基于PLC和Wincc的飼料廠智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

曹應(yīng)明 顧菊芬

本文針對現(xiàn)代飼料廠對控制系統(tǒng)特別是對配料控制的特殊要求，設(shè)計了基于PLC和Wincc的飼料廠智能監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)全廠設(shè)備的自動控制、狀態(tài)顯示、報警記錄和數(shù)據(jù)歸檔等功能，特別是應(yīng)用自適應(yīng)控制算法實現(xiàn)連續(xù)配料控制，很好地解決了現(xiàn)代飼料廠對全廠控制特別是精確配料的要求。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與配置

根據(jù)全廠及配料工藝控制要求與特點，我們本著“集中管理、分散控制”的原則，采用了西門子公司S7－300控制器和ET200分布式IO站點，監(jiān)控操作層配置了兩臺DELL計算機作為工程師站和操作員站。如圖1所示，上位監(jiān)控計算機通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC實現(xiàn)通訊，PLC作為主站通過Profibus總線與ET200通訊。

圖1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成與配置

該系統(tǒng)實現(xiàn)了管理與控制相分離，上位機用于集中監(jiān)視管理功能，下位機下放分散到現(xiàn)場實現(xiàn)分布式控制，上下位機之間用工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)互連實現(xiàn)相互之間的信息傳遞。因此，這種分布式的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)提高了控制器處理能力和響應(yīng)速度，為實現(xiàn)精確控制提供了保證。

2 監(jiān)控軟件設(shè)計

上位機監(jiān)控部分采用Wincc6.0組態(tài)軟件進行實時監(jiān)控。Wincc的性能、功能和開放性均達到當今工業(yè)控制的先進水平，它不僅功能強大，易于使用，安全性好，而且全面開放，擴展靈活，性價比高，國內(nèi)外已有相當?shù)挠脩艋A(chǔ)。監(jiān)控系統(tǒng)人機交互界面友好，操作方便，主要實現(xiàn)流程顯示、手動/遠程控制、狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)定、實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)存檔、趨勢分析、報警和打印等功能。

圖2 Wincc畫面——多組份混合配料線

3 控制軟件設(shè)計

PLC編程工具采用STEP 7V5.3專業(yè)版，編程使用STL語言，STL語言執(zhí)行效率高、可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，這是梯形圖等編程方法所無法實現(xiàn)的。根據(jù)工藝流程的要求，實現(xiàn)如下控制功能。

3.1 進料線和傳輸線的順序控制

根據(jù)控制要求，實現(xiàn)各設(shè)備的啟動順序逆物料流向，停止順序順物料流向。啟動時先啟動最后一臺設(shè)備，經(jīng)過一定時間延時，再依次啟動其他設(shè)備。停止時應(yīng)先停止最前一臺設(shè)備，待物料運送完畢后再依次停止其他設(shè)備。停車時前后兩臺設(shè)備之間的時間差由后一臺設(shè)備的運行速度和設(shè)備長度而定。正常運行時,只要有一個倉下料位器發(fā)出信號，該倉就按規(guī)定流程進料，直到該倉上料位器發(fā)出“滿”信號時方停止進料。在該倉進料過程中，其他倉即便下料位器發(fā)出無料信號也不能啟動。為便于操作、維修和調(diào)整，每臺電動機都有順序操作、機旁操作和點動啟動方式。當某臺設(shè)備發(fā)生故障時，該臺設(shè)備及其前面的設(shè)備立即停止運轉(zhuǎn)，而該臺設(shè)備以后的設(shè)備待運完物料后再停止。

3.2 配料控制

多組份配料系統(tǒng)如圖2所示，各飼料組份經(jīng)過PLC控制的變頻絞龍投入下面的批量秤中，達到配方要求的重量后放入混合機混合。下面簡單介紹應(yīng)用自適應(yīng)算法實現(xiàn)精確配料的方法。

3.2.1 連續(xù)配料

圖3 自適應(yīng)配料過程

如圖3所示，這是正常情況下兩級連續(xù)配料控制的曲線，分為快速配料、慢速配料和沖量配料三部分。P1為快慢配料切換點，P2為配料斷點即此時慢速配料結(jié)束，絞龍停止配料，由絞龍下方管道內(nèi)剩余的原料實現(xiàn)沖量配料。控制程序的目的是要確認在快/慢投料后原料實際重量在配料秤允許偏差范圍內(nèi)。為了達到這個目的，控制器在每次倉投料后測得的兩個數(shù)值w1和w2，通過這兩個數(shù)值可算出實際原料重量。配料在重量達到P1之前為快配料，然后速度由v2線性遞減到v1。遞減曲線的斜率(遞減速度)由每個配倉的參數(shù)t1定義。重量達到P2之后配料停止。設(shè)定時間t3結(jié)束之后，系統(tǒng)將確認實際重量是否在偏差允許范圍之內(nèi)。

3.2.2 脈沖再配料(見圖4)

如果快/慢連續(xù)投料完成之后原料實際重量還低于目標重量負偏差，將進行脈沖模式再配料。循環(huán)：以速度v1清空配料絞龍（投料速度：慢速），脈沖長度=t6；秤穩(wěn)定時間（t3）后，測試重量，如果沒有滿足負偏差則繼續(xù)重復(fù)脈沖配料，但必須在時間c1之內(nèi)。

3.2.3 配料斷點P2和快/慢速配料切換點P1的優(yōu)化

在快/慢速傳送連續(xù)喂料完成之后，系統(tǒng)將自動對配料斷點和快/慢速配料切換點進行修正。

圖4 脈沖自動配料過程

圖5 斷點和切換點修正

圖6 切換點修正

①如果目標值（目標重量）不等于實際值（實際重量），“快/慢速切換點”和配料斷點都必須進行修正，如圖5。但為了保證穩(wěn)定有序輸出，每次操作只修正50%的偏差。

配料斷點修正值＝f1×δw(修正值≤c2)；

快/慢速切換點修正值＝f1×δw(修正值≤c2)。

②如果測得的慢速傳送時間（t7）不等于目標時間（t1加t2），必須對“快/慢速切換點”進行修正，如圖6。如果t7＜(t1+t2)/4，用測得的平均值“flowrate”修正。

快/慢速切換點修正值=f1×(t1+t2－t7)×(實際值/t6)(修正值≤c2)；

如果t7＞(t1+t2)/4，切換重量與修正的目標時間成比例；

快/慢速切換點修正值=w1×f1×(t1+t2－t7)/t7(修正值≤c2)。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)在使用過程中取得了良好的效果，不僅提高了配料的精度和速度、增加了配方管理的靈活性、降低了工人的勞動強度而且實現(xiàn)了生產(chǎn)過程中的整體優(yōu)化，為生產(chǎn)廠家取得了良好的經(jīng)濟效益。

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