（机械设计及理论专业论文）烟草薄片生产线自动配料系统的设计与实现.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教i j i l i 烟草薄片生产线自动配料系统的设计与实现 机械设计及理论 李其仲( 签名) 塑叁：主 柴光远 ( 签名) 耄圭圭 摘要 本文针对宝鸡卷烟厂薄片烟丝生产线异地技改的需要，对生产线上三个自动配料系 统的设计和开发中的关键技术进行了研究，开发了干料、湿料、干湿料三个自动配料控 制系统。论文主要内容包括配料系统整体设计、工艺流程设计、硬件的设计选用、软件 设计和系统调试。 整个配料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，控制上采用分布式 i o 、h m i 、变频器、智能称重仪表等，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 d p 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，完全实现了配料的自动化、精确化、 可视化要求，满足了技改的需要。 干料配料系统增加螺旋电子秤、称重仪表，实现配料的闭环控制。设计一套湿料自 动配料系统取代手动配料，完成了湿料配料的总体设计、机械选型、p l c 编程、h m i 编程。针对湿料配比的特点，为了达到精确的配比精度，做了部分的创新的设计和改进。 针对目前在干湿料配料控制中配料精度不高的问题，本文引入模糊控制算法，对称量速 度和称量时间同时进行控制，以提高配料精度。 该配料系统的应用实现了宝鸡卷烟厂薄片线配料系统的自动化，满足了配料精度的 要求，并且在实际运行中达到了预期的效果。本方案对其他行业的配料控制亦有很好的 借鉴和参考价值。 关键词：薄片生产线；自动配料；现场总线；模糊控制 研究类型：应用研究 s u b j e c t：d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ea u t o m a t i cb u r d e nc o n t r o l s y s t e mo nt h et o b a c c ol e a fl i n e s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y n a m e：l iq i z h o n g i n s t r u c t o r ：c h a ig u a n g y u a n a b s t r a c t ( s i g n a t u ( s i g n a t u 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 ol e a f l 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 gi nt h r e e a u t o m a t i cb u r d e ns y s t e m s ，a n da nb u r d e ns y s t e m so ft h ed r ym a t e r i a l s ，a l lb u r d e ns y s t e m so f t h ew e tm a t e r i a l s ，a l lb u r d e ns 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 n c o n t e n to ft h i sp a p e ra l ea sf 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 e t 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 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 ad i s t r i b u t e d p l c c o n t r o ls y s t e mw h i c hb a s e do nt h ep 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 e d 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 tw e i g h i n gi n s t r u m e n ta n ds oo n 。i t c o m p l e t e l yr e a l i z ea u t o m a t i o n , a c c u r a t ea n dv 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 es p i r a l e 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 ls 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 ip r o g r a m m i n g i n o 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 la 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 ya n dw e tm a t e r i a l s ，u s ef u z z y c 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 d e 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 no 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 ea u t o m a t i c p 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 da c h i e v e st h ed e s i r e d r 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 ev a l u et oo t h e rp r o f e s s i o n s b u r d e nc o n t r o l s k e vw o r d s ：t o b a c c o1 e a fl i n ea u t o m a t i cb u r d e nf i e l d b u s f u z z yc o n t r o l t h e s i s：r e s e a r c hf o ra p p l i c a t i o n 要柳技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：熟忡日期： 稻争少 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：蓼婶 指导教师签名： ，乏乏 旷y 年丫月矿日 1 绪论 选题的背景及研究的意义 董1 王课题的选题背景 l 绪论 烟草薄片又称再生烟叶或匀质烟叶，它是烟草工农业生产中综合利用的产物。它是 将整个卷烟生产过程中废弃的烟梗、梗签( 包括短梗和梗片，卷烟机剔除的梗签) 、烟 沫( 包括各种风送系统、输送带漏筛和残烟产生) 、部分低次烟叶( 包括燃烧性不好的 散烟叶) 以及烟草的碎片( 包括卷烟加工、打叶过程的下脚料，复烤储运中产生) 等经 过不同的加王方法，制成牲状接近甚至优于天然烟时的褥造烟叶。 烟草薄片的生产始于2 0 世纪5 0 年代美国的雪茄工业的机械化，那时所有的雪茄都 是手工卷制的，为了满足雪茄烟工业需要的烟叶状物品作为雪茄烟的外包皮，第一次研 制出烟革薄片。不久卷烟工业开始计划将烟草薄片用于卷烟，作为回收烟沫和烟梗等废 料的一种方法。从1 9 5 0 年到1 9 6 0 年的十年中，烟草薄片的生产技术迅速发展。首先是 1 9 5 2 年通用雪茄烟草公司的f r a n k e n b u r g ，接着是1 9 5 6 年美国机械铸造公司，同时美国 的卷烟制造商r j 雷诺士l i g g e t tm y e r s 和a m e r i c a nt o b a c c o 也都有了胬己的生产线。 p e t e r j 。s c h w e i t z e r 开发了一种以造纸技术为基础的薄片生产方法。同时欧洲也开展了一 些研究工作，特别是在稠浆法和辊压法方面。从此，烟草薄片的重要性不断增加。估计 1 9 6 4 年大约有7 万吨的烟草薄片用于生产卷烟，西前，全世界每年约使用2 0 万吨以上 的烟草薄片，面且还在不断增加。 据此，我们不难看出烟草薄片始于对烟草工艺中废料的回收利用，但随着烟草工业 的发展，人们逐渐意识到在卷烟中添加烟草薄片不仅可以降低卷烟成本，节约原料，而 且在卷烟中掺入一定比铡的薄片，能提离卷烟的填充能力和燃烧性，同时可以改变烟支 的烟气组分，降低焦油量，减少硝酸盐含量，改善卷烟内在品质。由于烟草薄片所具有 的这些重要意义，使其生产加工技术和设备得到了迅速发展。 现在烟草薄片的生产工艺已取得了较成熟的经验，许多厂家和研究单位继续对薄片 的工艺设备、原辅材料、纤维、粘合剂、加香加料、薄片质量等开展了大量卓有成效的 研究和改进工作，有些日应用于薄片生产，明显改善了薄片的品质。 陕西卷烟工业公司( 总厂) 宝鸡卷烟厂一车间于1 9 9 3 年l o 月引进了中国船舶工业 总公司鼹安东风仪表厂的9 0 k g hy z 6 5 9 0 型薄片烟丝生产线，采用辊压法生产工艺生产 薄片烟丝，共有两条生产线。辊压法生产线生产工艺和设备结构简单，有投资少，见效 快，便于操作和维修的优点。 西安科技大学硕士学位论文 图1 1 是辊压法薄片烟丝生产线的工艺流程： 图1 1辊压法薄片烟丝生产线的工艺流程 辊压法薄片生产线所用的干料为烟沫、烟梗、c m c ( 羧甲基纤维素的钠盐) 和添加 剂四种成分，c m c 和添加剂的使用主要是用来改变薄片烟丝的机械性能，增加弹性和 柔韧性，改善色泽，减少造碎，还可降低燃烧时的灼口感，改善吸味品质。 在辊压法薄片生产中要加入加纤胶，加纤胶的主要作用是构成薄片的基本骨架，起 到增强薄片整体结构和抗机械加工性能，同时提高薄片利用率，成本费用也可降低，提 高了薄片的使用经济效果。在湿料中添加香精，可为烟草薄片补充某些组分，起到掩盖 杂气，减轻木质气和刺激性，改善余味的作用，以提高薄片的使用价值。 1 9 9 3 年安装的9 0 k g hy z 6 5 9 0 型薄片烟丝生产线自动化程度不高，设备工艺简单， 预处理段设备设计不合理，工作环境中粉尘大；整条线采用继电器控制方式实现简单的 逻辑控制，工人的劳动强度大；设备的使用和操作也很不方便，存在主流设备电耗高， 缺乏自动检测和自动控制手段等几个主要问题。 干料的配比系统：烟沫、烟梗、c m c 、添加剂的配比是靠各自定量器下面的机械无 极调速变速器完成的。通过变速器带动传动组件，使一对平行的搅拌辊相对连续转动， 均匀的给螺旋送料轴送料。如图1 2 所示，在开机的状态下，转动变速手轮，按比例调 节各定量器的输出量。 湿料配比中加纤胶和香精的配比采用人工称重、掺对，误差大，操作随机性大；干 湿料配比采用计量泵，产品质量稳定性差，配比精度也达不到工艺要求。 1 9 9 7 年7 月，宝鸡卷烟厂对两条线进行第一次的大型技术改造，原料预处理段增加 风选除杂系统，系统在负压下工作，对生产环境的污染少，无粉尘飞灰之虞；整条线电 控系统实现p l c 全线逻辑程序控制，利用可编程控制器顺序控制各个单机的启动和停 2 i 缭论 止，并协助完成故障的检测和排除。同时，于料的烟沫、烟梗、c m c 、添加刹的配比中， 将原来的机械无极调速变为变频器调速，变频调速控制蛊观，配比精度高，基本上达到 了工艺要求。此次技术改造对于湿料配比以及香精配比没有做大的改动。 迸料日 图1 2原干料西己料系统 2 0 0 1 年6 月，对原有的设备进行了第二次技术改造，主要改造了薄片线的干湿料配 比部分，并成功地开发出2 0 0 k g l hl b l 3 a 型辊压法薄片烟丝生产线替代了原来的9 0 k g h y z 6 5 9 0 薄片生产线，使薄片产量和质量都有很大提高。 、i ( 二 糟魔袅l n 提 ( 览秤体 升 粉料秤体 规 ( ，、厂i 、 。、 藏呷嚣赢 ( l - 混合器 一啡一一 i ru 图1 3原干湿料配料系统 3 西安静技大学硕套学位论文 现在的2 0 0 k g hl b l 3 a 型辊压法薄片烟丝生产线干澎料配比系统是由机械部分和计 算机控制系统组成。机械部分由粉料提升机、液料泵、粉料秤体、液料秤体、粉料下料 机构、液料电磁阀、混合器、称重传感器等组成。粉料秤体由粉料罐、力矩电机、螺旋 输送器和重量传感器组成。 如图1 0 所示，力矩电机带动螺旋输送器将粉料由粉料罐送入干湿料混合器，为保 证控制精度，下料基本为均匀下料。当粉料达到设定重量后，力矩电枫驱动螺旋输送器 出料，达到出料量后停止转动。液料秤体由液料罐、两个电磁阀、重量传感器组成。液 料称采用两个串联电磁阀作为开关来控制液料的下料量，到达设定量时电磁阀关闭。电 子秤配料系统采用间断循环式工作方式，循环溺期6 分钟，工作原理如图1 4 所示： 耪科称重 渡j 辞称垂 疆台嚣门 遂瓣 童藉 遴释 如料 。_ r - o 。叫r o 。一1 r 。- 1 p 厂一肯； 关i 导 i酗il ：| 犁。i ： i 234 56t89 1 0i i 1 2 套) 豳l0藏干湿料配料系统工作原理 干湿料的配比用工业控制计算机系统( i p c ) 控制，利用c 语言编程，提高了千湿 料配比的准确性和混合的均匀性；应用徽电子技术实现了机电一体化，提高了生产线的 自控程度。 2 2 0 vf 一一一。一一。一。”。一一一1 ： 图1 5原干湿料配料系统原理框图 4 l 缭论 工业控制计算机控制系统由奔腾l ，1 6 6 工控机及接豳电路组成，系统原理框图如图 1 5 所示。 目前，2 0 0 k g hl b l 3 型辊压法薄片烟丝生产线采用集散控制系统，以工业控制计算 枫( 臻e ) 力上位机，以露编程控制器( p l c ) 隽下位机，作为中央控制单元的控期系 统。该系统可实现对生产设备的逻辑控制、负载的过载、短路保护、故障检测及协助处 理、于湿料的配比等过程，基本保证了生产工艺的要求，为产品质量提供了一定的保证。 1 1 2 课题研究的意义 自动配料系统是薄片设备的关键戚素之一，配比的精度和稳定性直接影响产品的品 质，薄片丝作为改善卷烟品质的原料也将影响卷烟的品质。自动配比系统的配比精度达 不到要求，一是会造成薄片丝水分偏差大，达不到工艺要求，其次会造成生产出来的薄 片烟丝物理性能达不到工艺指标；配比系统工作不稳定会直接影响到混合配料的均匀 性，混合不均匀，混合掺兑不均匀会使生产出来的薄片丝出现“花片 、“囱片 等质量 缺陷，影响了烟草薄片的外观质量和吸昧。 目前，宝鸡卷烟厂一车间薄片工段2 0 0 k g & l b l 3 型辊压法薄片烟丝生产线三个配 料系统干料配料系统、湿料配料系统、干湿料配料系统相互独立。干料配料系统采用变 频器调节控制，湿料配料系统采用人工掺对的方式，干湿料配比采用以p c 总线的工业 控翻计算机为核心，配套有称重、配比等外围接口。三个配比控制系统已经运行了5 年， 其存在的问题主要有： ( 1 ) 千料配比系统虽然采用变频器控制达到了精度要求，但是四个变频器相互独 立操作，数据的采集以及相互之闻的影响很不直观，缺乏集中控制的理念，无法适应技 改后新生产线的现场总线控制要求，所以必须进行网络组态，在操作终端上进行直观的 控制和操作。 ( 2 ) 湿料配比中，香精和加纤胶的配比仍然采用人工称重、掺对的办法，工人劳 动强度大，配比精度达不到要求，远不适应现代工业发展的要求。 ( 3 ) 干湿料配料系统和电控系统的整体设计有缺陷。首先，干湿料配料系统并不 复杂，它的流程控制完全可以由可编程控制器( p l c ) 来实现；工控机( i p c ) 主要是 用来做参数设置和现场监控以及数据存储、数据撮表等震途酶，焉在霉前的控制系统里， 配料系统总体设计采用工控机+ 接口电路板+ p l c 控制。p l c 只用于设备的顺序逻辑控 制，造成“大材小麓，焉工控机却通过接口电路、数据采集板去实现数据采集，发出 控制指令控制p l c 来完成配料系统，造成控制系统复杂化，这也是整个系统故障率高 的一个最根本原因。 ( 4 ) 千湿料配料控制形式由于采用了工控机+ 接口电路板+ p l c 的方式，虽然使配 料精度有所提高，但是控制软件由c 语言程序开发，除了系统界面较差外，操作上不直 5 西安科技大学硕士学位论文 观，人机交换能力差。配料系统的数据处理能力、数据分析能力以及数据存储能力都很 差。同时，系统没有提供网络通讯功能和管理功能，通过对控制软件的改造及更换操作 系统，只是在理论上可望提高系统运行可靠性。 ( 5 ) 由计算机直接控制外围电路工作，抗干扰能力差，测量值经常波动，系统稳 定性差。计算机的输入、输出板易受外部环境影响，容易损坏，尤其输出板受外部影响 更大，更容易损坏，使用中增加维护工作量，维护费用高。同时，控制集成程度过高， 并且计算机系统本身的稳定性有限，一旦计算机出现问题，会使整个自动控制系统瘫痪。 ( 6 ) 计算机的稳定性和可靠性也有待提高，计算机控制系统寿命短。使用时间越 长，故障率会越来越大。由于器件、接口电路板技术标准更新得很快，往往稍老一些的 计算机板卡损坏后，找不到配件，从而造成整个系统报废。器件的可替换性差，接口电 路板由厂家单独开发，专用性很强，损坏后备件的来源受很大限制。 总之，目前宝鸡卷烟厂一车间薄片生产线配料控制系统工作不稳定，集散控制程度 并不高，部分设备老化严重，故障率较高，维修和保养困难，不适于烟厂高作业率的要 求。针对存在的问题，宝鸡卷烟厂利用异地搬迁技改的机会，提出了对配料系统进行现 代化改造的计划。 新系统提出以下了一些具体要求。 ( 1 ) 改造后干料配比、湿料配比、干湿料配比三套系统均实现自动控制，三种配 料方式均可以在操作终端触摸屏上进行操作、设置和调整。配比精度均达到9 6 ； ( 2 ) 配料称重的过程及结果和生产线其它部分的运行情况能够得到记录； ( 3 ) 新控制系统必须有一台上位监控计算机，能够对配料系统的工作情况和整个 生产线的其它参数进行实时监控； ( 4 ) 能够根据配料的情况和薄片烟丝成品的情况生成整个生产线的生产班、日报 表，并汇总生成月报表、年报表，并符合e r p 系统的数据要求。 ( 5 ) 新系统应在故障率低，可靠性高的条件下尽可能降低成本； ( 6 ) 新系统可靠性要好，应能够保证长时间2 4 小时连续工作； ( 7 ) 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； ( 8 ) 控制系统中的控制元件应能够尽量和厂家现有设备中的元件兼容。 薄片生产线新的异地搬迁技改项目对配料系统提出的技术改造非常适合薄片工艺 和生产实际，本人作为项目的设计及实施者之一，正好借这个机会将此项目作为自己的 硕士研究生的研究课题。 本课题的研究，立足于宝鸡卷烟厂一车间薄片生产线车间的生产实际，在原有配料 设备基础上，重新设计改造自动配料系统，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可以降低工人的劳动强度，有效的减少配料误差，保 6 l 绪论 证配料比例的准确度，同时也大大提离了薄片烟丝的质量，提高了烟厂的经济效益。其 次，自动配料控制系统完全实现配料过程自动化，最大限度的降低了设备敌障和停机率， 可对提高企业生产和管理的翻动化水平有很大帮助。最后，自动配料系统广泛应用于化 工、食晶、冶金、建筑、饲料等行业，此配料系统得成功设计翻开发，为其他行业生产 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 。l 自动配料系统的发展情况 目前国内外大部分自动配料、计量包装设备的控制系统的构成主要有四种方法。一 种是采用工业计算枫作为控制器，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 膜丽板、l e d 数显等。这种方法控制程序用c 或v b 等程序语言编写。虽然具有称重算 法丰富，数据库功能强大的优点，但缺点是入机交互性能差，控制软件为各个厂家专门 开发的兼容性能不好，同时系统的再开发能力和对开关量的处理能力都比较差。另外计 算桃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厦控制器。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。但还是有兼容性能、再开发能力差的缺点。 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 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i o 模块处理；人机交互界词采用触摸屏、 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 + 工控机为控制主体，p l c 完成既料控制，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 方案进行串行阴通讯。目前国内大多数中、小 型配料系统均采用这种集散控制系统( d e s ) 。此系统存在的问题是工控机出现闻遂， 操作人员无法传递配料参数和数据采集，也就无法进行配料工作。只能尽快找到一台普 逶办公电脑来临时替彳弋工控机。两手动控制则通过按钮输入到p l c 完成，操作台上要 安装大量手动按钮。而这些按钮的使用率很低，因为配料多数情况下是工作在自动情况 下进行的。 第五种方法是基于现场总线的配料控制系统，将传统的配料控制系统改进为基于现 场总线的控制系统成为科技发展的必然趋势。由现场总线构成的控制系统称为现场总线 7 西安科技大学硕士学位论文 控制系统( f c s ) ，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，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，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。目前，许多用于配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 、i n t e r b u s 、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 国内外自动配料系统的研究现状和趋势 自动配料系统在冶金、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，自动配料系统 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，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从d , n 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，降低了配 料系统的成本、安装和维护费用。因此，基于f c s 的自动配料系统实质是一种开放的、 具可互操作性的、彻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配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 8 1 绪论 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。基于现场总线的配 料控制系统。系统具有配料精度高、速度快、数据传输抗干扰性能好等优点。这种控制 方式是国内外自动配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，薄片生产线配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，根据宝鸡卷烟厂一车间的技改要求和目前生产线的具体情况，并结合 当前先进配料系统的设计方案，确定的总体设计思路是基于现场总线的自动配料控制系 统：西门子的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。上位机用w i n c c 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) 分散设备间的 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。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， 9 西安科技大学硕士学位论文 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 cs 7 3 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，提高配料系统运行的可靠性，提高薄片烟丝的质 量。研究的意义在于提高配比精度，为薄片烟丝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三个配料系统 的总体设计、硬件组态，并独立应用s t e p 7 软件进行了三个配料控制系统的编程控制 和用w i n c c 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 根据宝鸡卷烟厂薄片生产车间的配料工艺特点，采用p r o f i b u s d p 现场总线技术 应用于车间三个配料系统，如图1 6 所示，系统包括配料的工艺流程设计、控制方式、 硬件的总体的设计、s t e p 7 软件的编程、w i n c c 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。 秘l 龋一l n ? 。： 1 场剐器 少 现场设缶 钾镣仪嘉闳 分布武i 0 ：f 站变频器 钾麓仪表、阀门 升卸扎蚋 图1 6 p r o f i b u s d p 现场总线控制系统 1 0 1 绪论 本论文系统特点： ( 1 ) 采用p r o f i b u s d p 总线控制，主站为s 7 3 0 0 系列p l c ，工控机作为现场监 控器，通过m p i 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 需的从站数据从主站中读取。监控机与现场p l c 控制系统实现整个生产过程自动化； ( 2 ) 硬件组态采用w i n c c 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 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西门子m p 3 7 0 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 ) 螺旋电子秤、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 本章主要介绍了薄片烟丝生产线的主要生产工艺过程，同时对三个配料系统进行了 系统的分析。三个配料系统控制原理简单，部分采用人工配料，结合宝鸡卷烟厂异地技 改搬迁，以及配料系统的的发展与趋势，提出了基于p r o f i b u s d p 现场总线的配料系 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。 西安科技大学硕士学位论文 2 干料配料系统的设计与实现 2 1 干料配料系统的分析和总体设计 2 1 1 原生产线干料配料系统的分析 薄片烟丝生产线的干料是由烟梗、烟沫、添加剂和c m c 组成，均为粉末状或颗粒 状物质。干料配料系统控制的优劣直接关系着后续生产工序能否顺利的进行，如果配料 质量达不到要求，轻则造成原料、能源的浪费，重则会影响产品的质量，并且有些配料 失误甚至会给整个生产酿成重大事故。目前使用的干料配料系统是靠各自定量器下面的 变频调速电机完成的。通过变频器控制电机，带动定量器下面的螺旋送料器完成定量输 送，通过变频器调节电机转速，进而调节螺旋送料器改变原料的输送速度，完成定量配 比的功能。 干料配料系统设计的原理是根据在螺旋送料器一样的情况下，电机速度和输送的重 量成正比关系。但是配料的四种成份烟梗、烟沫、添加剂、c m c 的物料性质、密度均不 一样，所以单靠速度来控制是比较粗糙的控制方式，必须还要依靠现场操作人员取样验 证。同时，修改配料比例的时候非常麻烦，要进行多次采样、设定。 当四种原料的温度、湿度、粒度等发生变化后，相同的输送速度，得到不同的输送 重量，进而配比精度也发生改变，所以配料的变频器还要进行重新设定，以满足配比要 求。 目前的干料配料系统是一个开环控制系统，并且四个原料的流量分别由各自的变频 器控制，相互独立。落后的配料系统不仅效率低而且配方发生变化后，修改变频器参数 比较复杂，现场操作工无法实现。同时配料系统缺乏可视的现场操作终端，以满足现场 监控的需要，无法实现自动化控制要求，因此实现高精度自动配料对车间的薄片生产有 极为重要的意义。 2 1 2 干料配料系统的总体设计 根据车间总控制系统和搬迁技改的要求，单台变频器的独立运行的模式已经不能满 足配料要求，根据现场总线控制的特点，设计基于现场总线p r o f i b u s d p 的干料自动 配料系统。控制系统通过p l c 、触摸屏、变频器、螺旋电子秤来实现干料配料的自动化。 如图2 1 所示，干料配比的控制原理为：干料由进料口经叶轮螺旋输送至落料口的时候， 安装螺旋输送机下面的电子称重装置( 由称重杠杆、支撑簧片、称重传感器等组成) ， 检测到物料的重量并产生一个正比于称重杠杆载荷的电压信号送入动态称重仪表，称重 1 2 2 干料配料系统的设计与实现 仪表将称重数据送到p l c ，同时由安装于螺旋输送机尾部的速度传感器将输送机主轴的 速度信号也传送到p l c ，p l c 将速度与料重数值相乘，可以得到与瞬时流量。得到瞬时 流量后，p l c 将其与给定流量比较，p l c 经过p i d 控制环节，得到调整参数，输出数据 并传送到变频器，通过变频调速器调节螺旋输送轴的速度，以此来形成闭环控制。采用 基于现场总线的配料控制系统。系统具有配料精度高、速度快、数据传输抗干扰性能好 等优点。 图2 1干料配料系统的控制流程图 1 3 西安辞技大学硕毒学位论文 2 2 干料配料系统的硬傅选型 。 2 2 。1 配料系统的硬件结构框图 整个控制系统以传感器结合p a n t h e r 称重仪表构成的电子称重为基础，以 s 7 3 0 0 p l c 为控制核心，采用p r o f i b u s d p 现场总线与上位工控机、称重仪表、变频 器等分别相连，并通过硬件组态将所有设备连成一个有机的整体，如图2 2 所示。结合 外围执行设备( 如螺旋输送器等) 完成于料的上料、配比、混合的翻动控制和监控过程。 配有触摸屏为现场操作终端，进行配方管理、实时监控生产过程、出现异常情况进行报 警处理。 2 2 2 系统硬件选型 甏2 。2予糕配料系统费硬件缀成 表2 1 p l ci oe l 数量和类型 的类型数字量输入点开关量输入点开关量输出点 僚号速度信譬 1 6 按钮 1 6 信号灯 s 类型各个电机信号 1 6 料位传感器 1 6 接触器 1 6 本羹鏊开关s 小计 7 22 4 总计 9 6 1 4 2 干料配料系统的设计与实现 干料配料系统需3 2 个数字量输入信号、4 0 个开关量输入信号和2 4 个开关量输出信 号，i o 点总数量为9 6 。i o 点数量和类型如表2 1 所示： 在p l c 的选取上采用含有d p m p i 接口的西门子s 73 0 0 系列3 1 5 2 d pc p u 模块， c p u3 1 5 2 d p 是唯一带现场总线p r o f i b u s d p 接口的c p u 模板，具有4 8 k b 的r a m ， 8 0 k b 的装载存储器，可用存储卡扩充装载存储容量最大到5 1 2 k b ，最大可扩展1 0 2 4 点数字量或1 2 8 个模拟量。根据统计出的i o 点数选择一个直流3 2 点和一个1 6 点的 s m 3 2 1 数字量输入模块以及一个3 2 点s m 3 2 2 继电器输出模块。 现场仪表：4 个p a n t h e r ( 磐狮) 称重显示仪表，托利多p a n t h e r 表具有 p r o f i b u s d p 现场总线接口，其内部嵌入了自动去皮、自动清零、单位转换、自动零 跟踪、动态检测等功能。 变频器：西门子m m x 4 2 0 变频器，具有p r o f i b u s d p 接口，自带有p i d 调节功 能。s i m a t i ce t 2 0 0 s 是一种分布式i o ，具有与p r o f i b u s d p 连接的接口模块。品种 规格齐全的模块和组态，安装及编程的一致性使e t 2 0 0 s