水性聚氨酯涂料生产自控系统

水性聚氨酯涂料生产自控系统①
燕夏婧1 张继深2 闫宝瑞1
(1． 北京化工大学机电工程学院; 2． 秦皇岛市抚宁化轻机械厂)

水性涂料以水作为稀释剂和清洗剂，避免了使用对环境有害的有机溶剂，减少了对环境的污染，同时具有更优异的不沾性和耐用性。为了提高生产效率，提升产品竞争力，节约人力成本，保证原料物料用量的精确，并实现物料用量数据的自动采集记录，以聚氨酯水性涂料自动化生产项目为例，介绍水性聚氨酯涂料生产自控系统的配置、组态、软件主流程和上位机监控界面的设计与应用。.

1 工艺流程简介
水性聚氨酯涂料生产线(图1)共设有3 层平台，3 层平台上分别布置有17 个原料储罐(A1X ～ A15X、Ｒ1、Ｒ2 对应原料为A ～ Q)，4 个称重罐(ZC1 ～ ZC3、ＲC1)，2 个滴加罐(DJ1、DJ2)，1个粉料槽，1 个分散罐(B1)，2 个搅拌罐(B2、B3)和1 个成品罐(B4)。

水性聚氨酯涂料生产工艺流程主要分为4 个步骤:
a． 分散料配置。通过4 个称重罐和粉料槽分别依次称量不同重量的水、A 料、D 料、B 料、粉料、C 料、E 料、P 料及相应的冲洗水，加入B1 分散罐中，每加入一种物料均需搅拌一定时间后方可加入下一种物料。
b． 稀释液配置。先通过ＲC1 称量一定重量的水，之后由人工将某原料加入滴加罐，搅拌至完全稀释后在固定时刻加入B2、B3 罐。
c． 滴加液配置。滴加罐中加入定量水、L 料和M 料并搅拌一定时间，在固定时刻滴加入B2、B3 罐。
d． 成品配置。通过4 个称重罐和粉料槽分别依次称量不同重量的水、H 料、E 料、P 料、分散液、P 料、Q 料、L 料、K 料、I 料、滴加液(一定时间内加完)、H 料、D 料、E 料(分两次加入，第1 次加入后搅拌一定时间再进行第2 次加入) 及相应的冲洗水加入B2、B3 搅拌罐，每加入一种物料均需搅拌一定时间后方可加入下一种物料。流程结束后送质检，合格则装入成品罐，不合格则继续搅拌或人工加入物料进行调节，直至质检合格后送入成品罐。

2 控制系统的功能
水性聚氨酯涂料生产自控系统要求实现加料顺序控制、物料定量称重、数据采集与记录和储罐液位测定功能。
加料顺序控制。本项目涉及到的制品不是多种物料的简单混合搅拌，而是需要加入某种物料搅拌一定时间后再加入另一种物料继续搅拌，最终制成成品。同时，还需提前制备分散液和滴加液，在流程固定时间加入。这就要为17 种物料分别定义标志位，需要加入某种物料则相应标志位置1，通过识别该标志位确定当前需要打开的阀门。
物料定量称重。通过称重罐对物料进行称重，称重罐由3 个称重传感器形成三角支撑，总重为3 个传感器的总和。储料罐中的物料通过电磁阀的开闭加入称重罐，由PLC 采集电子秤当前重量，与设定值实时比较，当重量达到设定值时关闭电磁阀，实现重量控制。
数据采集与记录。本项目需采集实时数据并记录。通过PLC 采集数据，由WinCC 显示并存储，以便后续查看并改进工艺。
储罐液位测定。由于储罐位于第3 层平台，与厂房顶部距离较近，因此需采用差压式液位传感器进行液位的测定，并要求该液位在工控机和加料处的触摸屏上实时显示，帮助操作工了解物料状态以便进行物料的补充。

3 电控系统
3． 1 PLC 组态
如图2 所示，本项目控制部分硬件设有2 台工控机、2 个触摸屏和4 个控制柜，通过Profibus实现通信。需要注意的是，每个设备设定地址必须不同，否则会出现通信错误。除此之外，为了避免突然断电导致CPU 无法保存当前状态而出现的加工流程错误，还为控制系统配备了UPS 电源，在断电时保证PLC 正常工作，直至设备重新通电，继续进行当前流程。通过WinCC 进行工控机程序的编写，实现生产过程中物料重量、电机转速的实时监视与记录。两个触摸屏分别位于称重层和另一车间的加料处，称重层触摸屏便于操作工人实时观察称重量，加料车间处触摸屏主要供操作工向15 个储罐加料并记录加入物料量(该值通过工控机记录)。

4 个控制柜是电控系统的核心，由于一个PLC 最多只能带8 个模块，而此项目控制变量多，所需模块数量多，因此设计了1 个主站和4 个从站，每个主站和从站带有各自的数字量和模拟量模块(图3)，以实现项目控制需求，采用Step7 编写程序。主站和从站采用Profibus-DP 总线连接，相较于一般总线来说更为稳定、高速且成本低，可快速有效地进行数据传输，理论上S7-300PLC 可带124 个从站。

3． 2 PLC 程序
采用Step7 软件进行PLC 程序的设计与编写。用FC、FB 程序块进行子程序的编写，最后在主程序块OB1 中引用，以降低主程序的复杂程度，增强程序的条理性和可读性。
本项目中，成品的制备主要在两个搅拌罐(B2 和B3 号)中完成，可实现B2、B3 分别单独生产或同时生产。但是由于在流程中的某一步需加入由分散罐制成的分散液，而本项目中仅有一个分散罐B1 用于分散液的制备，且物料与物料加入搅拌罐的时间间隔需严格按照工艺流程进行，因此两个搅拌罐无法同时开始进行成品的制备，但若等待B2 罐完成成品制备后再开始B3 罐成品的制备则会降低生产效率，为解决这一难题，将每个罐的生产程序分为两个FC 块( 前半段和后半段)，B2 前半段生产完成后，B2 后半段和B3 前半段同时开始，由于分散液的制备程序属于前半段，因此避免了B2 和B3 同时使用B1 分散罐，同时也实现了B2 和B3 罐同时生产，提高了生产效率。此外，两罐生产完后可通过上位机提示按钮选择是否继续生产第3 罐和第4 罐(图4)。

除此之外，还为用户开放了手动操作模式，取消了各个物料之间的联动过程，用户可以选择加料顺序、重量及搅拌时间等，通过手动操作进行新产品的试验，确定最终工艺流程后，可在上位机工艺参数界面输入并保存，需要使用某一工艺时直接选择并应用即可，节省了更换产品时重新输入工艺参数的时间，提高了生产效率。
3． 3 WinCC 界面
为了更好地实现人机交互，帮助操作人员了解加工过程中的各项参数，采用WinCC 设计了14个交互界面实现该流程的监控。
主界面包括实际硬件的所有特征，整体呈现动态特征，阀门关闭时为红色，开启时为绿色，当管道中有液体流动时会呈现动态流动特征，同时在提示框中会提示当前所进行的步骤，方便相关工作人员更加直观地了解当前流程所进行的步骤。界面最下端是报警信息提示，方便及时了解当前报警状态。每个罐体上显示有当前体积、物料重量、搅拌转速及剩余时间等变量。
1、2 号搅拌罐时空图则是以工艺流程图的形式显示当前加工步骤，当流程进行到某一步时相应图框及其流线改变颜色，相较于主界面来说更为直观。
上料界面主要是对另一车间上料过程进行控制，操作人员可以在上料界面设定每个储罐的液位报警值，同时对上料过程给予权限，未获得权限的储罐无法在另一车间实现上料。
质量记录界面记录生产过程中每个物料加料量的设定值、实际值、绝对偏差、相对偏差、搅拌速度及时间等，同时在一次加工完成后自动连接打印机进行打印并存储于计算机，供工艺设计人员参考。

4 结束语
水性聚氨酯涂料生产自控系统投入实际运行后，产品质量稳定，生产仅需两名操作工在现场，一名在控制室监控流程运行状态，另一名在工作区待命，节省了人力成本，降低了生产成本，自动化程度较高。