2025年04月04日 13:21:06 来源：广州市凯士称重设备工程有限公司 >> 进入该公司展台 阅读量：1
| PLC在油漆配料系统中的应用研究 | 2020-01-21 |
| 摘要:油漆称重配料系统技术改造为背景,阐述了油漆生产的工艺流程,采用基于PLC的集散配料系统作为总体控制方案,对油漆生产主要环节进行了分析并给出控制方案。设计了基于PLC的称重混合配料系统,给出了配料系统硬件设计和软件控制流程,对配料系统的模糊PID控制和仿真进行了研究。结果表明:该油漆称重配料系统经过PLC技术改造后,配料精度大幅提高。 油漆工业是连接种建筑业、船舶业、家具业产品等产业链条中极其重要的一个关键环节。其作为世界经济的新兴工业之一,在较短的时间内迅速发展起来,受到了各国政府和企业界的高度重视。油漆加工生产线控制特点主要是各加工设备及检测装置间的顺序控制,而这种顺序控制正是PLC控制的优势所在。PLC控制是当前工业配料系统中应用非常广泛的控制方式,使用PLC控制可以极大地提高生产的自动化程度。可编程控制器与上位机PC的通讯实现,可使生产过程整体优化,确保正常生产和管理水平的提高。各种预混合油漆、浓缩油漆、配合油漆为主油漆生产车间两个,建成的生产线采用了微机控制技术,现代化水平比较高;而早期建设的生产线配料系统仍然是接触器、继电器控制方式,其管理水平和生产效率均远低于另一条生产线。为适应生产需求,对旧的生产线进行了技术改造。 1油漆生产工艺 传统的油漆生产企业采用串联布置，即物料从原料仓库开始，按照工艺流程依次经过各个车间，然后到达成品仓库。然而，随着产品种类的不断增加和产品类型的不断差异，近年来并行布局已经被取代，即物料可以分成多条路线，同时经过不同的车间，最终到达成品仓库。显然，这种方法大大提高了串联物料的产量，减少了干扰，生产效率更高。同时，这种布局也有利于助剂、电力、燃气等电力线路的合理铺设，降低投资成本。目前，公司车间布局是按照平行布局设计的。目前，一些涂料生产配料系统也提出了车间组合布局模式，即在生产车间内设立针对特定产品的原料仓库、成品仓库、实验室、检验室等。合并，物料在车间内流动，改变了原原料仓库、车间和成品仓库的拆分方式，节省了物流的行程和时间，大大提高了生产效率。鉴于需要新建一个车间来配置工程液体灌装机的涂料和汽车涂料产品的配料系统，可以采用组合布局的方法，既可以避免原料和成品之间距离过长、效率降低的缺点，又可以集中同类产品的所有拣选和生产环节，便于过程控制和生产管理，有利于产品质量的稳定。一般来说，生产车间的布局设计应考虑原材料入库、生产拣选、成品交付等各个方面。在生产过程中，材料的布局方法是最短路径、最短时间和资本占用。涂料配料系统具有原料和产品种类多、生产工艺简单、流程短的特点。涂装车间生产线的布置有两种方式:一种是工艺专用配料系统的生产线，也称为车队配料系统的生产线，即根据不同的生产工艺建立不同的车间或工段团队。工艺专业车间安装了同类型的配料系统液体灌装机，便于大规模生产组织。第二，产品专用配料系统的生产线，也称为封闭配料系统生产线，是以产品为基础建立车间。在产品的专业化生产车间，生产某种产品的各种液体灌装机集中在一条批量自动配料系统生产线上，可以独立完成产品生产的所有工艺流程。大多数传统的油漆配料系统车间都是按照工艺建立的，尤其是在以前的大中型油漆厂，绝大多数都是按照专业生产线的工艺建立的。根据工艺专业化设立车间的优点包括:(1)配料系统中液体灌装机利用率高；(2)配料系统便于过程的专业管理。 该配料系统以电脑称重显示器为控制中心，控制其它设备完成配料。原料由绞龙驱动从料仓落入称斗，共l2路，分别输送不同的物料。液体灌装机绞龙运行的速度由变频调速器根据称重显示器输出电压的高低来调节。实际配料时，通过称重显示器键盘设定配料配方及配料批次，再运行自动配料系统，称重显示器自动选择所要求的料仓，驱动绞龙电机，使物料落入称斗．通过称斗上测量重量的称重模块来控制变频调速器．调节绞龙速度以控制进料量，使终点值达到足够精度．配料结束时，自动开门，物料进入混合机混合．称重显示器自动计算混合时间，待混合结束，放成品出料。 2配料系统基于PLC的总体控制方案设计 自动配料系统由工业计算机，PLC模块、工业组态软件、中间继电器、交流接触器、热继电器、空气开关等组成。在Windows环境下，自动配料系统使用工业组态软件绘制的实际流程图，自动配料系统可以使生产线的各个电机、控制阀、泵、管路的流程显示出来，自动配料系统可以非常直观地了解生产情况和控制整个自动配料系统的工艺过程。整套自动配料系统集中于中控室。车间内平台旁设中控室，用于放置主控柜和中控台。 计量过程：生产前先输入配方，计算机根据配方量联动启动对应自动阀开始加料，当称重到达设定值，称重模块自动关闭进料阀门，同时启动另一种助剂计量。计量完毕，计量反应罐的出料阀门自动打开，并打开E1号分散釜（反应罐号先设定）上对应的自动阀门，助剂真空吸入到E1号分散釜中。在全部助剂加料完毕，同理输入纯水加料的重量，点动纯水进料阀门，利用少量纯水清洗计量反应罐及下料管路以保证助剂无残留。12种助剂的计量和输送为自动化控制过程，计量反应罐可以采取先加助剂、后加水的方式。 自动配料系统吨包粉体由压送反应罐压入粉料仓进行储存。5种粉料的计量和输送为自动化控制过程，利用粉料计量反应罐计量。计算机控制，自动配料系统根据加料的重量，自动开启对应阀门，自动配料系统联动启动对应螺旋输送机开始加料，当称重到达设定值，称重模块连锁进料阀门及螺旋输送机关闭。计量完毕，计量反应罐的出料阀门自动开启，并打开GD1过渡反应罐进料阀门粉料进入过渡反应罐储存， E1号分散釜加粉料时，采取釜底上料，对釜内抽真空，过渡反应罐出料阀及E1反应罐进料阀自动打开，粉体从反应罐体底部进入反应釜内。 油漆生产过程中的每一个配料系统相对独立,油漆生产的自动化包括整个配料系统的自动控制与各工序自动控制以及单机设备的自动控制；其中PLC负责控制现场设备的运行并获取其运行状态及故障信息,传感配料系统采集现场信息数据,计算机利用网络通讯获取数据进行储存管理,动态显示工艺流程、设备运行状态、生产数据、报警信息,并生成各类生产报表。其核心控制部件PLC,采用模块化的编程思想,分离各子配料系统与相对独立的内部功能,并将各功能块按照油漆生产配料系统的工艺流程贯穿在一起,形成整个配料系统的集散控制,并通过网络实现与生产管理的远程监控指挥配料系统。 3称重混合配料系统设计 3.1称重混合工艺方案选择及配料系统的确定 配料工序是油漆生产过程中的关键性环节,其配料精度直接影响着油漆产品的质量。称重混合配料系统实现将两种或两种以上的物料按照一定的配比自动定量加入到混合机内,经过混合达到预定要求后自动出料的过程。通过对常见称重混合工艺方案优缺点的对比,选择多料数电子秤秤配混工艺,如图2所示。即将所有计量的物料按照其物理性能或称量范围进行分组,每组配上相应的计量装置来实现计量作业,从而经济、精确地完成整个配料过程。多料数防爆电子秤秤配混工艺能够显著缩短油漆的配混时间,大幅度提高产量,结合该公司油漆生产情况,配混工艺选择为多料双防爆电子秤秤同时配料工艺。 油漆自动配料系统由PC机、PLC、送料器、料斗、称重称重模块和执行机构等组成,如图3所示。 配料系统的运行过程是先由上位计算机将原料配方数据传到下位机PLC,然后再由PLC进行控制。各种油漆原料经反应釜顶输送设备和分配器分配进入相应配料反应釜中存贮。配料时由送料器分别依次将原料送至防爆电子秤秤斗中。大配比(&1048577;20%)的原料送至大电子秤秤斗;小配比(5%~20%)的原料则被送至小电子秤秤斗称量。称重称重模块检测每种料的数量,将信号传给称重控制仪,控制送料器的给料,从而控制每种料的定量。当全部料反应釜的物料按设定配方要求称量配料完毕,达到规定 累计质量(每批料量)时,PLC依照控制程序打开料阀门,将防爆电子秤秤斗内物料放入混合机混合室中进行搅拌混合。混合机在达到预定的混合时间,即混合均匀度达到要求时,在PLC的控制下,料阀门开启出料,送料至缓冲反应釜,落入成品刮板式输送机,送至斗式提升机入口升运至混合料反应釜贮存,至下一工序。 3.2称重混合配料系统硬件设计 上位机选择带有标准的RS232C通信口、打印机接口的品牌机,本配料系统控制精度要求高,根据输入输出信号数量,下位机选用一个三菱FX2N-80MR型PLC和两个FX2N-16EX拓展单元,选用SC-09编程电缆作为计算机与PLC通信的连线。在整个配料系统中,重量称重模块是一个非常关键的部件,自动配料系统的精度如何,接影响着配料系统的配料的精度。本配料系统选用电阻应变式重量称重模块,其精度满足配料的要求,应该比配料精度高一个等级。XSB-A型称重显示控制仪是一种多用途的仪表,速度快,精度高,自动配料系统拥有的许多特殊性能很适合称重显示及控制的应用。 3.3称重混合配料系统软件设计 计算机根据生产工艺把相应的配方和生产工艺参数传递到PLC,PLC根据配方参数及下料顺序控制变频器启动配料绞龙工作,称重信号由PLC检测。配料系统工作顺序:称量完成后,当混合机内有料时,防爆电子秤秤斗阀门关闭;当混合机放料关阀门到位后,防爆电子秤秤斗阀门打开。防爆电子秤秤斗开阀门时间到达后,检测防爆电子秤秤斗上的余料,当余料超过限制值时,配料系统进行报警,防爆电子秤秤斗阀门不关闭。当低于限制值时,防爆电子秤秤斗阀门关闭。防爆电子秤秤斗阀门关闭到位后,如果没有完成预定生产批次,配料继续,同时发出添加预混料和油脂添加信号。预混料添加并完成应答复位后,混合机开始混合计时,达到混合时间后,混合机根据缓冲斗的料位情况开阀门放料。混合机开阀门计时,开阀门时间到达后,混合机阀门自动关闭,等下一批料落下后,开始新一轮的循环。本配料系统采用模块化程序设计的方法,其中心思想是把一个复杂的应用程序按整体功能划分为若干相对独立的程序模块。本配料系统中,按程序完成的功能主要分为三个程序模块: (1)送料模块按配方参数和进料次序完成各料反应釜的原料下料以及称重信号采集,保证各原料在允差范围内。加料停止后,从螺旋喂料器到防爆电子秤秤斗之间还滞留一部分原料要落入防爆电子秤秤斗中,需考虑这一部分物料,程序中用滞留量&1048577;代表这个值。滞留量是根据企业生产经验数据,通过试验选择值确定。将变频器设置为多速段频率,用PLC的输出点控制变频器的频率。送料器配料时,PLC控制送料器电机在变频器高速段运行,当原料量逼近(给料量-滞留量)时,由PLC输出点控制送料器电机在变频器低速段运行,进行缓慢加料。加料过程中,PLC将原料量与(给料量-滞留量)实时比较,在允差范围内为合格,停止加料;接近允差下限,应进行变频器低速段加料;大于允差上限为超差,报警。 (2)防爆电子秤秤阀门模块控制称重反应釜阀门按逻辑顺序开启和关闭,使当前批次的配料工作顺利完成。 (3)混合机阀门模块实现缓冲反应釜阀门和混合阀门的逻辑控制,使配料按设定时间完成混合搅拌。 在程序设计时,将整个程序分为几个功能模块分别实现,PLC工作时通过主程序分别调用各子程序完成相应功能。 4配料系统模糊控制与仿真 由于工艺参数、物料性质、落差等的变化,使配料系统的模型具有非线性和时变性。为改善落差等因素对精度的影响,可采用对落差进行预测和对配料量进行逼近控制,以改善配料精度。根据油漆厂重复批量称量的特点,利用大量已有的称量误差数据对空间物料量进行模糊自适应补偿控制,可以保证物料误差在最小范围内波动。 4.1模糊PID的控制原理 配料控制器接收到来自主机的控制流量数据作为给定,与实际检测到的流量进行比较,通过模糊PID控制方法,计算相应的输出量(0~5V的电压或4~20mA的电流)来控制变频器,从而控制电机的转速,使所配原料流量达到给定的值,其控制框图如图5所示。 4.2配料系统的仿真模型及结果分析 4.2.1仿真模型 为了比较控制效果,把常规PID和模糊PID放在一起进行仿真,其仿真模型如图6所示。 4.2.2仿真结果及分析仿真得到图7所示的阶跃响应曲线。 通过以上MATLAB仿真比较可以看出,模糊PID控制方法与常规的PID控制方法相比,配料系统响应速度快,调节时间短,稳态误差小。因此,具有更好的动态特性和稳定性能,能够明显地提高配料系统的动态性能和配料精度。 5应用 配料系统生产线上的全自动灌装机主要由监控屏、工控机、操作台、配料系统自动配料系统、配电柜等组成。其功能包括以下几个方面: (1)动态监控功能:可在屏幕上清晰显示液体灌装机的运行状态和物料流量。 (2)配方管理功能:技术配方存储在计算机中。在生产过程中，配方中确定了不同产品配料过程中的物料配比和投料顺序。因此，自动配料系统需要在生产前调用配方，自动计算和称量各种物料，并保持配比的准确性。 (3)自动配料、灌装和计量:灌装和配料是化工产品生产过程中最重要的工序之一，称为“喉部”工序。灌装和配料过程的质量对整个产品的质量起着重要的作用。在生产过程中，由配料系统控制的气动球可按配方实现自动计量和自动送料，保证产品质量稳定。 (4)混合速度控制:配料系统控制变频器控制混合速度，不同的物料可以以不同的混合速度混合，保证混合均匀。 (5)现场调整控制:可根据产品生产要求添加少量材料，实现现场调整。 目前，我国还没有通用的配料系统——涂料生产用自动灌装机。生产中有自动控制的例子，例如辅助油漆的自动配料系统。一些企业还试图自动控制一些生产环节，如磨削温度、压力和磨削时间的自动控制等。然而，自动涂料定量自动配料系统生产线将是涂料配料系统生产设备未来的发展趋势。对于整个配料系统生产线的自动化设计，涂料企业很难独立完成。随着涂装生产线规模的扩大、复杂性和自动化控制程度的提高，涂装企业必须与配料系统液体灌装机供应商沟通，共同完成配料系统生产线的设计和制造，以确保目标过程的实现。可以采取总承包的方式，从设计、施工到调试和交付，全部承包给配料系统液体灌装机承包商。配料系统生产线交付后，承包商还应进行操作培训和初步试生产，以提供足够的技术数据，确保生产装置中辅助桶的持续升级，实现高效率、连续性和自动化。 6结束语 应用PLC技术对传统的油漆称重配料系统现代化技术改造进行研究,制定了整体控制方案,结合称重模块技术、通信技术和模糊控制技术等相关知识,进行理论研究和实际论证,设计了一套以PLC为控制核心,由PC机和PLC组成的上下位机的配料系统。实践证明,该配料系统运行可靠,精度基本达到要求,适应企业现代化生产管理要求。 | |
