基于PLC的自动化生产线控制系统设计

苗子宁

(信阳技师学院 河南 信阳 464000)

0 引言

纸浆模塑技术拥有重要的战略意义,在环保、制造业以及市场需求等多个领域都有广阔的应用前景[1-2]。相较于传统的塑料包装,纸浆模塑技术主要生产环保型纸质包装等产品,该技术环境污染风险更低,回收再利用率更高,能显著推动环保事业的发展。此外,由于纸浆模塑技术能显著提升制造业的生产效率,实现质量控制和可持续发展性,因此该技术还有助于推动制造业的转型和升级[3]。随着工艺和设备的不断优化,高效的智能化生产成为未来的发展方向。在当今消费结构升级和生活水平提高的大背景下,纸浆模塑技术能够满足人们日益增长的各种包装、容器等产品需求,具有良好的市场前景[4-5]。随着实践创新和实践落地,该技术也有助于实现可持续的、高质量的社会发展节奏。

基于可编程控制器(programmable logic controller,PLC)的自动化技术已经广泛应用于纸浆模塑生产方面,对于提高生产效率和质量具有重要作用[6-8]。PLC作为工业自动化控制的核心,可以自动监控和控制生产过程,使生产更加高效、稳定和可控[9-10]。在纸浆模塑生产中,PLC能够通过控制和调节生产流程,实现生产线的智能化控制和优化。然而,由于自动化生产线常常需要定制化处理,所以为了进一步推动纸浆模塑技术的发展,并解决现有市场上液位系统控制不合理、成形系统自动控制模式设计不合理等问题,本研究聚焦于液位平衡方法和模式切换方法,并详细介绍了其总体实施方案和网络通信架构。

1 总体设计

如图1所示,所提系统包括以下7个部分。

图1 系统总体设计方案

(1)上电检测:在启动纸浆模塑自动化生产线之前,必须进行上电检测。该部分通过监测电力的电压和电流来确保电源符合设备要求,并确保机器能够正常启动和运转。

(2)打浆系统:打浆系统是纸浆模塑自动化生产线中的第一步,它将纸浆原料与水混合形成一种具有可塑性的混合物。该系统包括打浆机、液位开关和自动配料系统。其中,液位开关用于监测浆液的液位并控制水的加入,自动配料系统可以准确地控制每种原料的用量。

(3)配浆系统:配浆系统是一个自动化系统,用于调制浆料的配方,以满足不同类型纸质的生产需求。该系统既包括自动配料系统,也包括自动化混合系统。

(4)成型系统:成型系统用于将纸浆原料加工成的所需形状和尺寸。成型系统包括成型机,控制系统和传送带。成型机将浆液放在一个网格上,然后将其压缩成所需的形状和尺寸,在该过程中,传送带被用来传递纸张到下一个流程。

(5)烘干系统:烘干系统用于将成型后的模型脱水和干燥,从而提高其强度和可靠性。该系统包括烘干室、加热器、风扇和温度控制系统。烘干室能使用风扇将空气循环吹动,以达到迅速脱水和干燥的目的。

(6)液位系统:液位系统用于检测纸浆在各个生产阶段的液位,并通过打开或关闭阀门来控制水的流量。

(7)气压系统:气压系统用于控制成型机所需的气压,以确保纸张具有所需的形状和尺寸。该系统包括压缩机、安全阀和控制系统。控制系统可以自动地调节气压,以确保纸张达到所需的质量标准。

纸浆模塑自动化生产线控制系统的各个组成部分是相互关联的,它们协同工作以确保高质量和高效率的纸张生产,所有这些控制系统通过一个中央控制装置进行管理和监测以确保各个系统能够协同工作,保证生产效率和产品质量。

2 算法优化方案

通常,市场上的纸浆模塑产品生产线只注重如何按照工序生产纸模产品,但并未探讨生产控制过程中存在的生产控制问题。相比而言,本控制系统不仅符合工艺流程的需要,还深入研究了系统的水循环利用和成型系统的控制方式。

2.1 液位平衡方法

目前,纸浆模塑生产线设备的设计厂商通常仅考虑了在水池侧面上方开孔接水管的方案,以便处理水池中的溢出水。这种方案的优势为能够避免水池中的液位溢出,但它却将水排放到下水道中,造成了水资源浪费和环境污染问题。

纸浆模塑生产系统通常具有多个浆、水池,并都与蓄水装置相连通,如图2所示。其中两个水池向回水池供水,另两个则从回水池获取水。回水池还需向打浆池和成型池供水,同时蓄水池和真空罐中的水也会回流至回水池。因此,维护回水池液位平衡时,需确保储备足够的水以供打浆池和成型池使用,而非仅仅防止池水溢出。

图2 蓄水装置原理图

本设计中,液位循环系统通过维护回水池、补水池、供水缸、真空罐、回浆池、打浆池和储浆池之间的液位平衡,保证系统的稳定性和质量,如图3所示。具体而言,对于每个单独的浆、水池,液位控制系统的功能是控制水的进出量,以确保各池的液位保持在一定的范围内。系统工作时,当液位下降到一定程度,液位控制器将向供水缸发送信号,注入水到池中;当液位上升到一定程度,控制器将向抽水泵发送信号,抽取多余的水分。同时,针对不同池之间的液位差异,液位控制器会自动调整供水缸和抽水泵的供水/抽水速度,以达到平衡池间液位的目的。通过这种液位自动调节机制,系统能够适应不同工况下的需求,实现有效的液位平衡控制,确保系统的稳定性和安全性。

图3 液位循环设计

回水池的水源有三个方面,如图3所示:一是来自蓄水池的水;二是真空水泵向回水池排放的蒸汽,尽管其对液位影响不大;三是来自真空罐排放的水。回水池的出水口有三个方向:一是用于向成型池供浆;二是用于向打浆池供浆;三是用于向泵3提供循环水,尽管对液位影响不大。供水缸的水源来自蓄水池和补水池,其排放由真空水环泵实现。保持供水缸液位稳定至关重要,以确保真空水环泵有足够的水压。补水池的水源来自真空水环泵的排出、供水缸的溢出以及蓄水池的补充。补水池的排水时间和去向取决于其液位高度和水温。真空罐中的水主要来自吸附成型工序,主要流入回水池。维护液位平衡的关键点包括:(1)根据水池液位高度控制进水阀和进水泵的开关状态;(2)根据回收水量控制水池保留的液位高度。

2.2 模式切换方法

成型部分的控制方式包括手动和自动两种模式,并可实现模式之间的切换,如图4所示。整个过程中,每个步骤均设有允许自动启动的标志位、手动启动按钮的标志位以及正在运行状态的标志位。在自动模式下,控制系统将自动识别允许自动启动的标志位,并执行自动启动操作。在手动模式下,控制系统将根据手动启动按钮的标志位进行相应的控制操作。此外,在整个过程中,运行状态的标志位将记录当前所处的阶段,以便于后续操作的执行和状态的监测。

图4 自动和手动模式切换示意图

具体而言,在自动模式下,当允许自动启动的标志位满足条件时,控制系统将启动相应的自动控制程序,并根据预设的参数和算法实现成型过程的自动化控制。同时,运行状态的标志位也将被记录并不断更新。在手动模式下,当手动启动按钮的标志位被触发时,控制系统将切换到手动控制模式,并根据操作者的指令进行相应的操作。此时,相应的允许自动启动的标志位将被关闭,并不再启动自动控制程序。在此模式下,控制系统将实时更新运行状态的标志位并记录操作者的操作。

3 系统硬件平台搭建

PLC是一种非常灵活的控制单元,在工业自动化生产线中比其他控制单元更具有优势。不同的工业过程需要不同的控制方式和参数设置,PLC可以根据控制要求进行灵活的调整和修改,以满足不同的生产需求,从而提高生产效率和质量。在鲁棒性方面,PLC系统具有较高的可靠性和稳定性。由于其内部集成了工业级芯片和电路元件,具有较高的耐用性和可靠性,能够在恶劣的工业环境下无间断地运行。在设计方面,PLC系统的硬件模块和软件程序都是模块化设计,方便进行维护和更新,其固件和软件可以通过简单的操作进行升级和替换,从而提高了系统的可维护性和可靠性。在通信方面,PLC还具有多种通信接口和通信协议,可以与其他工业系统和设备实现高效的数据通信和信息共享,例如现场总线、传感器、执行器、变频器等,PLC可以与它们相互配合工作,完成复杂的工业自动化任务。基于这些优点,选择PLC作为控制单元来实现该系统,该系统的硬件实施总体设计方案如图5所示。

图5 纸浆模塑系统硬件实施总体设计方案

该系统需要使用2个CPU、1个触摸屏以及1台笔记本电脑进行以太网通信。每个设备只拥有一个以太网口,因此只能实现设备间的两个通信。要实现4台设备的同时通信,就需要建立一个以工业交换机为核心的通信网络,如图6所示。

图6 通信网络的示意图

通信网络的实施方案为:

(1)选择一个工业交换机作为通信网络的核心设备,该交换机需要具有足够的端口数以满足连接4台设备的需求。

(2)为每个设备分配不同的IP地址,以避免地址冲突。IP地址是在网络上唯一标识设备的地址,需要确保每个设备的IP地址不重复。假设PLC1的主站需要分配IP地址为192.168.1.1,PLC2从站为192.168.1.2,触摸屏为192.168.1.3,笔记本电脑为192.168.1.4。

(3)确保所有设备的IP地址处于同一子网内,这样它们才能够互相通信。子网掩码用于确定IP地址中的网络部分和主机部分,通常设置为255.255.255.0。这意味着前三段IP地址需要相同,只有最后一段不同。在这种情况下,子网掩码为255.255.255.0,表示前三段IP地址为192.168.1,最后一段IP地址范围可以是1到254。

(4)在工业交换机上进行端口配置,确保每个设备都与交换机的不同端口连接,并设置对应的VLAN(虚拟局域网)或者端口隔离,以实现设备之间的隔离与通信。VLAN是一种逻辑上的网络隔离,可以将不同的设备分隔到不同的虚拟网络中,从而避免不同设备之间的广播或冲突。

(5)配置设备的网络参数,包括IP地址、子网掩码、网关等,以确保设备能够正确地加入通信网络,并能够互相通信。

4 结语

本研究旨在对纸浆模塑自动化生产线的控制系统进行改进,提出一种基于PLC的控制方案。本研究的主要贡献在于分析了市场上纸浆模塑生产线存在的不足,包括液位系统控制不合理以及成型系统的自动控制模式设计不合理,并提出了相应的创新方案。其中,采用计算进出水的水量和时间来平衡各个水池的液位平衡方法,以及通过触发信号和手动按钮来控制各个工步之间的切换的模式切换方法,均为本研究的创新点。最后,本文给出了系统设施和网络分配方案。但由于实验受限,该控制系统未能在生产线上进行验证,因此实际操作可能会与理论预期有所偏差。未来研究可以对该方案进行进一步验证和完善。