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隨著大米加工業(yè)的規(guī)模化發(fā)展，過去傳統(tǒng)的繼電器手動電氣控制系統(tǒng)已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)代精米加工企業(yè)的需求，而逐漸取而代之的生產(chǎn)線上的計算機(jī)自動化控制系統(tǒng)，也越來越不能滿足企業(yè)的要求，在此基礎(chǔ)之上的生產(chǎn)管理系統(tǒng)是企業(yè)目前提出的更高的要求，而這些需求綜合起來恰好構(gòu)成了集散系統(tǒng)的基本模型。在大米加工生產(chǎn)線中，大部分設(shè)備的控制均為邏輯順序控制，而這正是PLC的優(yōu)勢所在。目前大多采用PLC作為數(shù)據(jù)采集和控制裝置，而上位機(jī)的監(jiān)控和管理則在通用的組態(tài)軟件下設(shè)計完成，由此構(gòu)成的小型集散系統(tǒng)在國內(nèi)大米加工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。筆者參與設(shè)計的荊門某日產(chǎn)300t的大米生產(chǎn)線是湖北省內(nèi)較大規(guī)模的大米加工廠，電氣控制系統(tǒng)功能完善，且具有三級冗余。本文以該廠為例，從電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制方案、PLC生產(chǎn)流程控制和計算機(jī)監(jiān)控管理3個方面給出了較為全面的分析和論述。
1系統(tǒng)構(gòu)成與控制方案
把米廠的電氣控制系統(tǒng)分為4大部分：現(xiàn)場設(shè)備檢修控制部分、模擬屏控制與監(jiān)控部分、計算機(jī)監(jiān)控與生產(chǎn)管理部分和PLC生產(chǎn)流程控制部分，如圖1所示。
現(xiàn)場設(shè)備檢修部分主要用于設(shè)備故障檢修。為了工人檢修的安全，在對設(shè)備所有控制中，它是一套獨立控制的電氣系統(tǒng)，對設(shè)備的控制屬于最高級別。模擬屏控制與監(jiān)控部分是也是獨立于計算機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)，它可以最為直觀地顯示設(shè)備狀態(tài)和控制設(shè)備。PLC生產(chǎn)流程控制部分是自動化控制的核心部分，主要是根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求分段實現(xiàn)設(shè)備順序啟停，故障處理和數(shù)據(jù)采集；計算機(jī)監(jiān)控是通過組態(tài)監(jiān)控軟件在計算機(jī)上控制和顯示設(shè)備運行狀態(tài)，并對產(chǎn)量、電耗進(jìn)行統(tǒng)計管理。
在圖1中，我們注意到，對設(shè)備的控制來源于3個地方，即現(xiàn)場檢修開關(guān)、模擬屏和計算機(jī)，三者之間的控制關(guān)系可以通過兩級三檔旋鈕來實現(xiàn)。第一級是在每個設(shè)備旁邊都安裝一個3檔旋鈕，稱之為機(jī)旁檢修開關(guān)：中間為選擇設(shè)備停止運行，左邊為選擇中央控制室控制，右邊為選擇設(shè)備現(xiàn)場運行；第二級選擇一般安置在中央控制室中的模擬屏上，它是在機(jī)旁檢修開關(guān)置于中央控制室選擇情況下的一個第二級三檔選擇。通過三檔旋鈕開關(guān)：左邊為模擬屏手動，右邊為計算機(jī)自動控制，中間為停止?fàn)顟B(tài)。這樣實際構(gòu)成了三級冗余系統(tǒng)。當(dāng)計算機(jī)或者PLC故障時候可以通過模擬屏上實現(xiàn)純手動控制，即使萬一模擬屏有故障了，還有檢修開關(guān)可以備用。實際在許多米廠的自動化控制設(shè)計中，出于成本考慮，往往省略了模擬屏上的手動控制功能，模擬屏僅作為大屏幕的監(jiān)控使用。

2PLC生產(chǎn)流程控制
按照米廠的工藝流程，一般可以分為預(yù)清理、清理、壟谷、碾米和拋光色選打包5個工段。通俗地解釋這幾個工段的功能分別為：預(yù)清理工段，初步篩出稻谷中的石頭、繩索、稻桿等雜物，然后送入原糧倉儲存，以備加工；清理段，進(jìn)一步清除稻谷中的各種小雜物，例如石頭、鐵等；礱谷段，將稻谷的外殼與大米分離；碾米段；為已經(jīng)去掉谷殼的稻谷加水反復(fù)碾磨以獲得口感更好、更白的大米；拋光色選打包段，顧名思義是為了獲得光澤度更好的大米繼續(xù)加水拋光，然后用色選機(jī)將顏色不好的大米去除，最后包裝。
2.1數(shù)據(jù)采集與輸出控制部分
2.1.1輸入數(shù)據(jù)采集
根據(jù)控制程序的要求，PLC需要采集的所有設(shè)備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。在生產(chǎn)線中設(shè)備可以分為3類：
①主機(jī)設(shè)備，包括運輸設(shè)備，如提升機(jī)、皮帶機(jī)；清理與加工設(shè)備，如初清篩、振動篩、去石機(jī)、重力篩、礱谷機(jī)、碾米機(jī)、拋光機(jī)、色選機(jī)和分級篩等；風(fēng)網(wǎng)設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、關(guān)風(fēng)器。這里可取接觸器的輔助觸點信號入PLC；②控制設(shè)備，包括閘門和三通，其主要用途是控制物料走向，閘門的位置信號一般均有2個，左到位和右到位，出于成本考慮，也可以只取一個信號入PLC，而三通必須取2個信號；③計量包裝設(shè)備，包括流量秤、包裝秤和電能表，其中流量秤和包裝秤一般有485通信接口，通過通信協(xié)議可以采集內(nèi)部定義的各種數(shù)據(jù)。這里在PLC中安裝了485模塊CP1W-11用來讀取這些電子秤的數(shù)據(jù)。電能表有普通的脈沖計數(shù)方式的或者是有485接口的，在這里采用的是普通的脈沖計數(shù)方式，這樣僅需要PLC的一個輸入點就能完成電量的讀取。
另外，在生產(chǎn)線中不同的設(shè)備之間以及部分設(shè)備入口處往往設(shè)計了有許多緩沖倉，其作用主要是為了防止物料在加工運輸過程中出現(xiàn)堵塞或者是用于保護(hù)設(shè)備以及保證加工品質(zhì)等用途，因此需要檢查緩沖倉內(nèi)部物料的高度，這里采用電容式接近開關(guān)取得料位高度送入PLC。最后還有一類輸入信號為不同工段的選擇開關(guān)以及急停等開關(guān)旋鈕輸入信號也需要送入PLC。
2.1.2輸出控制
輸出控制主要針對的是加工設(shè)備以及控制設(shè)備，每臺均需要一個輸出驅(qū)動控制信號，它相對輸入信號來說比較單一。
在本例中，根據(jù)上述分析，需要的PLC的輸入點約為180個，輸出點約120個，總共約300個。采用歐姆龍小型PLC（CP1H-X40DR-A）和擴(kuò)展模塊
（CPM1A-40EDR），該P(yáng)LC最大可以帶8個模塊，滿足需求，還多一個模塊備用。圖2給出輸入輸出信號示意圖。

2.2系統(tǒng)程序設(shè)計
按照米廠的加工工藝要求以及生產(chǎn)管理的數(shù)據(jù)需求，PLC的程序包括2部分，第一部分為順序邏輯控制部分，它包括每個工段設(shè)備順序啟停和故障處理程序，每個工段的編程結(jié)構(gòu)基本相同。對于設(shè)備啟停程序，主要要求啟動時首先啟動風(fēng)網(wǎng)，同時根據(jù)物料走向選擇相應(yīng)的閘門和三通，再按照來料的反方向依次啟動主機(jī)設(shè)備，在啟動過程中，當(dāng)碰到某些緩沖倉出現(xiàn)高料位或者低料位時需要等待料位到達(dá)希望的位置才能啟動相關(guān)設(shè)備。而停機(jī)程序基本和開機(jī)程序相反，是首先關(guān)閉來料閘門，然后依照來料方向依次關(guān)閉主機(jī)設(shè)備，這里注意關(guān)閉設(shè)備之間需要有一定的時間間隔，以便物料走空，最后關(guān)閉風(fēng)網(wǎng)。故障處理程序總的原則主要是避免堵料，這是自動化控制程序的核心部分。故障源包括3類，若為低料位應(yīng)停止相應(yīng)設(shè)備，當(dāng)物料走得不順暢會出現(xiàn)高料位和主機(jī)設(shè)備跳閘，此時應(yīng)該關(guān)閉物料的來源，以避免堵料，然后停止相關(guān)設(shè)備的運行。所有這些故障出現(xiàn)后，都應(yīng)該報警提示。具體見圖3。

程序的第二部分主要根據(jù)流量秤和包裝秤的通信協(xié)議，采集和處理數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)中，有一臺流量秤，兩臺包裝秤。根據(jù)生產(chǎn)管理系統(tǒng)的要求，需要讀取流量秤的瞬時流量、兩臺包裝秤的瞬時流量和累計流量，一共5個量。通過485網(wǎng)絡(luò)將儀表連接起來，將不同的秤的地址分別設(shè)置為00，01，02號，通過地址來辨別設(shè)備，具體發(fā)送命令時采用分時的方法，每隔3s發(fā)送1個控制命令字。在歐姆龍CP1H中有兩種485通信模式，一種是專用的模塊，一種是串行通信板，由于這里設(shè)備比較單一，因此采用串行通信板，通過無協(xié)議模式通信。具體操作是由TXD發(fā)送指令和接受指令RXD指令來完成。其中TXD有3個參數(shù)：S表示發(fā)送數(shù)據(jù)的第一個存儲單元的地址；C為控制字?jǐn)?shù)據(jù)；N為發(fā)送字節(jié)數(shù)。接受指令RXD同樣是3個參數(shù)：D為接受數(shù)據(jù)的第一個存儲單元的地址；C是控制字?jǐn)?shù)據(jù)；N為保存的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。配合這兩條指令，在輔助寄存器位為發(fā)送準(zhǔn)備好，或者接受準(zhǔn)備好的情況下可啟動指令運行，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。其程序流程圖如圖4。

3計算機(jī)監(jiān)控與生產(chǎn)管理部分
目前流行的組態(tài)軟件很多，國產(chǎn)的有組態(tài)王、昆侖通態(tài)等，國外的軟件有Intouch，Wincc等。國內(nèi)的軟件相對功能較弱，圖形功能也比較弱。從綜合性價比以及成本上考慮，選擇組態(tài)王6.52版。在組態(tài)設(shè)計上，分為兩個部分，一部分是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控，將整個生產(chǎn)線分成了4個部分，兩屏顯示。這些畫面和模擬屏的基本相同，就是生產(chǎn)工藝流程圖，圖中的每臺設(shè)備上都添加了指示燈，用來顯示生產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)，綠色表示運行，紅色表示停止，閃爍表示故障。另外每個畫面添加了該工段的啟停和急停旋鈕。
第二部分是生產(chǎn)管理系統(tǒng)，它包括顯示界面、報表系統(tǒng)和故障信息記錄系統(tǒng)。這3個部分基本都是用組態(tài)王的報表功能來實現(xiàn)的。在本設(shè)計中創(chuàng)建了兩個報表，一個報表用來記錄和顯示流量秤，包裝秤的瞬時流量、累計流量、電能表的累計耗電量以及當(dāng)班的數(shù)據(jù)。這里特別設(shè)置了一個當(dāng)班記錄按鈕，用于記錄當(dāng)班的產(chǎn)量和耗電量。當(dāng)工人上班后，啟動當(dāng)班記錄按鈕后，就開始對當(dāng)班的產(chǎn)量和電能做記錄；當(dāng)班結(jié)束時，可以打印當(dāng)前班次的產(chǎn)量和電耗。當(dāng)然也可以按照用戶不同的要求顯示和打印生產(chǎn)班次或者不同時間段的生產(chǎn)報表，例如按月或者年來選擇打印報表。另外一個報表是用來記錄故障狀況，這里包括高料位、低料位和主機(jī)設(shè)備跳閘的時間，一旦出現(xiàn)故障該報表會立刻在主屏幕上顯示出來。
4小結(jié)
基于PLC和組態(tài)軟件的小型集散系統(tǒng)在荊門某米廠投入使用1年多，運行穩(wěn)定，取得了良好的效果。隨著大米加工行業(yè)不斷的朝著大規(guī)模的方向發(fā)展，此類應(yīng)用方案將得到更為廣泛的采納。

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