基于S7-1500的石灰石失重秤控制系統(tǒng)

陳 適，袁偉杰，謝峻毅，侯 濤，吳三華

（1.銅陵有色金屬集團股份有限公司 金冠銅業(yè)分公司，安徽銅陵244100）（2.江西瑞林電氣自動化有限公司，江西南昌330038）

失重秤(loss-in-weigh)是20世紀(jì)80年代中期開始應(yīng)用于各流程工業(yè)領(lǐng)域的一種連續(xù)稱重計量設(shè)備。它結(jié)合了動態(tài)稱重和靜態(tài)稱重不同的優(yōu)點，逐步替代皮帶秤、螺旋秤等連續(xù)稱重設(shè)備，被應(yīng)用到越來越多的工業(yè)領(lǐng)域中。然而業(yè)內(nèi)流量計算大多是基于單片機的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，這給后期改造和操作帶來諸多不便。

閃速吹煉過程中，會往吹煉爐中添加石灰石作為熔劑，生成鐵酸鈣形成渣層。某冶煉廠為實現(xiàn)對石灰石的連續(xù)精確計量，采用失重秤進行計量控制。本文擬介紹該廠基于西門子S7-1500 PLC研發(fā)的石灰石失重秤控制系統(tǒng)。

1 失重秤工作原理

1.1 失重秤的組成

失重秤機械部分主要由進料閥、進料密封閥、排氣閥、進料流化閥、呼吸閥、失重倉、攪拌器、出料流化閥輸送螺桿等組成；控制部分主要由稱重傳感器、變頻器、PLC及觸摸屏等組成。失重秤工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程

1.2 失重秤工作原理

失重秤的配料過程分為進料和失重兩個階段。失重秤主程序邏輯見圖2。

圖2 主程序邏輯

由圖2可知，程序啟動后，首先進入進料階段；關(guān)閉進料密封閥，開啟進料閥，排氣閥開始進料，由稱重傳感器進行測量，待重量達到上限值WH時，停止進料，關(guān)閉進料閥、排氣閥，開啟進料密封閥，程序進入失重階段。失重階段開啟呼吸閥，啟動輸送螺桿并給予初始速度，此時，控制器對失重倉物料重量進行檢測、采樣，當(dāng)失重倉物料重量達到配料設(shè)定的下限值WL時，程序進入進料階段，重新向失重倉進料。但第二次進料階段只關(guān)閉呼吸閥，輸送螺桿鎖定轉(zhuǎn)速，進行容積式出料。失重倉重量變化見圖3。

圖3 失重倉重量變化

2 西門子PLC 1500系列性能

新型的西門子S7-1500控制器除了包含多種創(chuàng)新技術(shù)之外，還設(shè)定了新標(biāo)準(zhǔn)，能最大限度地提高生產(chǎn)效率，無論是小型設(shè)備還是對速度和準(zhǔn)確性要求較高的復(fù)雜設(shè)備裝置都一一適用。若將西門子S7-1500無縫集成到博途軟件中，能極大地提高工程組態(tài)的效率。西門子S7-1500系列的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下幾點：1）西門子S7-1500的信號處理速度更快，極大縮短了系統(tǒng)響應(yīng)時間，進而提高了生產(chǎn)效率。2）新型的背板總線技術(shù)采用高波特率和高效傳輸協(xié)議，以實現(xiàn)信號的快速處理。3）西門子S7-1500有3個PROFINET接口。其中，2個端口具有相同的IP地址，適用于現(xiàn)場級通信；第3個端口具有獨立的IP地址，可集成到公司網(wǎng)絡(luò)中。通過PROFINET IRT可定義響應(yīng)時間并確保高度精準(zhǔn)的設(shè)備性能。

總之，西門子S7-1500作為西門子目前的高端PLC系列，擁有多項創(chuàng)新技術(shù)和優(yōu)異的數(shù)據(jù)處理性能，配合高度集成的博途軟件可以快速上手，適合各種工業(yè)場合。下文即對S7-1500 PLC的失重秤控制系統(tǒng)的實現(xiàn)進行介紹。

3 失重秤控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 稱重變送器的選擇

稱重變送器也叫重量變送器，是一種將物理量變換成電信號，將毫伏信號輸出的傳感器經(jīng)隔離放大轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)直流信號的變送器。在工業(yè)稱重過程中，其廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、信號傳輸轉(zhuǎn)換和集散稱重控制系統(tǒng)和配料系統(tǒng)。

經(jīng)過多次選型，最終選擇了梅特利—托利多的新款高集成度的稱重變送器ACT350。該變送器具有高頻率采集、免標(biāo)定、高精度的特點，支持多種通信協(xié)議，特別適合快速灌裝和分揀等場合。其優(yōu)點主要包括：1）ACT350變送器具備全精度800 Hz PLC更新速率。2）支持PROFIBUS DP、PROFINET IO、EtherNet IP通信。3）支持CalFree免標(biāo)定功能。4）計量認(rèn)證達到CPA 6 000 d、OIML 6 000 e、NTEP 10 000 d。5）支持多品牌的模擬量稱重傳感器。

3.2 速度控制

稱重料斗內(nèi)物料的重量通過稱重傳感器轉(zhuǎn)換成0～10 mV電壓電信號輸送給稱量儀表。稱量儀表將當(dāng)前經(jīng)過數(shù)據(jù)處理的重量信號通過PROFINET通信傳輸給PLC。PLC程序計算后將轉(zhuǎn)速設(shè)定值輸出給螺旋變頻器調(diào)節(jié)螺旋轉(zhuǎn)速。

失重秤的流量為單位時間內(nèi)重量的損失值[2]，理論上表示為：

式中：Vt為失重秤的流量；dw為重量差值；dt為測量周期時間。

失重秤控制器Vt與預(yù)設(shè)的給料流量SP進行比較，運用PID調(diào)節(jié)對出料裝置進行控制，使實際給料速率準(zhǔn)確地跟蹤設(shè)定值。當(dāng)進料閘門開啟向稱重斗內(nèi)喂料時，控制信號鎖定給料速率，進行容積式排料。

3.3 PID多段參數(shù)控制

失重控制系統(tǒng)采用PID調(diào)節(jié)，為應(yīng)對多種工況和不同的投料階段對PID進行多段控制，不同的投料階段采用不同的PID參數(shù)配置，使投料量盡可能地穩(wěn)定并接近設(shè)定值。

3.4 定速及定量控制

投料有定速和定量兩種投料模式，默認(rèn)推薦為定量模式，通過PID調(diào)節(jié)實現(xiàn)穩(wěn)定投量；失重系統(tǒng)在入料階段因為無法計量失重部分的料量，則采用保持定速功能，維持入料前的轉(zhuǎn)速和投料量反饋值；在入料階段結(jié)束，計時達到設(shè)定時間后，恢復(fù)投料量計算。

3.5 模式設(shè)定

該控制系統(tǒng)有兩種工作模式，即正常模式和帶空模式。正常模式適用于正常生產(chǎn)的時候，控制系統(tǒng)實現(xiàn)全自動運行。而帶空模式適用于螺旋檢修等工況，一鍵就可以實現(xiàn)自動排空，不需要手動控制進行排空制造檢修條件。

該控制系統(tǒng)具有兩種控制模式，即遠程控制和本地HMI控制。通過Profibus-DP通信，可將S7-1500 PLC數(shù)據(jù)上傳到DCS中控系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)在DCS上對失重秤系統(tǒng)的遠程控制。兩種控制模式的切換按鈕設(shè)計在HMI的屏幕上，在HMI上進行簡單操作即可實現(xiàn)遠程DCS控制與本地HMI控制的切換，以及相關(guān)參數(shù)設(shè)定。失重秤流程圖畫面及主要參數(shù)控制畫面如圖4所示。

圖4 失重秤流程圖畫面及主要參數(shù)控制畫面

3.6 高精度的失重控制

失重投料系統(tǒng)的穩(wěn)定性是該系統(tǒng)的核心技術(shù)。通過對稱重數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理[2]，既要保證輸出信號的穩(wěn)定還要保證信號的真實性。通過長時間的觀察對PID參數(shù)進行了多次優(yōu)化和調(diào)整，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)穩(wěn)定性取得了較好的效果。圖5為失重系統(tǒng)的投料量的趨勢記錄。從圖中可以看出記錄非常平滑和穩(wěn)定。

圖5 投料量的趨勢記錄

4 結(jié)語

隨著PLC功能的完善、傳感器技術(shù)和通信技術(shù)的不斷突破，失重秤作為一種先進的連續(xù)稱重設(shè)備，其性能得到了進一步的提高，應(yīng)用范圍得到了進一步的擴展。失重秤在散狀物料輸送系統(tǒng)中具有十分廣泛的應(yīng)用前景，本次基于S7-1500對失重秤控制系統(tǒng)的設(shè)計是對國內(nèi)該類設(shè)備應(yīng)用實踐的一次有益補充。該控制系統(tǒng)目前已成功用于某廠閃速冶煉爐的失重秤，其新開發(fā)的程序配合觸摸屏較好地實現(xiàn)了石灰石失重的穩(wěn)定投料。經(jīng)過使用過程中對程序參數(shù)的優(yōu)化，已經(jīng)達到設(shè)計的預(yù)期效果，值得類似項目借鑒。