控制過程，由稱重系統、稱重儀表、配料系統和四通道液體灌裝機組成。通過設置參數，如零點清除和稱重儀表校準，可以完成相應設置質量的精確稱重。校準校準值設置為1Kg，允許誤差范圍在10g以內，空中飛行時間設置為1s。計量開始時，開關啟動，此時s7-200PLC輸入通道上升沿，輸出通道q0.0和q0.1設為1，快速進料閥和慢速進料閥同時打開，向桶內注入液體，稱重儀表測量桶內液體質量達到慢速進料量預設值時，Q0.1設為0。快速進料閥關閉，剩余質量由慢速進料閥填充，直至達到1Kg。慢速進料閥開關Q0.0設置為0，慢速進料閥關閉。系統采用慢速進料閥和快速進料閥添加原料，以達到高速準確的目的，誤差為10g。在自動配料系統的過程中，考慮了許多可能影響系統誤差的因素，如液體停留在空氣中的時間，即在空氣中的飛行時間，以及影響助劑流速的壓力，即助劑儲罐中的液位等。為了進一步減少誤差，我們可以通過設定空中飛行時間進行調整。當所述液體質量達到預設值時，稱重儀表將向s7-200PLC發送反饋信號，輸出Q0.3設為1，防添加劑閥打開，排放開始。當稱重儀表稱重的桶內液體質量為0時，此時卸料結束，同時復位Q0.3，完成原料稱重。整個過程可以通過觸摸屏進行設置和觀察。甲醇、天納助劑、助劑和鹽酸分別在四個電子秤通道中稱重。當且僅當四個通道的排放閥處于復位狀態時，攪拌電機開始工作，原料被攪拌，從而完成工業配料自動配料灌裝機——的實際應用。基于稱重系統、稱重儀表和觸摸屏的工業配料自動控制可應用于物料精確快速稱重的生產行業。 | |
