基于PLC的白酒灌装线杂酒回收利用控制系统设计

2021-03-11孔玉洲张德生

山东商业职业技术学院学报 2021年1期

田峰，孔玉洲，张德生

(1.山东商业职业技术学院，山东济南 250103；2. 山东杰控电气技术有限公司，山东济南 250101)

0 引言

随着工业自动化的快速发展，各大白酒企业为了保持和扩大优势地位，提高经济效益，抢占市场份额，均在提高企业品牌效应的同时不断地提高其生产过程的智能化[1]。白酒生产过程中，对酒罐存量、配方勾调、计量、过滤、输送、灌装等环节缺乏有效的监测和控制，难以保证生产效率和生产安全[2]。针对某白酒企业提高生产智能化的需求，开发设计了一条白酒灌装生产线，实现了对白酒生产中从勾调、过滤、输送、灌装、贴标、回收等生产全过程的实时监测和自动控制。当生产线接到订单时，勾调中心按配方勾调完成后，经过滤，输送至高位罐，再利用灌装机完成瓶酒灌装。在灌装后，高位罐往往会剩余白酒。剩余量较多时，一般经输送线至勾调中心成品罐存储，如果剩余量较少或无成品罐可用时，则回收存储在杂酒罐中。由于杂酒罐中为多种酒品混合的白酒，企业称之为杂酒。当生产线接到订单，订单尾数不足以起勾时，在不影响成品酒成分、各项指标检验符合要求的前提下，可利用杂酒罐中杂酒勾调。为此，白酒灌装生产线上设计了杂酒回收利用系统。

1杂酒回收利用系统

杂酒回收利用系统如图1所示。

图1 杂酒回收利用系统示意图

当灌装时，打开高位罐出酒电控球阀，高位罐中白酒经三通阀、流量计至灌装线灌装，触摸屏实时显示当前流量和累计流量；当回收时，打开高位罐出酒电控球阀，三通阀切换至泵送线路，经回收泵、流量计、电控球阀，输送至杂酒罐或勾调中心的成品罐。

为了适应不同的控制要求，系统在回收到杂酒罐时，具有手动操作和自动操作两种工作方式。手动方式下，需操作人员通过触摸屏操作杂酒罐进酒电控球阀，以便杂酒存储到不同的杂酒罐。自动方式下，系统将根据杂酒罐中的液位高低，自动开启液位最低杂酒罐的进酒电控球阀，以实现杂酒罐的均衡使用。

当需要使用杂酒罐中杂酒时，勾调中心控制系统打开杂酒罐出酒电控球阀(图中未示出)，经输送线将杂酒输送到勾调中心勾调。

生产线上碎瓶酒由人工收集到杂酒桶，当杂酒桶液位上限报警时，启动回收泵将杂酒桶内杂酒回收到杂酒罐中。

输送线在使用后，需开启吹拂阀，利用压缩空气清除管路中残留成品酒。

2控制系统设计方案

2.1系统总体设计方案

本系统为白酒灌装生产线控制系统的子系统。主系统中由S7-300 CPU315-2PN/DP作为控制系统主站。杂酒回收利用控制子系统和其他子系统分别作为从站，通过网络交换机与主站通信，实现各自的控制功能。

杂酒回收利用控制系统采用西门子S7-200 SMART PLC作为核心控制器，扩展模拟量输入模块采集高位罐液位、杂酒罐液位；PLC通过Modbus RTU协议读取高位罐出酒流量、杂酒回收流量；上位机采用西门子SMART 700 IE V3触摸屏实现状态显示、模式切换、阀门开关及运行过程监控等功能[3]，控制系统总体方案如图2所示。

图2 控制系统总体方案

2.2系统硬件设计与实现

设计中， S7-200 SMART PLC通过以太网与触摸屏通信监控系统运行。高位罐和杂酒罐液位检测采用E+H静压液位计，液位计电流信号送入模拟量输入模块处理。高位罐出酒流量和杂酒回收流量，采用Walsn质量流量计检测并基于Modbus RTU协议和PLC通信。

控制系统主要使用的硬件包括PLC、触摸屏、开关电源、液位计、流量计、按钮、中间继电器等元器件。主要硬件选型如表1所示。

表1 控制系统主要硬件选型

3 控制系统PLC设计

3.1 I/O分配

经对控制系统详细分析，确定系统需要数字量输入点数为24点，数字量输出点数为21点，模拟量输入点数为8点，根据输入输出点的数量，结合考虑I/O点数冗余，系统选择S7-200 SMART CPU ST60为控制器，扩展一块EM AE08作为模拟量输入模块[4]，具体I/O地址分配情况如表2所示。

表2 PLC I/O地址分配表

3.2 PLC程序设计

根据系统控制要求及硬件配置，控制系统PLC程序流程如图3所示。

图3 PLC程序流程图

3.2.1 液位数据采集实现

设计时，考虑到液位变化相对缓慢，没有必要在每个PLC扫描周期采集液位数据。因此，对液位数据的采集使用了定时中断的方式来处理。定时中断常用来支持一个周期性的活动[5]。程序中，利用定时中断实现以固定的时间间隔作为采样周期，对高位罐液位和杂酒罐液位进行采样。液位计将液位高度转换为4-20mA的电流信号，经模拟量输入模块AD转换得到对应5530-27648之间的数值，编写带参子程序实现从模拟量数值到液位值的转换，其换算公式为：

Ov=[Osh-Osl)*(Iv-Isl)/(Ish-Isl)]+Osl

其中：

Ov—换算结果

Iv—换算对象

Osh—换算结果的高限

Osl—换算结果的低限

Ish—换算对象的高限

Isl—换算对象的低限

PLC液位转换子程序变量表如表3所示。

表3 液位转换子程序变量表

3.2.2 流量数据采集实现

对于流量数据的采集，选用了Walsn公司的质量流量计，其采用了工业标准的Modbus协议。Modbus协议是一种可靠而有效的工业控制通信协议，被众多的硬件厂商支持并得到广泛应用[6]。设计中，S7-200 SMART PLC作为Modbus主站，Walsn质量流量计作为Modbus 从站，采用Modbus协议，实现对质量流量计中的流量数据的读写。Modbus通信涉及的流量计参数地址如表4所示。

表4 Modbus通信涉及流量计参数地址表

S7-200 SMART PLC使用库Modbus RTU Master中的MBUS_CTRL指令和MBUS_MSG指令与流量计进行Modbus RTU通信。

MBUS_CTRL指令用来配置Modbus主站的通信参数，该指令需要在每个扫描周期都被调用。该指令参数含义: Mode为通信协议的类型；Baud为波特率；Parity为校验位；Port为端口号；Timeout为超时的时间值，单位为毫秒。系统中，各参数设置为：波特率9600bps、无奇偶校验、端口0、超时时间1000ms，程序段如图4所示。

图4 Modbus主站初始化

MBUS_MSG指令用于向Modbus从站发送请求消息以及处理从站返回的响应消息。系统中，PLC需要与两个流量计通信，程序中有多条MBUS_MSG指令，但同一时刻只能有一条MBUS_MSG指令可以处于激活状态。为此，在读取流量计数据时，MBUS_MSG指令使用上一条MBUS_MSG指令的Done完成位来激活，以保证MBUS_MSG指令循环执行。图5为部分程序示例。

3.2.3 与灌装生产线主站通信实现

S7-200 SMART PLC作为白酒灌装生产线控制系统的从站，需将高位罐、杂酒罐及输送管道上各类阀门的开关状态、流量、液位等数据提供给主站。同时，主站也要实现远程对各类阀门的操作以及对酒品、酒度等信息的写入。设计中，S7-200 SMART PLC从站与S7-300 PLC主站之间通过以太网通信。具体编程实现时，只需在作为客户机的S7-300主站下编写通信程序即可，而作为服务器的S7-200 SMART PLC从站不用编写通信程序[7]，从站只需规划好存储区由主站读取和写入。经对通信的数据分析、估算，最终规划为主站读取地址：MB200-MB399，写入地址：MB400-MB599；从站读取地址：VB400-VB599，写入地址：VB200-VB399。S7-300 PLC主站OB1中有关与本从站通信程序如下：

程序段1：时钟信号反相

图5 MBUS_MSG指令循环执行

AN M10.1 //时钟存储器位，5Hz时钟

= M20.0//与M10.1反相，上升沿差100ms

程序段2：读取回收利用系统PLC数据

CALL FB14,DB14//DB14为背景数据块

REQ :=M10.1//上升沿激活数据传输

ID :=W#16#1//S7连接号

NDR :=M0.1

ERROR:=M0.2//错误标志

STATUS:=MW2//状态字

ADDR_1=P#DB1.DBX400.0 BYTE 200

RD_1:=P#M400.0 BYTE 200

程序段3：向回收利用系统PLC写入数据

CALL FB15,DB15//DB15为背景数据块

REQ :=M20.0

ID :=W#16#1

DONE :=M10.1//写操作完成产生一个脉冲

ERROR :=M10.2

STATUS:=MW12

ADDR_1=P#DB1.DBX200.0 BYTE200

SD_1:=P#M200.0 BYTE200

4 人机界面组态

人机界面装置是操作人员与PLC之间双向沟通的桥梁[8]，用来实现操作人员与控制系统之间的数据交换。系统选用西门子的SMART 700 IE V3 触摸屏作为组态监控设备，利用WinCC flexible SMART V3软件对触摸屏进行组态。系统主要包括3个界面：系统状态、高位罐操作及状态显示、回酒罐操作及状态显示界面，其中系统状态为主界面。

系统状态界面显示高位罐和杂酒罐酒品、酒度、容量、液位高度、灌装流量、累计流量及杂酒回收流量、各类阀门状态等信息。高位罐操作及状态显示界面用于实现对高位罐出酒阀门的操作，阀门状态、故障原因、出酒流量累计等信息的显示。回酒罐操作及状态显示界面用于实现回酒模式选择、进酒阀门的操作、阀门状态、故障原因、杂酒流量累计、泵运行时间等信息的显示。如图6所示为人机操作界面。