基于数据比对的称重罐漏料监控系统的开发

董伟�k赵瑜++胡长霆

摘要：为避免称重罐漏料事故，保障香料配方安全，通过PLC控制器采集记录各罐的起始重量，并以此为基础，运用STEP7软件开发实时重量的数据比对模块，当实时重量与起始重量的差值超出设定阈值时，模块自动输出报警信号。在WinCC开发平台上，设计HMI人机交互界面，用于集中显示各罐重量数据和报警信息。系统运行以来，取得了较好的效果，能够实时监控称重罐的重量变化，及时预警阀门泄漏现象，从而有效预防可能引起的配方质量事故，减少了原料浪费，保障了制丝产品的内在质量。

关键词：香料厨房；数据比对；漏料；监控

中图分类号：TP277文献标识码：A

1引言

在烟用香精、香料的配制工艺中，根据配方的不同，往往需要十几种液体或固体的原料配制，要求各种原料的比例要准确、稳定[1-2]。原料罐通过安装在下方的称重传感器进行料液称重，由气动阀控制下料过程，经过公用管路进入成品罐。当气动阀关闭不严导致泄漏，不但会造成原料的浪费，甚至会使不应添加的原料泄漏到公用管路，导致配方失控，造成重大质量事故[3-4]。为此，设计一种基于数据比对的称重罐漏料监测系统，实时监控称重罐内的料液重量，与原始重量进行自动比对与判断，从而及时预警因下料阀门漏料引起的质量事故，以期减少原料浪费，保障香料配方的准确与安全。

2存在问题

徐州卷烟厂香料厨房各类称重罐共计72个，下料气动球阀近200个，从07年使用至今，由于料液粘稠或腐蚀的原因，造成部分阀芯的密封性能下降，易出现关闭不严的现象，导致原料泄漏。为预防和减少因泄漏带来的损失，通过现场调查和分析，发现存在以下几个问题：

1）由于气动球阀数量众多，管路内部的泄漏不易观察和预判，从日常点检中很难发现问题。另外，阀门密封不严具有偶然性，若对所有阀门进行定期更换，势必造成浪费，增加生产制造成本。

2）目前，为检测这种泄漏现象，常用的手段是在气动球阀上安装用于检测阀门到位信号的接近开关，或管路上安装漏料检测传感器的方式[5]。其中，接近开关仅能检测阀门开启或关闭的两点信号，对于密封失效引起的微小渗漏无从检测，而漏料检测传感器若安装在每个料罐下，改造的费用较多，若安装在公用管路上，则无法及时、有效地检测具体的漏料罐。

3）由于料液配方含有酒精成分，香料厨房的安全防护等级要求较高，禁止使用明火和电焊，新增检测设备或管路改造的难度较大。

为此，如何在不新增设备的基础上，避免增加成本和改造管路，仅依赖现有的检测元件，实现对泄漏现象的实时监测和预警，是配料生产所迫切需要的。

3硬件配置

香料厨房电控系统采用Profinet工业以太网集成Profibus DP总线的通讯方式[6]，控制器选用SIMATIC S7 CPU416-2 DP PLC，称重罐下方安装梅特勒-托利多MT1260型单点式称重传感器，采用悬浮式静态称重方式检测罐内料液重量和料液配制计量，通过称重模块SIWAREX CS将传感器毫伏信号转换为数字信号，并将实时重量数据传输至PLC中。在图1香料厨房的硬件组态中，SIMATIC S7 CPU416-2 DP PLC（含CP443-1 Advanced）作为IO控制器，可以同时操作Profinet IO系统和Profibus系统。Profinet IO系统用于各控制子站的通讯连接，根据控制元件分布位置建立两条Profibus DP总线，用于流量计、阀导、称重传感器的通讯连接。

4技术方案

本监测系统的技术核心是设计料液重量的数据比对模块，通过PLC控制器分别采集记录各料罐在上次配料结束时的重量数据，作为比对的起始数据，以当前料液的实时数据和起始数据的差值与设定的阈值比较，当差值超出阈值范围时，PLC控制器输出报警信号，并在HMI人机交互界面显示报警提示。

如图2所示的监控系统流程图，以1#称重罐为例，其起始重量为X1，实时重量为Y1。当发生泄漏时，Y1-X1<0，考虑到测量精度、环境温度、料液温度以及罐体抖动等因素的影响，易产生X1、Y1的称重误差，为此设定的阈值S，S为负值，具体监控流程如下：

1）当1#称重罐未下料时，数据比对模块实时比较Y1与X1的差值，若Y1-X1≤S，系统判断此时1#称重罐出现泄漏，及时发出报警提示，并对其他罐的下料任务进行终止，根据需要对发生泄漏的管路进行清吹。反之，系统判断1#称重罐正常，下料任务继续；

2）当1#称重罐下料时，停止对其进行数据比对，在完成下料任务时，自动记录当前料液重量，并以此数据刷新起始重量X1，用于下一次的数据比对。5系统设计

监控系统是制丝生产线的人机交互平台，以图形化方式对生产过程进行监视、控制、调度和报警等，并与设备层和管理层的系统实时通讯[7]。本系统的开发平台为SIMATIC STEP7 5.4和WinCC 6.0，采用C/S结构，在集中监控WinCC服务器上开发多用户项目，通道单元类型为TCP/IP[8]。

5.1重量数据的读取与存储

首先，通过STEP7软件新建DB600、DB601数据块，分别对糖料罐和香料罐的起始重量、实时重量进行存储，新建用于读取和记录重量数据的FC600、FC601功能块。为避免在下料作业时气动阀门的开启与关闭动作对称重计量的影响，设定在配料结束后延时3秒，采集和刷新相应称重罐的起始重量。

如图3所示，1#糖料罐的实时重量存储地址为DB13.DBD32，起始重量的存储地址为DB600.DBD6，为避免下料阀门动作引起的称重误差，设定在配料结束3秒后，实时重量向起始重量赋值[9]。5.2重量数据比对

由于糖料的配制有一定的温度要求，本系统使用的罐体为蒸汽加温罐，最大容量为500Kg，采用的传感器非线性参数为0.02%。而温度变化对称重数值影响较大，冷凝水的排放也将引起重量波动，误差范围在±0.5Kg。同时，考虑到料液重量不同对检测有效性的影响，分区域设定报警阈值，

即当实时重量为Y1≥50Kg时，设定阈值为-0.5Kg；当Y1<50Kg时，设定阈值为-0.2Kg。如图4所示，在糖料未开始配制，1#糖料罐开启数据比对功能，并在实时重量与起始重量的差值小于等于阈值时，系统判断为发生泄漏事故，触发地址为DB600.DBD328.0的报警信号。

另外，为保证每次配料前公共管路内清洁、无残料，设计在配料前的自动清吹、清洗程序，也可以在处理泄漏事故后手动进行。清吹和清洗功能同时进行，清洗延时2分钟，清吹延时3分钟，最后将清洗水吹扫干净。

5.3监控报警画面

香料厨房生产监控画面由SIMATIC WinCC6.0软件开发，在此基础上设计漏料监控画面，建立与PLC通讯的罐重量信号、报警信号等变量标签，分别组态糖料罐、香料罐的重量数据集中显示界面，能够直观显示各罐实时重量、起始重量以及差值，如图5所示，并设计三种报警提示。

1）弹出窗口报警：编写WinCC全局脚本，一旦糖料罐或香料罐发生泄漏，触发报警变量，立即弹出报警信息框，提示操作人员注意，如图5所示。

2）消息栏报警：通过WinCC报警记录编辑器，添加各罐的报警变量，输入文字报警信息，可以在报警消息栏体现当前漏料罐的具体信息。

3）文字闪烁报警：在重量数据集中显示界面开发报警提示信息，使发生报警的料罐号文字闪烁，更加醒目直观的显示。

6结论

本系统通过采集记录称重罐的起始重量，与实时重量进行比对，自动判断和预警漏料现象，并设计罐重量数据集中显示界面及报警系统，能够实时监控称重罐的重量变化，及时预警阀门泄漏现象，从而避免出现香料配方错误的安全事故，为保障制丝产品的内在质量提供了有力支撑，同时也减轻了操作和维护人员的工作压力。

参考文献

[1]马庆文，张胜利，黄晓东.香料配料监管系统的设计应用[J].烟草科技，2011（6）：23-25.

[2]曹琦，何善君，林苗俏，等. 烟草制丝加料加香过程的无辨识自适应控制方案[J].烟草科技，2012（4）：16-19.

[3]胡骏，宋晨路，沈锦林.一种适用于配料控制的累积量PID算法[J].材料科学与工程，2002（4）：517-518.

[4]于建军.卷烟工艺学[M].北京：中国农业出版社，2003.

[5]郝爱云.卷烟厂香料厨房自动控制系统[D]. 吉林：吉林大学，2005：32-35.

[6]董伟，李坤.基于WinCC的香料厨房监控系统设计[J].工业控制计算机，2011（10）：23-24.

[7]赵瑞林. 基于Wincc钢化炉温度监控系统的研究[J].计算技术与自动化，2011（1）：54-59.

[8]马新，王怀杰.基于WinCC的卷烟生产监控系统[J].微计算机信息，2009（25）：60-61.

[9]张蒙生，毋玉莲，王聚奎，等.制丝线加香加料掺配系统计量精度的在线校准[J].烟草科技，2009（3）：30-32.