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臺達PLC在乳化機控制系統中的應用
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1 序言
真空均質乳化機（簡稱乳化機）主要應用于化工、醫藥、生物、食品等諸多領域中非均相液一固和液一液多相體分散體系的混合。目前該設備在國內主要是采用傳統的繼電器控制系統構成，操作人員需要根據經驗和儀表顯示輸入指令或數據進行手動操作，自動化程度不高，同時控制系統存在操作繁瑣、溫度控制超調量大、能耗高等缺點。
2 乳化機的工作過程
2.1 工作原理
乳化機由乳化鍋、水相鍋、油相鍋、真空裝置、溫度控制系統、電氣控制系統等組成。
生產工藝流程如圖1所示[1，2]。油溶性和水溶性原料分別在油相鍋和水相鍋內熔化或溶解，溫度一般保持在80℃左右，將用水蒸氣加熱的油相和水相原料通過過濾器加至乳化鍋內，以進行均質攪拌、乳化和真空脫氣。然后，向夾套通入冷水，冷卻到一定溫度后，添加香精，繼續冷卻至要求的溫度停止攪拌，待恢復常壓即可出料。
2.2 工作過程
(1)油相鍋、水相鍋進料后，啟動油相、水相攪拌電機，在線設定油相、水相電機的轉速；
(2)設定油相鍋、水相鍋控制溫度后，啟動油相鍋、水相鍋的溫度控制；
(3)當油相鍋、水相鍋內原料初處理完成后，啟動油相鍋、水相鍋出料泵，將初處理后的物料泵入乳化鍋內；
(4)當油相鍋、水相鍋內的物料完全泵入乳化鍋內后，出料泵停止運行。啟動液壓電機，垂直下降主攪拌器與均質攪拌器，當下降到位時，液壓電機停止工作，然后手動旋緊密封閥；
(5)當真空乳化鍋密封后，啟動主攪拌、均質攪拌電機。轉速將從零上升到用戶的設定值，并可根據不同的加工要求，在線改變主攪拌、均質攪拌電機的轉速；
(6)啟動真空泵電機，乳化鍋負壓力不斷變大，最終將達到用戶設定值；達到用戶設定值后真空泵電機自動停止；
(7)啟動乳化鍋溫度控制，自動對乳化鍋進行加熱控制，控制方法采用模糊PID恒溫控制，乳化鍋內原料將被加熱到用戶設定溫度；
(8)當乳化工作完成后，通過排氣口減小乳化鍋內負壓力，當乳化鍋壓力為零時，打開出料閥，排出乳化品。
圖1 乳化生產工藝流程
3 控制系統的構成
3.1 控制系統的結構
根據系統設計要求，實現油相、水相、主攪拌、均質攪拌電機轉速控制，控制范圍依次是10rpm~1500rpm、10rpm~1500rpm、10rpm~80rpm、100rpm~4500rpm；實現油相鍋、水相鍋、乳化鍋溫度的智能控制，控制量范圍依次是：0~100℃、0~140℃、20~140℃；實現乳化壓力控制，控制范圍為-100Kpa~+100Kpa和液壓升降控制。
系統的結構如圖2所示?？刂葡到y主要由上位機、下位機兩個部分組成，上位機采用臺達的HMI(DOP-B)[3]；下位機采用臺達DVP48EH00R系列的PLC[4]；電機的轉速控制，采用臺達VFD系列變頻器實現。
圖2 乳化機控制系統結構圖
3.2 控制系統的模塊劃分
系統的控制部分可以劃分為各種模塊，如圖3所示。
（1）壓力采集模塊
實現將壓力儀表的模擬電壓信號轉化為PLC可以識別的數字量信號，壓力表的信號通過PLC的AD(DVP-04AD-H)模擬量輸入模塊采樣到PLC中。
（2）溫度采集模塊
油相鍋、水相鍋和乳化鍋的使用鉑電極(Pt100)測量溫度，采用三線制接法。信號通過PLC的TM（DVP-04PT-H）PT100模塊采樣到PLC中。
（3）連鎖保護模塊
設置硬件和軟件雙重安全連鎖裝置，保證乳化鍋在抽真空的過程中不能打開鍋蓋，液壓站也不能啟動。
圖3 乳化機控制系統模塊圖
3.3 PLC容量選擇
乳化機控制系統的I/O點數分析見表1。
表1 I/O點數分析表
3.4 變頻器的選擇及通信
乳化機系統有主攪拌電機1個，均質電機1個，液壓站電機1個，真空泵1個，功率均為KW級，對于電能的消耗大，由于變頻器具有調速節能和軟啟動節能的作用，因此考慮選擇用變頻器。
本系統中選用臺達VFD-M和B系列的變頻器。根據人機界面上控制的轉速設定，輸出4～20mA的信號以調節電機的轉速，變頻器的運行需要和PLC進行MODBUS通信來確定是否啟動或停止。
4 控制系統的軟件設計
4.1 軟件設計的基本要求
操作功能主要是方便操作，需要人機對話界面。系統的規模越大，自動化程度越高，要求也越復雜，比如下拉式菜單設計、趨勢報警、I/O信息的顯示以及有關數據、表格的更新存儲和輸出等。圖4為設計的乳化鍋人機界面。
圖4 乳化鍋人機界面
4.2 I/O信號及數據結構分析
工業現場的檢測信號是多種多樣的，有模擬量也有開關量，PLC就以這些現場的數據作為對被控對象進行控制的源信息。通過對PLC的工作現場數據進行分析，確定了每一個I/O信號的地址。依據生產過程從前至后，I/O點數由小到大的原則把I/O信號集中編址。部分I/O信號的分配見表2。
表2 I/O信號的分配表
4.3 溫度控制
乳化機的溫度控制系統是以三個鍋的溫度為被控制參數，冷卻水流量為控制參數的回路控制。由于鍋溫系統是具有大滯后和時變性的系統，被調量不能及時反映系統受到的擾動，調節器的動作需經過一定的滯后時間才能影響被調量，經常會引起系統的響應超調過大或發生振蕩，導致系統過渡到其他操作狀態，用常規PID控制很難得到滿意的控制結果。
本控制系統采用臺達公司的DVP48EH00R系列的PLC為核心部件，實現恒溫控制，控制系統的原理框圖如圖5所示[5]。PLC根據采集的信號計算出偏差e(t)和偏差變化率ec(t)，按照模糊PID的控制規則計算控制量u(t)，并輸出控制量u(t)。經過PLC的D/A轉換，變成4～20mA的電流信號，送到調節閥來調節蒸汽或者冷卻水的流量，實現系統溫度的智能控制。
圖5 控制系統結構圖
5 總結
本文采用臺達PLC、HMI、變頻器設計了一套均質機自動控制系統，開發成本低、操作方便，能夠實現在線監視、控制和警報。目前控制系統運行良好，顯著提高了乳化控制系統的自動化程度，降低了控制系統的超調量，減少系統運行時間，有效降低乳化機能耗。
真空均質乳化機（簡稱乳化機）主要應用于化工、醫藥、生物、食品等諸多領域中非均相液一固和液一液多相體分散體系的混合。目前該設備在國內主要是采用傳統的繼電器控制系統構成，操作人員需要根據經驗和儀表顯示輸入指令或數據進行手動操作，自動化程度不高，同時控制系統存在操作繁瑣、溫度控制超調量大、能耗高等缺點。
2 乳化機的工作過程
2.1 工作原理
乳化機由乳化鍋、水相鍋、油相鍋、真空裝置、溫度控制系統、電氣控制系統等組成。
生產工藝流程如圖1所示[1，2]。油溶性和水溶性原料分別在油相鍋和水相鍋內熔化或溶解，溫度一般保持在80℃左右，將用水蒸氣加熱的油相和水相原料通過過濾器加至乳化鍋內，以進行均質攪拌、乳化和真空脫氣。然后，向夾套通入冷水，冷卻到一定溫度后，添加香精，繼續冷卻至要求的溫度停止攪拌，待恢復常壓即可出料。
2.2 工作過程
(1)油相鍋、水相鍋進料后，啟動油相、水相攪拌電機，在線設定油相、水相電機的轉速；
(2)設定油相鍋、水相鍋控制溫度后，啟動油相鍋、水相鍋的溫度控制；
(3)當油相鍋、水相鍋內原料初處理完成后，啟動油相鍋、水相鍋出料泵，將初處理后的物料泵入乳化鍋內；
(4)當油相鍋、水相鍋內的物料完全泵入乳化鍋內后，出料泵停止運行。啟動液壓電機，垂直下降主攪拌器與均質攪拌器，當下降到位時，液壓電機停止工作，然后手動旋緊密封閥；
(5)當真空乳化鍋密封后，啟動主攪拌、均質攪拌電機。轉速將從零上升到用戶的設定值，并可根據不同的加工要求，在線改變主攪拌、均質攪拌電機的轉速；
(6)啟動真空泵電機，乳化鍋負壓力不斷變大，最終將達到用戶設定值；達到用戶設定值后真空泵電機自動停止；
(7)啟動乳化鍋溫度控制，自動對乳化鍋進行加熱控制，控制方法采用模糊PID恒溫控制，乳化鍋內原料將被加熱到用戶設定溫度；
(8)當乳化工作完成后，通過排氣口減小乳化鍋內負壓力，當乳化鍋壓力為零時，打開出料閥，排出乳化品。
圖1 乳化生產工藝流程
3 控制系統的構成
3.1 控制系統的結構
根據系統設計要求，實現油相、水相、主攪拌、均質攪拌電機轉速控制，控制范圍依次是10rpm~1500rpm、10rpm~1500rpm、10rpm~80rpm、100rpm~4500rpm；實現油相鍋、水相鍋、乳化鍋溫度的智能控制，控制量范圍依次是：0~100℃、0~140℃、20~140℃；實現乳化壓力控制，控制范圍為-100Kpa~+100Kpa和液壓升降控制。
系統的結構如圖2所示?？刂葡到y主要由上位機、下位機兩個部分組成，上位機采用臺達的HMI(DOP-B)[3]；下位機采用臺達DVP48EH00R系列的PLC[4]；電機的轉速控制，采用臺達VFD系列變頻器實現。
圖2 乳化機控制系統結構圖
3.2 控制系統的模塊劃分
系統的控制部分可以劃分為各種模塊，如圖3所示。
（1）壓力采集模塊
實現將壓力儀表的模擬電壓信號轉化為PLC可以識別的數字量信號，壓力表的信號通過PLC的AD(DVP-04AD-H)模擬量輸入模塊采樣到PLC中。
（2）溫度采集模塊
油相鍋、水相鍋和乳化鍋的使用鉑電極(Pt100)測量溫度，采用三線制接法。信號通過PLC的TM（DVP-04PT-H）PT100模塊采樣到PLC中。
（3）連鎖保護模塊
設置硬件和軟件雙重安全連鎖裝置，保證乳化鍋在抽真空的過程中不能打開鍋蓋，液壓站也不能啟動。
圖3 乳化機控制系統模塊圖
3.3 PLC容量選擇
乳化機控制系統的I/O點數分析見表1。
表1 I/O點數分析表
|
序
號
|
設備名稱
|
DI點
|
DO點
|
測控要求
|
||||
|
乳化鍋
|
水相鍋
|
油相鍋
|
乳化鍋
|
水相鍋
|
油相鍋
|
|||
|
1
|
罐溫度
|
1
|
1
|
1
|
|
|
|
溫度顯示
|
|
2
|
蒸汽升溫閥
|
|
|
|
1
|
1
|
1
|
溫度控制
|
|
3
|
蒸汽排水閥
|
|
|
|
1
|
1
|
1
|
溫度控制
|
|
4
|
冷卻降溫閥
|
|
|
|
1
|
|
|
溫度控制
|
|
5
|
出料電磁閥
|
|
|
|
1
|
1
|
1
|
開關控制
|
|
6
|
液壓站電機
|
|
|
|
1
|
|
|
液壓控制
|
|
7
|
升降液壓電磁閥
|
|
|
|
1
|
|
|
升降控制
|
|
8
|
升降上下限位開關
|
2
|
|
|
1
|
|
|
升降控制
|
|
9
|
真空泵電磁閥
|
|
|
|
1
|
|
|
壓力控制
|
|
總
計
|
|
3
|
1
|
1
|
8
|
3
|
3
|
|
3.4 變頻器的選擇及通信
乳化機系統有主攪拌電機1個，均質電機1個，液壓站電機1個，真空泵1個，功率均為KW級，對于電能的消耗大，由于變頻器具有調速節能和軟啟動節能的作用，因此考慮選擇用變頻器。
本系統中選用臺達VFD-M和B系列的變頻器。根據人機界面上控制的轉速設定，輸出4～20mA的信號以調節電機的轉速，變頻器的運行需要和PLC進行MODBUS通信來確定是否啟動或停止。
4 控制系統的軟件設計
4.1 軟件設計的基本要求
操作功能主要是方便操作，需要人機對話界面。系統的規模越大，自動化程度越高，要求也越復雜，比如下拉式菜單設計、趨勢報警、I/O信息的顯示以及有關數據、表格的更新存儲和輸出等。圖4為設計的乳化鍋人機界面。
圖4 乳化鍋人機界面
4.2 I/O信號及數據結構分析
工業現場的檢測信號是多種多樣的，有模擬量也有開關量，PLC就以這些現場的數據作為對被控對象進行控制的源信息。通過對PLC的工作現場數據進行分析，確定了每一個I/O信號的地址。依據生產過程從前至后，I/O點數由小到大的原則把I/O信號集中編址。部分I/O信號的分配見表2。
表2 I/O信號的分配表
|
輸入
|
功 能
|
輸出
|
功 能
|
|
X0
|
前翻按鈕
|
Y0
|
真空泵電機
|
|
X1
|
后翻按鈕
|
Y1
|
翻轉電機正轉
|
|
X2
|
前翻限位開關
|
Y2
|
翻轉電機反轉
|
|
X3
|
后翻限位開關
|
Y3
|
油相鍋底攪拌電機
|
|
X4
|
上限限位開關
|
Y4
|
水相鍋底攪拌電機
|
|
X5
|
下限限位開關
|
Y5
|
液壓站電機
|
|
X6
|
急停開關
|
Y6
|
底部上升液壓缸電磁閥
|
乳化機的溫度控制系統是以三個鍋的溫度為被控制參數，冷卻水流量為控制參數的回路控制。由于鍋溫系統是具有大滯后和時變性的系統，被調量不能及時反映系統受到的擾動，調節器的動作需經過一定的滯后時間才能影響被調量，經常會引起系統的響應超調過大或發生振蕩，導致系統過渡到其他操作狀態，用常規PID控制很難得到滿意的控制結果。
本控制系統采用臺達公司的DVP48EH00R系列的PLC為核心部件，實現恒溫控制，控制系統的原理框圖如圖5所示[5]。PLC根據采集的信號計算出偏差e(t)和偏差變化率ec(t)，按照模糊PID的控制規則計算控制量u(t)，并輸出控制量u(t)。經過PLC的D/A轉換，變成4～20mA的電流信號，送到調節閥來調節蒸汽或者冷卻水的流量，實現系統溫度的智能控制。
圖5 控制系統結構圖
5 總結
本文采用臺達PLC、HMI、變頻器設計了一套均質機自動控制系統，開發成本低、操作方便，能夠實現在線監視、控制和警報。目前控制系統運行良好，顯著提高了乳化控制系統的自動化程度，降低了控制系統的超調量，減少系統運行時間，有效降低乳化機能耗。
