基于數(shù)據(jù)比對的稱重罐漏料監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)

董偉?k趙瑜++胡長霆

摘要：為避免稱重罐漏料事故，保障香料配方安全，通過PLC控制器采集記錄各罐的起始重量，并以此為基礎(chǔ)，運用STEP7軟件開發(fā)實時重量的數(shù)據(jù)比對模塊，當(dāng)實時重量與起始重量的差值超出設(shè)定閾值時，模塊自動輸出報警信號。在WinCC開發(fā)平臺上，設(shè)計HMI人機交互界面，用于集中顯示各罐重量數(shù)據(jù)和報警信息。系統(tǒng)運行以來，取得了較好的效果，能夠?qū)崟r監(jiān)控稱重罐的重量變化，及時預(yù)警閥門泄漏現(xiàn)象，從而有效預(yù)防可能引起的配方質(zhì)量事故，減少了原料浪費，保障了制絲產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：香料廚房；數(shù)據(jù)比對；漏料；監(jiān)控

中圖分類號：TP277文獻標(biāo)識碼：A

1引言

在煙用香精、香料的配制工藝中，根據(jù)配方的不同，往往需要十幾種液體或固體的原料配制，要求各種原料的比例要準(zhǔn)確、穩(wěn)定[1-2]。原料罐通過安裝在下方的稱重傳感器進行料液稱重，由氣動閥控制下料過程，經(jīng)過公用管路進入成品罐。當(dāng)氣動閥關(guān)閉不嚴(yán)導(dǎo)致泄漏，不但會造成原料的浪費，甚至?xí)共粦?yīng)添加的原料泄漏到公用管路，導(dǎo)致配方失控，造成重大質(zhì)量事故[3-4]。為此，設(shè)計一種基于數(shù)據(jù)比對的稱重罐漏料監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)控稱重罐內(nèi)的料液重量，與原始重量進行自動比對與判斷，從而及時預(yù)警因下料閥門漏料引起的質(zhì)量事故，以期減少原料浪費，保障香料配方的準(zhǔn)確與安全。

2存在問題

徐州卷煙廠香料廚房各類稱重罐共計72個，下料氣動球閥近200個，從07年使用至今，由于料液粘稠或腐蝕的原因，造成部分閥芯的密封性能下降，易出現(xiàn)關(guān)閉不嚴(yán)的現(xiàn)象，導(dǎo)致原料泄漏。為預(yù)防和減少因泄漏帶來的損失，通過現(xiàn)場調(diào)查和分析，發(fā)現(xiàn)存在以下幾個問題：

1）由于氣動球閥數(shù)量眾多，管路內(nèi)部的泄漏不易觀察和預(yù)判，從日常點檢中很難發(fā)現(xiàn)問題。另外，閥門密封不嚴(yán)具有偶然性，若對所有閥門進行定期更換，勢必造成浪費，增加生產(chǎn)制造成本。

2）目前，為檢測這種泄漏現(xiàn)象，常用的手段是在氣動球閥上安裝用于檢測閥門到位信號的接近開關(guān)，或管路上安裝漏料檢測傳感器的方式[5]。其中，接近開關(guān)僅能檢測閥門開啟或關(guān)閉的兩點信號，對于密封失效引起的微小滲漏無從檢測，而漏料檢測傳感器若安裝在每個料罐下，改造的費用較多，若安裝在公用管路上，則無法及時、有效地檢測具體的漏料罐。

3）由于料液配方含有酒精成分，香料廚房的安全防護等級要求較高，禁止使用明火和電焊，新增檢測設(shè)備或管路改造的難度較大。

為此，如何在不新增設(shè)備的基礎(chǔ)上，避免增加成本和改造管路，僅依賴現(xiàn)有的檢測元件，實現(xiàn)對泄漏現(xiàn)象的實時監(jiān)測和預(yù)警，是配料生產(chǎn)所迫切需要的。

3硬件配置

香料廚房電控系統(tǒng)采用Profinet工業(yè)以太網(wǎng)集成Profibus DP總線的通訊方式[6]，控制器選用SIMATIC S7 CPU416-2 DP PLC，稱重罐下方安裝梅特勒-托利多MT1260型單點式稱重傳感器，采用懸浮式靜態(tài)稱重方式檢測罐內(nèi)料液重量和料液配制計量，通過稱重模塊SIWAREX CS將傳感器毫伏信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將實時重量數(shù)據(jù)傳輸至PLC中。在圖1香料廚房的硬件組態(tài)中，SIMATIC S7 CPU416-2 DP PLC（含CP443-1 Advanced）作為IO控制器，可以同時操作Profinet IO系統(tǒng)和Profibus系統(tǒng)。Profinet IO系統(tǒng)用于各控制子站的通訊連接，根據(jù)控制元件分布位置建立兩條Profibus DP總線，用于流量計、閥導(dǎo)、稱重傳感器的通訊連接。

4技術(shù)方案

本監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)核心是設(shè)計料液重量的數(shù)據(jù)比對模塊，通過PLC控制器分別采集記錄各料罐在上次配料結(jié)束時的重量數(shù)據(jù)，作為比對的起始數(shù)據(jù)，以當(dāng)前料液的實時數(shù)據(jù)和起始數(shù)據(jù)的差值與設(shè)定的閾值比較，當(dāng)差值超出閾值范圍時，PLC控制器輸出報警信號，并在HMI人機交互界面顯示報警提示。

如圖2所示的監(jiān)控系統(tǒng)流程圖，以1#稱重罐為例，其起始重量為X1，實時重量為Y1。當(dāng)發(fā)生泄漏時，Y1-X1<0，考慮到測量精度、環(huán)境溫度、料液溫度以及罐體抖動等因素的影響，易產(chǎn)生X1、Y1的稱重誤差，為此設(shè)定的閾值S，S為負(fù)值，具體監(jiān)控流程如下：

1）當(dāng)1#稱重罐未下料時，數(shù)據(jù)比對模塊實時比較Y1與X1的差值，若Y1-X1≤S，系統(tǒng)判斷此時1#稱重罐出現(xiàn)泄漏，及時發(fā)出報警提示，并對其他罐的下料任務(wù)進行終止，根據(jù)需要對發(fā)生泄漏的管路進行清吹。反之，系統(tǒng)判斷1#稱重罐正常，下料任務(wù)繼續(xù)；

2）當(dāng)1#稱重罐下料時，停止對其進行數(shù)據(jù)比對，在完成下料任務(wù)時，自動記錄當(dāng)前料液重量，并以此數(shù)據(jù)刷新起始重量X1，用于下一次的數(shù)據(jù)比對。5系統(tǒng)設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)是制絲生產(chǎn)線的人機交互平臺，以圖形化方式對生產(chǎn)過程進行監(jiān)視、控制、調(diào)度和報警等，并與設(shè)備層和管理層的系統(tǒng)實時通訊[7]。本系統(tǒng)的開發(fā)平臺為SIMATIC STEP7 5.4和WinCC 6.0，采用C/S結(jié)構(gòu)，在集中監(jiān)控WinCC服務(wù)器上開發(fā)多用戶項目，通道單元類型為TCP/IP[8]。

5.1重量數(shù)據(jù)的讀取與存儲

首先，通過STEP7軟件新建DB600、DB601數(shù)據(jù)塊，分別對糖料罐和香料罐的起始重量、實時重量進行存儲，新建用于讀取和記錄重量數(shù)據(jù)的FC600、FC601功能塊。為避免在下料作業(yè)時氣動閥門的開啟與關(guān)閉動作對稱重計量的影響，設(shè)定在配料結(jié)束后延時3秒，采集和刷新相應(yīng)稱重罐的起始重量。

如圖3所示，1#糖料罐的實時重量存儲地址為DB13.DBD32，起始重量的存儲地址為DB600.DBD6，為避免下料閥門動作引起的稱重誤差，設(shè)定在配料結(jié)束3秒后，實時重量向起始重量賦值[9]。5.2重量數(shù)據(jù)比對

由于糖料的配制有一定的溫度要求，本系統(tǒng)使用的罐體為蒸汽加溫罐，最大容量為500Kg，采用的傳感器非線性參數(shù)為0.02%。而溫度變化對稱重數(shù)值影響較大，冷凝水的排放也將引起重量波動，誤差范圍在±0.5Kg。同時，考慮到料液重量不同對檢測有效性的影響，分區(qū)域設(shè)定報警閾值，

即當(dāng)實時重量為Y1≥50Kg時，設(shè)定閾值為-0.5Kg；當(dāng)Y1<50Kg時，設(shè)定閾值為-0.2Kg。如圖4所示，在糖料未開始配制，1#糖料罐開啟數(shù)據(jù)比對功能，并在實時重量與起始重量的差值小于等于閾值時，系統(tǒng)判斷為發(fā)生泄漏事故，觸發(fā)地址為DB600.DBD328.0的報警信號。

另外，為保證每次配料前公共管路內(nèi)清潔、無殘料，設(shè)計在配料前的自動清吹、清洗程序，也可以在處理泄漏事故后手動進行。清吹和清洗功能同時進行，清洗延時2分鐘，清吹延時3分鐘，最后將清洗水吹掃干凈。

5.3監(jiān)控報警畫面

香料廚房生產(chǎn)監(jiān)控畫面由SIMATIC WinCC6.0軟件開發(fā)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計漏料監(jiān)控畫面，建立與PLC通訊的罐重量信號、報警信號等變量標(biāo)簽，分別組態(tài)糖料罐、香料罐的重量數(shù)據(jù)集中顯示界面，能夠直觀顯示各罐實時重量、起始重量以及差值，如圖5所示，并設(shè)計三種報警提示。

1）彈出窗口報警：編寫WinCC全局腳本，一旦糖料罐或香料罐發(fā)生泄漏，觸發(fā)報警變量，立即彈出報警信息框，提示操作人員注意，如圖5所示。

2）消息欄報警：通過WinCC報警記錄編輯器，添加各罐的報警變量，輸入文字報警信息，可以在報警消息欄體現(xiàn)當(dāng)前漏料罐的具體信息。

3）文字閃爍報警：在重量數(shù)據(jù)集中顯示界面開發(fā)報警提示信息，使發(fā)生報警的料罐號文字閃爍，更加醒目直觀的顯示。

6結(jié)論

本系統(tǒng)通過采集記錄稱重罐的起始重量，與實時重量進行比對，自動判斷和預(yù)警漏料現(xiàn)象，并設(shè)計罐重量數(shù)據(jù)集中顯示界面及報警系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)控稱重罐的重量變化，及時預(yù)警閥門泄漏現(xiàn)象，從而避免出現(xiàn)香料配方錯誤的安全事故，為保障制絲產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量提供了有力支撐，同時也減輕了操作和維護人員的工作壓力。

參考文獻

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