趙佰亭 杭柏林 申洪雷

1  前言

    在橡膠、印鈔、油墨等行業(yè)的生產(chǎn)中，按固定的配方準確配料是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工序之一。配方中除主料量大外，往往還有各種輔助原料，其配比精度常常以克為單位進(jìn)行調配，準確性對產(chǎn)品的性能和質(zhì)量影響很大。配料的現狀是：(1) 輔料品種多，有大量特性復雜，顏色、形狀一樣，但物理、化學(xué)特性不一樣的物料。一旦操作人員精神稍不集中，很容易配錯物料，其后果損失相當嚴重。(2) 人工配料勞動(dòng)強度大、效率低；受人為因素的影響，配料精度難以控制，無(wú)法保證各批次產(chǎn)品質(zhì)量的穩定性和均一性。(3) 物料粉料居多，比重小，很容易漂浮在空氣中，對環(huán)境污染嚴重，且有些物料還會(huì )影響人們的身心健康。(4) 傳統的給料設備和控制方法難以解決對不同物料實(shí)現高精度稱(chēng)量。

    針對這些特殊行業(yè)的現狀，實(shí)現工業(yè)化批量連續生產(chǎn)，是改變配料現狀和保證產(chǎn)品質(zhì)量的當務(wù)之急。青島高校軟控股份有限公司研制了“高精度自動(dòng)配料稱(chēng)量系統”，該系統是集生產(chǎn)工藝、自動(dòng)配料、光機電一體、環(huán)保、自動(dòng)控制、計算機監控和管理等技術(shù)綜合應用的高科技數字化產(chǎn)品，解決了這些行業(yè)物料品種多、物性復雜、稱(chēng)量精度高、環(huán)境污染嚴重等難題，具有機電一體、軟硬結合、管控兼備的特點(diǎn)。該系統的成功應用改變了橡膠、印鈔、油墨生產(chǎn)裝備的水平，創(chuàng )造了民族工業(yè)的品牌，為橡膠、印鈔、油墨行業(yè)作出了突出的貢獻，特別是人民幣印刷色差的一致性受到了國際印鈔業(yè)的好評。

2  配料系統結構

    配料系統結構如圖1所示，采用多工位、環(huán)形結構設計，根據配方設定，多種物料單獨、分別同時(shí)稱(chēng)量，混合配比，全自動(dòng)化生產(chǎn)運行方式，降低工人勞動(dòng)強度，極大地提高了生產(chǎn)效率。采用單料單秤、總秤校驗的稱(chēng)量方式，根據物料特性和量程選擇高精度的秤和配料控制器，設計了不同形式的加料器，并且設計有校驗秤確保稱(chēng)量精度。

圖1  配料系統結構示意圖

    以前基本采用人工配料，生產(chǎn)效率低且產(chǎn)品質(zhì)量不穩定；為了提高生產(chǎn)效率，研制了全自動(dòng)多工位、多料倉、多秤同時(shí)工作的環(huán)形配料裝置。假設每個(gè)工位用G表示，則：G₁ G₂…G_i…G_n（i=1,2……n），n為系統工位數，其中G₁、G_n+1同在一個(gè)位置，若起點(diǎn)位置為G1，終點(diǎn)位置為Gn+1，將起點(diǎn)和終點(diǎn)放在一個(gè)位置可減少人員，便于操作。其工作過(guò)程如下：在起點(diǎn)操作人員將集料袋放在集料筐內，生產(chǎn)線(xiàn)前進(jìn)一個(gè)工位，每種物料由微機控制，判斷是否稱(chēng)量，其條件是集料筐內有集料袋，且在該配方中有該物料及稱(chēng)量沒(méi)結束。而終點(diǎn)將配好的集料袋卸下，裝上空的集料袋重新進(jìn)入生產(chǎn)線(xiàn)。該生產(chǎn)線(xiàn)的特點(diǎn)是集料袋從起點(diǎn)到終點(diǎn)收集一圈物料完成一個(gè)配方，稱(chēng)完一種物料輸送線(xiàn)推動(dòng)集料筐前進(jìn)一個(gè)工位。

    在G_i工位上，物料i由進(jìn)料機構控制下料，所下的物料在秤斗中，由安裝在秤斗上的秤進(jìn)行重量測定，并與配方中設定的值進(jìn)行比較。當達到設定值時(shí)，停止給料，由出料機構控制打開(kāi)卸料門(mén)，料斗中的物料卸到集料筐內。每種物料的流程是一樣的，動(dòng)作也是相同的，每種物料采用相同的控制手段進(jìn)行單物料稱(chēng)量，多工位并行工作，由上位機統一監控。配料裝置的結構示意圖如圖2所示。

圖2  配料裝置結構示意圖

3  三級計算機控制方案

    整個(gè)配料系統采用多工位、多秤同時(shí)工作的方式，對控制系統的實(shí)時(shí)性要求很高。根據各配料工位操作具有相同動(dòng)作的特點(diǎn)，設計了三級計算機控制的方案，即設備控制級、系統控制級和管理級，對配料系統進(jìn)行管理和控制。網(wǎng)絡(luò )結構如圖3所示。

圖3  配料計算機控制系統原理圖

3.1  設備控制級

    設備控制級是整個(gè)系統指令的具體執行者，功能是控制單種物料配料的全部動(dòng)作，采用智能配料控制器，可以按照上位機規定的要求設定稱(chēng)量重量和允許誤差值，并能按系統控制指令，自動(dòng)完成稱(chēng)量、給料、破拱、卸料等動(dòng)作。

3.2  系統控制級

    控制級是小料稱(chēng)量系統的控制核心，采用工業(yè)上專(zhuān)用的PLC作為中心控制計算機，控制整個(gè)系統的運行、保證控制系統的可靠性。每臺配料控制器，在接到PLC發(fā)出的指令后進(jìn)行操作，每個(gè)動(dòng)作、信號的控制均由PLC進(jìn)行，控制稱(chēng)量、報警、輸送等動(dòng)作。

    在整個(gè)控制系統中，分自動(dòng)工作方式和手動(dòng)工作方式。自動(dòng)工作方式，即整個(gè)系統的全部動(dòng)作均自動(dòng)完成，也就是由計算機控制完成，使系統達到最高的生產(chǎn)效率狀態(tài)。自動(dòng)部分有自動(dòng)稱(chēng)量、自動(dòng)卸料、集料筐自動(dòng)輸送、自動(dòng)校驗，動(dòng)作準確連續，嚴格按工藝要求進(jìn)行。手動(dòng)工作方式，主要在系統調試時(shí)或系統維護時(shí)使用，每個(gè)動(dòng)作由操作按鈕控制完成，極大的方便了系統調試和維護。

3.3  管理級

    管理級采用個(gè)人計算機，與系統控制級、設備控制級通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)構成小型計算機管理網(wǎng)。主要完成配方管理（含配方輸入、配方修改、配方打印、配方復制等）、配方運行（含配方下傳、參數下傳、配方運行）、數據報表（含日報表、運行記錄、物料統計等）、參數設置（含生產(chǎn)量及相關(guān)參數），還包括系統運行狀態(tài)的監視、數據采集、完成生產(chǎn)量、故障提示報警、料倉低料位報警等功能?？紤]系統調試維護的方便，現場(chǎng)控制部分分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種工作方式。手動(dòng)工作方式就是每個(gè)動(dòng)作由人工操作完成；自動(dòng)工作方式就是按工藝規定的動(dòng)作順序進(jìn)行，由計算機自動(dòng)控制完成。通過(guò)管理計算機能完全反映出整個(gè)系統的運行情況。

4  控制方案的實(shí)現

    整個(gè)方案的制定體現了網(wǎng)絡(luò )化管理和實(shí)時(shí)監控的思想，集控制和管理于一體。通過(guò)工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)，將設備控制級、系統控制級和管理級聯(lián)成一體，通過(guò)高速度的通訊和數據采集，使實(shí)時(shí)管理和控制成為可能。下面分別介紹控制方案三級的具體實(shí)現。

4.1  設備控制級的實(shí)現

    智能配料控制器是控制系統的關(guān)鍵裝備，目前國內外同類(lèi)產(chǎn)品還沒(méi)有能夠完成單種物料自動(dòng)配料功能和滿(mǎn)足系統控制指令要求的配料控制器。公司按照配料系統的要求，在美國TOLEDO硬件產(chǎn)品的基礎上，開(kāi)發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的智能配料控制器，具有控制可靠、可編程、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，將現代的自適應、模糊控制方法、預估控制等，在該控制器成功地得到了應用。采用C51多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統及現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，實(shí)現了管理控制實(shí)時(shí)性，降低了成本。在具體應用中，解決了以下主要因素影響的問(wèn)題：(1)物料的粘度：在相同的環(huán)境中和同一給料裝置下，不同的物料給料的速度不同，因而造成調試困難，稱(chēng)量精度難以控制。(2)物料的比重：因物料的比重不同，采用同一裝置，給料速度也不同。(3)環(huán)境的影響：環(huán)境的溫度、濕度變化將導致物料粘度、比重等物理特性的變化。主體要是物料的粘度隨溫度的增加而增加，導致物料容易起拱、結塊，對稱(chēng)量不利。(4)由于控制給料裝置和控制裝置的非線(xiàn)性，即使在相同的控制方法和控制量下，各給料裝置的振動(dòng)力和給料速度均是不同的。而且還針對給料裝置的控制、研制了無(wú)級調速裝置。實(shí)現了精確加料，并很好的解決了配料速度與精度的矛盾。由于該控制器的成功應用，實(shí)現了分散控制，提高了系統的實(shí)時(shí)性、可靠性、可維護性、可擴展性等系統功能。

4.2  系統控制級的實(shí)現

    系統在總體設計時(shí)每部分是并行工作的，也就是說(shuō)多個(gè)配料控制器同時(shí)動(dòng)作，進(jìn)行配料稱(chēng)量，這樣大大提高了稱(chēng)量效率，同時(shí)也對系統控制級提出了嚴格的要求。系統的控制級采用工業(yè)上專(zhuān)用的PLC作為中心控制計算機，解決了自動(dòng)開(kāi)車(chē)和自動(dòng)停車(chē)兩個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。但在開(kāi)車(chē)和停車(chē)階段，要根據系統運行的條件，逐步投入自動(dòng)工作。也就是說(shuō)，小料配料系統有兩個(gè)主要環(huán)節，即自動(dòng)稱(chēng)量和集料筐輸送線(xiàn)，這兩部分是按集料筐輸送、自動(dòng)稱(chēng)量、校驗順序進(jìn)行動(dòng)作的。而集料筐輸送線(xiàn)每前進(jìn)一次，就有一個(gè)工位投入自動(dòng)稱(chēng)量，必須使每個(gè)部分都進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，才能達到同時(shí)工作。開(kāi)車(chē)、停車(chē)時(shí)，要增加對系統工作狀態(tài)的判斷和控制，本系統很好地實(shí)現了自動(dòng)開(kāi)車(chē)和停車(chē)。就一般的控制系統而言，手動(dòng)控制需待運行穩定后，才投入自動(dòng)運行。工業(yè)上應用的PLC有很多種類(lèi)，不同的PLC有不同的接口通訊方式，這在以往的配料系統中造成了控制的復雜多樣化，給設計造成了很大的困難。本系統的系統控制級解決了不同PLC的接口通訊問(wèn)題，實(shí)現了管理級與控制級多種PLC的對接，包括三菱Fx、A、Q系列，西門(mén)子S7－300、S7－400系列，AB SLC－500系列，以及歐姆龍C200HE系列，大大提高了系統的通用性。

4.3  管理級的實(shí)現

    根據對用戶(hù)需求的詳細調查分析，設計了系統的上位機管理軟件，主要功能包括對配方和原材料的管理、對生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控及各種數據的匯總報表。系統軟件采用面向對象的編程語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)和設計，功能強大，用戶(hù)界面友好，采用數據對各種重要數據進(jìn)行保存、處理，保證了數據的安全性和可查性，對提高產(chǎn)品質(zhì)量提供了保障。軟件同時(shí)對用戶(hù)權限進(jìn)行了分類(lèi)和限制，授予技術(shù)人員和操作人員不同的操作權限，例如技術(shù)人員可以獲得全部權限，可以添加修改配方以及報表統計等；而操作人員只能設定生產(chǎn)數量，而無(wú)權修改配方，加強了生產(chǎn)管理和技術(shù)保密，對提高產(chǎn)品質(zhì)量安全提供了有力保障。

    (1)  物料管理

    物料管理實(shí)現了對原材料的管理和記錄。每個(gè)工位使用的原材料均不相同，對不同工位的原材料在上位機錄入和編號，應用了條行碼質(zhì)量追溯技術(shù)，在料倉上設有汽缸鎖，只有在條碼槍掃描的條碼信號與錄入原材料編號條碼一致時(shí)，才能打開(kāi)料倉門(mén)進(jìn)行投料操作，從根本上杜絕了投料的誤操作。

    (2)  配方管理

    配方管理（如圖4所示）的主要功能是對配方的建立、修改及打印進(jìn)行管理。軟件采用數據庫的方式對配方數據進(jìn)行處理，將所有配方數據存于一個(gè)表單中，根據配方名稱(chēng)的不同來(lái)區分配方的數據，通過(guò)采用標準SQL語(yǔ)句，可以方便的實(shí)現對配方數據的查詢(xún)和修改。

圖4  配方管理

圖5  配方隊列示意圖

    在以往的配料系統中，使用PLC無(wú)法實(shí)現連續配方的生產(chǎn)，配方數目有限，生產(chǎn)效率低。本系統由上位機對配方進(jìn)行管理，實(shí)現了無(wú)限配方及連續配方運行。假設每個(gè)工位用G表示，則：G₁ G₂…G_i…G_n（i=1,2……n），n為系統工位數，每個(gè)工位對應不同的物料，假設配方用P表示，則：P₁ P₂…P_i…P_t（i=1,2……t）,t為配方數。假設稱(chēng)量隊列中有t個(gè)配方需要稱(chēng)量，配方P1 P₂…P_i…P_t分別需要稱(chēng)量k、l、m……x車(chē)，在各配方中需要稱(chēng)量物料的對應關(guān)系如圖5所示。圖中1表示該配方中有該工位的物料，0表示沒(méi)有，所有的配方形成一個(gè)隊列。上位機給系統的各個(gè)工位設置標志位，如下：

    當配方需要G_i工位稱(chēng)量時(shí)，上位機給G_i工位置1，否則置零。稱(chēng)量過(guò)程中，上位機不是給配料控制器直接下傳配方，而是對配方進(jìn)行處理，統計每個(gè)配方需要稱(chēng)量的物料，從而確定需要稱(chēng)量的工位號，確定各工位的標志位，然后給各工位的標志位置位。各個(gè)工位即根據標志位判斷是否稱(chēng)量，同時(shí)下傳工位要稱(chēng)量的重量、允差等。按照配方P₁ P₂…P_i…P_t，上位機給標志位置位，生成一個(gè)n×（k+l+m+…）矩陣,如表1所示。步數也就是生產(chǎn)的車(chē)數，當完成一步后，由后面的配方遞補，總步數為k+l+m+…+t。當添加新的配方P_t+1時(shí)，P_t+1在隊列最后面排隊，當一個(gè)配方開(kāi)始生產(chǎn)而又未生產(chǎn)完成時(shí)，就可以對后面的配方任意的刪除、變更、更改優(yōu)先級。

表1  標志位矩陣

    (3)  生產(chǎn)監控

    生產(chǎn)監控實(shí)現了在生產(chǎn)過(guò)程中，對每個(gè)工位的稱(chēng)量情況的實(shí)時(shí)遠程監控。系統應用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)通訊，通訊速率高，采用動(dòng)畫(huà)形式，能同步反映稱(chēng)量過(guò)程以及系統的各種狀態(tài)，真正實(shí)現了對現場(chǎng)設備運行情況的實(shí)時(shí)監控，同時(shí)具有故障報警功能，對系統出現的故障進(jìn)行報警，提高了操作人員故障處理的方便性。

    (4)  報表統計

    稱(chēng)量報表對生產(chǎn)過(guò)程中每一條配方的每一車(chē)物料的稱(chēng)量情況進(jìn)行記錄和統計，詳細記錄了每種物料的具體稱(chēng)量值，并將數據存儲于SQL數據庫，保證了數據的安全性和可查性。

    統計報表可以對任意時(shí)間段各種物料的消耗量進(jìn)行記錄和統計。在以往的人工對物料消耗統計的過(guò)程中，工作量大、效率低，還很容易出錯；而通過(guò)統計報表，實(shí)時(shí)地對物料的消耗進(jìn)行記錄和統計，可以隨時(shí)得到任意物料、任意時(shí)間段的物料總消耗，大大降低了人員的工作量，提高了統計的準確度，方便了成本核算，為成本核算提供了可靠的數據依據。

5  結論

    采用三級計算機控制，通過(guò)工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)將分布在各處的配料單元連接起來(lái)，實(shí)現了配料系統的網(wǎng)絡(luò )化管理，可以在上位計算機上實(shí)現對配方和原材料的管理、對生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控及各種數據的匯總報表的管理，具有結構靈活、人機界面好、集控制和管理于一體等優(yōu)點(diǎn)。該系統功能全面，工作穩定可靠，可以滿(mǎn)足各種配料生產(chǎn)的要求，已在“十五”國家重大技術(shù)裝備載重子午胎成套設備研制“小料自動(dòng)配料稱(chēng)量系統”和“印鈔油墨配料系統”中得到應用，并通過(guò)國家驗收。