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1 引言

牙膏封盖机是一个机电一体化的产品，其核心是控制系统。该控制系统方案基于DELTA（台达）AE系列人机界面、SS系列PLC、ASD－A伺服系统等产品的有机组合，借助其产品的数据通讯功能能够很灵活地构造控制方案，它相对于传统的D/A模拟量控制具有可靠性更高，控制更的优点。以下重点讨论各系统如何利用通讯功能以实现其间的数据交换和如何使伺服系统的响应速度和机械的扭矩限制相匹配，以实现在牙膏封盖机上的牙膏封装工艺要求。

2 牙膏封盖机的工艺要求和机械结构

牙膏封盖机是牙膏包装生产线上的关键性设备，主要用于牙膏灌装后的封盖动作，其工艺要求如下：（1）封装速度能够配合前端灌装生产线的送料速度，实现封装速度可以调节；（2）能够对牙膏的封盖扭力进行设定，并只有在封装扭力达到设定值后才能继续封装，以保证牙膏盖的封装质量；（3）能够对来料的相关参数进行检测，并实现自动送料。牙膏封盖机的机械结构如图1所示。

图1牙膏封盖机的机械结构示意图

3 控制系统的硬件配置和功能设计

通过对整个机械工艺特点和功能要求的分析，确定程序控制单元采用PLC实现，HMI人机界面作为监控单元，选择SERVO驱动单元作为速度和扭力控制单元，以满足整个机械的电气控制硬件要求，其电气系统控制硬件架构如图2所示。

图2电气控制系统硬件架构

1）PLC程序控制单元

程序控制单元采用DELTASS系列小型PLC，其主要特点有：

（1）体积小巧，成本更低；

（2）14点主机设计，8点数字输入和6点晶体管输出；

（3）内建RS232和RS485双通讯端口，可以采用通讯方式读取HMI设定数据。

PLCI/O点规划如表1所示，PLC与HMI关联M辅助继电器定义如表2所示。

表1PLCI/O点规划

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2）HMI监控单元

HMI监控单元的主要任务包括：

（1）模式功能的选择（运行模式M3、监控模式M2、参数模式M1）；

（2）控制功能（运行M4、停止M5）；

（3）监控功能（PLCI/O状态的读取、伺服I/O状态的读取、加工总数等信息）；

（4）参数设定功能（封盖伺服速度设定、封盖伺服扭力设定）。

HMI监控单元采用DELTADOP－A5.7’系列彩色人机界面，以实现对控制系统的操作、监控和参数设置等功能，有以下主要特点：

（1）256色彩显示，5.7’监控界面；

（2）支持双通讯联机功能，可同时连接2种不同协议的控制器，方便架构多机联机网络；

（3）软体内建与台达PLC和伺服通讯及内部协议，可以方便编程，简化设计；

（4）可以通过多级密码设定功能来实现多用户管理；

（5）内建万年历功能。

HMI支持双通讯联机功能，可同时连接2种不同协议的控制器。本案使用HMI的COM2与PLC进行RS485通讯，用以设定PLC程序中的按钮等元件，并可将PLC的运行状态反馈在HMI上，此外还使用了HMI的COM1与SERVO进行RS232通讯，用以与伺服内部寄存器交换数据，架构见可图2。

该方案的优点在于无需增加任何通讯模块，其控制功能是在各控制单元硬体和软体自身通讯功能的基础上构建实现的，因此可以使成本更低、应用更方便、性能更稳定。

HMI人机界面规划如图3所示。

a) 待机模式LCD画面

b) 自动模式LCD画面

c) 监控模式LCD画面

d) 参数模式LCD画面

图3人机界面规划示意图

表3要素的相关说明

3）SERVO速度和扭力控制单元

SERVO单元的主要任务包括：

（1）对封盖时电机速度的调节；

（2）对封盖时电机输出大扭力的调节和检测。

SERVO单元采用DELTAASD－A系列100W伺服系统，以实现对机械封盖时速度控制和对封盖时大扭力进行限定。它有以下主要特点：除传统的位置控制、速度控制和扭矩控制外，有PR通讯模式、内部速度和内部扭矩功能；内建RS232/RS485/RS422通讯端口，可以采用通讯方式快速获取相关数据；具有扭力限制功能，开启该功能，能够限制电机输出的大扭矩。伺服单元相关参数设定如表5所示。

表5伺服主要相关参数的设定

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这里需要说明两点。

（1）关于内部速度模式的说明

伺服速度模式主要应用于对机械速度精度要求比较高的场合。伺服单元有两种命令的输入模式，即外部模拟量输入（即S速度模式）和内部寄存器输入（即SZ内部速度模式）。当选择SZ模式时，可以通过通讯的方式改变命令寄存器1－09（地址0109H）的内容值，并且还可通过伺服外部的DI-SPD0输入来切换命令，如表6所示，SZ模式下的时序图如图4所示。由上述可知，在内部速度模式下，只要改变伺服内部寄存器1－09的内容值,即可改变伺服电机执行封盖的速度。

表6命令切换

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图4SZ模式下的时序图

（2）关于大扭矩限制功能的说明

伺服扭矩限制功能通过伺服外部DI2TRQLM开启后，电机的大输出扭矩设定值＝电机的额定输出扭矩×P1－12的设定％，单位NM。100W的伺服系统额定扭矩为0.318N.M，当P1－12设定为10时，电机大输出扭矩＝0.318×10％＝0.0318N.M。当伺服扭矩限制功能开启后，可由通讯方式改变命令寄存器1-12（地址010CH）的内容值,并可通过伺服外部的DI输入切换扭矩命令的来源。当电机输出扭矩达到设定的电机大输出扭矩后，电机会停止运转，并且以反作用力的形式保持，同时伺服单元的DO输出TQL便会由OFF变为ON，扭矩限制功能时序图如图5所示。

由上述讨论可知，只要在开启扭矩限制功能的前提下，改变伺服内部寄存器1－12的内容值，即可限制伺服电机输出扭力的大小。

图5扭矩限制功能时序图

（3）其他辅助单元

其他辅助单元还包含给控制回路提供电源的DC24V开关电源，DC24V微型电磁阀，以及外部紧急停止按钮等辅助电器元件。

4 工艺过程程序设计

牙膏封盖机控制系统并不复杂，但是对工艺过程却有严格要求。根据生产线生产设备对工艺过程各个环节对工艺的具体要求，经过分析可以绘制出整个生产过程的程序动作流程图，如图6所示。按照该动作流程图编制出各子模块的相关程序并非难事，具体程序在此从略。

图6程序动作流程图

5 结束语

在上述基于台达HMI＋PLC＋SERVO的牙膏封盖控制系统的应用案例中，文中只对基本原理作了说明。借助台达产品据通讯功能的优势，能够很灵活地构造各种控制方案，它相对于传统的D/A模拟量控制具有可靠性更高、稳定性更好、控制精度更高的优点

　　1 引言

　　我国是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一，目前每年煤炭消费量约12亿吨，其中80%通过燃烧被利用。然而，燃烧设备陈旧、效率低、排放无控制造成了能源和环境污染严重，能源节约与环境保护已成为现有燃煤技术所需解决的主要问题。我国现有大量的电站锅炉和供热锅炉，每年耗煤量占我国原煤产量的比例相当惊人，但大多数工业锅炉处于能耗高、浪费大、环境污染等严重的生产状态。故提高热效率，降低耗煤量是一件具有深远意义的工作。

　　国外燃煤锅炉自动控制，随着现代工业的发展主要经历了初创、成熟、扩展几个时期，而燃烧系统的控制，始终作为燃煤锅炉自动控制的重点课题。美国的FOXBORO公司在推出I/A SERIS智能锅炉自动控制系统，德国德莱斯勒燃烧器公司,以及英国海威燃烧工程公司研制出的锅炉控制系统，其燃烧系统的控制都在一定条件下，达到了较好的控制效果；而锅炉燃烧系统控制采用的模型算法的发展趋势，基本上都是采用智能控制、专家系统、模糊控制以及常规控制集成到系统中。

　　我国燃煤锅炉自动控制系统经过十几年的发展，正在走向成熟。有代表性的为：大连海运学院的DMC锅炉控制系统，重庆钢铁公司的工业炉窑模糊控制自动化系统，湖南康通信息技术有限公司的锅炉智能控制系统。与国外同类系统相比，国内锅炉控制系统正处在不断完善、逐步走向成熟阶段。虽然我国燃煤锅炉燃烧系统的控制模型算法发展趋势向国际前沿靠拢，但是结合燃煤供暖锅炉运行实际，燃煤锅炉燃烧控制系统的运行效果一直不很理想。主要表现在不能够有效的满足负荷需求，热效率不能够得到有效的提高，投运时过于依赖有经验的操作人员，数据化控制不强。如何结合燃煤锅炉运行实际，设计行之有效的锅炉燃烧系统控制模型，是燃煤锅炉控制系统中一个迫切需要解决的课题。为了解决这个问题，我们在哈市某供暖小区采用日本OMRON公司的CS1控制系统而研制开发了锅炉智能寻优自动控制系统，保证锅炉安全、稳定、经济运行的同时，实现了锅炉智能化、自动寻优控制，达到了保护环境，大大提高锅炉燃烧效率，节约能源的目的。


　　2 控制系统设计及实现

　　2、1锅炉系统运行结构分析

　　供暖锅炉系统是一个多容系统。每台炉的热负荷用给煤、送风、引风调节，作为内部燃烧系统控制；给水控制的任务主要是控制供水流量和回水流量 ,从而间接地影响回水温度和供回水温差。单台锅炉内部燃烧系统的给煤、送风调节耦合性强；且燃烧控制与给水控制及采暖也有复杂的耦合关系。同时，各炉并网运行时各炉之间也相互耦合，特别是取暖负荷变化较大时，各炉间耦合更为突出；而取暖负荷本身的调节又是一个带纯滞后的非线性过程；为了解决相互间耦合、过程滞后及非线性过程所带来的系统不稳定等，前台程序用Visual Basic语言来实现自动寻优、组织运行算法等，通过动态数据交换与KINGVIEW上位机软件通讯，实现监测、控制。


　　2、2 燃烧效率曲线

　　大多数工业锅炉处于能耗高、浪费大、环境污染等因素，与燃烧有直接关系，从各种燃烧装置的实际运行都可知道：如果空气量不足，燃烧不充分，燃烧效率低；但空气过多也会使排烟带走的热量增加，同样也是不经济的。根据以上分析知有以下曲线：

图一　燃烧效率曲线

　　关于燃烧问题存在一个普遍的燃烧效率山顶现象，即热效率对空燃比来说都有一个大值，可以肯定燃烧效率η是空燃比k的上单峰函数，这是在燃烧系统进行优化控制的基础。[1]可记作：η=f(k)，根据此函数可得燃烧效率与空燃比之间的函数关系，达到佳燃烧值点，提高效率，节约能源。
2、3 专家系统自寻优算法模型
设η=f(k)在约束条件a≤k≤b下是一个上单峰函数，则用改进的极值搜索法设计的自寻优算法模型计算过程如下：

图二　自寻优算法模型框图

　　寻优步长 SOP;计数器 n;

　　专家系统模型具有两个独特鲜明的特点：

　　①具有智能性，无论寻优的起始点在大值的哪边，它都可以迅速找对优化的方向；
　　②它可以达到任何所要求的寻优精度[2]。


　　2、4 锅炉燃烧效率公式

　　　　η=Q1/Q η燃烧热效率;Q1锅炉供热量;Q锅炉给热量
　　　　Q1=G*ΔT G总循环水量; ΔT供回水温差
　　　　Q=T*Qnet T锅炉耗煤量; Qnet煤低位发热值

　　通过以上计算公式与锅炉自寻优算法调配风煤比相结合,可降低锅炉耗煤量,大大提高热效率。


　　3 软件设计

　　根据控制方案及用户要求，计算机控制系统主要完成下列功能：工艺参数显示功能、参数的修改与设置、输出量的控制、事故记录的报警及保存、报表数据查询打印等。我们选用Visual Basic 作为前台程序设计语言[3]，实现自动寻优算法，与亚控公司的KINGVIEW软件进行数据交换，Microsoft Access 作为后台数据库系统，用于保存故障、报警等数据。软件编制主要包括上位机流程图与下位机控制程序。

　4 锅炉智能控制的设计

　　由取暖小区需求供热量、锅炉系统实际总供热量和取暖小区实际消耗热量，以及能量损失等数据组成检测知识库。来实现检测点数据的识别、数据格式的转换、热效率计算、燃烧状况的测定等推理操作；经数据过滤、分类、分析等数据处理后，送锅炉系统信息数据库。
由时变非线性负荷给定模型形成供暖锅炉组的控制知识库，即形成满负荷运行炉、帮烧调节炉、停烧炉及其运行时间等控制知识库的规则[1]。由控制推理机来实现燃烧系统的负荷给定和优化燃烧，且得到随负荷变化的负压给定。

　　结合锅炉工艺运行，实施推理规则为：用给煤、鼓风、引风粗调负荷后使系统燃烧满足负荷需求且炉膛燃烧趋于稳定，再采用热效率寻优模型细调风煤比寻优，可有效完成锅炉系统运行达到热效率极大值点，实现经济燃烧的目的。

图三 供暖锅炉专家智能控制系统

　　由取暖小区需求供热量、锅炉系统实际总供热量和取暖小区实际消耗热量，以及能量损失等数据组成检测知识库，由检测推理机来实现检测点数据的识别、数据格式的转换、热效率计算、燃烧状况的测定等推理操作，经数据过滤、分类、分析等数据处理后，送锅炉系统信息数据库。

　　上述小区供暖锅炉智能控制系统运行成功的关键问题，是锅炉燃烧控制知识库的规则获取。我们考虑控制规则可以来自于四个方面：锅炉燃烧过程运行理论，运行专家的操作经验，工业现场实际经验的摸索，运行过程中的不断完善。

　　专家智能控制系统是用前台语言Visual Basic实现的，上位机KINGVIEW软件将锅炉实时运行的数据存入数据库，表中可清晰了解锅炉每小时运行数据，供、回水温度、炉温、温差、供热量、给热量、耗煤量、室外温度，包括锅炉的热效率和负荷率。锅炉运行情况、节煤情况等一目了然，提高了管理水平。

　　专家智能控制系统另外一个突出的优点是，组织运行策略，计算机了解室外平均温度后，可自动根据组织运行策略，自动起机、自动燃烧、自动寻优、自动停炉，按时打印报表，全自动运行。

　　燃烧系统的负荷和燃料的协调达到理想状态，从而节约大量燃料和电能，并使锅炉寿命延长。减轻了对大气污染，真正达到了环保的目的。另外，自动化的管理模式保证锅炉运行的安全、稳定，减轻操作人员的劳动强度。


　　5 结束语

　　本文根据智能自动化的系统理论，设计这一供暖锅炉智能专家控制系统；通过供暖锅炉控制系统的运行环境的取暖需求模型，作为建立专家智能系统的关键，强调供暖运行效果；采用一种面向应用对象功能实现的自寻优算法模型，克服多回路耦合和煤质干扰，很好的解决了锅炉燃烧控制难题，自动化程度及控制精度都较高，主要技术指标有炉膛负压控制精度：士2Pa；空气过剩系统：小于1.8；渣含碳量：小于15%；热效率比手动控制提高：4%；变频调速节电：30%；节煤：每台锅炉（以20吨每小时为例）年节煤2000吨。本套锅炉系统具有人工智能、全自动运行，提高效率等优点，为国家大大节约能源，在国内各类型锅炉中具有很好的推广价值。