楊 洋,姚婭川,鄭 婷,潘 斌
(1.四川輕化工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院,四川自貢 643000;2.人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川宜賓 644000)
白酒的勾調(diào)是個(gè)非常復(fù)雜嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^(guò)程,特別是在進(jìn)行批量生產(chǎn)時(shí),各個(gè)環(huán)節(jié)需要達(dá)到高度的一致性,才能按預(yù)期生產(chǎn)出風(fēng)味穩(wěn)定、質(zhì)量達(dá)標(biāo)的產(chǎn)品。課題組從數(shù)據(jù)共享、遠(yuǎn)程操控、實(shí)時(shí)性的角度出發(fā),擬采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于勾調(diào)系統(tǒng),減少生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率[1]。
控制系統(tǒng)由上位機(jī)、PLC、壓力傳感器、勾兌泵、流量計(jì)、電磁閥等組成。在上位機(jī)的控制下,依照設(shè)定的配方來(lái)完成智能勾調(diào)。
控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1。
圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
通過(guò)在上位機(jī)輸入配方并保存后,通過(guò)CP5611卡傳送至可編程控制器臨時(shí)保存,PLC即根據(jù)配方完成勾兌全過(guò)程。可編程控制器根據(jù)配方的罐號(hào)和用量自動(dòng)起動(dòng)勾兌泵,自動(dòng)開(kāi)啟基酒罐、軟水罐相應(yīng)閥門(mén)及勾兌罐閥門(mén),同時(shí)流量計(jì)開(kāi)始工作,根據(jù)流量計(jì)的反饋值,當(dāng)一個(gè)基酒罐的配方用量完成后,自動(dòng)關(guān)閉該罐閥門(mén)后,起動(dòng)下一個(gè)基酒罐閥門(mén),直至配方用量完成,勾兌過(guò)程結(jié)束。
在本白酒勾調(diào)系統(tǒng)中的PLC采用Siemens S7-200 PLC。因?yàn)樗哂幸韵聝?yōu)勢(shì):
(1)模塊設(shè)計(jì)方便,模塊化控制精確,通訊方式多樣。
(2)體積不大、小巧,方便應(yīng)用與安裝。
(3)具備所有CPU型號(hào)的功能,存儲(chǔ)器容量很大,具有快速的響應(yīng)速度。
(4)具有很好的安全性與穩(wěn)定性。
(5)易于使用STEP 7-Micro/WIN工程軟件。
(6)既適用于初次使用者,又適合熟練者使用,具有RS485接口與DP總線接口。
(1)CPU模塊。在本系統(tǒng)中選用CN系列中的CPU226CN作為中央處理單元,它具有24個(gè)輸入點(diǎn)以及16個(gè)輸出點(diǎn)的小型PLC,滿足實(shí)驗(yàn)室里的白酒小樣勾兌的系統(tǒng)要求,它可以擴(kuò)展7個(gè)模塊。對(duì)于本系統(tǒng)要采用PID控制算法完成勾兌的要求,它也可以滿足,支持與PC機(jī)使用RS-485通訊。
(2)電源模塊。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作電壓的要求,采用PS3075A電源模塊,把模擬控制器的220 V電壓轉(zhuǎn)換成字控制器的24V數(shù)電壓電。
(3)數(shù)字量輸入輸出模塊。本系統(tǒng)只接收直流電信號(hào),所以選用多個(gè)型號(hào)為SM321 DI32 x DC 24V模塊的數(shù)字輸入量模塊,若有多出來(lái)的點(diǎn)數(shù),可以作為系統(tǒng)的擴(kuò)展備用。本系統(tǒng)的數(shù)字量輸出模塊則選用四個(gè)SM 322 DO 16 x AC120/230 V/1A模塊,同樣預(yù)留一定的點(diǎn)數(shù)以備擴(kuò)展[2]。
(4)通訊模塊。本系統(tǒng)采用WinCC設(shè)計(jì)上位機(jī)的界面,在上位機(jī)端插入CP5611通訊卡,通過(guò)其實(shí)現(xiàn)PROFIBUS與PLC的相連接。
根據(jù)本系統(tǒng)的需求,PLC需要控制的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有電磁流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥、各閥門(mén)開(kāi)關(guān)等,綜合以上設(shè)備與人工需要采集的數(shù)據(jù)與控制要求,系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng),關(guān)于系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制模塊的設(shè)計(jì)如圖2所示。
1)酒液溫度:在酒罐中放置合適的溫度變送器,PLC將采集由變送器轉(zhuǎn)換好的標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA電流信號(hào)。在PLC中設(shè)定好溫度的換算規(guī)則來(lái)得到酒液的溫度值,監(jiān)測(cè)人員可以對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)與控制。
2)酒罐液位:酒罐液位的控制采用液位變送器測(cè)量。首先傳感器采集信號(hào)傳給變送器,然后變送器將傳感器傳來(lái)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為4~20mA的電流輸入給PLC,PLC內(nèi)部根據(jù)設(shè)定的算法轉(zhuǎn)換為液位量,從而得到罐內(nèi)的液位,還可以內(nèi)部算法中溫度的換算規(guī)則,這樣可以提高液位測(cè)量的精準(zhǔn)度[2]。
3)流量:由PLC采集流量計(jì)轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的4~20mA電流輸出信號(hào)后,并由PLC控制算法轉(zhuǎn)換成需要的流量數(shù)據(jù)。對(duì)于不同濃度液體采用不同的流量進(jìn)行測(cè)量,流量計(jì)類(lèi)型包括多種不同類(lèi)型的流量計(jì)。
4)流體截流控制:采用電磁閥控制管路的流量斷開(kāi)與接通,通過(guò)PLC從DO輸出閥門(mén)的開(kāi)關(guān)信號(hào)來(lái)控制截流。
5)輸送泵的控制:輸送泵比較好連接,直接將它的吸線圈控制線與PLC 的DO通道串聯(lián),可以實(shí)現(xiàn)控制開(kāi)啟和停止。
6)泵及各閥門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的監(jiān)控:電磁閥通過(guò)PLC相應(yīng)的DO的“1”或者“0”信號(hào)來(lái)判斷開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和輸送泵的工作狀態(tài)則可以通過(guò)PLC的DI的高低電平信號(hào)來(lái)進(jìn)行判斷。
圖2 PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制原理圖
采用PROFIBUS總線將主站、從站PLC連接,達(dá)到相互通信的作用。PLC連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備對(duì)其進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)主站與從站之間相互監(jiān)控。控制系統(tǒng)分為兩個(gè)部分:PLC控制軟件、上位機(jī)監(jiān)控軟件。然后采用STEP7 V5.5完成系統(tǒng)組態(tài)和編程,WINCC V5.5用于系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面。
主要進(jìn)行的操作是:①根據(jù)壓力傳感器反饋的信號(hào)來(lái)對(duì)酒罐酒量的控制;②根據(jù)流量計(jì)反饋的信號(hào)對(duì)電磁閥、輸送泵進(jìn)行控制;③對(duì)閥門(mén)、泵的狀態(tài)進(jìn)行控制與讀取;④提供報(bào)警指示。
通過(guò)CP5611卡與S7-200PLC進(jìn)行通訊,包括數(shù)據(jù)采集和發(fā)送數(shù)據(jù)/指令;S7-200PL C則通過(guò)MPI接口與上位機(jī)交換數(shù)據(jù),這種方式使通訊程序和組態(tài)軟件構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng),保證了系統(tǒng)高效率地運(yùn)行。主要事項(xiàng)的功能是:①形象直觀的顯示現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控畫(huà)面;②參數(shù)設(shè)置畫(huà)面,操作者可以自由地對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定;③對(duì)每一次勾兌過(guò)程畫(huà)面進(jìn)行保存,以便于查詢。
采用功能多樣化、安全系數(shù)高的SINMENS SIMATIC S7-200 PLC設(shè)計(jì)的白酒勾調(diào)生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng),完全能滿足白酒勾調(diào)生產(chǎn)的各種控制要求和工藝要求,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控,構(gòu)成分布式測(cè)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)集中管理,從而達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的。