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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行調(diào)配，準確性對產(chǎn)品的性能和質(zhì)量影響很大。配料的現(xiàn)狀是：(1) 輔料品種多，有大量特性復(fù)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) 人工配料勞動強度大、效率低；受人為因素的影響，配料精度難以控制，無法保證各批次產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)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，且有些物料還會影響人們的身心健康。(4) 傳統(tǒng)的給料設(shè)備和控制方法難以解決對不同物料實現(xiàn)高精度稱量。

    針對這些特殊行業(yè)的現(xiàn)狀，實現(xiàn)工業(yè)化批量連續(xù)生產(chǎn)，是改變配料現(xiàn)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“高精度自動配料稱量系統(tǒng)”，該系統(tǒng)是集生產(chǎn)工藝、自動配料、光機電一體、環(huán)保、自動控制、計算機監(jiān)控和管理等技術(shù)綜合應(yīng)用的高科技數(shù)字化產(chǎn)品，解決了這些行業(yè)物料品種多、物性復(fù)雜、稱量精度高、環(huán)境污染嚴重等難題，具有機電一體、軟硬結(jié)合、管控兼?zhèn)涞奶攸c。該系統(tǒng)的成功應(yīng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)

    配料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用多工位、環(huán)形結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)配方設(shè)定，多種物料單獨、分別同時稱量，混合配比，全自動化生產(chǎn)運行方式，降低工人勞動強度，極大地提高了生產(chǎn)效率。采用單料單秤、總秤校驗的稱量方式，根據(jù)物料特性和量程選擇高精度的秤和配料控制器，設(shè)計了不同形式的加料器，并且設(shè)計有校驗秤確保稱量精度。

圖1  配料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(wěn)定；為了提高生產(chǎn)效率，研制了全自動多工位、多料倉、多秤同時工作的環(huán)形配料裝置。假設(shè)每個工位用G表示，則：G₁ G₂…G_i…G_n（i=1,2……n），n為系統(tǒng)工位數(shù)，其中G₁、G_n+1同在一個位置，若起點位置為G1，終點位置為Gn+1，將起點和終點放在一個位置可減少人員，便于操作。其工作過程如下：在起點操作人員將集料袋放在集料筐內(nèi)，生產(chǎn)線前進一個工位，每種物料由微機控制，判斷是否稱量，其條件是集料筐內(nèi)有集料袋，且在該配方中有該物料及稱量沒結(jié)束。而終點將配好的集料袋卸下，裝上空的集料袋重新進入生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線的特點是集料袋從起點到終點收集一圈物料完成一個配方，稱完一種物料輸送線推動集料筐前進一個工位。

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

圖2  配料裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3  三級計算機控制方案

    整個配料系統(tǒng)采用多工位、多秤同時工作的方式，對控制系統(tǒng)的實時性要求很高。根據(jù)各配料工位操作具有相同動作的特點，設(shè)計了三級計算機控制的方案，即設(shè)備控制級、系統(tǒng)控制級和管理級，對配料系統(tǒng)進行管理和控制。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3  配料計算機控制系統(tǒng)原理圖

3.1  設(shè)備控制級

    設(shè)備控制級是整個系統(tǒng)指令的具體執(zhí)行者，功能是控制單種物料配料的全部動作，采用智能配料控制器，可以按照上位機規(guī)定的要求設(shè)定稱量重量和允許誤差值，并能按系統(tǒng)控制指令，自動完成稱量、給料、破拱、卸料等動作。

3.2  系統(tǒng)控制級

    控制級是小料稱量系統(tǒng)的控制核心，采用工業(yè)上專用的PLC作為中心控制計算機，控制整個系統(tǒng)的運行、保證控制系統(tǒng)的可靠性。每臺配料控制器，在接到PLC發(fā)出的指令后進行操作，每個動作、信號的控制均由PLC進行，控制稱量、報警、輸送等動作。

    在整個控制系統(tǒng)中，分自動工作方式和手動工作方式。自動工作方式，即整個系統(tǒng)的全部動作均自動完成，也就是由計算機控制完成，使系統(tǒng)達到最高的生產(chǎn)效率狀態(tài)。自動部分有自動稱量、自動卸料、集料筐自動輸送、自動校驗，動作準確連續(xù)，嚴格按工藝要求進行。手動工作方式，主要在系統(tǒng)調(diào)試時或系統(tǒng)維護時使用，每個動作由操作按鈕控制完成，極大的方便了系統(tǒng)調(diào)試和維護。

3.3  管理級

    管理級采用個人計算機，與系統(tǒng)控制級、設(shè)備控制級通過現(xiàn)場總線構(gòu)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(fù)制等）、配方運行（含配方下傳、參數(shù)下傳、配方運行）、數(shù)據(jù)報表（含日報表、運行記錄、物料統(tǒng)計等）、參數(shù)設(shè)置（含生產(chǎn)量及相關(guān)參數(shù)），還包括系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)視、數(shù)據(jù)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(tǒng)調(diào)試維護的方便，現(xiàn)場控制部分分為手動控制和自動控制兩種工作方式。手動工作方式就是每個動作由人工操作完成；自動工作方式就是按工藝規(guī)定的動作順序進行，由計算機自動控制完成。通過管理計算機能完全反映出整個系統(tǒng)的運行情況。

4  控制方案的實現(xiàn)

    整個方案的制定體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化管理和實時監(jiān)控的思想，集控制和管理于一體。通過工業(yè)現(xiàn)場總線，將設(shè)備控制級、系統(tǒng)控制級和管理級聯(lián)成一體，通過高速度的通訊和數(shù)據(jù)采集，使實時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現(xiàn)。

4.1  設(shè)備控制級的實現(xiàn)

    智能配料控制器是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵裝備，目前國內(nèi)外同類產(chǎn)品還沒有能夠完成單種物料自動配料功能和滿足系統(tǒng)控制指令要求的配料控制器。公司按照配料系統(tǒng)的要求，在美國TOLEDO硬件產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)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，將現(xiàn)代的自適應(yīng)、模糊控制方法、預(yù)估控制等，在該控制器成功地得到了應(yīng)用。采用C51多任務(wù)實時操作系統(tǒng)及現(xiàn)場總線技術(shù)，實現(xiàn)了管理控制實時性，降低了成本。在具體應(yīng)用中，解決了以下主要因素影響的問題：(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(diào)試困難，稱量精度難以控制。(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(dǎo)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(dǎo)致物料容易起拱、結(jié)塊，對稱量不利。(4)由于控制給料裝置和控制裝置的非線性，即使在相同的控制方法和控制量下，各給料裝置的振動力和給料速度均是不同的。而且還針對給料裝置的控制、研制了無級調(diào)速裝置。實現(xiàn)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(yīng)用，實現(xiàn)了分散控制，提高了系統(tǒng)的實時性、可靠性、可維護性、可擴展性等系統(tǒng)功能。

4.2  系統(tǒng)控制級的實現(xiàn)

    系統(tǒng)在總體設(shè)計時每部分是并行工作的，也就是說多個配料控制器同時動作，進行配料稱量，這樣大大提高了稱量效率，同時也對系統(tǒng)控制級提出了嚴格的要求。系統(tǒng)的控制級采用工業(yè)上專用的PLC作為中心控制計算機，解決了自動開車和自動停車兩個關(guān)鍵性問題。但在開車和停車階段，要根據(jù)系統(tǒng)運行的條件，逐步投入自動工作。也就是說，小料配料系統(tǒng)有兩個主要環(huán)節(jié)，即自動稱量和集料筐輸送線，這兩部分是按集料筐輸送、自動稱量、校驗順序進行動作的。而集料筐輸送線每前進一次，就有一個工位投入自動稱量，必須使每個部分都進入工作狀態(tài)時，才能達到同時工作。開車、停車時，要增加對系統(tǒng)工作狀態(tài)的判斷和控制，本系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了自動開車和停車。就一般的控制系統(tǒng)而言，手動控制需待運行穩(wěn)定后，才投入自動運行。工業(yè)上應(yīng)用的PLC有很多種類，不同的PLC有不同的接口通訊方式，這在以往的配料系統(tǒng)中造成了控制的復(fù)雜多樣化，給設(shè)計造成了很大的困難。本系統(tǒng)的系統(tǒng)控制級解決了不同PLC的接口通訊問題，實現(xiàn)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(tǒng)的通用性。

4.3  管理級的實現(xiàn)

    根據(jù)對用戶需求的詳細調(diào)查分析，設(shè)計了系統(tǒng)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)進行實時監(jiān)控及各種數(shù)據(jù)的匯總報表。系統(tǒng)軟件采用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言進行開發(fā)和設(shè)計，功能強大，用戶界面友好，采用數(shù)據(jù)對各種重要數(shù)據(jù)進行保存、處理，保證了數(shù)據(jù)的安全性和可查性，對提高產(chǎn)品質(zhì)量提供了保障。軟件同時對用戶權(quán)限進行了分類和限制，授予技術(shù)人員和操作人員不同的操作權(quán)限，例如技術(shù)人員可以獲得全部權(quán)限，可以添加修改配方以及報表統(tǒng)計等；而操作人員只能設(shè)定生產(chǎn)數(shù)量，而無權(quán)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

    物料管理實現(xiàn)了對原材料的管理和記錄。每個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(yīng)用了條行碼質(zhì)量追溯技術(shù)，在料倉上設(shè)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，才能打開料倉門進行投料操作，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、修改及打印進行管理。軟件采用數(shù)據(jù)庫的方式對配方數(shù)據(jù)進行處理，將所有配方數(shù)據(jù)存于一個表單中，根據(jù)配方名稱的不同來區(qū)分配方的數(shù)據(jù)，通過采用標準SQL語句，可以方便的實現(xiàn)對配方數(shù)據(jù)的查詢和修改。

圖4  配方管理

圖5  配方隊列示意圖

    在以往的配料系統(tǒng)中，使用PLC無法實現(xiàn)連續(xù)配方的生產(chǎn)，配方數(shù)目有限，生產(chǎn)效率低。本系統(tǒng)由上位機對配方進行管理，實現(xiàn)了無限配方及連續(xù)配方運行。假設(shè)每個工位用G表示，則：G₁ G₂…G_i…G_n（i=1,2……n），n為系統(tǒng)工位數(shù)，每個工位對應(yīng)不同的物料，假設(shè)配方用P表示，則：P₁ P₂…P_i…P_t（i=1,2……t）,t為配方數(shù)。假設(shè)稱量隊列中有t個配方需要稱量，配方P1 P₂…P_i…P_t分別需要稱量k、l、m……x車，在各配方中需要稱量物料的對應(yīng)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表示沒有，所有的配方形成一個隊列。上位機給系統(tǒng)的各個工位設(shè)置標志位，如下：

    當配方需要G_i工位稱量時，上位機給G_i工位置1，否則置零。稱量過程中，上位機不是給配料控制器直接下傳配方，而是對配方進行處理，統(tǒng)計每個配方需要稱量的物料，從而確定需要稱量的工位號，確定各工位的標志位，然后給各工位的標志位置位。各個工位即根據(jù)標志位判斷是否稱量，同時下傳工位要稱量的重量、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n×（k+l+m+…）矩陣,如表1所示。步數(shù)也就是生產(chǎn)的車數(shù)，當完成一步后，由后面的配方遞補，總步數(shù)為k+l+m+…+t。當添加新的配方P_t+1時，P_t+1在隊列最后面排隊，當一個配方開始生產(chǎn)而又未生產(chǎn)完成時，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(jiān)控

    生產(chǎn)監(jiān)控實現(xiàn)了在生產(chǎn)過程中，對每個工位的稱量情況的實時遠程監(jiān)控。系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)通訊，通訊速率高，采用動畫形式，能同步反映稱量過程以及系統(tǒng)的各種狀態(tài)，真正實現(xiàn)了對現(xiàn)場設(shè)備運行情況的實時監(jiān)控，同時具有故障報警功能，對系統(tǒng)出現(xiàn)的故障進行報警，提高了操作人員故障處理的方便性。

    (4)  報表統(tǒng)計

    稱量報表對生產(chǎn)過程中每一條配方的每一車物料的稱量情況進行記錄和統(tǒng)計，詳細記錄了每種物料的具體稱量值，并將數(shù)據(jù)存儲于SQL數(shù)據(jù)庫，保證了數(shù)據(jù)的安全性和可查性。

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

5  結(jié)論

    采用三級計算機控制，通過工業(yè)現(xiàn)場總線將分布在各處的配料單元連接起來，實現(xiàn)了配料系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化管理，可以在上位計算機上實現(xiàn)對配方和原材料的管理、對生產(chǎn)進行實時監(jiān)控及各種數(shù)據(jù)的匯總報表的管理，具有結(jié)構(gòu)靈活、人機界面好、集控制和管理于一體等優(yōu)點。該系統(tǒng)功能全面，工作穩(wěn)定可靠，可以滿足各種配料生產(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(shè)備研制“小料自動配料稱量系統(tǒng)”和“印鈔油墨配料系統(tǒng)”中得到應(yīng)用，并通過國家驗收。