基于PLC的PID調節控制在蛋粉定量自動裝箱機上的應用

蔣 洋, 劉 正 浩, 祖 龍 起

(大連工業大學 信息科學與工程學院, 遼寧 大連 116034)

0 引 言

食品包裝中質量是一個很難控制的問題,尤其是要求精確控制被包裝物質量更是一項困難的事情。大多數食品包裝都是在線完成的,譬如蛋粉生產過程中的蛋粉包裝。以往技術是將包裝箱放在一個地磅秤上,蛋粉經蛋粉干燥器中絞龍輸送到干燥器外,由重力作用自由落入包裝箱中,工作人員監看地磅秤儀表盤,達到規定的質量后立即移走包裝箱,此種稱重過程會產生蛋粉質量誤差。如何實現包裝自動化,實現包裝過程中精確控制食品箱中包裝物質量,是自動化領域一直在探索的課題。本文設計了一種由西門子專用稱重模塊SIWAREX MS、西門子PLC、觸摸屏、上位機等組成的控制系統實現蛋粉定量裝箱。利用西門子專用模擬量稱重模塊測量蛋粉的質量,經PID調節后,將裝箱蛋粉的質量誤差降低到最小。

1 蛋粉定量自動包裝工藝簡介

該蛋粉定量自動裝箱機控制系統是蛋粉干燥控制系統的集料裝料部分。蛋粉干燥控制系統工藝流程圖如圖1所示。當稱重模塊向PLC發出缺料信號時,PLC控制干燥器中的傳送帶,將傳送帶上的蛋粉通過絞龍輸送到干燥器外的稱重料斗中。稱重料斗中蛋粉質量達到設定質量時,PLC控制絞龍停止送料,此時送料結束。PLC控制稱重料斗向位于稱重料斗下方的蛋粉箱裝料,當稱重料斗空時,裝料結束。稱重料斗底端的擋板關閉,蛋粉箱由下箱導輥移走,完成蛋粉的定量自動裝箱。

圖1 蛋粉干燥控制系統工藝流程圖

圖2 蛋粉定量裝箱機工藝示意圖

本文主要介紹蛋粉定量自動裝箱控制系統,如圖1虛框所示。蛋粉裝箱過程由定量裝箱設備完成,定量裝箱設備由上箱導輥、稱重料斗、電磁振動器、下箱導輥四部分組成,如圖2所示。當系統上電后,經過蛋粉干燥生產線處理后的蛋粉由輸送絞龍開始向稱重料斗里傳送蛋粉,當料斗中蛋粉的質量與計量秤的設定質量一致時,輸送絞龍停止輸送蛋粉,與此同時上箱導輥將空箱傳送到稱重料斗下方,當有箱子到達稱重料斗下方時,光電傳感器發出一個信號,上箱導輥停止,稱重料斗開始放料,同時電磁振動器開始工作。電磁振動器的作用是使從料斗中落下的蛋粉均勻填滿箱子,不會出現中間蛋粉高四周蛋粉少的現象。當稱重料斗空時,裝滿蛋粉的箱子繼續被導輥向前傳輸,電磁振動器下降,絞龍重新給稱重料斗輸送蛋粉,下一個箱子將被輸送到稱重料斗下方,新的循環裝箱過程開始。

2 蛋粉定量自動裝箱機控制系統的構成與選型

蛋粉定量自動裝箱機控制系統的工藝要求:可根據用戶需要自動調整待裝箱蛋粉的質量,蛋粉質量誤差在允許值范圍之內(大連綠雪蛋粉廠要求誤差不大于2%)。蛋粉裝箱過程實現自動化,無需人工扶箱及監測蛋粉質量等。上位機組態要實現蛋粉裝箱工藝流程的監視、調整裝箱蛋粉質量、記錄裝箱數量、運行故障報警及復位等功能。觸摸屏實現各個工作狀態的切換操作,在觸摸屏界面實現設備啟停等基本控制操作。系統控制框圖如圖3所示。

根據大連綠雪蛋粉廠提出的工藝要求和圖2的蛋粉定量裝箱機工藝流程,作者設計了一套以西門子PLC224XP為主控制器,利用西門子專用稱重模塊SIWAREX MS和PID調節完成蛋粉自動稱重控制系統。本控制系統的硬件包括:西門子PLC 224XP、西門子專用稱重模塊、稱重傳感器、上位計算機、觸摸屏等。系統硬件接線圖如圖4所示。將西門子公司的專用稱重模塊用于蛋粉定量裝箱機,構成一款非常經濟實用又可靠完善的控制系統。

圖3 系統控制框圖

圖4 系統硬件接線圖

2.1 PLC選型

西門子公司的CPU 224XP是PLC家族中較常用的一種。由于該系列PLC具備如下特點:14輸入/10輸出共24個數字量I/O點。可連接7個擴展模塊,最大擴展至168路數字量I/O點或35路模擬量I/O點。16 K字節程序和數據存儲空間。6個獨立的30 kHz高速計數器,2路獨立的20 kHz高速脈沖輸出,具有PID控制器。2個RS485通訊/編程口。I/O端子排可很容易的整體拆卸。CPU 224XP是具有較強控制能力的控制器。考慮到本系統需要連接計算機上位機組態和觸摸屏,所以需要2個RS485通訊/編程口。因本PLC計算速度快、性能穩定有利于擴展,又因本系統有PID調節控制,所以選用繼電器輸出類型CPU 224XP PLC。

2.2 稱重模塊

本控制系統稱重模塊采用西門子SIWAREX MS專用稱重模塊。SIWAREX MS專用稱重模塊的主要功能是精確測量被測物的實際質量值,與設定質量值實時進行比較,當被測物的實際質量值與設定值相一致時,便發出信號控制裝料動作停止[1]。SIWAREX MS專用稱重模塊由于是集成在PLC中,所以它能夠直接在PLC中處理質量值。SIWAREX MS具有兩個串行接口,可以通過RS232端口與一臺PC連接,用于使用SIWAREX MS來設置秤。CPU 224XP 最大可連接7個SIWAREX MS稱重模塊。稱重模塊與稱重傳感器的連線如圖5所示。

圖5 稱重傳感器與稱重模塊接線圖

Fig.5 Weighing sensor and weighing module wiring diagram

2.3 人機界面

考慮到經濟實用性,人機界面采用西門子公司的PT070觸摸屏,在觸摸屏上可以進行上箱導輥和下箱導輥的速度調節、改變裝箱蛋粉質量設置、運行監視操作和運行參數記錄。觸摸屏是系統的操作員站,人機對話簡單方便、系統組態便于修改和擴充,并且觸摸屏具有可以長期穩定運行的優點。觸摸屏與CPU的通信協議采用RS485口連接。

3 蛋粉定量自動裝箱機系統的設計

3.1 軟件設計思想

根據控制要求軟件的總體設計思想:通過觸摸屏手動設置蛋粉定量裝箱機的裝箱蛋粉的質量,在設定蛋粉質量后,絞龍開始向稱重料斗里送料。送料同時PID控制器開始工作,計算稱重料斗里的實際蛋粉質量與設置值差,控制絞龍是否繼續加料。當設置值與稱重料斗中蛋粉的質量相等時,上箱導輥開始運行,箱子到達料斗下方,料斗開始放料。綜上所述,蛋粉定量誤差可以達到最小。所設計的軟件流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

3.2 程序編制

3.2.1 PLC程序編制

3.2.1.1 PID控制

如圖7所示,這里用SM0.0直接調用了編程軟件自帶的PID子程序,即就是用PID指令向導編程。上面的指令中,PV_I為反饋值,也就是將檢測到的當前質量值送入稱重模塊后輸出的模擬電壓值AIW0；Setpoint_R為設定值[2]。

圖7 PID-INIT子程序調用

每個PID回路都有兩個輸入變量,給定值SP和過程變量PV。執行PID指令前必須把它們轉換成標準的浮點型實數。即先把整數值轉換成浮點型實數值,再把實數值進行歸一化處理,使其為0～1的實數[3]。歸一化的公式為

R1=(R/S+M)

(1)

式中,R1為標準化的實數值；R為未標準化的實數值；M為偏置,單極性為0,雙極性為0.5；S為值域大小,為最大允許值減去最小允許值,單極性為32 000,雙極性為64 000[4]。

在本系統中,R=100,設定質量是100 kg；S=32 000,M=0,所以按照歸一化公式R1=100/32 000+0=0.031 25,即Setpoint_R為0.031 25。

如圖8所示,網絡的程序功能是把PID回路輸出轉換成占空比。因PID回路的輸出PID0_Output為0～1的實數值[5],又因設置了采樣時間為10 s,所以第一個指令MUL_R中IN2為100.0。ROUND是將實數轉換成雙整數,DI_I是將雙整數轉換成整數。VW2和VW4分別是采樣周期內的加料時間和非加料時間。

圖8 PID輸出轉換占空比

如圖9所示,該網絡的程序是為了在電腦上通過STEP7-Micro/WIN編程軟件顯示當前質量和設定質量值而寫的,其實也就是歸一化的逆過程。若無該網絡,則顯示的質量值都是歸一化的實數值,不便于記錄和觀察。

圖9 質量設定值與當前值顯示

3.2.1.2 PID指令參數設置

STEP7-Micro/WIN提供了PID Wizard(PID指令向導),可以幫助用戶方便地生成一個閉環控制過程的PID算法。此向導可以完成絕大多數PID運算的自動編程,用戶只需在主程序中調用PID向導生成的子程序,就可以完成PID控制任務[6]。

本控制系統在配置PID環路參數時,各參數設置如下:增益Kc=120,積分時間為3 min,微分時間為1 min,抽樣時間為10 s,PID環路的設定點設置為0～1,一般單極性的值域都是0～32 000。

設置好以上參數后,再根據回路表為PID參數分配存儲地址。到此,PID參數設置結束。

3.2.2 觸摸屏畫面

觸摸屏畫面采用西門子的PT070[7],包括系統運行主畫面、稱重料斗上料畫面、稱重料斗放料畫面、箱子計數畫面、報警畫面和系統I/O表畫面。各控制畫面的控制按鈕均帶有各對應控制對象的狀態指示,能夠真實反映各被控對象的運行狀態。I/O表畫面組態有各開關量信號的狀態指示燈,能夠真實反映開關量信號的輸入輸出狀態,能夠監測生產量,對設備的運行維護起到十分重要的作用。

3.2.3 上位機組態畫面

上位機監控系統由監控主畫面及相應的功能子畫面組成,畫面是用組態軟件來做的,本系統選用組態王6.5.3[8]。將服務器組態與PLC通訊,在利用組態王的外網發布功能,即可實現在局域網里的所有計算機都能夠監視連接到局域網中的PLC的工作狀態,不同權限的服務器和客戶機可以不同程度的控制PLC的程序運行以及工作情況,實現了遠程監控的功能。

4 結束語

根據上述的設計方法,基于PLC的PID調節控制蛋粉定量裝箱機已經通過調試,并在大連綠雪蛋粉廠投入運行。根據該控制系統運行參數可知,每箱蛋粉的凈重誤差由原來的約2.3 kg降低到約0.8 kg,蛋粉裝箱數由原來的2箱/min提高到3.5箱/min,增加了蛋粉的質量精確度,提高了裝箱效率。運行該蛋粉定量自動裝箱機控制系統前,需要兩名工作人員進行稱重、搬運蛋粉箱的工作,現在僅需一名工作人員將裝好的蛋粉箱推到暫時存貨區,減輕了工作人員的工作強度,節省了用人成本。該控制系統增加了原蛋粉干燥系統沒有的上位機組態及觸摸屏功能,使操作方式人性化,使用方便,操作簡單,即使一般工作人員也可以通過上位機組態監視、調整設備運行參數,及時地調整裝箱蛋粉質量,發現并解決運行中出現的問題。

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