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趙佰亭 杭柏林 申洪雷

1  前言

    在橡膠、印鈔、油墨等行業的生產中，按固定的配方準確配料是保證產品質量的關鍵工序之一。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配，準確性對產品的性能和質量影響很大。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，無法保證各批次產品質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，對環境污染嚴重，且有些物料還會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現高精度稱量。

    針對這些特殊行業的現狀，實現工業化批量連續生產，是改變配料現狀和保證產品質量的當務之急。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”，該系統是集生產工藝、自動配料、光機電一體、環保、自動控制、計算機監控和管理等技術綜合應用的高科技數字化產品，解決了這些行業物料品種多、物性復雜、稱量精度高、環境污染嚴重等難題，具有機電一體、軟硬結合、管控兼備的特點。該系統的成功應用改變了橡膠、印鈔、油墨生產裝備的水平，創造了民族工業的品牌，為橡膠、印鈔、油墨行業作出了突出的貢獻，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、環形結構設計，根據配方設定，多種物料單獨、分別同時稱量，混合配比，全自動化生產運行方式，降低工人勞動強度，極大地提高了生產效率。采用單料單秤、總秤校驗的稱量方式，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，生產效率低且產品質量不穩定；為了提高生產效率，研制了全自動多工位、多料倉、多秤同時工作的環形配料裝置。假設每個工位用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，生產線前進一個工位，每種物料由微機控制，判斷是否稱量，其條件是集料筐內有集料袋，且在該配方中有該物料及稱量沒結束。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線。該生產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，并與配方中設定的值進行比較。當達到設定值時，停止給料，由出料機構控制打開卸料門，料斗中的物料卸到集料筐內。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

    整個配料系統采用多工位、多秤同時工作的方式，對控制系統的實時性要求很高。根據各配料工位操作具有相同動作的特點，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，對配料系統進行管理和控制。網絡結構如圖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量重量和允許誤差值，并能按系統控制指令，自動完成稱量、給料、破拱、卸料等動作。

3.2  系統控制級

    控制級是小料稱量系統的控制核心，采用工業上專用的PLC作為中心控制計算機，控制整個系統的運行、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，即整個系統的全部動作均自動完成，也就是由計算機控制完成，使系統達到最高的生產效率狀態。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，嚴格按工藝要求進行。手動工作方式，主要在系統調試時或系統維護時使用，每個動作由操作按鈕控制完成，極大的方便了系統調試和維護。

3.3  管理級

    管理級采用個人計算機，與系統控制級、設備控制級通過現場總線構成小型計算機管理網。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（含生產量及相關參數），還包括系統運行狀態的監視、數據采集、完成生產量、故障提示報警、料倉低料位報警等功能。考慮系統調試維護的方便，現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的運行情況。

4  控制方案的實現

    整個方案的制定體現了網絡化管理和實時監控的思想，集控制和管理于一體。通過工業現場總線，將設備控制級、系統控制級和管理級聯成一體，通過高速度的通訊和數據采集，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。

4.1  設備控制級的實現

    智能配料控制器是控制系統的關鍵裝備，目前國內外同類產品還沒有能夠完成單種物料自動配料功能和滿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硬件產品的基礎上，開發了具有自主知識產權的智能配料控制器，具有控制可靠、可編程、靈活性高等優點，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多任務實時操作系統及現場總線技術，實現了管理控制實時性，降低了成本。在具體應用中，解決了以下主要因素影響的問題：(1)物料的粘度：在相同的環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)環境的影響：環境的溫度、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、研制了無級調速裝置。實現了精確加料，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，實現了分散控制，提高了系統的實時性、可靠性、可維護性、可擴展性等系統功能。

4.2  系統控制級的實現

    系統在總體設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，同時也對系統控制級提出了嚴格的要求。系統的控制級采用工業上專用的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鍵性問題。但在開車和停車階段，要根據系統運行的條件，逐步投入自動工作。也就是說，小料配料系統有兩個主要環節，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時，才能達到同時工作。開車、停車時，要增加對系統工作狀態的判斷和控制，本系統很好地實現了自動開車和停車。就一般的控制系統而言，手動控制需待運行穩定后，才投入自動運行。工業上應用的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的接口通訊問題，實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  管理級的實現

    根據對用戶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、對生產進行實時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言進行開發和設計，功能強大，用戶界面友好，采用數據對各種重要數據進行保存、處理，保證了數據的安全性和可查性，對提高產品質量提供了保障。軟件同時對用戶權限進行了分類和限制，授予技術人員和操作人員不同的操作權限，例如技術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數量，而無權修改配方，加強了生產管理和技術保密，對提高產品質量安全提供了有力保障。

    (1)  物料管理

    物料管理實現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，應用了條行碼質量追溯技術，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，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。軟件采用數據庫的方式對配方數據進行處理，將所有配方數據存于一個表單中，根據配方名稱的不同來區分配方的數據，通過采用標準SQL語句，可以方便的實現對配方數據的查詢和修改。

圖4  配方管理

圖5  配方隊列示意圖

    在以往的配料系統中，使用PLC無法實現連續配方的生產，配方數目有限，生產效率低。本系統由上位機對配方進行管理，實現了無限配方及連續配方運行。假設每個工位用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關系如圖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。上位機給系統的各個工位設置標志位，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。步數也就是生產的車數，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，P_t+1在隊列最后面排隊，當一個配方開始生產而又未生產完成時，就可以對后面的配方任意的刪除、變更、更改優先級。

表1  標志位矩陣

    (3)  生產監控

    生產監控實現了在生產過程中，對每個工位的稱量情況的實時遠程監控。系統應用現場總線技術通訊，通訊速率高，采用動畫形式，能同步反映稱量過程以及系統的各種狀態，真正實現了對現場設備運行情況的實時監控，同時具有故障報警功能，對系統出現的故障進行報警，提高了操作人員故障處理的方便性。

    (4)  報表統計

    稱量報表對生產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計，詳細記錄了每種物料的具體稱量值，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間段各種物料的消耗量進行記錄和統計。在以往的人工對物料消耗統計的過程中，工作量大、效率低，還很容易出錯；而通過統計報表，實時地對物料的消耗進行記錄和統計，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，通過工業現場總線將分布在各處的配料單元連接起來，實現了配料系統的網絡化管理，可以在上位計算機上實現對配方和原材料的管理、對生產進行實時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點。該系統功能全面，工作穩定可靠，可以滿足各種配料生產的要求，已在“十五”國家重大技術裝備載重子午胎成套設備研制“小料自動配料稱量系統”和“印鈔油墨配料系統”中得到應用，并通過國家驗收。