添加剂自动抽提设备控制系统的设计与实现

制造止自动化添加剂自动抽提设备控制系统的设计与实现Design and realization of the control system of the addition automatic extracting machine陈跃华，冯殿义，王宏祥，李煜CHEN Yue-hua, FENG Dian-yi, WANG Hong-xiang, LI Yu(辽宁工业大学机械工程与自动化学院，锦州121001)摘要:以实际项目为背景针对现有添加剂自动抽提装置控制系统存在的不足，设计了以S7-200PLC为控制核心，Smart700触摸屏为人机界面的控制方案，采用Modbus RTU协议与称重仪表进行通讯，配合以变频器对添加剂进行精确抽取。详细阐述了如何把仪表称重值的变化换算成液位下降速度，再反馈给交流伺服电机进行位置控制和速度控制的编程思想，解决了油枪在添加剂抽取过程中的液位跟踪问题。该控制系统操作简便,控制精度高，使用可靠。关键词: PLC;添加剂抽取; Modbus通讯协议;伺服电机;液位跟踪;变频调速中图分类号: TP29文献标识码: A文章编号: 1009-0134(2015)01( 上)-0134-03)oi: 10.3969/j. issn. 1009- -0134. 2015.01(上).380引言在润滑油的调和过程中往往需要加入某种或也最为复杂，是整个控制系统中的难点与关键。某些添加剂以改善润滑油的特定性能，调整润滑添加剂抽提工艺的控制流程图如图1所示。油品种，最终得到所需的润滑油。采用人工的方式向调和釜中倾倒添加剂，比较费力而且倾倒开始量不易控制，为满足润滑油市场需求和质量要求↓而制定了具体的设备一添加剂自动抽提装置初始化(Drum Decanting Unit 简称DDU)，桶装添加剂油枪停通过DDU装置抽提进入调和釜系统，实现高精油枪快速下降度、高效率的生产优势。停泵目前国内的DDU设备主要采用大中型PLC,整套控制系统成本很高，而本文设计的控制系统油枪慢速进入液面采用中小型PLC进行控制，不需要扩展模块即可和》↓油枪返回智能称重仪表通过Modbus协议实现高精确称重测泵启动量，通过自带的高速脉冲输出口控制伺服电机对厂结束油枪进行精确运动控制，只需扩展一个CP243网络油枪跟踪液面模块即可并入整个生产车间的控制网络。1自动抽提装置结构及工作原理抽取临界设定值?添加剂自动抽提装置主要有基础油注入、添加剂抽提、管路清洗和返回基础油四个主要工艺步。首先开启注油阀将来自调和釜的基础油注入图1控制流程图油罐中;然后根据上位机设定的配方要求定量抽取不同种类的添加剂到调和釜中;在抽取不同种添加剂自动抽提装置的结构如图2所示，抽取类的添加剂之前要首先在油罐旁管工位抽取基础添加剂时由伺服电机1通过丝杠2带动油枪3上下运油清洗油枪管路;添加剂配比结束后将油罐中的动，抽取结束时由气缸5关闭油枪底阀4,清洗管基础油返回至调和釜。抽取添加剂这一工艺环节路时无杆滑台气缸7带动支架6到达洗枪工位进行在整个装置的工作流程中最为重要，其控制方法管路清洗。中国煤化工收稿日期:2014-08-28.YHCNMH G作者简介:陈跃华(1989-) ，男，辽宁沈阳人，硕士研究生, 研究方向为自动化位测与控制。[134]第37卷 第1期 2015- -01(上)制造止訇动化2.2程序结构概述系统程序由一个主程序和若干子程序组成,包括通讯程序、系统初始化程序，手动调试程序，自动运行程序、定时中断程序和带参数的(变频器调用子程序等;程序结构采用SCR顺序控制，在设备上电后首先执行初始化，设定各参数初值，伺服电机和阀门返回初始位置，当各初始位传感器给出反馈信号后进入自动运行状态，自动运行程序包含4个工艺步子程序;当切换到手动调试模式时，自动运行停止，手动操作电机和阀门;点击自动运行，系统重新执行初始化后进入自动运行程序。2.3添加剂精确抽取控制策略1.伺服电机; 2.导轨丝杠; 3.油枪; 4.油枪底阀;5.封口气缸; 6.支架; 7.滑台气缸在添加剂的抽取过程中，为提高工作效率,首先使用较大速度对添加剂进行抽取，当距离设图2装置 结构图定量还剩20%时，PLC记录 下仪表此时采集的添加2控制系统设计剂重量VD658,然后减去后续抽取过程中添加剂2.1控制系统硬件配置的实时重量VD646,得到该时刻已抽重量LD12,PLC作为整个控制系统的核心用来完成现场再用设定值VD662的20%减去已抽重量LD12,得设备的实时控制，根据控制方案及点数选择西门到距离设定量的差值LD16，PLC会随着设定量子公司的CPU224XP晶体管型PLC，上面 带有2个的临:近控制变频器的输出转数成比例减小，有效RS485自由通讯口，其中Port0与柯力智能称重仪防止了因泵的抽取速度过快而造成的抽取过量问表采用Modbus RTU协议通信，Port1 口与Smart700题，从而保证了添加剂的配比精度，为消除机械触摸屏通过PPI电缆进行通信"。在该型CPU的系统动作上造成的延时误差，当距离设定值5%o基础上扩展一-个模拟量模块EM235，使用CPU自时，关闭枪口阀，停泵，结束抽取。带的高速脉冲输出口(Q0.0)和EM235上的模拟PLC与智能称重仪表之间通过RS485总线建立量输出通道AQW0对伺服电机进行位置控制和速起Modbus通讯网络。Modbus协议采用主从方式度控制，通过CPU.上的模拟量输出通道控制台达的查询响应机制，主机PLC发起通讯，智能仪表变频器调节泵的抽取速度，HMI主要承担参数设响应PLC的各项通讯指令5。Modbus RTU(Remote定，参数实时显示，操作机器等工作2。控制系统Terminal Unit)协议模式表达相同的信息需要数据硬件结构图如图3所示。位数较少，而且在相同通信速率下具有更大的数Sart700据流量和更高的通讯效率。-般工业智能仪表仪器都是采用RTU模式的Modbus规约|4。PI协汉调用S7- 200的Modbus通讯指令块,初始化主CPU224 XP EM235设备通信参数，设置通信波特率为9600,校验方Modbus创朋变式为无校验，应答时间设置为1000ms,使仪表中协议动用的设定与PLC中保持一- 致;然后在Modbus从站指称乘仪表令块中选择读写方式，匹配从站地址，为了提高传输速度，将所传输数据的类型设置为字传输,称重传填写对应的寄存哭类刑，设詈右储地址起始位,感器气动阀例服电机 泵最后分配库存H中国煤化工中进行处图3控制系统结构图理，使其显示..m.CNMH G第37卷第1期2015-01(上) [135]制造止旬动化2.4油枪液位跟踪控制策略值，用当前液位值减去.上一周期累加器中记录的在添加剂抽取过程中，如果油枪伸入添加剂液位值，得到每秒钟的液位变化，即液面下降速液面过长，在抽取其他种类添加剂时会造成交叉度，把伺服电机切换到速度控制模式，将液位下污染，将降低所生产润滑油的品质，通过伺服电降速度转换成数字量反馈给伺服电机控制油枪下机可以精确控制油枪伸入液面的长度，在脉冲输降速度，实现对添加剂的液面追踪。与PLC接线方出向导中选择线性脉冲串输出(PTO) 的方式来式如图5所示。对伺服电机进行位置控制。油枪分两个动作顺序步进入添加剂液面，所以需要创建两个不同的运动包络，为提高工作效率，包络0使用较高的脉冲fR220V频率控制伺服电机快速下降到添加剂桶面上方。操作者把桶口对准油枪方向，再次启动油枪，包FG元v↓络1先通过步1使用较低脉冲频率控制油枪慢速进w.入桶内，当油枪即将进入液面时过渡到步2使油枪24),H电激组45服G电以更慢的速度平稳的进入添加剂中，防止液面晃机动造成称重测量误差。速度定义画面如图4所示。24V Vmorbxd“动2neao带bd 1"图5伺服驱动与PLC接线图2.5人机界面设计触摸屏作为控制系统的人机界面，使用Wincc图4速度定义画面flexible编程软件进行组态，界面中设置有手自动每次抽取添加剂时，桶内添加剂初始高度并切换开关，可以随时切换到手动模式，点击任意不固定，而油枪在追寻液面时需要知道液位值,执行元件，手动调试阀门与电机;每个工艺步都.才能通过伺服电机控制油枪在液面内的距离固有相应的启动按钮，抽提工艺中，设置有添加剂定。添加剂桶虽无法安装液位计，但是桶的规格种类按钮，用来配比不同种类添加剂，通过触摸一定并 且各种类添加剂的密度已知，所以可以根据屏可以设定添加剂抽取量等生产参数,添加剂重Modbus称重仪表测量的重量值在PLC中除以所选量与基础油温度等信息都可以实时显示在监控界种类添加剂的密度和桶底面积换算成添加剂液位值面上，操作界面如图6所示。VW674,再用油枪距桶底这一固定高度值减去添加剂液位，就可以给出每次抽取油枪的下降高度。泵启动抽取添加剂，液面开始下降，为了既自动u行]BERE保证油枪口能始终处在添加剂液面下方正常抽1EEE取，又不使枪管深入液面下过多造成添加剂挂壁，油枪应在抽取过程中始终跟踪添加剂液面,而且应尽量使枪口伸入液面距离保持一定值，这.样可以减小称重测量中油枪的干扰误差。只有知自1道液面的下降速度，才能控制油枪速度和液面保持一致，使用特殊存储器SMB34、中断时间间隔中国煤化工设为250ms的定时中断1创建--个周期为1S的高.MYHCNMHG精度定时，每1S向累加器中存入一次添加剂液位[136]第37卷 第1期 2015- -01(上)制造止旬动化3结束语参考文献: .本系统以S7-200PLC为控制器，利用人机界[1]周亮,李珍.基于PLC的液体袋装包装机控制系统的设计面整合系统各控制功能，操作简洁、方便，基于[J]包裝工程,2013(1):88-91.Modbus协议的主从通讯，充分发挥了智能称重仪[2]束长宝.基于Modbus RTU协议的剪板机变频控制[J].仪表技术与传感器,2012(12):118- 120.表的各项功能，配合以伺服电机、变频器调节,[3]刘金华,彭芳,刘宝军.空气包覆纱机精密卷绕控制系统的实现了润滑油生产过程中对不同种类添加剂的精设计及实现[J].自动化与仪表,2013(8):26-29.确抽取，精度高达3%o，并解决了在抽取过程中因[4]王兴贵张明智,杜莹Modbus RTU通信协议在智能仪表添加剂挂壁而造成交叉污染的难题。与工控机通信中的应用[J].低压电器,2008(2):8-11.[. 上接第121页]表3 8种基本表情的最佳载荷大小Simulation of Humanoid Head Robot with Mixed Modelsof Head Mechanism and Face Elastomer[J].System器官左)右眉头(左) 右眉尾眼脸(左)右嘴角上唇下唇表情|simulation journal, 2005,17:1466-1483.平静[3] Delaunay F, de Greeff J,Belpaeme T. Towards retro-高兴|| - (-)0.3 4-0.1|-0.1 0.1|projected robot faces: An altermative to mechatronic andandroid faces[A].The 18th IEEE International Symposium生气|()0.1 -1 0.2 (-)0.1 0.20.2|-0.1 (-)0.3-4-- 0.2 0.4|on Robot and Human Interactive Communication[C].悲伤| (-)0.1 0.8 0.2|(-)0.1 0.33 0.2| 0.1 (-)0.2 -3.4-0.60.3Toyama, Japan,2009:306-311.恐惧|-0.70.2-0.10.2|0.---.1| 0.2 |[4] Ho , Hanson 0 D,Kim W S, Park I W. Design of android厌恶|(-)0.1 0.5 0.2|(-)0.1 0.1 0.2|-0.1 0.2 3-0.1| 0.4|type humanoid robot albert HUBO[AJ.IEEE InternationalConference on Inelligent Robots and Systems[].Beijing,讶|.0.1 0.20.20.3 | -0.6|China, 2006:1428-1433.感兴趣(-)0.1 0.3 0.2(-)0.1 0.1 0.2|-0.2| (-)0.2 -0.1| 0.3|[5] Weifeng LiuJli Lu,Zengfu Wang and so on.An ExpressionSpace Model for Facial Expression Analysis[A].Congress4结束语on Image and Signal Processing[C].2008:680-684.通过对日本女性JAFFE面部表情特征的观察[6] Zhang yu, Yang kuo, Deng xueying, Research and与分析，在传统的基本表情分类的基础上，增加Realization of Facial Expression RobotlJ.IEEE Symp.Materials Science and Information Technology.了感兴趣这种表情，将基本表情分为8种(平静、2011:7413-7419.生气、悲伤、高兴、恐惧、厌恶、惊讶、感兴[7] Yuta Kihara, Guifang Duan,Takeshi Nishida and so on.趣)。在SolidWorks环境 下完成了面部三维模型建Dynamic Facial Expression Database for Quantitative立，用HyperWorks 有限元软件进行分析，通过反Analysis of Facial Paralysis[A].Computer Sciences and复试验，得出8种基本面部表情仿真图以及在弹性Convergence Information Technology (ICCIT),2011 6th皮肤材料下基本表情的最佳载荷驱动大小，为机International Conference[C].201 1: 949-952.器人样机面部表情实验控制提供了一定的依据。[8] Zhang yu, Yang kuo, Deng xueying, Research andRealization of Facial Expression Robot[J.Proc. IEEE参考文献:Symp.Materials Science and Information Technology.[1]王志良.人工情感[M].北京:北京工业出版社,2009.178-IEEE Press,Sep 2011, pp.7413-7419.273.[9]王钰栋,金磊,洪清泉.HyperMesh & HyperView应用技巧[2] MENG Qingmei,WU Weiguo,WANG Yu.Actions与高级实例[N中国煤化工TYHCNMHG第37卷第1期2015-01(上) [137]