| PLC工控機和稱重儀表的配料系統 | 2021-02-06 |
配料系統中工人首先將材料運送到稱重車間，稱重完之后，再將材料手動送到配料系統上進行配料，稱重車間使用了稱重儀表進行稱重，通過RS232口和工控主機相連，位于中控室的工控主機負責記錄稱重結果，顯示稱重數據，同時，控制人員可以在中控室通過控制電路手動控制配料過程的起停。 這種方式效率低下，同時主機上運行的是C 語言開發的DOS 程序，可擴性差，人機交互困難，不能完成自動配料的所有要求。為了提高生產率，降低成本，需要采用全自動配料系統。 新系統采用主從式結構。以工控機為上位主機，以西門子PLC 、變頻器和稱重儀表為下位從機。主機處于主導地位，實現對各從機的通信管理和控制，將工控機的RS-232異步通信口經電平轉換后與PLC 相連，形成上下位機通信的一個物理通道；將主機的另一個RS-232口和稱重儀表的通信口相連，構成第二個物理通道。上位機采用輪詢方式，逐個與從站通信。上位機把任務規劃的結果傳送PLC ，在PLC 進行控制的過程中，上位機使用上位機連接命令監視下位機的運行狀態和數據區內容，實時讀取PLC 的內部狀態以及稱重儀表的實時數據，在上位機上顯示。 系統具有如下功能：①全自動配料，在設定好配方之后，稱重系統自動按照配方稱重配料，無需操作人員干預；②具有報表功能，可以產生日報表，實時報表和月報表、年報表等；③動態增加和修改報表，系統通過設定權限，賦予技術人員或操作人員修改，增加配方的權利，同時記錄該次修改的日期和操作人員編號；④斷電恢復功能，稱重系統能夠在突然斷電的情況下，恢復斷電前的測量記錄；⑤局域網共享功能，主機在局域網內可以共享數據，方便車間主管了解工程進度和其他情況。整個全自動配料混合稱重系統由工控機、PLC 、工業稱重儀表、變頻器、振動電機、混料機、傳感器、傳送帶等部分組成。 上位工控機提供人機交互界面，完成控制信息輸人、數據管理、進行數據顯示、存儲、統計和報表等功能，上位機采用IPC810工控機，它的主要工作如下：工控主機首先根據操作人員的指令，讀取某個編號的配方，然后，根據配方中配料的比例及先后順序，向PLC 發出開始配料的指令，使得PLC 能夠起動特定的變頻器。在配料過程中，工控主機以輪詢的方式，一方面實時讀取PLC 的狀態字，了解PLC 及PLC 下級設備的運行狀態；另一方面實時讀取安裝在配料機上的稱重儀表的稱重數據，按照配料策略，當稱重接近配方中的設定值時，主機向PLC 發出停止本次配料的指令。當一個配方上的所有材料都配完后，整個配料過程暫停，等待操作人員的指令。 運行過程中，PLC 與上位機實時通信，從而保證界面上顯示的數據與現場實際數據的一致性，操作人員在上位機上發出的操作命令和設定參數都可以實時送到PLC ，PLC 的主要工作有：①接收上位機發送來的命令，通過變頻器控制振動電機的起、停和快慢；②將變頻器的運行狀態實時寫入內存數據區，供工控機讀取；③將自身的各種狀態以狀態字的形式準備好，共工控機實時讀取。 控制策略及配料過程 通過對配料過程的特點進行分析，得到配料過程具有如下特點： （1）被控對象是單向的不可逆系統。原料沒有辦法從配料系統中重新回到傳送帶上。 （2）具有明顯的時滯性。當配料達到設定值時，PLC 控制電機停止傳送原料，這時傳送帶上具有部分原料無法回收，所以配料系統具有明顯的時滯性。 （3）受控特性是開關性的。系統的起、停控制等都是開關量。 （4）在正常工作區內是線性的。 因此，我們考慮采用快速、慢速、提前發出停止加料指令等控制策略，同時利用PLC 的互鎖技術確保配料的順利進行。系統起動后，工控機向PLC 發出開始加料信號，PLC 控制變頻器驅動電機進行快速加料，同時，工控主機通過串口持續不斷的讀取稱重儀表的稱重數據，當重量值接近設定值時，工控主機向PLC 發出停止加料的控制指令，此時，PLC 控制變頻器進行慢加，通過事先估計出傳送機構上原料的殘余，設定值和實際加料的差值和傳送機構上原料的殘余相當時，PLC 真正發出停止指令，該指令由變頻器執行，從而控制電機停機，停機后傳送機構上的原料無殘余，配料精度符合要求。流程如圖１所示。 工控主機軟件設計 工控機主要完成的任務如下： （1）提供配料系統配料過程的動畫顯示。 （2）向PLC 發出控制指令，讀取PLC 的運行狀態。 （3）讀取稱重儀表上的稱重信號，并將稱重值在顯示器上顯示，根據稱重數據，向PLC 發送指令。 （4）數據庫和報表，保存配料數據，打印報表。 產品與應用 配方的增加與修改。 配料故障輔助報警等其他功能。 配料軟件的界面設計 上位工控機使用紫金橋組態軟件設計人機界面，工業控制組態軟件實際上是一種能由用戶根據自己的需要進行二次開發的軟件開發平臺。我們可以根據工藝要求在該平臺上對整個監控系統開發出友好的人機界面，操作員通過該界面可以與現場設備進行實時交互。紫金橋軟件是HMI/SCADA 工業自動化組態軟件，它提供了一個高度集成化、可視化的開發環境。該軟件具有如下一些特點： 多種通信功能。 紫金橋組態軟件[3]支持如下通信功能： 1）支持RS232、RS422、RS485等串口通信方式，并支持無線電臺、電話撥號、電話輪詢撥號等方式。 2）以太網通信同時支持有線以太網和無線以太網。 3）所有設備的驅動程序均支持GPRS 、CDMA 、GSM 等移動網絡標準。 （2）方便的開發系統。豐富的組件和控件構成強大的HMI 開發系統；增強的過渡色與漸進色功能，從根本上解決了很多同類軟件在過多使用過渡色、漸進色時嚴重影響畫面刷新速度和系統運行效率的問題；更加靈活多樣的矢量子圖，使得制作工程畫面更快捷；提供面向對象編程方式，內置間接變量、中間變量、數據庫變量，支持自定義函數和自定義菜單。 （3）開放性。紫金橋組態軟件的開放性表現在如下幾個方面： 1）支持Excel 以VBA 的方式訪問數據庫。 2）軟件為開放式體系結構，全面支持DDE ， OPC ， ODBC/SQL ， ActiveX ，DNA 標準。以OLE ， COM/DCOM 、動態鏈接庫等多種形式提供外部訪問接口，便于用戶利用各種常用開發工具（如：VC++、VB 等）進行深層的二次開發。 3）組態軟件I/O 驅動程序的體系結構為開放式結構，其接口部分源代碼公開，用戶可以自行開發新的驅動程序。 4）數據庫功能.組態軟件內置了實時數據庫，而且實時數據庫又內置多種功能塊，來完成數據處理與存儲，可實現累計、統計、控制、線形化等多種功能。 5）支持多種設備及總線。支持國內外大部分廠家生產的PLC 、調節器、智能稱重儀表、智能終端、智能模塊；此外，還支持Profibus ，Can ，LonWorks 和Modbus 等標準的現場總線。 3.2 系統的I/O 點數組態軟件用實時數據庫點來表示I/O 點。經過分析，系統需要三個I/O 點，兩個數字控制點用來通過PLC 控制電機的起、停，因此這兩個點的數據鏈接選擇分別為PLC 的兩個數字量輸入輸出通道。一個模擬點用來表示從稱重儀表上讀取的實時數據，因此，該點的數據鏈接為稱重儀表的測量值。 通信程序設計 通信程序設計主要包含三部分，部分為主機與PLC 的通信；第二部分為主機與稱重儀表的通信；第三部分為PLC 與變頻器之間的通信。 4.1 主機與PLC 的通信 組態軟件一般都內置了主流PLC 的驅動程序，首先在紫金橋組態軟件中新建一個PLC 虛擬設備，該虛擬設備的型號必須和使用的真實PLC 的型號一致，如果在組態軟件中找不到所需的PLC 的型號，則可以委托軟件廠家免費開發一個新的該型號PLC 驅動。虛擬設備用來映射真實的設備，這里，我們使用的PLC 是SimensS7-300，設定主機通過串口1和PLC 通信。 4.2 主機與稱重儀表的通信 針對稱重儀表，我們使用的是的稱重儀表，為了使儀表和組態軟件很好的通信，我們特別委托紫金橋公司為該儀表開發了驅動程序。首先我們從組態軟件的驅動列表中選擇一個我們需要的設備類型，并針對該類型，建立一個虛擬設備，用來映射真實的稱重儀表，然后設定儀表與計算機的通信端口及通信協議。 PLC 與變頻器之間的通信 自動配料系統由于配料車間有多種原材料，為了配料方便，我們設置了多個傳送帶，所以配料系統一個PLC 需要鏈接多個變頻器。為此我們在PLC 和變頻器之間使用了Profibus 總線進行通信，將專用的Profibus 通信模塊插入到變頻器上，并設定好變頻器的從站地址，然后通過Profibus 連接器接入到PLC 中，PLC 通過編程，實現對該變頻器進行報文的發送與接收，將控制字發送到變頻器，同時把狀態字從變頻器中讀取回來。 CPU315-2DP 作為Profibus 主站，每個與主站通信的變頻器可以看作是一個Profibus 從站。通信時，主站根據通信報文中的地址字符來選擇要傳輸數據的從站。從站本身不能主動發送數據，各個從站之間也不能直接進行信息的傳輸。
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