基于PLC的物料包裝輸送監(jiān)控系統(tǒng)

1 引言
物料包裝輸送系統(tǒng)的工作環(huán)境通常比較惡劣,設(shè)備所處環(huán)境一般粉塵較大，空氣相對濕度高，操作分散，所以對輸送包裝控制系統(tǒng)工作的安全性、可靠性、維護(hù)簡便性要求較高。以前，電器控制系統(tǒng)中大多使用分立的繼電器，接觸器等電器元件作為控制元件，其控制系統(tǒng)復(fù)雜，操作難度大，并且安裝接線工作量大、修改控制策略難,維護(hù)量大，嚴(yán)重影響了正常生產(chǎn)。因此，物料輸送控制系統(tǒng)成了制約生產(chǎn)的瓶頸。而采用可靠性較高的PLC及其WINCC監(jiān)控軟件[1]組成的控制系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集、控制回路、自動(dòng)順序操作和運(yùn)算的主要設(shè)備。實(shí)現(xiàn)包裝系統(tǒng)的皮帶過程控制和輸送工藝流程的實(shí)時(shí)監(jiān)測、自動(dòng)控制和系統(tǒng)運(yùn)行診斷，滿足了系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性的要求。

2 系統(tǒng)介紹
包裝輸送控制系統(tǒng)分為散庫和包裝庫兩組。散庫主要存儲(chǔ)不需要包裝的散料，包裝庫進(jìn)行成品包裝。主要包括：1#～8#線、A線（9#、15#、16#）、B線（10#、19#、20#）、C線（11#、17#）、D線（12#、
18#）、E線（13#、21#）、F線（14#、22#）。各線工藝流程如圖1所示。在該工藝流程中，除了要考慮各皮帶內(nèi)部按順序啟動(dòng)停止以及皮帶的打滑、跑偏等問題外，還必須考慮相關(guān)配套設(shè)備。系統(tǒng)主要包括數(shù)字量輸入67路，模擬量輸入16路，數(shù)字量輸出52路；需要控制的過程有各皮帶的啟動(dòng)、停車和安全運(yùn)行，各料槽的選擇和設(shè)備故障時(shí)的處理。

2 PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2.1硬件配置
根據(jù)設(shè)備及工藝要求，包裝輸送系統(tǒng)采用上位機(jī)和下位機(jī)組成，上位機(jī)使用兩臺PC機(jī)：一臺作為操作站實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)檢測；另一臺作為工程師站完成組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)、PLC程序的開發(fā)以及將軟件通過PROFIBUS[2]總線傳送至PLC的CPU單元。下位機(jī)采用功能強(qiáng)大、可靠性高、維護(hù)方便且抗干擾能力強(qiáng)的可編程控制器西門子S7-300系列PLC完成對設(shè)備的控制功能，且下位機(jī) 分為兩個(gè)機(jī)架分別放置于包裝庫和散庫。散庫機(jī)架與包裝室機(jī)架的S7-300構(gòu)成PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)配置如圖2所示,其具體組成如下。
(1) 中央控制單元
中央控制單元選用 CPU315-2DP[3]作為PLC的核心部件，進(jìn)行邏輯和數(shù)字運(yùn)算，協(xié)調(diào)整個(gè)控制系統(tǒng)各部分的工作。
(2) 電源單元
電源單元采用1：1隔離變壓器進(jìn)行對PLC的220V交流開關(guān)量輸入卡件進(jìn)行供電，采用SITOP電源對PLC的24V開關(guān)量輸出卡件供電。自帶的PS-307/5A直流電源對CPU和部分卡件進(jìn)行供電。

(3) 輸入輸出單元
系統(tǒng)采用兩塊8點(diǎn)的模擬量輸入單元AI8×12Bit、兩塊32點(diǎn)輸出單元DO32×DC24V/0.5A、一塊
16點(diǎn)輸出單元DO16×DC24V/0.5A、五塊16點(diǎn)數(shù)字量輸入單元DI16×AC120/230V
(4)通迅模塊
為了確保包裝庫操作站與散庫操作站通信正常(距離約300米)，在本系統(tǒng)選用了CP 342-5通迅模塊。
通過PROFIBUS 進(jìn)行配置和編程。
2.2 變量分配
控制對象的PLC變量分配情況表1所示。

3 包裝輸送控制程序設(shè)計(jì)思想
3．1 系統(tǒng)控制方式
包裝輸送控制系統(tǒng)的控制方式分為自動(dòng)控制、單機(jī)控制和現(xiàn)場手動(dòng)控制三種。單機(jī)啟動(dòng)方式是指在上位機(jī)的連鎖圖中, 設(shè)有啟動(dòng)及停車按鈕, 在未進(jìn)入聯(lián)鎖狀態(tài)時(shí)，皮帶可以獨(dú)立啟動(dòng)/停止。
3．2控制程序設(shè)計(jì)
該皮帶輸送系統(tǒng)共有二十二條皮帶，根據(jù)皮帶輸送工藝可以將其為兩大部分：1#～8#線與A~F線。根據(jù)包裝室和散庫控制室及現(xiàn)場皮帶運(yùn)行情況，得出該輸送系統(tǒng)的控制策略：（1）選擇控制方式：遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、現(xiàn)場手動(dòng)控制或遠(yuǎn)程手動(dòng)控制方式。 （2）根據(jù)包裝與否控制包裝流水線和散庫流水線運(yùn)行，并按要求順序停止。（3）根據(jù)料槽料位控制A~F線啟動(dòng)、停止。
本系統(tǒng)中STEP7用戶程序分為組織塊（OB）、功能塊（FC）和數(shù)據(jù)塊（DB）。功能塊根據(jù)控制任務(wù)用于建立用戶程序。將整個(gè)控制過程按工藝分為模擬量信號處理、A~F線起/停、3~8#線皮帶起停、
　

總料位計(jì)算、模擬量變換、料槽料位運(yùn)算、報(bào)警處理、1~6#皮帶速度處理、1~2#皮帶起停和分料器選擇等程序塊。針對工藝流程的具體情況，用語句表(LAD)形式編程。圖4給出了3#~6#皮帶控制流程圖。數(shù)據(jù)塊用來存放皮帶速度和料槽料位的數(shù)據(jù)。
3.3控制設(shè)計(jì)思想
(1) 回路啟動(dòng)順序由下游向上游(來料方向?yàn)樯嫌?span lang="EN-US">) , 按一定延時(shí), 逐個(gè)啟動(dòng), 若回路啟動(dòng)過程中無故障, 則為正常啟動(dòng); 若有故障則為異常啟動(dòng), 程序啟動(dòng)遇到故障時(shí), 就不再繼續(xù)往下啟動(dòng)。
(2) 回路停止順序由上游向下游, 它包括正常停止和事故停止。正常停止為順序停止,即正常操作時(shí)程序按一定時(shí)間延時(shí)由上游向下游逐個(gè)停止設(shè)備。事故停止是在啟動(dòng)或正常運(yùn)行過程中回路中某一設(shè)備發(fā)生故障時(shí), 上游的設(shè)備立即停止,下游設(shè)備可運(yùn)行。
(3) 在邏輯梯形圖中, 凡是帶有分支的聯(lián)鎖回路都有記憶功能。因?yàn)榍耙慌_設(shè)備可以根據(jù)需要啟動(dòng)下面的各個(gè)分支回路的設(shè)備, 回路梯形邏輯的記憶功能, 可保證有故障回路的設(shè)備能正確停車。
(4) 上位機(jī)能顯示出整個(gè)皮帶運(yùn)行狀態(tài)。 亦能顯示單條回路運(yùn)行的設(shè)備。
4 WINCC組態(tài)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
工業(yè)控制組態(tài)軟件是可以從可編程控制器、各種數(shù)據(jù)采集卡等設(shè)備中實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，發(fā)出控制命令并監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行是否正常的軟件。組態(tài)軟件能充分利用Windows強(qiáng)大的圖形編輯功能，以動(dòng)畫方式顯示監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，方便的構(gòu)成監(jiān)控畫面和實(shí)現(xiàn)控制功能，并可以生成報(bào)表[4]、歷史趨勢等，為工業(yè)監(jiān)控軟件開發(fā)提供了便利的軟件開發(fā)平臺，從整體上提高了工控軟件的質(zhì)量。西門子公司開發(fā)的WINCC是運(yùn)行在Windows2000上的一種組態(tài)軟件。它的功能是建立動(dòng)態(tài)顯示窗口，通過提供的工具箱可方便建立實(shí)時(shí)曲線圖、歷史曲線圖和報(bào)警記錄顯示。在畫面窗口中，通過對多種圖形對象的組態(tài)設(shè)置，建立相應(yīng)的動(dòng)畫連接，用清晰生動(dòng)的畫面反映工業(yè)控制過程。根據(jù)包裝控制系統(tǒng)的要求，圖5是監(jiān)控軟件的結(jié)構(gòu)。WINCC與S7-PLC同屬西門子產(chǎn)品，屬于無縫集成且自帶通訊協(xié)議連接。該控制系統(tǒng)和上位機(jī)組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)了物料輸送測控系統(tǒng)的要求。簡潔且形象的模擬了整個(gè)系統(tǒng)的工藝流程，操作人員能在控制室的計(jì)算機(jī)屏幕上觀察到輸送的全部情況，包括各種報(bào)警。取得權(quán)限的操作人員能在控制室對任何一條皮帶單獨(dú)操作或連鎖操作，并進(jìn)行手動(dòng)與自動(dòng)切換。

5 監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能
(1) 顯示功能：工藝流程、測量值、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、操作模式、報(bào)警等顯示、畫面調(diào)用等功能；
(2) 報(bào)警處理和報(bào)表生成功能：紀(jì)錄報(bào)警發(fā)生時(shí)間、故障內(nèi)容等信息，并對報(bào)警信息進(jìn)行管理，系統(tǒng)報(bào)表有時(shí)報(bào)、日報(bào)、月報(bào)等；
(3)歷史趨勢功能：對現(xiàn)場的皮帶速度、料槽料位以曲線圖形顯示。每個(gè)趨勢曲線顯示的畫面主要包括畫面名稱、時(shí)間、趨勢等；
(4) 畫面系統(tǒng)對系統(tǒng)料位參數(shù)進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)自動(dòng)/手動(dòng)的切換；
(5) 管理權(quán)限：實(shí)現(xiàn)不同級別的系統(tǒng)管理權(quán)限，系統(tǒng)操作員可以選擇操作模式，查看趨勢曲線及報(bào)表等；系統(tǒng)工程師可以對監(jiān)控軟件和下位機(jī)軟件進(jìn)行修改。
(6) 操作控制功能：根據(jù)界面上的按鈕可以對各條皮帶進(jìn)行操作，比如：啟動(dòng)、停止；對料位按工藝要求進(jìn)行設(shè)定并對其進(jìn)行選擇。
6 結(jié)束語
本文所述物料運(yùn)輸自動(dòng)控制系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場已經(jīng)正常運(yùn)行一年。由于整個(gè)物料傳送工藝均在一個(gè)完整的控制系統(tǒng)控制下，各個(gè)分工藝之間的協(xié)調(diào)及互鎖設(shè)計(jì)嚴(yán)密。另外，在PLC控制程序和上位人機(jī)界面中對每一個(gè)參控變量均設(shè)置了報(bào)警信息提示，使操作員可以快速的查找故障點(diǎn)，及時(shí)處理故障。并且對于每一個(gè)關(guān)鍵操作命令都設(shè)有相應(yīng)確認(rèn)提示，消除誤操作的可能性。該控制方法提高了現(xiàn)有系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。