PLC在自动配方生产过程中的应用

郭磊

（新疆喀拉通克矿业有限责任公司 富蕴 836106）

1 工艺介绍及控制要求

1.1 工艺介绍

复配生产工艺过程是将若干种不同种类原料按照不同的重量配比，通过给料泵输送到复配罐中，循环搅拌若干分钟之后，输出到存储罐，作为产品出售。

1.2 控制要求

针对工艺特点，该厂在自动化改造时提出了以下几点控制要求：

（1）生产过程实现自动化，确保称量精确，提高产品质量。

（2）连续生产，保证产品储罐不空。

（3）配方可以保存并更改，连续生产时可自动调取。

（4）该线生产数据可以监控。

为满足该控制要求，需要对工艺进行优化改造：1为保证计量准确，在复配罐上方增设两个计量罐，原料通过计量罐称好之后再放入复配罐中；2给料泵加变频控制，停泵时可以减小流量，避免冲击力引起称重误差；3设两个操作站，生产与出库分开操作。

改造后的工艺结构结合控制系统，可以很好的实现上述控制要求。

2 控制系统结构

根据工艺特点及客户管理需求，采用西门子300系列PLC结合人机交互系统（HMI）的方式来实现该控制系统。车间生产平台及厂区门口出库平台分别放置一台HMI，实现独立操作控制。

西门子CPU类型为315-2DP。两台HMI(西门子MP277（10’）)通过西门子MPI总线接头连接，其中一台放置在PLC柜体上，作为生产过程的操作监控，另一台放置在车间外出料平台上，作为远端出料控制。这样的系统结构方式，首先保证了各个生产线独立运行可靠，避免某条生产线故障导致整个厂区生产停工；其次，方便操作工及出库员的操作，两台触摸屏分开独立控制，可以明显提高生产效率，减少工作量；最后，生产数据集中监控，方便工厂管理。系统运行正常之后，达到了厂方的生产管理要求。

3 控制功能实现

3.1 自动生产的实现

秤重变送信号、液位变送信号、泵及阀门开关信号作为I/O量进入PLC控制系统，通过CPU中程序运行进行自动生产。自动生产过程如下：

设置好配方参数（每种原料重量、加料顺序、循环时间）后，点击启动按钮，即开始自动生产。首先自动打开第一种原料给料泵和阀门，原料进入相应计量罐，同时系统不断检测该计量罐重量信号，当实际重量值与配方中该原料设定重量值（提前量可单独设定）一致时，停泵关阀门。延时十秒稳定之后，开始下一种原料的称量。当配方中要求的原料加完之后，进入计时循环程序。循环结束自动打开存放该产品储罐的阀门，当复配罐内液位为零时，延时一段时间（可设定），关闭阀门。一个生产周期结束。

3.2 配方功能实现

该套生产系统除了保证常规生产过程控制之外，其主要难点是实现厂方要求的完全自动化，即自动调用已保存配方，自动生产。由于该线配方数量庞大，且要求每个已经保存的配方在生产一段时间后能够修改，能显示原料代码（例：CYS0140）并提示中文名称，自动刷新在某配方下原料重量。MP277型HMI虽然有配方控件，但其现有功能实现不了客户以上要求，因此该控制功能实现过程中采用了以下方式。

3.2.1 配方库的建立

一组配方包括以下几个主要元素：配方名，原料名，原料重量。首先建立一个配方存储库：在PLC共享数据块（DB）中建立作为配方代码的字符串类型一维数组变量A：ARRAY[1…100]OF STRING[9]；同样的，建立原料代码的字符串类型一维数组变量(有十种原料)B1-B10：ARRAY[1…100]OF STRING[9]；建立原料重量的实数型一维数组变量C1-C10：ARRAY[1…100]OF REAL。这样每个配方名、每个配方对应的原料名和重量都会保存在此区域内，供生产时调用。同一个配方对应原料名和重量采用数组中的序号连接起来。比如：第一个配方保存于A[1]中，则第一个配方的第一种原料名存放在B1[1]中，第二种原料存放在D2[1]中，第三种原料存放在D3[1]中，……，对应重量存放在C1[1]，C2[1]，C3[1]，……。因此只需要识别到配方名在配方库中保存的序号，就可以准确无误的调取此组配方。

3.2.2 生产配方调用及更改

建立进入生产时的配方代码字符串变量D：STRING[9]；生产时的原料代码字符串变量E1-E10：STRING[9]；生产时原料重量实数变量F1-F10：REAL。启动生产后，程序就会根据这组变量来指挥生产过程。在这里，需要人工输入配方名D，该配方名与第一步配方库中已经保存的配方名做比较，如果相同，则取出该配方名在配方数组中的序号，利用该序号调用原料名及重量，之后将对应值赋给该步相应变量。完成配方自动调用过程。

如要增加新的配方，需输入新的配方名D，点击保存按钮，则该配方名就与配方库中保存数据做比较，如果没有相同值，则把新值赋给该数组中的空位，完成配方名的添加。更改原料名与原料重量，是在取得权限后直接修改。修改完的数据会永久保存于配方库中。

图1 配方保存及调用程序结构

该段程序结构如图1所示：

这样的程序结构，可以随时方便灵活的更改所需要的配方名、原料名、重量等数据。同时在共享数据块(DB)中的数据，可以做到掉电保持，防止突然掉电导致数据丢失的情况发生，保证生产的稳定。

3.2.3 配方名中文显示

客户要求输入配方和原料代码之后必须显示中文名称。这个功能只能在MP277触摸屏上实现。在WinCC flexible变量一栏建立每个代码对应的中间变量(例：A_1，字符串型变量)，在脚本一栏点击添加脚本，编写脚本文件：

If SmartTags("A_0")="AFM0011"Then

SmartTags("A_1")=0

……

在文本和图形列表中点击“添加文本列表”，输入每个数字代表的中文名称。之后组态画面中插入输出类型的“符号I/O域”，即完成中文显示组态。当前代码与脚本中保存代码一致，则在符号I/O域处显示出已经保存的中文名称。

3.3 连续自动生产实现

在自动生产、自动调取配方功能实现之后，厂方提出必须实现该条生产线完全无人化生产，即在某一产品出库之后准确调用该产品配方，并触发生产条件，确保产品储罐时刻有产品存放。

由于每种储罐产品不同，并且随机出库，要实现此功能，需要对配方功能做进一步处理。

建立储罐产品名变量（共12个储罐）G1-G12：STRING[9]。在非连续生产结束之后，将此次生产的配方名D赋值给相应存放的储罐变量G（x），则此罐产品名被标记，产品名称即为下次生产的配方名。在每个周期生产完毕之后，系统自动检测液位，当液位低于一个生产周期的量时，自动调取该储罐配方，启动生产。

在这里加设了一个连续生产/非连续生产选择开关，可以根据工况需要随时实现切换，保证生产的灵活性。

该功能在理想条件下可以实现该工段完全无人化生产，但为了保证生产的安全，在每个储罐上需加装液位开关，在发生原料溢出或罐内抽干时可以及时停车，防止物流泄露以及设备损坏。

4 结语

该套自动配方生产系统，用分屏的结构方式达到了生产与出库独立操作的目的；自动配方调用功能实现了该条线连续无人化生产的要求，提高了生产效率；采用PLC结合人机交互系统（HMI）的方式来实现控制功能对类似工厂生产过程自控改造提供借鉴意义。