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失重式喂料器电气控制的智能数字化解决方案 |
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作者：上海松耐机械制造有限公司 彭湃 |
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失重喂料器系统具有计量精确度高，效率高，工艺流程短而简单等优点。但由于喂料器的传统自动控制系统技术应用的局限性，在实际应用中仍然面对控制的稳定性、可靠性，维修保养和生产线现场的配方工艺灵活性等方面的不足，应用新的智能数字化解决方案可以解决这些问题。
失重式喂料控制系统网络数字技术应用
工业产品制造生产线机电一体化单元之间，以及机电一体化单元内部控制的技术要求越来越复杂，越来越精密；这种需求迫使现代工业控制系统需要大量的数据传输和处理，同时要有极高的实时性；传统的工业PLC越来越力不从心。在这种趋势下，网络技术逐渐被应用到传统的工业自动化领域里，通过市场上主流的工业网络例如Profibus，Modbus，Canopen，Devicenet，ethernet等网络技术，来解决传统工业控制系统存在的问题。
目前市场上主流的失重喂料系统存在两种技术形式：第一代是传统的无网络PLC或低端IO微处理组成工业控制器；第二代是局部简易网络控制技术；第三代是全网络数字控制技术，是未来的发展的趋势；
从图1可以看出，第一代控制结构，是多个喂料器共用一个控制单元，每个喂料器之间数据交换在本地的控制单元进行，通过一个人机控制器实现操作人员与本地的控制单元的数据信息交换。
图1 第一代失重式喂料控制系统网络图
从这个控制结构形式可以看出有以下缺陷：
- 扩展局限性：本地控制器单元工作负载重，不可以无限满足生产线原料更复杂的原料配方需求，2-4个原料可以勉强处理，但无法实现控制5个以上甚至10个以上原料。
-灵活性差，用户现场生产过程中，无法快速拆除移动喂料器在不同生产线之间的切换。
- 现场失重喂料器本地控制单元无法自由安装组合。
- 抗干扰性差，由于多个喂料器系统共享一个本地控制单元，因此从本地控制单元的IO端口到各个喂料器的控制终端的线路不可避免的非常长，对一些需要精密采集或控制的模拟量数据容易受到干扰，不能实现精确和稳定的控制。
从图2可以看出，第二代控制模型结构，与第一代相比，有了一定的进步，每一个喂料器有一个独立的控制单元，每个喂料器之间的数据交换是通过中央控制单元与生产线管理系统实现通讯数据交换，由于技术的局限性，只能实现单网络的通讯，例如单一的Profibus，Modbus，Canopen等主流的通讯网络。
图2 第二代失重式喂料控制系统网络图。
从图3可以看出，第三代控制模型结构，分为三个控制层网络，非常清晰；在第一控制层，每个喂料器有多个独立本地控制单元组成，每个本地独立控制单元之间的数据交换实现了网络化，在第二控制层里，每个喂料器之间既可以是独立工作，互不干扰，又可以通过网络实现人机数据交换，在第3层里，整个喂料器系统可以和生产线的管理控制系统实现数据交换。并可与工厂数据管理系统同步，甚至通过网络进行远程故障诊断等功能；第三代技术优势在于实现复杂的网络通讯技术，同时与不同的网络系统进行数据交换，具有很强的网络兼容能力。
图3 第三代失重式喂料控制系统网络图
失重式喂料器本地失重式控制单元智能化
单个的失重式喂料器本身是一个实时的多路闭环反馈控制系统，本地核心失重式控制单元不仅要实时的读取重量信号、计量螺杆的转速信号、混合料位信号，还要执行大量的运算任务，执行计量螺杆的速度控制单元和补料阀等部件的控制任务。
失重式喂料器本地失重式控制单元在市场上也经历了三代技术的发展，第一代是普通的16位标准PLC逻辑控制器； 第二代低端的32位微处理器为核心的失重式控制单元；第三代先进的32位微处理为核心的失重式控制单元。
第一代失重式喂料控制单元，由于采用简单的16位标准PLC逻辑控制器，一般是单循环任务控制系统， 随着任务增加，任务循环周期一般超过30ms以上，甚至100ms，在控制技术方面受到极大限制，无论是在任务的实时性，还是任务的精确性方面都是非常糟糕的，因此具体的反映在失重喂料器运行中，在IO信号实时处理能力方面非常薄弱，例如重量信号和计量螺杆转速波动不稳定或静止不动的现象，控制动作滞后，实时性差等特征；甚至感觉控制精度还不如体积式喂料器。
第2代失重式喂料控制单元虽然采用低端的32位微处理控制器，在控制技术技术方面得到一定的改善，无论是在任务的实时性，还是任务的精确性方面都得到提升，因此具体的反映在失重喂料器运行中，在IO信号复杂，多任务的工作状况下，实时处理能力方面得到显著提升，例如第一代在重量信号的处理能力和计量螺杆转速精确性能， 控制动作滞后，实时性差等特征的问题都得以解决， 但是在与生产线管理系统进行网络数据交换仍然存在大局限性，不能实时传输较大数据量，且不能适应和兼容各种的通讯协议网络。
在第3代失重式喂料控制单元，采用最新的32位微处理控制器，在控制技术方面是一个质的飞跃，无论是在任务的实时性，还是任务的精确性方面都得到显著提高，因此具体的反映在失重喂料器运行中， 不仅失重式喂料器的反馈系统，其控制执行单元的精确度和实时性，在复杂的工厂环境里不会受到影响。例如重量信号和计量螺杆转速控制与反馈相对于前一代产品更精确，更可靠；同时可以执行更复杂的数据通讯任务，兼容大部分的工业网络，例如Rofibus, Modbus, Canopen, ethercat, ethernet。
失重式喂料器重量信号单元高精密化
失重式喂料器重量信号单元是重要的核心单元之一， 其功能是将重量传感器的重量信号转换为数字信号，并上传给失重式控制单元；这个控制单元的核心任务是如何获得高分辨率和实时性重量信号，且抗干扰能力强。
失重式喂料器重量信号单元在市场上经历了二代技术的发展， 第一代是8位或16位单片逻辑微处理控制器的重量信号处理单元；第二代，先进的32位微处理控制器为核心的重量信号处理单元。
第一代失重式喂料器重量信号单元，由于采用8位或16位标准单片微处理控制器，一般是单循环任务控制系统， 随着任务增加，任务循环周期一般超过30ms以上，无法实现高速实时采样、高速运算功能，因此在重量信号分辨率方面非常差，只能实现万分之一的精度，且不能进行复杂数字滤波运算，抗干扰、可靠性方面能力差，同时与上位控制器通讯的实时性能力差，基本上无法满足高精度的控制系统要求。
第二代失重式喂料器重量信号单元，采用先进的32位微处理控制器，在控制技术方面得到一定改善，无论是在任务的实时性，还是任务的精确性方面都得到提升，因此在重量信号分辨率方面都非常优良，能实现百万分之一的精度，且能进行复杂数字滤波运算，抗干扰、可靠性方面能力强；同时具有较强的与上位控制器实时通讯能力，满足高精度的控制系统需求。
马达传动单元控制的高度数字化
失重式喂料器马达速度控制单元也和重量信号单元一样，是重要核心的控制单元之一。市场上常见的速度控制器有两类型，直流驱动器和交流变频器，直流驱动器通常提供速度控制和速度反馈两种功能，交流变频器通常只提供速度控制，而没有速度反馈功能，如果需要反馈功能，需要配置速度反馈传感器，如速度编码器；这个控制单元的核心任务是如何获得高分辨率和实时性重量信号，且抗干扰能力强。
马达速度控制单元目前在市场上主流还是停留在传统技术IO端口，上位机控制器系统通过传统的数字量控制和模拟量控制信号控制马达速度单元，实现马达停止、速度闭环控制功能，虽然可靠性没有问题，但在实时性和精确度上还是非常受局限的，并且易收到干扰，在维修方面复杂且不方便。
新一代的速度控制单元正在逐步成为市场的主流，其之所以成为主流，主要是不再使用传统的IO控制端口，采用数字化的工业网络技术，例如Profibus, Modbus, Canopen, ethercat等主流的网络通讯协议，上位机控制系统，例如失重式控制单元可以直接使用上述的网络通讯方式与速度控制单元实现对马达的控制，简单可靠，并且控制精度和实时性得到显著提高，维护简单，可靠。
失重式喂料器系统的自动化控制系统是以用户生产线的技术为导向的，为适应新的工业产品的制造精确、高效、稳定可靠的需求，更先进的工业自动化技术在生产线上在不断发展应用，因此失重式喂料器系统的自动控制技术必然需要朝着应该发展的趋势而发展。(end)
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(7/11/2014) |
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