PLC在自動配方生產過程中的應用

郭磊

（新疆喀拉通克礦業有限責任公司 富蘊 836106）

1 工藝介紹及控制要求

1.1 工藝介紹

復配生產工藝過程是將若干種不同種類原料按照不同的重量配比，通過給料泵輸送到復配罐中，循環攪拌若干分鐘之后，輸出到存儲罐，作為產品出售。

1.2 控制要求

針對工藝特點，該廠在自動化改造時提出了以下幾點控制要求：

（1）生產過程實現自動化，確保稱量精確，提高產品質量。

（2）連續生產，保證產品儲罐不空。

（3）配方可以保存并更改，連續生產時可自動調取。

（4）該線生產數據可以監控。

為滿足該控制要求，需要對工藝進行優化改造：1為保證計量準確，在復配罐上方增設兩個計量罐，原料通過計量罐稱好之后再放入復配罐中；2給料泵加變頻控制，停泵時可以減小流量，避免沖擊力引起稱重誤差；3設兩個操作站，生產與出庫分開操作。

改造后的工藝結構結合控制系統，可以很好的實現上述控制要求。

2 控制系統結構

根據工藝特點及客戶管理需求，采用西門子300系列PLC結合人機交互系統（HMI）的方式來實現該控制系統。車間生產平臺及廠區門口出庫平臺分別放置一臺HMI，實現獨立操作控制。

西門子CPU類型為315-2DP。兩臺HMI(西門子MP277（10’）)通過西門子MPI總線接頭連接，其中一臺放置在PLC柜體上，作為生產過程的操作監控，另一臺放置在車間外出料平臺上，作為遠端出料控制。這樣的系統結構方式，首先保證了各個生產線獨立運行可靠，避免某條生產線故障導致整個廠區生產停工；其次，方便操作工及出庫員的操作，兩臺觸摸屏分開獨立控制，可以明顯提高生產效率，減少工作量；最后，生產數據集中監控，方便工廠管理。系統運行正常之后，達到了廠方的生產管理要求。

3 控制功能實現

3.1 自動生產的實現

秤重變送信號、液位變送信號、泵及閥門開關信號作為I/O量進入PLC控制系統，通過CPU中程序運行進行自動生產。自動生產過程如下：

設置好配方參數（每種原料重量、加料順序、循環時間）后，點擊啟動按鈕，即開始自動生產。首先自動打開第一種原料給料泵和閥門，原料進入相應計量罐，同時系統不斷檢測該計量罐重量信號，當實際重量值與配方中該原料設定重量值（提前量可單獨設定）一致時，停泵關閥門。延時十秒穩定之后，開始下一種原料的稱量。當配方中要求的原料加完之后，進入計時循環程序。循環結束自動打開存放該產品儲罐的閥門，當復配罐內液位為零時，延時一段時間（可設定），關閉閥門。一個生產周期結束。

3.2 配方功能實現

該套生產系統除了保證常規生產過程控制之外，其主要難點是實現廠方要求的完全自動化，即自動調用已保存配方，自動生產。由于該線配方數量龐大，且要求每個已經保存的配方在生產一段時間后能夠修改，能顯示原料代碼（例：CYS0140）并提示中文名稱，自動刷新在某配方下原料重量。MP277型HMI雖然有配方控件，但其現有功能實現不了客戶以上要求，因此該控制功能實現過程中采用了以下方式。

3.2.1 配方庫的建立

一組配方包括以下幾個主要元素：配方名，原料名，原料重量。首先建立一個配方存儲庫：在PLC共享數據塊（DB）中建立作為配方代碼的字符串類型一維數組變量A：ARRAY[1…100]OF STRING[9]；同樣的，建立原料代碼的字符串類型一維數組變量(有十種原料)B1-B10：ARRAY[1…100]OF STRING[9]；建立原料重量的實數型一維數組變量C1-C10：ARRAY[1…100]OF REAL。這樣每個配方名、每個配方對應的原料名和重量都會保存在此區域內，供生產時調用。同一個配方對應原料名和重量采用數組中的序號連接起來。比如：第一個配方保存于A[1]中，則第一個配方的第一種原料名存放在B1[1]中，第二種原料存放在D2[1]中，第三種原料存放在D3[1]中，……，對應重量存放在C1[1]，C2[1]，C3[1]，……。因此只需要識別到配方名在配方庫中保存的序號，就可以準確無誤的調取此組配方。

3.2.2 生產配方調用及更改

建立進入生產時的配方代碼字符串變量D：STRING[9]；生產時的原料代碼字符串變量E1-E10：STRING[9]；生產時原料重量實數變量F1-F10：REAL。啟動生產后，程序就會根據這組變量來指揮生產過程。在這里，需要人工輸入配方名D，該配方名與第一步配方庫中已經保存的配方名做比較，如果相同，則取出該配方名在配方數組中的序號，利用該序號調用原料名及重量，之后將對應值賦給該步相應變量。完成配方自動調用過程。

如要增加新的配方，需輸入新的配方名D，點擊保存按鈕，則該配方名就與配方庫中保存數據做比較，如果沒有相同值，則把新值賦給該數組中的空位，完成配方名的添加。更改原料名與原料重量，是在取得權限后直接修改。修改完的數據會永久保存于配方庫中。

圖1 配方保存及調用程序結構

該段程序結構如圖1所示：

這樣的程序結構，可以隨時方便靈活的更改所需要的配方名、原料名、重量等數據。同時在共享數據塊(DB)中的數據，可以做到掉電保持，防止突然掉電導致數據丟失的情況發生，保證生產的穩定。

3.2.3 配方名中文顯示

客戶要求輸入配方和原料代碼之后必須顯示中文名稱。這個功能只能在MP277觸摸屏上實現。在WinCC flexible變量一欄建立每個代碼對應的中間變量(例：A_1，字符串型變量)，在腳本一欄點擊添加腳本，編寫腳本文件：

If SmartTags("A_0")="AFM0011"Then

SmartTags("A_1")=0

……

在文本和圖形列表中點擊“添加文本列表”，輸入每個數字代表的中文名稱。之后組態畫面中插入輸出類型的“符號I/O域”，即完成中文顯示組態。當前代碼與腳本中保存代碼一致，則在符號I/O域處顯示出已經保存的中文名稱。

3.3 連續自動生產實現

在自動生產、自動調取配方功能實現之后，廠方提出必須實現該條生產線完全無人化生產，即在某一產品出庫之后準確調用該產品配方，并觸發生產條件，確保產品儲罐時刻有產品存放。

由于每種儲罐產品不同，并且隨機出庫，要實現此功能，需要對配方功能做進一步處理。

建立儲罐產品名變量（共12個儲罐）G1-G12：STRING[9]。在非連續生產結束之后，將此次生產的配方名D賦值給相應存放的儲罐變量G（x），則此罐產品名被標記，產品名稱即為下次生產的配方名。在每個周期生產完畢之后，系統自動檢測液位，當液位低于一個生產周期的量時，自動調取該儲罐配方，啟動生產。

在這里加設了一個連續生產/非連續生產選擇開關，可以根據工況需要隨時實現切換，保證生產的靈活性。

該功能在理想條件下可以實現該工段完全無人化生產，但為了保證生產的安全，在每個儲罐上需加裝液位開關，在發生原料溢出或罐內抽干時可以及時停車，防止物流泄露以及設備損壞。

4 結語

該套自動配方生產系統，用分屏的結構方式達到了生產與出庫獨立操作的目的；自動配方調用功能實現了該條線連續無人化生產的要求，提高了生產效率；采用PLC結合人機交互系統（HMI）的方式來實現控制功能對類似工廠生產過程自控改造提供借鑒意義。