基于PLC的自動化生產線控制系統設計

苗子寧

(信陽技師學院 河南 信陽 464000)

0 引言

紙漿模塑技術擁有重要的戰略意義,在環保、制造業以及市場需求等多個領域都有廣闊的應用前景[1-2]。相較于傳統的塑料包裝,紙漿模塑技術主要生產環保型紙質包裝等產品,該技術環境污染風險更低,回收再利用率更高,能顯著推動環保事業的發展。此外,由于紙漿模塑技術能顯著提升制造業的生產效率,實現質量控制和可持續發展性,因此該技術還有助于推動制造業的轉型和升級[3]。隨著工藝和設備的不斷優化,高效的智能化生產成為未來的發展方向。在當今消費結構升級和生活水平提高的大背景下,紙漿模塑技術能夠滿足人們日益增長的各種包裝、容器等產品需求,具有良好的市場前景[4-5]。隨著實踐創新和實踐落地,該技術也有助于實現可持續的、高質量的社會發展節奏。

基于可編程控制器(programmable logic controller,PLC)的自動化技術已經廣泛應用于紙漿模塑生產方面,對于提高生產效率和質量具有重要作用[6-8]。PLC作為工業自動化控制的核心,可以自動監控和控制生產過程,使生產更加高效、穩定和可控[9-10]。在紙漿模塑生產中,PLC能夠通過控制和調節生產流程,實現生產線的智能化控制和優化。然而,由于自動化生產線常常需要定制化處理,所以為了進一步推動紙漿模塑技術的發展,并解決現有市場上液位系統控制不合理、成形系統自動控制模式設計不合理等問題,本研究聚焦于液位平衡方法和模式切換方法,并詳細介紹了其總體實施方案和網絡通信架構。

1 總體設計

如圖1所示,所提系統包括以下7個部分。

圖1 系統總體設計方案

(1)上電檢測:在啟動紙漿模塑自動化生產線之前,必須進行上電檢測。該部分通過監測電力的電壓和電流來確保電源符合設備要求,并確保機器能夠正常啟動和運轉。

(2)打漿系統:打漿系統是紙漿模塑自動化生產線中的第一步,它將紙漿原料與水混合形成一種具有可塑性的混合物。該系統包括打漿機、液位開關和自動配料系統。其中,液位開關用于監測漿液的液位并控制水的加入,自動配料系統可以準確地控制每種原料的用量。

(3)配漿系統:配漿系統是一個自動化系統,用于調制漿料的配方,以滿足不同類型紙質的生產需求。該系統既包括自動配料系統,也包括自動化混合系統。

(4)成型系統:成型系統用于將紙漿原料加工成的所需形狀和尺寸。成型系統包括成型機,控制系統和傳送帶。成型機將漿液放在一個網格上,然后將其壓縮成所需的形狀和尺寸,在該過程中,傳送帶被用來傳遞紙張到下一個流程。

(5)烘干系統:烘干系統用于將成型后的模型脫水和干燥,從而提高其強度和可靠性。該系統包括烘干室、加熱器、風扇和溫度控制系統。烘干室能使用風扇將空氣循環吹動,以達到迅速脫水和干燥的目的。

(6)液位系統:液位系統用于檢測紙漿在各個生產階段的液位,并通過打開或關閉閥門來控制水的流量。

(7)氣壓系統:氣壓系統用于控制成型機所需的氣壓,以確保紙張具有所需的形狀和尺寸。該系統包括壓縮機、安全閥和控制系統。控制系統可以自動地調節氣壓,以確保紙張達到所需的質量標準。

紙漿模塑自動化生產線控制系統的各個組成部分是相互關聯的,它們協同工作以確保高質量和高效率的紙張生產,所有這些控制系統通過一個中央控制裝置進行管理和監測以確保各個系統能夠協同工作,保證生產效率和產品質量。

2 算法優化方案

通常,市場上的紙漿模塑產品生產線只注重如何按照工序生產紙模產品,但并未探討生產控制過程中存在的生產控制問題。相比而言,本控制系統不僅符合工藝流程的需要,還深入研究了系統的水循環利用和成型系統的控制方式。

2.1 液位平衡方法

目前,紙漿模塑生產線設備的設計廠商通常僅考慮了在水池側面上方開孔接水管的方案,以便處理水池中的溢出水。這種方案的優勢為能夠避免水池中的液位溢出,但它卻將水排放到下水道中,造成了水資源浪費和環境污染問題。

紙漿模塑生產系統通常具有多個漿、水池,并都與蓄水裝置相連通,如圖2所示。其中兩個水池向回水池供水,另兩個則從回水池獲取水。回水池還需向打漿池和成型池供水,同時蓄水池和真空罐中的水也會回流至回水池。因此,維護回水池液位平衡時,需確保儲備足夠的水以供打漿池和成型池使用,而非僅僅防止池水溢出。

圖2 蓄水裝置原理圖

本設計中,液位循環系統通過維護回水池、補水池、供水缸、真空罐、回漿池、打漿池和儲漿池之間的液位平衡,保證系統的穩定性和質量,如圖3所示。具體而言,對于每個單獨的漿、水池,液位控制系統的功能是控制水的進出量,以確保各池的液位保持在一定的范圍內。系統工作時,當液位下降到一定程度,液位控制器將向供水缸發送信號,注入水到池中;當液位上升到一定程度,控制器將向抽水泵發送信號,抽取多余的水分。同時,針對不同池之間的液位差異,液位控制器會自動調整供水缸和抽水泵的供水/抽水速度,以達到平衡池間液位的目的。通過這種液位自動調節機制,系統能夠適應不同工況下的需求,實現有效的液位平衡控制,確保系統的穩定性和安全性。

圖3 液位循環設計

回水池的水源有三個方面,如圖3所示:一是來自蓄水池的水;二是真空水泵向回水池排放的蒸汽,盡管其對液位影響不大;三是來自真空罐排放的水。回水池的出水口有三個方向:一是用于向成型池供漿;二是用于向打漿池供漿;三是用于向泵3提供循環水,盡管對液位影響不大。供水缸的水源來自蓄水池和補水池,其排放由真空水環泵實現。保持供水缸液位穩定至關重要,以確保真空水環泵有足夠的水壓。補水池的水源來自真空水環泵的排出、供水缸的溢出以及蓄水池的補充。補水池的排水時間和去向取決于其液位高度和水溫。真空罐中的水主要來自吸附成型工序,主要流入回水池。維護液位平衡的關鍵點包括:(1)根據水池液位高度控制進水閥和進水泵的開關狀態;(2)根據回收水量控制水池保留的液位高度。

2.2 模式切換方法

成型部分的控制方式包括手動和自動兩種模式,并可實現模式之間的切換,如圖4所示。整個過程中,每個步驟均設有允許自動啟動的標志位、手動啟動按鈕的標志位以及正在運行狀態的標志位。在自動模式下,控制系統將自動識別允許自動啟動的標志位,并執行自動啟動操作。在手動模式下,控制系統將根據手動啟動按鈕的標志位進行相應的控制操作。此外,在整個過程中,運行狀態的標志位將記錄當前所處的階段,以便于后續操作的執行和狀態的監測。

圖4 自動和手動模式切換示意圖

具體而言,在自動模式下,當允許自動啟動的標志位滿足條件時,控制系統將啟動相應的自動控制程序,并根據預設的參數和算法實現成型過程的自動化控制。同時,運行狀態的標志位也將被記錄并不斷更新。在手動模式下,當手動啟動按鈕的標志位被觸發時,控制系統將切換到手動控制模式,并根據操作者的指令進行相應的操作。此時,相應的允許自動啟動的標志位將被關閉,并不再啟動自動控制程序。在此模式下,控制系統將實時更新運行狀態的標志位并記錄操作者的操作。

3 系統硬件平臺搭建

PLC是一種非常靈活的控制單元,在工業自動化生產線中比其他控制單元更具有優勢。不同的工業過程需要不同的控制方式和參數設置,PLC可以根據控制要求進行靈活的調整和修改,以滿足不同的生產需求,從而提高生產效率和質量。在魯棒性方面,PLC系統具有較高的可靠性和穩定性。由于其內部集成了工業級芯片和電路元件,具有較高的耐用性和可靠性,能夠在惡劣的工業環境下無間斷地運行。在設計方面,PLC系統的硬件模塊和軟件程序都是模塊化設計,方便進行維護和更新,其固件和軟件可以通過簡單的操作進行升級和替換,從而提高了系統的可維護性和可靠性。在通信方面,PLC還具有多種通信接口和通信協議,可以與其他工業系統和設備實現高效的數據通信和信息共享,例如現場總線、傳感器、執行器、變頻器等,PLC可以與它們相互配合工作,完成復雜的工業自動化任務。基于這些優點,選擇PLC作為控制單元來實現該系統,該系統的硬件實施總體設計方案如圖5所示。

圖5 紙漿模塑系統硬件實施總體設計方案

該系統需要使用2個CPU、1個觸摸屏以及1臺筆記本電腦進行以太網通信。每個設備只擁有一個以太網口,因此只能實現設備間的兩個通信。要實現4臺設備的同時通信,就需要建立一個以工業交換機為核心的通信網絡,如圖6所示。

圖6 通信網絡的示意圖

通信網絡的實施方案為:

(1)選擇一個工業交換機作為通信網絡的核心設備,該交換機需要具有足夠的端口數以滿足連接4臺設備的需求。

(2)為每個設備分配不同的IP地址,以避免地址沖突。IP地址是在網絡上唯一標識設備的地址,需要確保每個設備的IP地址不重復。假設PLC1的主站需要分配IP地址為192.168.1.1,PLC2從站為192.168.1.2,觸摸屏為192.168.1.3,筆記本電腦為192.168.1.4。

(3)確保所有設備的IP地址處于同一子網內,這樣它們才能夠互相通信。子網掩碼用于確定IP地址中的網絡部分和主機部分,通常設置為255.255.255.0。這意味著前三段IP地址需要相同,只有最后一段不同。在這種情況下,子網掩碼為255.255.255.0,表示前三段IP地址為192.168.1,最后一段IP地址范圍可以是1到254。

(4)在工業交換機上進行端口配置,確保每個設備都與交換機的不同端口連接,并設置對應的VLAN(虛擬局域網)或者端口隔離,以實現設備之間的隔離與通信。VLAN是一種邏輯上的網絡隔離,可以將不同的設備分隔到不同的虛擬網絡中,從而避免不同設備之間的廣播或沖突。

(5)配置設備的網絡參數,包括IP地址、子網掩碼、網關等,以確保設備能夠正確地加入通信網絡,并能夠互相通信。

4 結語

本研究旨在對紙漿模塑自動化生產線的控制系統進行改進,提出一種基于PLC的控制方案。本研究的主要貢獻在于分析了市場上紙漿模塑生產線存在的不足,包括液位系統控制不合理以及成型系統的自動控制模式設計不合理,并提出了相應的創新方案。其中,采用計算進出水的水量和時間來平衡各個水池的液位平衡方法,以及通過觸發信號和手動按鈕來控制各個工步之間的切換的模式切換方法,均為本研究的創新點。最后,本文給出了系統設施和網絡分配方案。但由于實驗受限,該控制系統未能在生產線上進行驗證,因此實際操作可能會與理論預期有所偏差。未來研究可以對該方案進行進一步驗證和完善。