1.1配料系統(tǒng)組成
配料系統(tǒng)采用研華工業(yè)PC機(jī)作為上位機(jī),西門(mén)子S7-300 PLC作下位機(jī),上位機(jī)采用 WinCC6.0 SP3編寫(xiě)界面，操作系統(tǒng)為WindowsXP SP2；下位機(jī)采用STEP7 5.3 SP3編程。上位機(jī)是一 個(gè)人機(jī)界面（HMI）,下位機(jī)是配料系統(tǒng)的執(zhí)行部分。整個(gè)配料系統(tǒng)電氣設(shè)備的控制都由這套PLC 系統(tǒng)集中控制，各種現(xiàn)場(chǎng)模擬和數(shù)字信號(hào)通過(guò)PLC 集中處理。PLC通過(guò)與上位機(jī)的通信，將這些數(shù)據(jù)采集送入計(jì)算機(jī)，通過(guò)HMI顯示出來(lái)。操作人員也可以通過(guò)上位機(jī)發(fā)出指令，PLC接收指令后通過(guò)一系列編程工作，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后去控制各種操作。PLC采用本地主站連接現(xiàn)場(chǎng)電子秤稱(chēng)重儀表。主站和現(xiàn)場(chǎng)電子秤稱(chēng)重儀表通信采用Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線。主站為S7-300 PLC,由電源、CPU、以太網(wǎng)通信模塊組成，其CPU模塊采用CPU315-2DP,內(nèi)置支持多點(diǎn)通信的MPI通信。整個(gè)配料系統(tǒng)布線簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)更合理。上位機(jī)與PLC通過(guò)以太網(wǎng)接口通信，易于拓展。
12控制軟件組成
配料系統(tǒng)SIMATIC WinCC是基于 Windows 32位操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的人機(jī)界面軟件系統(tǒng)，稱(chēng)重配料系統(tǒng)是SIEMENS公司在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域中的技術(shù)和Windows強(qiáng)大功能相結(jié)合的產(chǎn)物。配料系統(tǒng)可以滿(mǎn)足對(duì)監(jiān)視和控制生產(chǎn)過(guò)程以及對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔處理的諸多要求。用WinCC繪制的用戶(hù)界面，操作簡(jiǎn)單人機(jī)界面良好，可動(dòng)態(tài)顯示現(xiàn)場(chǎng)各種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和配料系統(tǒng)運(yùn)行的各種參數(shù)。操作人員還可以根據(jù)需要，靈活地控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備啟停和更改配料的運(yùn)行參數(shù)。為WinCC編寫(xiě)的洗潔精配置主控流程。根據(jù)（A）（B）套洗潔精配制所要監(jiān)測(cè)和控制的點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)，配料系統(tǒng)共計(jì)使用：DI通道數(shù)130個(gè)；DO 通道數(shù)101個(gè)；AI通道數(shù)96個(gè)。故為配料系統(tǒng)選擇了 S7-300 PLC。S7-300 PLC屬于西門(mén)子系列中檔可編程序控制器，具有較強(qiáng)的控制功能和較強(qiáng)的運(yùn)算能力。稱(chēng)重配料系統(tǒng)不僅能完成一般的邏輯運(yùn)算，也能完成比較復(fù)雜的三角函數(shù)、指數(shù)和PID運(yùn)算。工作速度比較快，能擴(kuò)展的AI、AO、DI、DO模塊的數(shù)量也比較多。STEP 7通過(guò)MPI（多點(diǎn)接口）可以很容易的實(shí)現(xiàn)和WinCC的通信連接。
1.3控制原理
1.3.1 PLC程序設(shè)計(jì)原理
設(shè)計(jì)中由于輸入輸出點(diǎn)數(shù)多，程序復(fù) 雜，故PLC程序的編寫(xiě)采用結(jié)構(gòu)化編程方法。將整個(gè)應(yīng)用程序劃分成若干個(gè)FC功能塊，通過(guò)一個(gè)主程序OB1來(lái)對(duì)這些功能塊進(jìn)行組織和調(diào)用。這種方法可以有效地利用一個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)一組相同或相近的控制任務(wù)，可大大節(jié)省程序的開(kāi)發(fā)工作。 所編制的程序具有程序結(jié)構(gòu)層次清晰、部分程序 通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、易于程序的修改和調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。 其中：OB1為主程序塊;Fl ~ F8為模數(shù)轉(zhuǎn)換、變量采集、配方設(shè)定、溫度控制比較、閥門(mén)連鎖、報(bào)警程序、溫度PID控制等控制模塊。DB10-DB15為模擬量、參數(shù)設(shè)定、報(bào)警、PID等數(shù)據(jù)塊。程序采用梯形圖方式編寫(xiě)PLC程序。
1.3.2稱(chēng)重精度控制
基于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的使用，由于實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)的直接傳輸,改變了原先將電子秤4-20 mA 信號(hào)輸入PLC的方式，省去了PLC對(duì)模擬量信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)化過(guò)程,并且各電子秤之間可就近與一根屏蔽的雙絞線總線連接，不僅降低了布線的成本，而且克服了A/D轉(zhuǎn)換精度低的缺陷，有效提高了稱(chēng)重系統(tǒng)的精度和抗干擾能力與可靠性。
1.3.3溫度控制原理
洗潔精配料是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，溫度、色澤、黏 度、pH值等參數(shù)的控制直接影響產(chǎn)品的最終質(zhì)量。因此各參數(shù)都要嚴(yán)格控制在工藝要求的范圍內(nèi)。新產(chǎn)品配方中加入的消毒除菌原料對(duì)溫度及其敏感，在高于40%：的環(huán)境下,該原料除菌殺菌作用將逐步喪失。因此生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)洗潔精溫度的控制就成為極為重要的環(huán)節(jié)。原有系統(tǒng)對(duì)洗潔精溫度的控制 實(shí)際上是采用人工干預(yù)的方法,在配料過(guò)程中，操作人員如果發(fā)現(xiàn)配料儲(chǔ)罐顯示溫度高于或低于設(shè)定溫度,則手動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)的冷卻和加熱裝置,直到實(shí)際溫度達(dá)到設(shè)定溫度為止。這種方式控制溫度調(diào)節(jié)精度不高,不僅會(huì)有明顯的滯后，占用較長(zhǎng)的配料時(shí)間，而且不能滿(mǎn)足工藝上對(duì)溫度控制的要求，影響產(chǎn)品的最終質(zhì)量。然而，配料過(guò)程中存在的許多不確定 因素又使得配制儲(chǔ)罐在部分原料加入之后罐體內(nèi)溫度存在不確定性,這就使得洗潔精配置過(guò)程中的溫度成為一個(gè)復(fù)雜的被控對(duì)象。
該自動(dòng)化配料系統(tǒng)通過(guò)PID算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)洗潔精溫度的控制。在模擬控制系統(tǒng)中，控制器的控制規(guī)律是PID控制，其控制原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，在工業(yè)過(guò)程中廣泛應(yīng)用。常規(guī)模擬PID控制系統(tǒng)由模擬PID 控制器和被控對(duì)象組成
PID控制器是一種線性控制器,它根據(jù)給定值 與實(shí)際輸出c(t)構(gòu)成偏差信號(hào)：
e(t) = r(«) -c(f) o
將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過(guò)線 性組合構(gòu)成控制量,對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱(chēng)PID 控制器。
傳遞函數(shù)的形式為：
D(S)=^^=KP+K,+~+KDS
式中:心 為比例增益系數(shù)，寫(xiě)為積分時(shí)間常數(shù)，命為微分時(shí)間常數(shù)。
在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字PID控制器，數(shù)字PID控制算法通常分為位置式PID控制算 法和增量式PID控制算法。位置式PID的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字 控制算法為：
8u(k) = KPe(p) + K] Y e(£)+ K^e^k) ~ e(k -1) ]
式中止為采樣序號(hào)』= 0,l ,2,…；u(k)為第k次釆 樣時(shí)刻的輸岀值;e以)為第k次采樣時(shí)刻的偏差值; 碼為積分系數(shù);月為微分系數(shù)。
對(duì)式(3)兩邊同時(shí)取一階后向差分，可得理想 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器輸出增量：
= Kp屁(k) +K;e( k) +KD [ Ae(A：) -Ae( k- l)]=Ae(/c) +Be(k—1) +Ce(k-2) 其中:A 二 Kp(l 繹十牛)= 乏衆(zhòng))=
由此可得到理想數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的位置式遞推 算法：
u(k)= u(k-l) +/u(k) (4)
增量式算法由于計(jì)算機(jī)輸出的是增量,機(jī)器誤 動(dòng)作對(duì)配料系統(tǒng)造成的影響小。增量輸出只與現(xiàn)時(shí)及前2次采樣值有關(guān)，無(wú)需累加運(yùn)算，不但節(jié)省內(nèi)存和計(jì) 算時(shí)間，容易獲得較好的控制效果，同時(shí)還可避免飽 和現(xiàn)象發(fā)生。此外機(jī)器在進(jìn)行手動(dòng)-自動(dòng)切換時(shí)式中:X為數(shù)字量對(duì)應(yīng)的模擬量；
Ar為A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓；
3FFH為AVR單片機(jī)ATmegal6具有10位的 ADC,故對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為3FFH。
便可得到需要釆集的數(shù)據(jù)，最終會(huì)存放在數(shù)組 中，以便后面的處理和顯示。
3結(jié)論
通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明:用AVR USB技術(shù)制成的采集卡能夠很好地與Lab VIEW相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集， 大大降低了開(kāi)發(fā)成本，并且性能比較穩(wěn)定。此外，將采集卡描述成HID類(lèi)這樣可以不用另外再編寫(xiě)PC機(jī)上的驅(qū)動(dòng)程序，而直接可以被 Lab VIEW所控制，大大減少了上位機(jī)編程的難度。 造成的沖擊小，因此在過(guò)程控制中得到了廣泛的應(yīng)用。該配料系統(tǒng)采用的是增量式PID控制算法,很好地 實(shí)現(xiàn)了對(duì)洗潔精溫度的控制。
14系統(tǒng)其他主要功能
1)可以根據(jù)生產(chǎn)需要選擇不同的原料，改變或 設(shè)定各種原料的化學(xué)成分和配比，通過(guò)自動(dòng)配料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所選原料按配比下料。
2) 具有歷史數(shù)據(jù)、曲線的査詢(xún)、打印、統(tǒng)計(jì)、速 查功能。
3)報(bào)警功能。
2結(jié)束語(yǔ)
自動(dòng)配料系統(tǒng)的正常運(yùn)行是洗潔精成品質(zhì)量穩(wěn)定的前提條件。該系統(tǒng)投運(yùn)以來(lái)成功完成每年約10萬(wàn)噸洗潔精的生產(chǎn)提高了配料的精確度。該系統(tǒng)運(yùn)行可靠性能穩(wěn)定保證了洗潔精質(zhì)量的穩(wěn)步提高。
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