現(xiàn)場總線在玻璃配料系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉子飛

（秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計院有限公司 秦皇島 066001）

0 引言

由于玻璃相關(guān)行業(yè)發(fā)展的需要，對相關(guān)玻璃產(chǎn)品性能要求越來越高，玻璃配料領(lǐng)域也提出了高精度、高便捷、高智能的需求，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）的應(yīng)用，加快了這一發(fā)展速度。FCS以其安裝方便、運行穩(wěn)定、維護方便、易于擴展等特點，應(yīng)用在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域。

1 玻璃配料控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

玻璃原料配料控制系統(tǒng)主要由：計算機、PLC、稱重儀表、模擬顯示屏等組成。稱重儀表連接每臺秤的稱重傳感器，測量實時重量，PLC對稱量、秤臺給排料、皮帶和混合機的運行進行邏輯控制，模擬屏顯示設(shè)備運行狀態(tài)。

目前國內(nèi)玻璃配料系統(tǒng)存在以下問題：①設(shè)備多，線路復(fù)雜。由于PLC、模擬屏、給料機、稱重儀表、排料門等工藝設(shè)備之間傳遞各類開關(guān)量和模擬量信號，使得各類電纜、導(dǎo)線、信號線數(shù)量大、型號多、布線復(fù)雜。復(fù)雜的線路必然給系統(tǒng)的安裝、生產(chǎn)維護、技術(shù)改造帶來一定的困難。②電磁干擾嚴(yán)重。動力柜、變頻調(diào)壓控制柜都放在控制室，設(shè)備啟停和運行過程會產(chǎn)生多種雜波信號，通過與PLC和稱重儀表信號線產(chǎn)生電磁干擾，影響配料系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

現(xiàn)場總線是工業(yè)生產(chǎn)車間的信息交換網(wǎng)絡(luò)干線，通過布置在工業(yè)現(xiàn)場智能設(shè)備間的這條網(wǎng)絡(luò)干線，實現(xiàn)控制器、檢測儀表、執(zhí)行器等設(shè)備間的信息交換。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)具有互聯(lián)化、開放化、模塊化等優(yōu)點。通過現(xiàn)場總線，控制單元能夠接收現(xiàn)場智能設(shè)備發(fā)送的運行和故障信號，還能夠?qū)⒖刂茊卧母黝惪刂泼畎l(fā)送到相關(guān)的現(xiàn)場智能設(shè)備，從而實現(xiàn)控制單元與現(xiàn)場智能設(shè)備間的直接信息交換，簡化了現(xiàn)場設(shè)備與控制室之間的互聯(lián)導(dǎo)線。

3 采用現(xiàn)場總線的玻璃配料系統(tǒng)硬件構(gòu)成

采用現(xiàn)場總線的玻璃配料控制系統(tǒng)中，選用支持PROFIBUS-DP或PROFINET協(xié)議的PLC作為系統(tǒng)的中央處理器，稱重采集模塊之間組網(wǎng)，直連控制系統(tǒng)CPU，與稱重傳感器之間通過MODBUS協(xié)議交互數(shù)據(jù)。給料機變頻調(diào)速控制器支持MODBUS通信協(xié)議，使用MODBUS通訊模塊和中央處理器組網(wǎng)，在博圖軟件中實現(xiàn)MODBUS協(xié)議數(shù)據(jù)和中央處理器的交互，構(gòu)成高速通信的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)，對稱重終端設(shè)備實時監(jiān)控。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3.1 稱重傳感器及稱重采集模塊

玻璃原料配料系統(tǒng)中，原料重量由安裝在秤斗上的三只稱重傳感器將秤斗上的重量值轉(zhuǎn)換成三路模擬電壓信號，進入4路稱重采集模塊，該模塊支持標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS-DP或PROFINET通訊協(xié)議，通過現(xiàn)場總線與系統(tǒng)進行連接。針對稱重傳感器模擬信號線纜多，安裝繁瑣、穩(wěn)定性差的問題，用具有現(xiàn)場總線功能的稱重采集模塊取代傳統(tǒng)的稱重接線盒加稱重控制儀表模式，依靠傳感器自檢發(fā)現(xiàn)傳感器故障，解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)誤差難以克服的缺點。稱重采集模塊最多可以連接四個重量傳感器，由于現(xiàn)場總線可以對每只重量傳感器進行讀取測量數(shù)據(jù)，當(dāng)重量傳感器故障時，系統(tǒng)依靠自檢程序及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差，可以有效避免出現(xiàn)重大配料事故。

3.2 電磁振動給料機及控制模塊

電磁振動給料機是秤斗進出料設(shè)備，傳統(tǒng)設(shè)計是用可控硅板輸出經(jīng)過半波整流的脈動直流電壓，電壓有效值的大小決定了電磁給料機的振幅。電壓由安裝在面板的可調(diào)電位器調(diào)節(jié)，用開關(guān)量控制振動給料機是否工作，可控硅板一般專門放在控制室可控硅柜中。這種控制系統(tǒng)安裝接線繁瑣，上下料采用雙速調(diào)節(jié)定量控制的方法，不能實現(xiàn)稱量精度和上下料速度的實時調(diào)節(jié)，給料速度只能手動調(diào)節(jié)。

具有總線通信功能的可控硅控制模塊具有以下功能：①支持標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議；②模塊驅(qū)動電磁給料機，可以實現(xiàn)給料速度連續(xù)在線調(diào)節(jié)；③具有外接控制開關(guān)和調(diào)速電位器端子；④通過設(shè)備撥碼開關(guān)設(shè)置設(shè)備通訊地址及通訊速率。

3.3 稱量控制模塊

可控硅控制模塊和稱重采集模塊組合為稱量控制模塊，放置在電子秤附近，通過模塊上的可調(diào)電位器和按鈕，實現(xiàn)配料手動操作。

3.4 皮帶機等設(shè)備控制

玻璃配料系統(tǒng)中負(fù)責(zé)運輸原料的皮帶機帶、混合機、電磁閥等設(shè)備仍采用傳統(tǒng)的控制方式，控制元件放在動力控制柜中，用PLC系統(tǒng)的開關(guān)量I/O進行控制。

4 系統(tǒng)軟件及算法

系統(tǒng)軟件包括控制程序和管理程序。

4.1 控制程序

包含OB1和OB35組織塊。OB1主程序編制模塊，主要功能包括：循環(huán)掃描、系統(tǒng)時鐘、通訊格式、診斷信息讀寫等功能。OB35是控制原料的上下料、計量、混合、傳送及PLC通信的系統(tǒng)循環(huán)及中斷組織塊。

4.2 系統(tǒng)管理軟件

在玻璃配料稱量系統(tǒng)中，中央處理器采集系統(tǒng)智能設(shè)備的信號，通過CPU進行計算，并與管理計算機進行通信。計算機管理軟件通過人機交互界面，在屏幕上以形象圖形的形式實時反映整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，將系統(tǒng)的設(shè)置和操作命令及時傳送給PLC，并且能在一定條件下自動必要的操作，保存系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如配料操作記錄、配方表診斷，利用模擬屏指示設(shè)備運行狀況。

4.3 稱重控制算法

玻璃配合料是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，主要決定于原料的稱量精度，影響稱量精度的因素主要有以下幾個方面：①物料粒度、黏度、自流度不一致；②給料機人工調(diào)速的不確定；③給料機的輸出特性，隨時間的變化引起稱量誤差；④不同時段電網(wǎng)電壓的變化，影響給料速度。

由于原料稱量具有不重復(fù)性、不確定性，不易確定理想的數(shù)學(xué)模型，上、下給料機采用雙速送排料方式，該方法稱量精度低、總給料速度慢、穩(wěn)定性差等，用固定控制算法不能達到精度和速度的理想配合。新的控制算法中，采用模糊控制技術(shù)，配料控制系統(tǒng)對相近批次配料數(shù)據(jù)智能判斷，對給料速度和懸浮量進行智能優(yōu)化，實現(xiàn)加料同步、排料同步的運行狀態(tài)，既能有效使用配料設(shè)備，又能提高配合料的均勻度，有利于連續(xù)制備高質(zhì)量的配合料。

5 結(jié)語

本文結(jié)合目前國內(nèi)玻璃原料配料系統(tǒng)的實際情況，分析了現(xiàn)有系統(tǒng)存在的一些問題，主要包括：配料精度低、穩(wěn)定性差、布線多、安裝復(fù)雜、維修困難等不足，對原料配料控制的關(guān)鍵問題提出了一些重要的設(shè)計思想?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)具有模塊化、穩(wěn)定性、便利性等優(yōu)勢，必將逐漸取代傳統(tǒng)的玻璃原料配料控制模式。隨著自動化控制技術(shù)的不斷發(fā)展，對玻璃原料配料精確性、穩(wěn)定性和便利性的需求會不斷提高，需進一步研究原料稱量的非線性時變系統(tǒng)，利用模糊控制理論，更有效地解決稱量配料速度與稱量精度完美組合問題。