1 引言
長(zhǎng)城潤(rùn)滑油分公司是中國(guó)石化潤(rùn)滑油公司下屬最大的專業(yè)潤(rùn)滑油生產(chǎn)企業(yè)，隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)油品包裝的速度和精度以及生產(chǎn)管理的信息化都提出了更高的要求。因此為了滿足這些需要，我們?yōu)樾律a(chǎn)線的控制部分進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)就其中有代表性的灌裝機(jī)控制系統(tǒng)和整條生產(chǎn)線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)情況介紹如下。
2 灌裝機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.1 工藝要求
為了能夠滿足多品種、高精度的快速生產(chǎn)，生產(chǎn)工藝上給我們提出了如下的要求:
(1) 要在滿足灌裝精度高于0.5%的前提下能夠達(dá)到最快每分鐘80桶的灌裝速度;
(2) 整條生產(chǎn)線能夠適應(yīng)從1~5立升容積包裝的灌裝，并且可以單桶灌裝，使油品在切換時(shí)的損失降到最低;
(3) 要具有較高的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性，使設(shè)備換型的時(shí)間最短并且操作簡(jiǎn)便;
(4) 要求具有根據(jù)產(chǎn)品溫度來自動(dòng)調(diào)整灌裝量的功能，操作自動(dòng)化程度高;
(5) 具有網(wǎng)絡(luò)功能，將生產(chǎn)線各臺(tái)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)后可進(jìn)行集中監(jiān)控，并且可以與生產(chǎn)管理系統(tǒng)進(jìn)行連接，以提高生產(chǎn)及設(shè)備的管理效率;
(6) 保證在油品灌裝過程中沒有泄漏和外濺的現(xiàn)象，符合HSE體系的環(huán)保要求。
2.2 控制系統(tǒng)的硬件組成
(1) 為達(dá)到工藝上提出的要求，在與機(jī)械設(shè)計(jì)配合的基礎(chǔ)上，我們對(duì)電氣及自控方面提出了如下的方案:
為了滿足灌裝精度和速度的要求，在灌裝部分，我們采用了以司服電機(jī)作為主電機(jī)的定容式灌裝設(shè)計(jì)，因?yàn)樗痉姍C(jī)控制系統(tǒng)具有控制精度高、速度快、穩(wěn)定和調(diào)整設(shè)定方便等特點(diǎn)。而在容器灌裝前后的輸送部分采用了直線式設(shè)計(jì);傳送帶部分采用了變頻調(diào)速控制;并且設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)的滑動(dòng)分桶器，與傳動(dòng)帶配合來達(dá)到將灌裝后的半成品與空容器快速分開并將其帶離灌裝機(jī)的目的。
采用直線定容式灌裝的設(shè)計(jì)，最大限度的節(jié)省了產(chǎn)品換型時(shí)間，提高了生產(chǎn)機(jī)動(dòng)性和工作效率。
根據(jù)不同產(chǎn)品的溫度特性通過PLC程序模塊的設(shè)計(jì)和選擇，可以完成自動(dòng)調(diào)容的要求。
對(duì)于環(huán)保的要求，我們是通過軟件和硬件的設(shè)計(jì)共同完成的，硬件上我們采用了司服電機(jī)控制系統(tǒng)和變頻調(diào)速控制，與硬件相配合在軟件上我們?cè)O(shè)計(jì)了各種速度及灌裝過程中每個(gè)階段的加速度和減速度的分別調(diào)整，這樣我們就可以根據(jù)實(shí)際情況將設(shè)備調(diào)整到合適的狀態(tài)，杜絕濺油、冒油的現(xiàn)象。
為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)控制的要求，我們采用了具有網(wǎng)絡(luò)功能，并且穩(wěn)定性較好的西門子S7-300 PLC控制系統(tǒng)。
在操作方面我采用每臺(tái)設(shè)備可利用觸摸屏進(jìn)行單獨(dú)操作，或者通過聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行集中控制和監(jiān)控，操作界面非常直觀，使操作更加簡(jiǎn)便高效。
(2) 控制系統(tǒng)硬件配置圖
控制系統(tǒng)硬件配置圖如圖1所示:
(3) 控制系統(tǒng)主要組成部分的選型
PLC系統(tǒng)的選擇:系統(tǒng)采用了SIEMENS公司生產(chǎn)的S7-300系列PLC，由1個(gè)CPU315-2DP模塊、2個(gè)接口模塊IM365、模擬量輸入／輸出模塊SM335和模擬量輸出模塊SM332、2個(gè)高速計(jì)數(shù)模塊FM350、4個(gè)數(shù)字量輸入模塊SM321、3個(gè)數(shù)字量輸出模塊SM322組成了雙層機(jī)架的硬件組態(tài)結(jié)構(gòu)。采用西門子的PLC系統(tǒng)是因?yàn)樵贑PU上同時(shí)集成了獨(dú)立的MPI和PROFIBUS-DP接口，不但可以方便的與人機(jī)設(shè)備相連，并且可以非常簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間及設(shè)備與PC之間的聯(lián)網(wǎng)，具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能;另外西門子的PLC S7-300系統(tǒng)還具有各種功能強(qiáng)大的模塊可以選擇，使用穩(wěn)定。具有較高的性價(jià)比，非常適合在包裝機(jī)械上應(yīng)用。
灌裝主電機(jī)及其控制系統(tǒng):我們選擇了德國(guó)的SEW公司的MOVIDRIVE驅(qū)動(dòng)器及帶編碼器反饋的電機(jī)系統(tǒng)，并采用電流矢量控制模式，通過豐富的參數(shù)設(shè)定來實(shí)現(xiàn)更高的控制精度和動(dòng)態(tài)相應(yīng)。輸送系統(tǒng)的變頻調(diào)速控制:我們采用了丹麥Danfoss公司的VLT5000型變頻器。因?yàn)樗麄兌际窍嚓P(guān)領(lǐng)域內(nèi)的國(guó)際知名的專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)，產(chǎn)品技術(shù)領(lǐng)先，在惡劣的生產(chǎn)環(huán)境下能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行。
操作界面:西門子的觸摸屏TP170A
設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)采用了西門子的PROFIBUS-DP 系統(tǒng)，將整條生產(chǎn)線的四臺(tái)主要設(shè)備和工程師管理PC系統(tǒng)通過PROFIBUS電氣中繼器和無微處理器CP5611連接為一個(gè)完整的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)態(tài)管理。
2.3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
(1) 西門子模塊化編程介紹
西門子S7-300 PLC 采用SETP7編程軟件，SETP 7為程序設(shè)計(jì)提供了三種方法:線形化編程、模塊化編程、結(jié)構(gòu)化編程。其中模塊化編程是把程序分成若干個(gè)程序塊，每個(gè)程序塊含有一些設(shè)備和任務(wù)的邏輯指令。在組織塊(OB1)中的指令決定控制程序的模塊的執(zhí)行。模塊化編程中的功能(FC)或功能塊(FB)控制著不同的過程任務(wù)，這些塊相當(dāng)于主循環(huán)程序的子程序。這種編程方法非常易于幾個(gè)人同時(shí)編程，并且易于程序的調(diào)試和故障的查找。另外每次循環(huán)中不是所有的塊都執(zhí)行，只有需要時(shí)才調(diào)用相關(guān)的程序塊，CPU得到了更有效的利用。因此我們?cè)谲浖幊虝r(shí)采用了模塊化編程方法，將大的任務(wù)分解成相對(duì)獨(dú)立的小任務(wù)先分開進(jìn)行編寫和檢測(cè)，最后統(tǒng)一下載調(diào)試，大大的提高了程序編制和調(diào)試的速度。
(2) 軟件編程步驟
描述和分析控制過程的具體的任務(wù)，并分成多個(gè)簡(jiǎn)單的小任務(wù);
繪制機(jī)械動(dòng)作控制流程圖;
對(duì)S7-300 PLC 進(jìn)行硬件組態(tài)和PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的組態(tài);
為每個(gè)任務(wù)模塊分配輸入和輸出點(diǎn);
為每個(gè)任務(wù)模塊編制程序，并分別進(jìn)行測(cè)試和修改，直到所有的任務(wù)模塊都完成;
將集成后的程序輸入PLC進(jìn)行離線和在線調(diào)試。
(3) 灌裝機(jī)動(dòng)作控制流程圖
程序流程框圖如圖2所示:
圖2 程序流程框圖
(4) 組織塊OB1的主要程序介紹，如圖3所示。
圖3 組織塊OB1的主要程序
3 生產(chǎn)線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要達(dá)到的目的和實(shí)現(xiàn)的功能
(1) 實(shí)現(xiàn)分散控制集中管理的目的;
(2) 可以通過工程師PC工作站直接控制設(shè)備的操作和參數(shù)的修改;
(3) 對(duì)整條生產(chǎn)線進(jìn)行自我監(jiān)控，將整條生產(chǎn)線的運(yùn)行情況和故障情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的記錄和分類匯總，為合理安排設(shè)備的維修和保養(yǎng)工作提供了數(shù)據(jù)依據(jù);
(4) 可以和上一級(jí)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)進(jìn)行連接，達(dá)到提高生產(chǎn)管理效率的目的;
(5) 對(duì)關(guān)鍵設(shè)備點(diǎn)的各種參數(shù)進(jìn)行記錄，當(dāng)超出正常工作范圍時(shí)報(bào)警，保證生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。
3.2網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件的組成方案
為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的功能，我們采用了西門子的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具體的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示:
3.3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件的組成
為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的功能，我們?cè)谲浖矫孢M(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，力求通過組態(tài)軟件的強(qiáng)大功能來進(jìn)一步提高生產(chǎn)線對(duì)包裝形式的適應(yīng)能力和進(jìn)行生產(chǎn)品種調(diào)整時(shí)的反應(yīng)速度，簡(jiǎn)化生產(chǎn)人員的操作和調(diào)整難度。
(1) PC工作站組態(tài)軟件的主畫面
主畫面如圖5所示:
(2) PC工作站組態(tài)軟件的其它畫面
組態(tài)軟件的二級(jí)畫面主要包括灌裝壓蓋機(jī)、稱重機(jī)、封箱機(jī)、碼跺機(jī)等主要設(shè)備的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的監(jiān)控和操作畫面，三級(jí)畫面為各類參數(shù)設(shè)定值的選擇和修改畫面。圖6-9為一些主要畫面的示例。
(3) PC工作站組態(tài)軟件的功能介紹
通過組態(tài)軟件我們第一實(shí)現(xiàn)了四臺(tái)主要設(shè)備的技術(shù)參數(shù)的監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)工作，并且實(shí)現(xiàn)了與上一級(jí)生產(chǎn)管理的友好銜接，做到了整條生產(chǎn)線的運(yùn)行狀況一目了然;二實(shí)現(xiàn)了對(duì)整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)狀態(tài)和故障詳細(xì)信息的實(shí)時(shí)記錄，為進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)和分析提供了第一手的數(shù)據(jù)資料;第三提供了很多運(yùn)行控制參數(shù)的曲線圖形和的修改界面，為生產(chǎn)人員隨時(shí)對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)整保證穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)提供了直觀的依據(jù)，并且操作起來非常方便。
4 結(jié)束語
通過長(zhǎng)時(shí)間實(shí)際生產(chǎn)的檢驗(yàn)，整個(gè)系統(tǒng)非常穩(wěn)定，完全達(dá)到了生產(chǎn)部門對(duì)質(zhì)量和數(shù)量的要求。通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)更加方便的實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)管理人員對(duì)生產(chǎn)情況的實(shí)時(shí)管理;通過整套系統(tǒng)的自我監(jiān)控，將故障等信息進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì)，更好地為維護(hù)人員有目的性的安排設(shè)備維修工作提供了完善的數(shù)據(jù)。大大提高了長(zhǎng)城潤(rùn)滑油公司油品生產(chǎn)的效率和能力。
