基于粉碎生產線控制系統設計

江西冶金職業技術學院 楊青青

粉碎生產線系統是將四氧化三鐵用粉碎機粉碎成符合工藝要求的鐵黑粉，并稱重包裝成一定質量的過程。粉碎生產線系統主要由拼混、研磨、收集物料、稱重包裝和清灰除塵系統組成。針對粉碎生產線的設計特點，本文介紹一種基于PLC的粉碎生產線控制系統，該系統控制可靠，操作方便，性價比高。

1.系統設計方案控制要求

由于本粉碎生產線控制系統設計的目的是盡可能地保證控制系統在生產時的安全性、增強控制系統的性能持續穩定性、提高控制系統的生產效率性價比。故在設計整個粉碎生產線控制系統時，應該顧及以下幾個要素的實現與否：

(1)必須保證控制系統的安全性能，在生產過程中，要保證工人在生產線生產的過程中必須是安全的，而且設備在工作的過程中也應該持續運作；

(2)必須保證生產過程的全自動化性，在生產過程中應該實現全自動化模式，不需要依托人工的開啟；

(3)必須保證控制系統程的可監控性，在生產階段中，整個運行過程應該能被操作人員實時監控；

(4)必須保證控制系統的最佳性價比，研發的控制系統能夠達到最優的性價比，在保證質量的同時提高生產效率。

2.系統設計方案選取

由于在整個粉碎生產線系統中設備比較繁多，有混合機、碾磨機等10余臺電機，而且系統總輸入輸出點數過多，結合對粉碎生產先系統的工藝認知、分析及對控制要求的理解，決定使用PLC和人機交互機結合的方式，搭建出一個分布式網絡控制結構，實現對現場過程設備的控制（圖1為粉碎生產線系統方框圖）。其中，下位機選取西門子中小型PLC S7-300型負責實時采集生產過程控制中的數據并依據采集而來的數據生成反饋，從而控制生產設備的運行，并把裝有 WINCC組態軟件的 PC機作為控制系統的上位機進行監控，顯示出生產過程畫面，并能實現人機對話功能，使操作員能夠管理控制生產過程，并提供數據整合、歸檔功能，PLC和PC之間用PROFIBUS-DP總線通訊。

圖1粉碎生產線系統框圖

稱重包裝環節是個非線性大滯后的過程，由于在稱重過程中存在靜態誤差和動態誤差，難以用數學算式進行精確描述，而傳統PID控制需要有具體的數學表達，無法滿足其控制需求，而模糊控制能夠依靠專家運算，不需要具體模型，本文糾其二者優點，將一種模糊PID算法融入PLC應用中，通過參數自整定的方法，對變頻器進行精確控制，來提高包裝環節的精度，提升性價比。圖2展示了稱重包裝系統組成框圖，工控機通過變頻器控制稱重包裝環節，然后通過稱重傳感器把稱重量反映到HMI上。

圖2 稱重系統組成框圖

總體來說，硬件系統各部件間采用了二級通訊模式：

（1）HMI和PLC。在這級通訊中，采用RS485協議對上位機人機交互界面HMI和下位機PLC進行串口通訊。HMI作為自外界的指令和參數，控制系統氣動部分做相應動作并顯示歷史趨勢、實時趨勢、生成報表等，實現遠程監控功能。可以對編寫出參數設定頁面，完成定時控制功能。

（2）PLC和變頻器。變頻元件和PLC兩者之間的通訊是采用RS485協議進行連接通信，傳感器檢測到PLC發出的信號，變頻器在PLC的控制下按照設計好的規律切換完成對電機的檢測及控制。

由于系統主要采用PLC+HMI的設計方案，此方案在設計時又主要分為硬件設計和軟件設計，其中：硬件設計主要是電氣原理圖設計包括一次回路二次回路圖設計和變頻器的連接圖設計，軟件的開發設計主要包括上位機監控畫面程序設計、下位機控制程序設計及上下位機之間的通信設計，其中，上位機設計主要采用WINCC設計，設計主要由畫面組態，通訊設計、趨勢圖設計及報表打印等組成。下位機采用西門子STEP7軟件設計，下位機和上位機通過PROFIBUS通信，使得能夠隨時接受上位機下達的各條指令來執行操作。上下位機之間通信主要采用現場總線中的PROFIBUS-DP通信協議通過輪詢的方式實現。

3.系統方案優點

采用可編程邏輯控制器和人機交互界面WINCC的使用，給生產系統運作帶來方便，節省了控制系統的生產成本，各硬件之間不需要太多繁瑣的接線，如果以后生產出現故障也方便排查調試，同時WINCC的使用減少了PLC的輸入輸出點數，可視化的界面方便控制系統操作監視，且有故障定位和顯示的功能以備維護，總之可編程邏輯控制器和人機交互界面WINCC的結合是一種先進的自動化控制形式，它讓粉碎生產線生產過程操作清晰明朗，使得復雜的過程控制容易讓人管理、維護。