基于PLC和組態技術的機采棉加工自動化監控系統的設計

陳金成，紀 超，李亞雄，李 斌，王 濤，劉 洋（新疆農墾科學院機械裝備研究所，新疆石河子832000）

基于PLC和組態技術的機采棉加工自動化監控系統的設計

陳金成，紀 超，李亞雄，李 斌，王 濤，劉 洋
（新疆農墾科學院機械裝備研究所，新疆石河子832000）

為實現機采棉加工過程的自動化監控和自動化控制管理，設計了基于PLC和組態技術的機采棉加工自動化監控系統。以影響加工質量相關設備參數為采集、控制和監控對象，實現了關鍵參數的自動化控制。結果表明：該系統的應用能夠較好的監控加工過程中的出現的問題，并能實現設備加工的自動控制，提高了棉花加工質量，減少了耗能，實現了企業的精細化管理。

PLC；組態；機采棉；自動化

0　引言

隨著國內外紡織企業形勢的變化，棉紡企業對原棉質量的要求越來越高，棉花市場形勢日趨嚴峻，給新疆支柱產業棉花種植、加工帶來新的挑戰。棉花加工企業依然采用傳統的管理及加工方式已很難滿足市場需求，因此，新技術的應用是改變現狀，對接市場，實現效益最大化的有效途徑。中國的棉花加工技術較十年前雖然有很大程度的提升［1～2］，生產工藝過程基本實現了自動化，但提升質量的智能化新技術還十分落后，因此造成了管理上的粗放，表現在：棉花物理性狀不同、含水、含雜不同卻采取相同的加工工藝及單一設備參數加工，加工過程中皮棉質量不可控，人工控制滯后，加工的皮棉只能在加工后再進行檢驗，效益較差；有經驗的技術人員逐年減少，梯隊建設跟不上，缺乏對生產線有效的技術指導；設備故障較多，運行效率偏低，零部件損壞較多，維修成本較高；工人勞動強度大，用工量多；火情時有發生，隱患較大；大馬拉小車，能耗高，噸皮棉耗電不小于220kW·h；安全保障能力較弱，存在安全隱患；決策過程信息來源較少，缺少數據分析，不能科學化管理［3～6］。為了滿足現代化的管理要求和精細的管理方式，本文基于PLC和組態技術設計了機采棉加工自動化監控系統，實現了生產過程全方位自動化控制，滿足了棉花加工企業提升棉花質量、降低成本、管理科學化、增加效益的迫切需求。

1　系統分析

我們以新疆生產建設兵團農八師149團棉花加工工藝和設備為研究對象，分析了籽棉清理、軋花和皮棉清理等工藝、設備參數、工作原理及過程。其棉加工線系統流程如下：

自動棉模開松機→通大氣閥→重雜物清理機→籽棉卸料器→異性雜質清理機或自動喂料控制器→一級烘干塔→籽棉清鈴機→回收式籽棉清理機→二級烘干塔→傾斜式籽棉清理機→回收式籽棉清理機→配棉絞龍→軋花機→氣流皮清機→鋸齒皮清機（兩級）→集棉機→皮棉加濕器（預留）→皮棉打包機。

棉花加工自動化系統結構從管理層面上設計為3層，從上至下依次為：管理層、監控層和現場層（從技術層面分為上位機和下位機）。由于各設備在車間中布局較為分散，且棉花加工車間工作環境惡劣，低溫、塵土、電磁干擾等都對系統的正常運行產生較大的干擾，因此各層之間采用現場總線與以太網相結合的組網技術。為保證系統運行穩定性和通訊可靠性，系統中除了PLC與傳感器之間使用現場總線連接之外，上位機、在線檢測系統和PLC之間均使用可靠性更好的以太網連接。智能化系統安裝后與原生產線成為一個軟件、硬件相結合的有機整體。其系統流程如圖1。

圖1　系統整體結構

2　系統數據采集分析

在生產過程中為了防止設備在運行過程中出現空轉、飛車、超負荷等不良現象，需對設備轉動部分進行實時在線監控，采集并分析轉速信息，經數據處理后獲得控制決策方案，通過在線反饋調節電機轉速來維持常態運轉，若發生設備運轉故障將報警停車或進行人工輔助處理。軸承的溫升是影響軸承使用壽命的主要因素，在設備運轉過程中可以通過監測軸承溫升的變化了解設備運行狀態。

棉花加工處理廣義上包括棉花的收購、儲運、加工等全過程，收購的籽棉和加工后的棉花都是易燃物質，其纖維細小蓬松，與空氣接觸面大，一旦遇到微小的火星便能迅速燃燒，并蔓延擴大。除此之外，在棉花的軋制過程中產生的棉粉塵還有引發粉塵爆炸的危險。所以，在加工過程中進行火星檢測是非常必要的。安全問題是棉花加工過程中需要首要注意的問題，也包括一系列對人身安全、設備運行和產品質量等造成直接或潛在影響的因素。具體來說，棉花加工過程中的安全問題主要有火災、工作人員誤入禁區和非規范操作引起的危險狀況。

系統應用火星探測器、視頻監控、接近開關等傳感器和PLC控制等設備進行火情監控、禁區報警和緊急停車等自動監控技術，實時監控各個站點情況，做到防患于未然。

3　系統參數測定的方法

3.1轉速和溫度測定

轉速的待測對象包括傾斜式籽清機、提凈式籽清機、回收式籽清機、軋花機、皮清機、外吸分離器等設備的工作轉軸。將測速傳感器安裝于轉動機構末端附近，同時在轉動機構末端焊接一塊凸起的金屬，每轉動一圈接近開關將會產生一次脈沖信號，通過信號線傳輸到控制器（PLC）進行轉速數據的采集轉換，并將轉換后的數據通過數據線傳輸到控制系統進行分析顯示。

其中以歐姆龍CP系列PLC作為主控制單元，控制臺可以通過啟動和停止開關控制各設備狀態。接近開關產生的脈沖信號傳送到PLC輸入0通道02等位端子進行高速脈沖接受，同時通過內部轉換為轉速數字值，并經通信接口RS-422A/485傳輸到工控機進行顯示分析。顯示處理軟件可以生成轉速歷史曲線圖和生產報表。控制單元可根據傳感器測定的速度通過RS-232控制變頻器實現正常電機的調速，若設備出現嚴重故障可自動緊急停車，控制單元通過輸出100通道的02位驅動繼電器使報警裝置工作，提示工作人員處理故障。

通過將熱電偶傳感器安插在軸承座上進行軸承溫度的檢測。熱電偶是雙金屬材料，即兩種不同的金屬，在溫度變化過程中，兩個不同金屬絲的兩端將產生電勢差，由于PLC控制器只能輸入0～5 V、1～5V、0～10 V、-10～+10 V、0～20 mA、4～20mA，所以需要在輸出段接入溫度變送器轉換成PLC所能接收的電流或電壓范圍，并發送至PLC模擬量輸入端。轉速和溫度接線如圖2。

圖2　轉速與溫度示意

3.2火星探測與智能監測

由于火星檢測位置相對較少，同時為了盡可能減少火星檢測的反應時間，采用點對點方式接入歐姆龍PLC CJ2M的擴展模塊CJ12-ID211的各接線端子。一旦發生火情，PLC控制程序發出相應指令使相關設備進行動作，防患于未然。

棉花智能分析裝置主要由采樣板、采樣驅動、濕度傳感器和圖像傳感器組成，其結構如圖3。待檢測的參數包括棉花的黃度、反射率、回潮率等。棉花在輸棉管道中依靠風力輸送，采樣驅動器控制采樣板旋轉90°，并以一定壓力將棉花壓實在傳感器一側，此時濕度傳感器測量棉花的回潮率信息，圖像傳感器通過圖像處理技術獲取棉花含雜情況等參數，采樣完畢后，采樣板反轉回到初始位置。采樣板以一定頻率打開、關閉，實現了棉花回潮率和含雜率參數的自動采樣。

圖3　籽棉品質檢測裝置

3.3變頻器控制

在整個機采棉加工過程中，為了減少能耗、便于控制，在每臺電機安裝變頻器進行控制和監測。通過軟件提取變頻器的電流、電壓、頻率等參數值間接獲取設備的工作狀態，數據采集的主控制單元及其變頻器控制監測如圖4，數據的采集通過RS-485總線的形式將多個變頻器接入PLC控制器中。

圖4　變頻器控制監測

4　軟件的設計

圖5　PLC控制系統程序流程圖

本系統堅持易于開發和維護、穩定性和擴展性好的原則，對于下位機的開發采用了歐姆龍PLC編程軟件CX-One，這是一種綜合性軟件包，為歐姆龍PLC編程軟件集成了支持軟件，可對包括網絡、可編程終端、伺服系統、變頻器、電子溫度控制器進行設置，便于軟件的開發和調試。上位機軟件的開發采用國內應用比較廣泛的組態軟件—組態王，組態王開發監控系統軟件是新型的工業自動控制系統，它以標準的工業計算機軟、硬件平臺構成的集成系統取代傳統的封閉式系統，功能強大，運行穩定且使用方便，提供了豐富的、簡捷易用的配置界面，提供了大量的圖形元素和圖庫精靈，同時也為用戶創建圖庫精靈提供了簡單易用的接口，從而降低了開發難度、提高了開發效率。

圖6　設備狀態監控界面

PLC系統軟件主要根據上述各設備的控制和功能參數的監測進行編程以實現機采棉加工過程中的實時監控。軟件設計時，主要采用梯形圖和功能塊的編程方法，并按照加工過程功能順序和優先級進行控制。通過PLC的編程采集設備的溫度、濕度、火情、轉速、電流、頻率等參數，并通過工業以太網傳送到上位機進行監控處理，還可根據采集的參數值進行分析判斷發出相應指令進行設備控制。PLC程序流程圖如圖5。

上位機組態王的設計主要是與下位機PLC進行通信，并將PLC采集的信號實時顯示到軟件界面上，便于工作人的觀察和判斷，同時可以根據傳入的數據分析判斷是否向下位機發送指令進行控制。通過上位機的可視化界面可以人工操作部分設備的運行，如調節各電機的頻率或緊急停止（啟動）設備。圖6所示為對相關設備進行狀態監視界面。

5　結論

利用PLC控制技術和組態王上位機的組態技術，對機采棉加工過程進行了實時數據信息的采集、控制和監控的設計。實現了加工過程中的全程動態監控，降低了人員管理成本，減少了棉花損傷和損耗，提高了棉花的加工質量，實現了企業的精細化管理。

［1］郭斌杰.清花刺釘輥筒的結構設計［J］.中國棉花加工，2010 （2）：8～11.

［2］郭倩如.鋸齒皮棉清理機排雜刀的調整［J］.中國棉花加工，2007（3）：11～12.

［3］董全成，馮顯英.基于自適應模糊免疫PID的軋花自動控制系統［J］.農業工程學報，2013，29（23）：30～37．

［4］胡燦，吳明清，陳曉川.基于PLC技術的軋花自動控制系統的設計與研究［J］.農機化研究，2015（5）：167～172.

［5］李勇.皮棉質量評價模型與棉機變頻調速系統的建立［D］.北京：清華大學，碩士學位論文，2003：1～30.

［6］李孝華.棉花加工對棉纖維原生品質影響分析［J］.中國棉花加工，2013（4）：27～28.

The Automatic System of Cotton Processing Based on PLC and Configuration Technology

CHEN Jin-cheng，JI Chao，LI Ya-xiong，LI Bin，WANG Tao，LIU Yang
（Mechanical Equipment Research Institute，XinJiang Academy of Agricultural And Reclamation Science，Shihezi，832000，China）

For the sake of realizing the automatic supervisory control and management of machine-harvested cotton processing，the automatic monitoring system of cotton processing is designed based on PLC and configuration technology.The relative associated equipment parameters of machining quality acquisition，control and monitoring as objects to realize automate the key parameter control.The results showed that the application of the system to better monitor the problems in the process of machining，realize automatic-control machine，improve the quality of the cotton processing，reducing the energy consumptionand achieve precise management leve.

Programmable logic controller；Configuration；Machine-harvested cotton；Automation

1007-7782（2016）03-0015-04

10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2016.03.006

TS112.7

A

2016-05-11

國家科技支撐項目，機采棉原棉品質控制技術研究與示范（2014BAD09B02）