油品包装自动生产线控制系统及其工业网络的设计

长城润滑油分公司是中国石化润滑油公司下属最大的专业润滑油生产企业,随着生产规模的不断扩大,对油品包装的速度和精度以及生产管理的信息化都提出了更高的要求。因此为了满足这些需要,我们为新生产线的控制部分进行了全新的设计。现就其中有代表性的灌装机控制系统和整条生产线工业网络系统的设计情况介绍如下。

 

2 灌装机控制系统的设计

 

2.1 工艺要求

 

为了能够满足多品种、高精度的快速生产,生产工艺上给我们提出了如下的要求:

 (1) 要在满足灌装精度高于0.5%的前提下能够达到最快每分钟80桶的灌装速度;

 (2) 整条生产线能够适应从1~5立升容积包装的灌装,并且可以单桶灌装,使油品在切换时的损失降到最低;

 (3) 要具有较高的机动性、适应性,使设备换型的时间最短并且操作简便;

 (4) 要求具有根据产品温度来自动调整灌装量的功能,操作自动化程度高;

 (5) 具有网络功能,将生产线各台设备联网后可进行集中监控,并且可以与生产管理系统进行连接,以提高生产及设备的管理效率;

 (6) 保证在油品灌装过程中没有泄漏和外溅的现象,符合HSE体系的环保要求。

 

2.2 控制系统的硬件组成 

 

(1) 为达到工艺上提出的要求,在与机械设计配合的基础上,我们对电气及自控方面提出了如下的方案:

 

为了满足灌装精度和速度的要求,在灌装部分,我们采用了以司服电机作为主电机的定容式灌装设计,因为司服电机控制系统具有控制精度高、速度快、稳定和调整设定方便等特点。而在容器灌装前后的输送部分采用了直线式设计;传送带部分采用了变频调速控制;并且设计了一套自动的滑动分桶器,与传动带配合来达到将灌装后的半成品与空容器快速分开并将其带离灌装机的目的。

 

采用直线定容式灌装的设计,最大限度的节省了产品换型时间,提高了生产机动性和工作效率。

 

根据不同产品的温度特性通过PLC程序模块的设计和选择,可以完成自动调容的要求。

 

对于环保的要求,我们是通过软件和硬件的设计共同完成的,硬件上我们采用了司服电机控制系统和变频调速控制,与硬件相配合在软件上我们设计了各种速度及灌装过程中每个阶段的加速度和减速度的分别调整,这样我们就可以根据实际情况将设备调整到合适的状态,杜绝溅油、冒油的现象。

 为了适应网络控制的要求,我们采用了具有网络功能,并且稳定性较好的西门子S7-300 PLC控制系统。

 

在操作方面我采用每台设备可利用触摸屏进行单独操作,或者通过联网的计算机系统进行集中控制和监控,操作界面非常直观,使操作更加简便高效。

 

(2) 控制系统硬件配置图

 控制系统硬件配置图如图1所示:

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(3) 控制系统主要组成部分的选型

 

PLC系统的选择:系统采用了SIEMENS公司生产的S7-300系列PLC,由1个CPU315-2DP模块、2个接口模块IM365、模拟量输入/输出模块SM335和模拟量输出模块SM332、2个高速计数模块FM350、4个数字量输入模块SM321、3个数字量输出模块SM322组成了双层机架的硬件组态结构。采用西门子的PLC系统是因为在CPU上同时集成了独立的MPI和PROFIBUS-DP接口,不但可以方便的与人机设备相连,并且可以非常简单的实现设备之间及设备与PC之间的联网,具有强大的网络功能;另外西门子的PLC S7-300系统还具有各种功能强大的模块可以选择,使用稳定。具有较高的性价比,非常适合在包装机械上应用。

 

灌装主电机及其控制系统:我们选择了德国的SEW公司的MOVIDRIVE驱动器及带编码器反馈的电机系统,并采用电流矢量控制模式,通过丰富的参数设定来实现更高的控制精度和动态相应。输送系统的变频调速控制:我们采用了丹麦Danfoss公司的VLT5000型变频器。因为他们都是相关领域内的国际知名的专业生产企业,产品技术领先,在恶劣的生产环境下能够长期稳定的运行。

 

操作界面:西门子的触摸屏TP170A

 设备控制网络采用了西门子的PROFIBUS-DP 系统,将整条生产线的四台主要设备和工程师管理PC系统通过PROFIBUS电气中继器和无微处理器CP5611连接为一个完整的PROFIBUS网络,实现了生产线的实时监控和动态管理。

 


2.3 控制系统的软件设计

 

(1) 西门子模块化编程介绍

 

西门子S7-300 PLC 采用SETP7编程软件,SETP 7为程序设计提供了三种方法:线形化编程、模块化编程、结构化编程。其中模块化编程是把程序分成若干个程序块,每个程序块含有一些设备和任务的逻辑指令。在组织块(OB1)中的指令决定控制程序的模块的执行。模块化编程中的功能(FC)或功能块(FB)控制着不同的过程任务,这些块相当于主循环程序的子程序。这种编程方法非常易于几个人同时编程,并且易于程序的调试和故障的查找。另外每次循环中不是所有的块都执行,只有需要时才调用相关的程序块,CPU得到了更有效的利用。因此我们在软件编程时采用了模块化编程方法,将大的任务分解成相对独立的小任务先分开进行编写和检测,最后统一下载调试,大大的提高了程序编制和调试的速度。

 

(2) 软件编程步骤

 描述和分析控制过程的具体的任务,并分成多个简单的小任务;

 绘制机械动作控制流程图;

 对S7-300 PLC 进行硬件组态和PROFIBUS网络的组态;

 为每个任务模块分配输入和输出点;

 为每个任务模块编制程序,并分别进行测试和修改,直到所有的任务模块都完成;

 将集成后的程序输入PLC进行离线和在线调试。

 

(3) 灌装机动作控制流程图

 程序流程框图如图2所示:

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图2 程序流程框图

 

(4) 组织块OB1的主要程序介绍,如图3所示。

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图3 组织块OB1的主要程序

 

3 生产线工业网络系统的设计

 

3.1 网络系统要达到的目的和实现的功能

 (1) 实现分散控制集中管理的目的;

 (2) 可以通过工程师PC工作站直接控制设备的操作和参数的修改;

 (3) 对整条生产线进行自我监控,将整条生产线的运行情况和故障情况进行实时的记录和分类汇总,为合理安排设备的维修和保养工作提供了数据依据;

 (4) 可以和上一级的生产管理系统进行连接,达到提高生产管理效率的目的;

 (5) 对关键设备点的各种参数进行记录,当超出正常工作范围时报警,保证生产线的正常运行。

 

3.2网络系统硬件的组成方案

 

为了实现设计要求的功能,我们采用了西门子的PROFIBUS网络系统,具体的硬件结构设计如图4所示: 

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3.3 网络系统软件的组成

 为了实现设计要求的功能,我们在软件方面进行了系统的设计,力求通过组态软件的强大功能来进一步提高生产线对包装形式的适应能力和进行生产品种调整时的反应速度,简化生产人员的操作和调整难度。

 (1) PC工作站组态软件的主画面

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 主画面如图5所示:

(2) PC工作站组态软件的其它画面

 组态软件的二级画面主要包括灌装压盖机、称重机、封箱机、码跺机等主要设备的相关统计数据的监控和操作画面,三级画面为各类参数设定值的选择和修改画面。图6-9为一些主要画面的示例。

 

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(3) PC工作站组态软件的功能介绍

 

通过组态软件我们第一实现了四台主要设备的技术参数的监控和统计工作,并且实现了与上一级生产管理的友好衔接,做到了整条生产线的运行状况一目了然;二实现了对整条生产线的生产状态和故障详细信息的实时记录,为进一步的统计和分析提供了第一手的数据资料;第三提供了很多运行控制参数的曲线图形和的修改界面,为生产人员随时对生产线进行调整保证稳定的运行状态提供了直观的依据,并且操作起来非常方便。

 

4 结束语

 

通过长时间实际生产的检验,整个系统非常稳定,完全达到了生产部门对质量和数量的要求。通过工业网络更加方便的实现了生产管理人员对生产情况的实时管理;通过整套系统的自我监控,将故障等信息进行了分类统计,更好地为维护人员有目的性的安排设备维修工作提供了完善的数据。大大提高了长城润滑油公司油品生产的效率和能力。


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