（机械电子工程专业论文）基于现场总线及plc控制的烟片自动加料系统的设计与实现.pdf

摘要 本文针对宝鸡卷烟厂制丝车间烟片生产线烟叶加料工艺的需要，利用p l c 及 现场总线技术对生产线烟叶加料系统进行了设计，通过生产线物料的流量均衡、 自动称重、跟踪自动加料以及利用智能仪表进行检测回馈、对比修正等形成闭环 自动控制，设计了电子皮带自动称重、加料自动跟踪、自动反馈计算修正等系统， 实现了烟叶生产中加料均匀精确。论文主要对烟叶加料过程进行了研究，对系统 进行整体设计、工艺流程设计、硬件的选用设计、软件设计和系统调试。 整个系统采用基于现场总线p r o f i b u s d p 的控制系统，广泛采用e t 2 0 0 s 现 场分布式i o 、h m i 、变频器、智能检测仪表等，运用p r o f i b u s 现场总线的d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) 协议构筑了一个分布式的p l c 控制系统，并利用西门 子最新网络技术p r o f i n e t 工业以太网，与上层网络进行数据交换和管理，完全 实现了加料的自动化、精确化、可视化要求，以及数据的实时性传输和保存，满 足了企业日益提高的质量要求和数据追踪、分析评估的需要。 本系统特别针对传统加料系统中，料头、料尾精度低、加料不均匀以及出现 偏差后难以快速处理、质量事故率较高的难点，提出了料头预填充、过程自动对 比补偿修正偏差的有效办法，较好解决了以上的难题，大大降低了故障停机率和 质量隐患，满足了加料精度要求，在实际运行中达到了预期的效果。本方案对其 它行业的配料、加料、掺兑系统中亦有很好的借鉴和参考价值。 关键词：烟叶生产线、自动加料、现场总线、对比修正、加料精度 a b s t r a c t i no r d e rt om e e tt h et e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o np r o j e c to fd i f f e r e n tp l a c ei nt o b a c c o l e a fl i n e ，t h i sa r t i c l et a k e sar e s e a r c ho nt h ed e s i g na n dt h ek e yt e c h n i q u e so fd e v e l o p i n g i nt h r e ea u t o m a t i cb u r d e ns y s t e m s ，a n da na u t o m a t i cb u r d e ns y s t e m so ft h ed r y m a t e r i a l s ，a l la u t o m a t i cb u r d e ns y s t e m so ft h ew e tm a t e r i a l s ，a na u t o m a t i cb u r d e n s y s t e m so ft h ed r ya n dw e tm a t e r i a l sd e v e l o p e d t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ra l ea s f o l l o w s ：t h eo v e r a l ld e s i g n , t h eh a r d w a r ed e s i g ns e l e c t s ，t h et e c h n i c a lp r o c e s sd e s i g n ， t h es o f t w a r ed e s i g na n dt h es y s t e md e b u g g i n gd e s i g n t h ew h o l es y s t e mo fa u t o m a t i cb u r d e nb a s e do np r o f i b u s d pf i e l db u s a d i s t r i b u t e d - p l cc o n t r o l s y s t e mw h i c hb a s e d o nt h e p r o t o c o lo fp r o f i b u s - d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) u s ed i s t r i b u t e di o ，h m i ，f r e q u e n c yc o n v e r t e r , i n t e l l i g e n t w e i g h i n gi n s t r u m e n ta n ds o o n i t c o m p l e t e l y r e a l i z ea u t o m a t i o n , a c c u r a t ea n d v i s u a l i z a t i o no ft h eb u r d e n t h eb u r d e ns y s t e mo ft h ed r ym a t e r i a l sf o r m sc l o s e d l o o pc o n t r o lt h r o u g hi n c r e a s e s p i r a le l e c t r o n i cs c a l e ，w e i g h i n gi n s t r u m e n t i th a sd e s i g n e da na u t o m a t i cb u r d e nc o n t r o l s y s t e m f i n i s h e dt h eg e n e r a ld e s i g n ，m e c h a n i c a lc h o i c e ，p l cp r o g r a m m i n g ，h m i p r o g r a m m i n g i no r d e rt oi m p r o v i n gt h ea c c u r a c y , t h i sp a p e rm a k e ss o m eb e n e f i c i a l a t t e m p t sa n da p p r o a c h e s b e c a u s eo ft h el o w e ra c c u r a c yi nb u r d e ns y s t e mo ft h ed r y a n dw e tm a t e r i a l s ，u s ef u z z yc o n t r o lt oa d j u s tt h ew e i g h i n gs p e e da n dw e i g h i n gt i m e t h ep r a c t i c a lr u n n i n gs h o w sag o o de f f e c t ，a n dt h es a t i s f a c t o r yr e s u l t sh a v eb e e n o b t a i n e d t h eb u r d e ns y s t e m si nt o b a c c ol e a fl i n eo fb a o j ic i g a r e t t ef a c t o r ya c h i e v et h e a u t o m a t i cp r o c e d u r e ，a n dt h es y s t e mc a nm e e tt h en e e do fb u r d e n i n ga c c u r a c ya n d a c h i e v e st h ed e s i r e dr e s u l t t h i sp l a na l s oh a st h ev e r yg o o dm o d e la n dd i r e c tr e f e r e n c e v a l u et oo t h e rp r o f e s s i o n sb u r d e nc o n t r o l s k e y w o r d s ：t o b a c c o p r o d u c t i o n l i n e ； a u t o m a t i c b u r d e n ；f i e l d b u s ； c o m p a r i s o na n da m e n d m e n tc o n t r o l s ；b u r d e n i n ga c c u r a c y n 长安大学硕：t 学位论文 第一章绪论 1 1 选题的背景及研究的意义 1 1 1 课题的选题背景和依据 近年来，中国烟草行业取得了举世瞩目的发展成就，卷烟和烟叶产量已经位 居世界第一，烟叶的生产加工技术也取得了长足进步，各卷烟生产企业的技术水 平和设备能力都得以大幅提升，并逐步形成了具有中国有特色的中式生产加工技 术，基本满足了卷烟市场需求。但是，相对美欧烟草强国来说，差距仍然较为明 显，加工精度、制造成本、产品质量都与先进水平都有一定差距。国际烟草强势 企业不仅有好的经营营销策略，更有先进的加工工艺和科学的加工技术，是靠科 技赢得市场，靠质量的赢得消费者认可。质量是企业的生命，科技是质量的保证， 烟草作为一种有争议的产品，赢得消费者是烟草企业开拓市场的重要手段，为了 研究开发满足消费者需求的产品，不断缓解反吸烟运动带来的压力，解决吸烟与 健康之间的矛盾，烟草企业始终坚持降焦减害，依靠新技术手段和方法尽可能提 高质量，减少危害，科技在烟草产业的发展壮大中起到了不可替代的作用。而卷 烟生产过程中，烟叶作为烟草行业的基本原料，其加工的质量非常重要，烟叶的 加料环节更是直接决定了卷烟的吸味和口感，也就决定了产品的市场竞争力和企 业的效益，因此加料的均匀性、精确度就显得尤其重要。 现在烟草烟叶加料的生产工艺己取得了较成熟的经验，许多厂家和研究单位 继续对加料的工艺、设备、控制系统等开展了大量卓有成效的研究和改进工作， 有些已应用于现场生产，明显改善了的品质。 陕西中烟工业有限责任公司宝鸡卷烟厂原制丝车间系9 0 年代安装投产的5 0 0 0 1 ( g m 烟叶生产线，如流程图如图1 1 。其烟叶加料系统主要采用前段安装自动计量 电子皮带秤，加料设备根据计量秤进行比例加料，其设计简单，维修方便。 臣 臣亘丑回叫卫 图1 1 传统烟叶生产加料生产线的工艺流程 传统烟叶生产线烟叶加料的工艺流程是计量型电子皮带秤将前段所来物料直 接进行称重，并将称重结果传输给加料设备，加料设备根据所获取的数据与工艺 设定比例进行运算，得出一个加料值，并对应到加料齿轮泵的转动频率，以实现 第一章绪论 加料的自动跟踪，完成加料后进行存储，完成整个加料任务。但是由于采用了开 环控制方式，而开环控制是一种最简单的控制方式，其特点是，在控制器与被控 制对象之间只有正向控制作用而没有反馈作用，及系统输出量对控制量没有影响 【1 1 。所以，无法有效跟踪反馈实际加料量，造成加料精度低，故障设备停机故障率 高，已经逐渐无法满足生产工艺需求。前端物料不稳定，计量电子皮带秤流量波 动大，加料设备跟踪加料后，累计误差大，且在料头料尾偏差极大，出现偏差后 也无法及时进行自动修正。 1 1 2 课题研究的意义 烟叶加料系统是烟丝制造过程中的设备的关键环节之一，加料的精度和稳定 性直接影响产品的品质。自动加料系统的配比精度达不到要求，一是会造成烟叶 料液偏差大，达不到工艺要求，在经过储存互相渗透后无法实现糖料的均匀吸收， 造成制成的烟支在吸食时同一品牌香气不均匀、口味不同、消费者对品牌的认知 度降低，甚至严重的可能会造成烟支外表产生黄斑、异状，直接影响卷烟的外观 和吸味；同时自动加料设备还具备烟叶加湿回潮和加温功能，能提升烟叶的水分 和柔韧性，降低在后续工序加工过程中烟叶的造碎，提高烟叶利用率，降低消耗 和生产成本。 宝鸡卷烟厂原制丝车间在用加料系统，由于安装于上世纪九十年代，虽然后 来经过几次较大规模的升级改造，但是其控制的核心思想和硬件配置仍无法满足 现阶段生产工艺要求，加料精度、控制精度、纠偏能力、加湿回潮能力明显达不 到质量标准，其存在的问题主要有： ( 1 ) 前段采用的计量型电子皮带秤不具有均匀进料、稳定流量的功能，虽然 其计量精度能达到计量精度要求，但是由于受来料波动变化的影响，检测的数据 波动大，无法为加料系统提供稳定的数据源，增大了由于基础数据波动大造成的 系统误差。 ( 2 ) 在加料系统中，只是根据电子皮带秤传输的流量数据与加料比例进行简 单的运算，再计算出相应的加料泵变频器的运行频率，这种开放式的开环控制方 式，易造成加料精准的“假象”。开环控制是一种简单的无反馈控制方式，系统的精 度取决于组成系统的各元、器的精度和特性调整的精确度【2 】。没有实际测量实际加 料量，造成与理论值之间的差距，控制精度明显偏低，靠人工间断性观察变频器 2 长安大学硕士学位论文 的运行频率和电子皮带秤的流量来保证质量指标的实现，工人劳动难度大，配比 精度达不到要求，远不适应现代工业发展的要求。 ( 3 ) 加料控制存在缺陷，由于是采用了齿轮啮合形式的齿轮泵，结构上，齿 轮之间有间隙，控制不精准，每一赫兹频率的变化，可能造成加料量的很大变化， 在调节上，不够微观，使加料流量不稳定，而且，齿轮之间的摩擦易造成加料泵 的内漏，设备停机故障率高。 ( 4 ) 不具备纠偏功能，无法对已经出现的偏差进行补偿。由于系统中没有足 够的智能仪表跟踪检测过程参数，无法及时发现和补偿修正已经存在的误差，且 在控制上没有形成闭环，使整个系统的可控性很低。 ( 5 ) 在料头时没有进行必要的处理，靠简单的延时等待，去实现料头的控制， 极易在由于糖料从加料泵到加料喷嘴之间流动的过程中物料没有添加进去糖料； 而在料尾时由于加料泵到加料喷嘴之间的管路中存贮的糖料没有加入到烟叶中而 少加糖料。这都势必在实际上加大了系统误差，而且在数据上不易发现。 ( 6 ) 硬件配置中采用的许多继电器、接触器等逻辑器件控制，线路复杂、可 靠性低，故障率高，维修成本高、维修难度大、时间长。 总之，宝鸡卷烟厂原制丝车间烟叶生产线加料控制系统工作不稳定，设计不 科学，部分设备老化严重，故障率较高，加料精度低，不能满足生产工艺质量要 求，维修和保养困难，不适于工厂新时期高作业率的要求。针对存在的问题，我 们利用宝鸡卷烟厂易地技改的机会，提出了对加料系统进行基于p l c 自动控制及 现场总线控制的系统改造计划，并予以实施。其核心思想就是要充分利用闭环控 制优势，跟踪测量实际值进行纠偏。闭环控制的特点是，在控制器与被控对象之 间，不仅存在着正向作用，而且存在着反馈作用，即系统的输出量对控制量有直 接作用。闭环控制作为一种反馈控制，在控制过程中对被控量不断测量，并将其 反馈到输入端与给定值比较，利用放大后的偏差信号产生控制作用，并且可以设 计校正装置进行校正【3 1 。该系统具体要求如下： ( 1 ) 新系统采用控制型电子皮带秤系统、自动跟踪加料系统、料头自动预填 充、料尾延时吹扫以及误差自动检测补偿修正，各系统均实现自动控制，各个系 统均可以在操作终端h m i 触摸屏上进行操作、设置和调整。加料精度均达到 9 9 以上； ( 2 ) 生产过程中的所有控制参数和过程参数均能够通过工业以太网与上层数 3 第一章绪论 据库进行交换数据、保存记录； ( 3 ) 硬件组台上，加料系统、现场i o 与控制型电子皮带秤系统控制p l c 单 独开来分立运行，但利用p r o f i b u s 构成加料系统网络，各智能仪表、流量计、水 分仪、和h m l 人机界面均以d p 接口组网进行故障的诊断和信息的反馈； ( 4 ) 新系统应在故障率低、可靠性高的条件下尽可能降低成本； ( 5 ) 新系统可靠性要好，应能够保证2 4 小时长时间连续工作； ( 6 ) 新控制系统的兼容性能要比原系统有所提高，当生产工艺改变后，企业 技术人员应能够对控制程序进行修改； ( 7 ) 控制系统中的控制元件应能够尽量和企业现有设备中的元件兼容。 新的烟叶加料系统系统提出的技术改造非常适合国内烟叶加料工艺和生产实 际，本人作为项目的主要论证、设计及实施者之一，将此作为自己的硕士研究生 的研究课题。 本课题的研究，立足于宝鸡卷烟厂制丝车间烟叶生产线的生产实际，在原有 加料设备基础上，重新设计改造自动加料系统，解决实际生产实际难题，具有广 泛的现实意义。首先，开展本课题的研究不仅有效降低的加料误差，杜绝质量事 故，保证加料比例的准确度，同时也大大提高了烟片烟丝的质量，稳定卷烟的吸 味和品质，提高了烟厂的经济效益。其次，自动加料控制系统完全实现加料过程 自动化，最大限度的降低了设备故障和停机率，而且实现了生产参数的实时传输 和记录，为产品质量和设备运行分析提供了详实资料，对提高企业生产和管理的 自动化水平有很大帮助。最后，自动加料系统广泛应用于化工、食品、冶金、建 筑、饲料等行业，此加料系统得成功设计和开发，为其它行业生产线过程控制中 的自动配料系统提供了很高的参考价值。 1 2 国内外的研究动态及发展趋势 1 2 1 自动加料系统的发展情况 目前国内外大部分自动加料配料、计量控制设备的控制系统的构成主要有四 种方法。 一种是采用工业计算机作为控制器，称重传感器信号通过a d 数据采集卡进 入计算机，其它信号通过计算机上的i o 卡处理；人机交互界面采用计算机显示界 面或专门开发的薄膜面板、l e d 数显等。这种方法控制程序用c 或v b 等程序语 4 长安大学硕士学位论文 言编写。虽然具有称重算法丰富，数据库功能强大的优点，但缺点是人机交互性 能差，控制软件为各个厂家专门开发，兼容性能不好，同时系统的二次开发能力 和对开关量的处理能力都明显不足，如果企业的工艺流程或技术标准有所变动， 程序的可修改性差，只有请厂家重新设计和制造新的板子，另外计算机的稳定性 和可靠性也有待提高。 第二种方法采用的控制器为单片机，并利用其开发专用的称重控制器。利用 一台或多称重控制器和称重传感器构成配料系统。这种方法控制程序用汇编语言 编写。具有成本低廉、设备可靠性高以及操作简单等特点。但仍然无法解决二次 开发难，还是有兼容性能差的缺点。另外这种方法较适合于单台设备的控制，对 于复杂的控制系统难以处理。 第三种方法是采用可编程控制器( p l c ) 作为系统控制器，称重传感器信号通 过p l c 的a d 模块进入p l c 主机，其它信号通过的f o 模块处理；人机交互界面 采用触摸屏、l e d 数显等。这种方法控制程序用梯形图等p l c 编程语言编写。具 有算法丰富，可靠性能高，开关量的处理能力强及人机交互性能好等特点。但缺 点是数据储存和处理的能力较差。 第四种方法为p l c + i 控机为控制主体，p l c 完成加料控制，工控机完成参数 设定和数据采集。工控机同p l c 采用r s 2 3 2 方案进行串行口通讯。目前国内大多 数中、小型配料系统均采用这种d c s 集散控制系统。d c s 是计算机网络技术在控 制系统的应用成果，提高了系统的可靠性和可维护性，在今天的工业控制领域仍 然占据着相当地位，然而不可无视的是，d c s 采用的是普通商业网络的通信协议 和网络结构，在解决工业控制系统的自身可靠性方面没有做出实质性的改进，为 加强抗干扰和可靠性采用了冗余结构，从而提高了控制系统的成本，另外，d c s 不具备开放性且布线复杂、费用高，难以维修【4 】。 第五种方法是基于现场总线的加料控制系统。现场总线以全数字化、开放的、 独立的双向多变量通信逐步取代4 2 0 m a 传统现场仪表。他具有开放性、可互操 作性、分散性、网络化、智能化等特点，顺应了控制网络的发展需求。现场总线 将工业过程现场的智能仪表和装置作为节点，通过网络将节点连同控制室内的仪 表和控制装置连成控制系统，这种基于现场总线的现场总线控制系统构成的控制 系统称为现场总线控制系统( f c s ) ，即第五代控制系统。现场总线技术将专用微 处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自具有了数字计算和数字通讯能力， 5 第一章绪论 采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统， 并按公开、规范的通信协议，再根据p r o f i n e t 工业以太网协议利用光纤将多个子系 统连接成环网，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间及现场仪表与远程监 控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系 统【5 1 。目前，许多用于加料的称重仪表已经有了h a r t 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、 p r o f i n e t 、f f 、c a n 等现场总线接口，使基于现场总线的配料控制系统成为可能， 基于现场总线的配料控制系统正在迅速推广。 1 2 2 国内外自动加料系统的研究现状和趋势 自动加料系统在冶金、建材、化工及食品等行业应用非常广泛，近几年来随 着计算机技术和p l c 技术的飞速发展，以及国内外现场总线技术的不断完善，自 动加料系统控制方案也在不断改进。首先由于p l c 的迅猛发展，实现了工业控制 领域的飞跃，其功能从弱到强，实现了逻辑数字控制到模拟控制的进步；其应用 领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制 等各种任务的跨越。今天的p l c 正在成为工业控制领域的主流控制设备，可以用 于各种规模的工业控制场合，在各个领域发挥着越来越大的作用。除了逻辑处理 功能以外，近年来p l c 的功能单元、模块元件大量涌现，使p l c 从逻辑控制渗透 到了生产过程控制、运动控制等各种工业控制中。加上p l c 通信能力的增强，使 用p l c 组成各种控制系统变得非常容易。 现场总线使现场仪表与控制系统和控制室实现了网络互连和全分散、全数字 化、智能、双向、多变量、多点、多站的通信方式，改变了传统上运用的4 - - 2 0 m a 的模拟信号标准，是工业控制系统全数字化的一个变革。尽管集散控制( d c s ) 克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力分 布式的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力 和可靠性要求高的缺陷，但是其对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能 力和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。f c s 正是适应潮流产生的，它有着d c s 无法比拟的优越性，采用了现场总线这一开放 的、具有可互操作的网络将现场各控制器及仪表设备互连起来，构成了现场总线 控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了加料系统的成本、安装和维护 费用。因此，基于f c s 的自动加料系统实质是一种开放的、具可互操作性的、彻 6 长安大学硕士学位论文 底分散的分布式控制系统，有着广阔的应用前景。 基于现场总线的控制系统( f c s ) 是继集散控制系统( d c s ) 后的新一代控制 系统，由于它适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，现已成 为世界范围的自控技术热点。现场总线技术以其高速、可靠、布线简单，费用低 廉等优点得到越来越广泛的应用，特别是在制造业自动化、过程控制自动化、电 力、楼宇、铁路交通等方面。基于现场总线控制的自动加料系统是自动化领域先 进的控制形式的必然发展趋势，它结合了计算机的通讯和管理功能强、存储能力 大的优势特点和智能数字模块或p l c 现场控制功能强、稳定性高的特点，有效避 免了计算机集中控制的缺陷。基于现场总线的加料控制系统。系统具有加料精度 高、速度快、数据传输抗干扰性能好等优点。这种控制方式是国内外自动加料系 统自动化控制的主流方向。 1 3 课题的总体设计方案和主要工作 1 3 1 课题的总体设计思路 对于本课题来说，烟叶生产线加料控制部分的设计和改造是一个较大规模工 业控制系统的改造升级，根据宝鸡卷烟厂制丝车间的技改要求和目前生产线的具 体情况，并结合当前先进加料系统的设计方案，确定的总体设计思路是利用电子 皮带秤系统对输入物料流量进行均衡，并将计量的数据通过网络传输到加料环节， 加料环节以皮带秤计量的数据为基础与加料比例进行计算后输出变频器，通过变 频器控制加料泵的转速，进而控制实际添加到烟叶中的料液，并通过质量流量计 对实际输出的料液进行检测计量，并反馈到控制到c p u 进行比较和调节。如图1 2 加料系统控制示意图： 图1 2 加料系统示意框图 系统整体上是基于现场总线的自动加料控制系统：西门子的p r o f i n e t , p r o f i b u s d p 现场总线与s i m a t i c 系列p l c 控制系统提供完善的软硬件支持和 系统的解决方案。用s t e p 7 编程软件通过梯形图语言进行了模块化的编程、调试。 7 第一章绪论 上位机用i f i x 工控组态软件监控组态，实现现场数据实时监控、记录查询、报警、 实时模拟等具有w i n d o w s 风格的动态操作画面。 p r o f i b u s 是一种国际化的开放式现场总线标准，即e n 5 0 1 7 0 欧洲标准和 i e c 6 1 1 5 8 国际标准的一部分。并且在2 0 0 1 年1 2 月成为我国的现场总线标准。 p r o f i b u s 由p r o f i b u s f m s ( f i e l db u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) ，p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 和p r o f i b u s d p ( d i s t r i b u t i v ep e r i p h e r a l ) 三部分组成。其 中，p r o f i b u s d p 具有高速传输、价格低廉等特点，实现起来比较简单，主要用 于现场级( 车间级) 分散设备问的数据高速传输。该总线物理层采用r s 4 8 5 传输方 式，传输速率可达9 6 k b p s 至1 2 m b p s 。一般用于自动化控制系统和现场设备之间 的通信。可以满足全数字交直流调速系统对于时间快速响应要求【6 】。目前8 0 以上 的p r o f i b u s 应用基于p r o f i b u s d p 。 基于p r o f i b u s d p 现场总线的控制系统与以前的集散型控制系统( d c s ) 相 比，具有很多优越性，如： ( 1 ) 采用双绞线、光缆或无线电方式传送数字信号，从而大量削减现场仪表 与控制室之间一对一连接的导线，节省安装费用，提高可靠性和抗干扰能力，增 强控制精度，信息传输速率可达1 1 2 m b s ，传输距离可达数公里。 ( 2 ) 由于采用了统一的国际标准，不同厂家的产品在硬件、软件、通信标准、 连接方式等方面互相兼容，使系统具有开放性，这对用户的操作、维修、扩展都 是十分有利的。 ( 3 ) 由于现场设备本身可完成自动控制的基本功能，导致现场总线已构成一 种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有d c s 集中与分散相结 合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。许多控制功能从控制 室移至现场仪表，大量过程检测与控制的信息就地采集、就地处理、就地使用， 在新的技术基础上实施就地控制，使过程控制基本分散到现场，而控制室内的监 控上位机主要完成数据处理、监控、优化控制、协调控制和管理自动化功能。 ( 4 ) 开放式系统：系统分层分级集成，设计灵活，网络可采用多种拓扑结构。 此课题研究的目的在于实现基于p r o f i b u s d p 现场总线与西门子p l c s 7 3 0 0 4 0 0 控制系统的设计及组态，包括p l c 控制系统设计、上位机管理和监控 系统设计、组态软件的设计。p l c 控制系统与现场总线技术的结合，实现了系统 高速实时通信的目的，增强了系统的稳定性，安全性和实时性，提高加料系统运 8 长安大学硕士学位论文 行的可靠性，提高烟丝的质量。研究的意义在于提高加料精度，为烟叶的正常生 产提供保障，提高工序控制与管理水平，满足宝鸡卷烟厂异地技改自动化改造的 要求，且具有较大的经济效益。 在该项目中，本人主要参与了p r o f i b u s d p 控制网络的结构选型和控制系统 的总体设计、硬件组态，并应用s t e p 7 软件进行了自动称量控制型电子皮带秤系 统、自动跟踪加料系统和料头预填充工段料尾延时吹扫以及误差自动检测补偿修 正系统的程序控制和用i f i x 软件完成了人机交换监控画面的设计。 1 3 2 课题主要完成的工作 根据宝鸡卷烟厂制丝车间的烟叶加料工艺特点，采用p r o f i b u s d p 现场总线 技术应用于车间加料系统，如图1 3 所示，系统包括加料的工艺流程设计、控制方 式、硬件的总体的设计、s t e p 7 软件的编程、i f i x 监控软件的编程、提高配料精度 的改进等几个主要方面，并详细介绍了方案的具体实现方法。 图1 3p r o f i b u s - d p 现场总线控制系统 本论文系统特点： ( 1 ) 采用工业以太网控制，主站为s 7 4 0 0 系列p l c ，工控机作为现场监控 器，通过p r o f i n e t 网络与主站( p l c ) 连接，监控机不在p r o f i b u s d p 网上， 监控站所需的数据通过光纤从服务器上读取。监控机与现场p l c 控制系统实现整 9 第一章绪论 个生产过程自动化； ( 2 ) 硬件组态采用i f i x 组态软件，实现生产现场的动态监控，具有良好的人 机界面、清晰直观的组态图形，使得操作人员通过计算机屏幕对现场情况变化一 目了然； ( 3 ) 用s 7 3 0 0 4 0 0 系列p l c 构成p r o f i b u s d p 网，由s i m a t i c 提供有效 支持，可实现软件参数化i o 和多功能自诊断，功能模块易于连接。p l c 采用模块 化编程，通过组织块、数据块和功能块等模块之间的调用，可以实现复杂的控制 算法； ( 4 ) 现场操作员终端采用日本g p 3 7 2 1 触摸显示屏( h m i ) ，操作员终端的帧 面结构和内容有利于现场生产操作人员及时了解配料情况，更改配料参数，降低 操作人员劳动强度； ( 5 ) 电子皮带秤、变频器、分布式i 0 、h m i 、现场智能仪表等直接接入 p r o f i b u s d p 总线，布线简单，降低了施工费用，并使维护变得简单化、轻松化。 ( 6 ) 通过监控机，管理层人员可在网上直接浏览车间生产和底层设备的运行 情况，并通过报表、历史数据等查询相关数据，便于管理及决策。该系统采用 p r o f i b u s d p 现场总线网络，系统的安装、调试及维护工作极方便，系统运行安 全可靠。 1 4 本章小结 本章主要介绍了烟叶生产线烟片加料的主要生产工艺过程，同时对加料系统 的自动称重系统、跟踪加料、以及料头预填充、误差自动补偿修正等功能进行了 系统的分析。该加料系统控制原理简单，界面友好、操作简维单维修性强，结合 宝鸡卷烟厂异地技改搬迁，以及国内外配( 加) 料系统的的发展与趋势，提出了 、 基于p r o f i n e t 现场总线的烟叶加料系统。同时论述了本课题研究的目的和意义， 确定了课题研究内容以及主要完成的工作。 l o 长安大学硕士学位论文 第二章控制型电子皮带秤系统的设计与实现 2 1 皮带秤实现功能与要求概述 由于物料流量是加料系统的基础，稳定均衡的输入是整个系统的保证。因此， 皮带秤就需求有机械运料装置，能准确的对物料进行连续称量，并能够输入物料 的重量自动调整皮带的运行速度，以实现流量稳定，在维护和保养上尽可能简单。 2 2 皮带秤的设计组成 2 2 1 皮带秤系统组成 根据皮带秤的功能需求，我们结合原来计量型电子皮带秤的构成，在其基础 上进行设计和实现。电子皮带秤是一种利用重力原理、以连续的称量方式，确定 并累计散状物料质量的连续累计自动衡器，它包括秤架和解算仪表两大部分。物 料在通过皮带输送机时，通过重量感应装置( 承载器) 采集物料的瞬时重量，同 时，安装在输送机上的速度传感器测量出皮带的运行速度，解算仪表根据采样的 重量和速度信号，计算出通过皮带机上物料的瞬时流量和累计流量。 电子皮带秤自上世纪7 0 年代诞生以来，由于其结构简单，操作使用方便，己 在工业自动化生产线物料流量控制、配料控制以及贸易结算等领域得到广泛的应 用。p c 皮带秤由电控柜和称重输送机( 秤架) 两部分组成，如图2 1 所示。 信号传输电统 图2 1电子皮带秤基本结构示意图 p c 电子皮带秤的电控部分包括：p l c 主机、变频调速器、操作显示界面( 触 第二章控制型电子皮带秤系统的设计与实现 摸屏) 。 称重输送机部分包括：重量和速度检测装置、称重装置( 秤台) 、驱动装置以 及皮带纠偏机构和张力调整机构等部分组成。 2 2 2 皮带秤分类 按功能分类：计量型、控制型 计量型：对通过皮带机的物料进行连续自动的计量，可用于贸易结算、能源 及原材料的消耗统计等场合。 控制型：仪表根据设定的物料流量参数，调节皮带机的皮带速度，实现自动 计量和物料通过流量的控制。控制型电子皮带秤通常用来均衡生产线物料流量， 提供与物料流量相关的技术参数。如烟草制丝线的流量控制、建材冶金行业的配 料控制等。 2 2 3 烟草用电子皮带秤的分类 自上世纪八十年代烟草行业引进制丝生产线以来，国产电子皮带秤的发展， 从控制方式来讲，经历了模拟式、数字式到p l c 控制的几大转变。秤架也从单杠 杆、单传感器、刀口式发展成为双杠杆、双传感器模式。 在烟草制丝的过程中，电子皮带秤主要用来进行物料的计量、流量的控制， 并为加温加湿，加香加料等设备提供在线物料的流量参数，实现叶丝、梗丝、 膨胀烟丝、回收烟丝的物料按比例自动掺配。 2 3 电子皮带秤的技术性能指标 衡量电子皮带秤性能的指标主要有静态和动态两大部分，静态指标通常是在 皮带秤生产或计量鉴定时进行测试，用户在使用过程中，只需对动态技术指标进 行检验即可。 2 3 1 动态累计误差 皮带秤现场和预校准后，应进行实物输送物料的动态测量，实物可以是实际 需要称量的物料或模拟载荷装置( 如砝码或链码装置) 。测试时启动皮带秤，运行 稳定后进行动态调零，然后调节来料量，达到皮带秤工艺流量，使物料均匀地通 过计量段，待物料输送完后，计下该次物料的实际重量和皮带秤的累计显示值， 共测三次。 1 2 长安大学硕上学位论文 动态累计误差的计算公式如下： 甜：c - p 1 0 0 7 1( 2 1 ) p 式中： 6 d ：动态累计误差， c ：皮带秤累计显示量，蚝 p ：实际通过的物料重量，k g 2 3 2 控制精度 对于控制型的电子皮带秤，还需检测其控制物料流量稳定性的能力，实验时， 进料应保持充足、均匀平稳，皮带秤处于自动工作状态。根据计量显示值，测量 每通过相同给定重量物料所需的时间。对于有模拟加载装置的皮带秤，可以使用 模拟加载的方式进行测试。 流量控制精度计算公式如下： a 6 = 兰1 0 0 ( 2 2 ) 2 式中： 6 ：流量控制精度， t c ：设定流量下通过重量的理论时间，s s ：相对偏差，s s ：相对偏差的计算 s = 式中： t i ：每次试验的时间 r l ：最大为1 1 ( 2 3 ) 第二章控制型电子皮带秤系统的设计与实现 2 4 p c 皮带秤的工作原理 2 4 1 计量工作原理 当秤架上有物料流过时，在称重装置上的称重传感器就受到正比于烟草负荷 重量的力飚，经放大器信号放大，输出电压信号p ，因此p 就代表了烟草负荷，再 经a d 转换成重量p 的数码m p ，送入p c 机运算；同时装于输送机交流电动机的 旋转编码器发送出代表皮带速度的脉冲电压信号，经计数器变为速度脉冲m v 。t 9 1 ( 对于计量秤，则没有安装旋转编码器，速度值m v 为“参数设置”中的一个定值。) m p 和m v 信号经流量运算得实时流量q = k n x m p x m v ，此流量一路送显示器显 示，另一路输送作为自动加水、加料、加香控制信号，还有一路经积分运算得到 累计产量w _ j q n d t ，并送显示器显示。【l o 】如图2 2 。 p l c l 高稳定放大器4 计量托辊7 称重装置( 秤台) 2 重量传感器5 交流电机 3 固定托辊6 高速旋转编码器 图2 2 2 4 2 控制工作原理 控制秤实质上是计量秤功能和皮带调速功能的结合，在计量工作原理这一基 础上，我们可以通过调节带速v 改变m v 值，就可以调节流量。当设定有给定流 量q p 时，比较器将和实时流量q n 作比较得出误差e = q p q n ，经p i d 运算后输 1 4 长安大学硕士学位论文 出一个增量控制信号到变频器改变电机转速，达到定量给料目的。 2 5 秤架结构与算法设计 秤架是电子皮带秤的关键部件，秤架结构的先进性显得尤为重要。电子皮带 秤在使用过程中，最主要的是要保持计量精度的长期稳定性，从实践经验来看， 影响长期稳定性的因素主要有：物料偏载的影响，皮带跑偏的影响，皮带张力变 化的影响等。因此，在输送机设计时，既要考虑如何提高设备的灵敏度和准确性， 又要考虑如何去除外部因素的干扰，还要考虑维修操作的简便性，保证皮带秤长 期稳定可靠的运行。在建立适当模型算法的基础上对相关参数进行不问断的测量 和计算，来实现物料流量的测量。 2 5 1 秤架组成 秤架由以下几部分组成如图2 3 ： p 1 放大器 5 转轴式支点9 交流电机+ 减速机 2 重量传感器6 计量托辊1 0 主动链轮z 1 3 滚筒7 标定砝码m g1 l 测速旋转编码器 4 固定托辊8 推拉电机1 2 从动链轮z 2 图2 3 皮带秤称重输送机构示意图 1 、输送机：包括计量皮带、传动滚筒、托辊、机架和皮带涨紧装置，皮带涨 紧装置有重锤和弹簧二种涨紧方式。 2 、交流三合一机组：包括交流电机、减速机和测速用高速旋转编码器组成。 3 、秤台：包括传感器、承重机构和计量托辊组成，传感器有进口和国产研仿 二种。 第二章控制型电子皮带秤系统的设计与实现 4 、皮带自动纠偏装置：y t s p 皮带秤自动纠偏装置是一种结构简易而纠偏性 能良好的机械式装置，不存在可靠性问题，对于计量准确性和长期稳定性和保护 计量带都起着重要作用。 5 、自动挂码装置：由推拉电机和标定砝码组成，用于秤的定期计量误差校准。 6 、皮带自动涨紧装置：摆锤式皮带自动涨紧装置能够有效地减小皮带张力变 化对计量精度的影响。 2 5 2 计量和测速算法 l 、流量计算公式 经过计量托辊的瞬时流量q n 为单位物料重量q 和瞬时皮带速度v 的乘积， 即q n = q x v 。由于固定托辊和计量托辊为对称均布，物料重量p 均匀压在四托辊上， 所以q - - p l ，则流量公式q n 为： q n = p x v l ( k g s ) = p x v l x 3 6 0 0 ( k g h )( 2 4 ) 在p c 机中，实际运行的公式要将p * v 信号转换成数字量m p 和m v 进行，于 是有 q n = m p x m v c t = p x v c t ( k g h )( 2 5 ) 其中c t 为流量系数，我们可以通过修正c t 值来消除秤的计量误差。 2 、重量码m p 的计算公式 m p = k p ( m g m 0 ) x ( m p m o )( 2 6 ) 其中：k p 为重量系数，m g 为标定砝码折算到计量托辊上的等效重量码+ 皮重 码之和，m p 为毛重码( m p + m 0 ) ，m 0 为皮重码。 ( 2 6 ) 式的优点在于传感器和放大器的零位m 0 或是放大器系数发生漂移时，只要进 行去皮，砝码标定操作后，其m p 重量码值保持不变，这样就避免了因零漂和放大 倍数变化引起的计量误差，使秤具有长期稳定的计量性甜1 1 】。 3 、测速公式 秤架主滚筒转速n 1 与带速v 的关系为n 1 = 6 0 v x dr p m ，其中d 为主滚筒直径 而滚筒转速与电机转速n o 的关系为n 1 = i lx i 2 x n 0r p m ，其中i 1 和i 2 分别为减速机 和主从链轮的减速比，合并以上二式得电机转速n o 与带速的关系式： v = r i dx i lx i 2 x n 0 6 0 ( m s ) ( 2 7 ) 一般减速机速比i l 有1 1 7 ，1 3 5 ，1 4 7 ，链轮减速比i 2 = z 1 z 2 1 6 长安大学硕士学位论文 测速脉冲频率m v 与电机转速n o 的关系式分别如下： m y7 = 1 0 0 0 x n 0 6 0 ( h z )( 2 8 ) m v = m y x 6 0 1 0 0 0 ( 2 9 ) 2 5 3 采用双托辊双传感器转轴式支点秤台 1 、在皮带两侧对称地各装有一只重量传感器，消除了物料偏载的影响。 图2 3 中( a ) 为传感器装于皮带中部的受力示意图，载荷在中部位置传感器受力 最大，两端逐渐变小； 图2 3 中( b ) 为传感器装于皮带端部的受力示意图，载荷在传感器端部位置传感 器受力最大，往另端逐渐变小；可见，单传感器型式无法克服偏载影响。当落料中心不 稳定或皮带跑偏时，均会带来较大偏载误差。 p b g p 图2 4 单传感器受力分析示意图 0 p p 1 日 b 图2 5 双传感器受力分析示意图 如图2 5 ，为双传感器受力示意图，载荷g = p i + p 2 ，此关系不会改变。所以，双 传感器型式能够克服偏载影响为了放宽对更换传感器和放大器时二路信号的配对 要