叶片线监控与数据采集系统开发与设计

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1.1 叶片线工艺流程与设备叶片线整个生产流程分为上烟包、切片、-润、二润、异物剔除、润叶加料和贮叶等 7个基本工序，如图l所示。整个生 产线主要 由切片机、超 级 回潮机 (-润)、热风润叶机(二润)、异物剔除机 、润叶加料机 、贮叶柜、喂料机、振动输送机、带式输送机、电子秤、计量秤、水分仪等组成。生产流程中的每-道工序都由相应的设备来完成，各生产工序之间用振动输送机或带式输送机来连接，构成了生产流水线。各工序的工艺任务如下：①上烟包：按叶组配方要求，将不同等级的烟包拆掉外包装箱，均匀地放在上包台上，通过平台计量秤对烟包进行称重计量；②切片：计量后的烟包由切片机切成厚度为 220 mm230 mm的烟片；③超级回潮(-润)：首先按-定比例将薄片掺兑到烟片中，然后对烟片进行松散、加温和加湿，制成具有-定温度和水分的叶片；④热风润叶(二润)：对-润中没有松散的烟片进行再次松散、加温和加湿，使叶片的水分和温度更加稳定-致 ；⑤异物剔 除：剔除叶片中的非烟草杂物，提高叶片的纯净度；⑥润叶加料：对叶片均匀、准确地施加糖料，调整叶片的含糖成分，改善叶片的品质；⑦贮叶：将叶片贮存-定的时间，使叶片充分均匀地吸收糖料和水分，为下-步的切丝工序作准备。

1.2 数据采集与控制功能1.2.1 数据采集数字量包括光电管状态、接近开关状态、限位开关状态、按钮状态、隔离开关状态、空开状态、380 V交流电源检测继 电器状态、24 V控制电压检测状态、网络供电电压检测状态等。模拟量主要包括电子秤的瞬时流量和 累计重量 ；-润、二润入 口与 出口叶片水分、温度；加水瞬时流量和累计量；蒸汽瞬时流量和累计量；润叶加料后的水分、温度；料液的料位、料温和瞬时流量等。只有准确地采集到这些过程数据，才能对生产过程进行 PID控制和集中显示生产过程参数。

图 1 叶片处理线流程图1.2.2 控制功能(1)数字量控制。①电动机顺序启停：切片机前的各台带式输送机由检测烟包的各组光电管进行顺序启拓制，以保证给切片机连续均匀地喂料，此外，各台电子秤前的喂料机底带和陡角带由检测高、中、低料位的各组光电管进行顺序启拓制，以保证给电子秤连续均匀地喂料；②指示灯：以发平光、闪光、不发光或收稿日期：2012-08-20；修回t：期：2012-09-11作者简介：段荣华 (1975-).男，云南漾濞人，助理工程师，硕士，研究方向：机电系统设计及控制技术。

· 166 · 机 械 工 程 与 自 动 化 20l3年 第 1期者发光颜色的变化等方式引起操作者注意或者指示操作者进行某种操作，并用以指示设备处于某-种状态或指令正在执行或已被执行；③电磁阀：用于控制压缩空气、蒸汽、料液和水等管路中阀门的开启和关闭。

(2)电动机变速控制。在生产过程中。许多设备应根据情况调整电动机转速以满足不同工况的需要。

(3)电动机正反转控制。喂料机和贮 叶柜的布料小车在工作时按-定规律做往复运动，要求对布料小车的电动机进行正反转控制。此外，贮叶柜上下层柜底带电动机要求进行正反转控制，以满足进柜、倒柜和出柜等不同需要 。

(4)整线集中控制。整个生产线的设备比较分散，且占线很长，现唱关只能用于控制单个设备，无法对整线设备进行协调控制，对整线的所有设备进行组合控制，有利于整个生产流程各环节之间的相互协调和衔接。

(5)模拟量 PID控制 。整个叶片线生产流程中，应对关键过程和特殊过程进行 PID控制。关键过程PID控制 ，是指在-润和 二润工序中对加水比例进行PID控制 ，以保证加工后叶片水分在工艺要求 的范 围内。特 殊过程 PID控制，是指对润 叶加料 比例进行PID控制，以使糖料按-定比例准确地施加到叶片上。

在关键过程和特殊过程的 PID控制中，加水流量或加料流量是以口1片流量为基准的，叶片流量稳定与否直接影响加水比例和加糖料 比例的准确性 ，故要对电子秤流量进行 PID控制 以恒定叶片流量。

2 叶片线监控系统开发设计2.1 监控与数据采集系统总体结构叶片线监控与数据采集系统整体结构框图如图2所示 。上位机系统 由两 台 SCADA 服务器、数据服务器 、WEB服务器 、工程师站、操作员站、ERP站和工艺质量管理站等组成。上位机系统通过 TCP，/IP以太网构建通信网络，所有设备都挂接到-台可网管以太网的交换机上。SCAI)A服务器负责采集下位机系统的数据，采用两台SCADA服务器实现双机冗余，当-台SCADA服务器出现故障时，系统会自动切换到另-台SCADA服务器上工作，提高了系统的可靠性和安全性。数据采集、数据维护和数据归档、网页发布分别由多台不同的服务器独 自承担 ，减少了单 个服务器 的数据吞吐量和工作量，提高了整个系统的运行速度和可靠 性，保证 了生产过程 监控的实 时性。此 外。

SCADA系统还为工艺质量管理 系统和 ERP系统提供了必要的基础数据.与工艺质量管理系统和 ERP系统进行了有效的集成，实现了生产管理信息化的要求。

下位机系统由 S7-400 PI C主站及其 E'I、子站 、S7-300 PI C从站、触摸屏、水分仪、流量计和变频器等-些智能设备组成，所有设备通过 DP接 口挂接在PROFIBUS1)P总线上。主站选用带 有 I)P接 口的CPU 4l4-3 DP拈，配置 CP 443-1以太网通信模块实现与上位机的通信。整个生产线的各工序都设有相应的ET子站箱，每个子站箱都配备了若干个数字量输入和输出拈、模拟量输入和输出拈以及馈电器模块等。各工序由各自的 ET子站箱完成数据采集和控制 ，整个监控与数据采集系统结构清晰，层次分明。

图 2 叶片线监控与数据采集系统结构框 图2.2 数据采集与控制2.2.1 数字量的采集与控制数字量信号由各工序相应的 E'I、子站箱的数字量输入拈进行采集，信号指示灯和电磁阀的控制由数字量输出拈完成；各工序设备 中不需要变速的电动机均由相应的 El、子站箱的馈 电器控 制启停，而需要变速的电动机通过挂接在 DP总线上的变频器来实现启停与变速控制；整个生产线电动机的顺序启停和连锁 由 S7-400 PLC主站进行统-控制 。

2.2.2 模拟量的采集与控制传感器输出的是模拟信号的.如-润出口测温仪等，此类信号通过 ET子站箱的模拟量输入拈进行采集；传感器带有 DP通信接口的流量计和水分仪等设备则直接挂接在 DP总线上进行数据采集；每台电子秤都配备有-台 s7-300 PLC负责瞬时流量及其累计值 的采集和流量的闭环 PID控制，S7-300 PI C通过 DP通信接 口挂接在 PROFIBUS-DP总线上与s7-400 PLC主站进行主从通信，实现了与主站之间的信息交换。此外.关键过程和特殊过程的 PID控制均由S7-400 PLC主站来完成 ，相应 E1、子站箱 的模拟量输入拈负责流量计反馈值的采集，模拟量输出拈驱动流量调节阀。图 3为特殊过程 (润叶加料 比例)PID控制原理框图。

l堡壅篁H L----- -----图3 润叶加料比例 PI1)控制原理框图2.3 上 位机监 控 系统上位机监控系统由过程参数与设备运行状况集中显示、趋势曲线、报表以及报警处理等几个拈组成。

监控系统 的主要功能如下：过程参数与设备运行状况集中显示-在主监控界面上显示整个生产线流程图.对牛产过程进行全2013年 第 1期 机 械 工 程 与 自 动 化 · l67 ·流程动态模拟和过程参数实时显示；此外，对设备进行动态着色，设备正常运行、故障和停机状态分别用绿色、红色和灰色等不同颜色显示，以实现设备运行状况的集中监视，有利于操作人员更好地监控整个生产过程和设备的运行状况。

(2)趋势曲线由实时趋势曲线和历史趋势曲线两部分组成。实时趋势曲线能直观地反映过程参数的当前变化趋势，历史趋势曲线能查询过去某个时间段过程参数的变化趋势。趋势曲线有利于操作人员对生产过程参数的波动情况进行查询和分析，寻求生产工艺的最佳运行规律，更好地指导生产操作，改善工艺，提高产品合格率。

(3)当生产过程中的设备出现故障时，系统能及时发出声光报警，并将发生故障设备的名称、等级、位置、时间、报警信息处理以及应答情况等显示或记录在各级计算机上，为设备维修人员故障查找提供了快捷有效的手段。

(4)为便于生产管理，系统提供了各种报表自动生成功能，按时生成各类报表，如设备运行状态报表记录设备开停机次数、故障情况、故障时间、运行时间等；过程参数报表记录温度、水分、加料比例等过程参数在各时刻的情况。

(5)为提高系统安全规则或者安全策略，提供了用户操作权限管理。工程师可以修改系统参数；中控操作员只能修改各个过程参数的设定值，而不能对系统参数进行修改；现场操作员只能查看设备运行和过程参数的变化情况，而不能进行参数设定值的修改等。

(6)为了分析和评价系统的运行状况，系统提供了事件顺序记录功能，自动对报警与报警处理、用户登录信息、设备操作、重要参数与过程数据修改等事件进行记录，为预测和分析系统故障，快速查找故障原因，眷修复故障提供了重要依据。

3 结束语该系统已投入运行多年，结果表明系统运行平稳、有序、过程参数控制精确，很好地完成了监控与数据采集功能，保证了生产过程的稳定性，降低了设备的故障率，提高了系统的可靠性，实现了生产过程控制精确化和生产管理信息化的要求，达到了预期的设计效果。