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前言    
配料是鐵合金生產(chǎn)中的重要組成部分，在生產(chǎn)過程中，機械將各種原料嚴(yán)格按照比例均勻混合。目前工廠一般釆用兩種方法，一種是人工稱重，然后將稱好的物料一起放入輸送皮帶或小車上進(jìn)行上料，經(jīng)過爐頂過渡料倉，最后進(jìn)入礦熱爐；另外一種是自動稱重，自動上料,人工干預(yù)少。由于原料里面有很多粉塵，人工配料時容易吸入而導(dǎo)致職業(yè)病。增加了生產(chǎn)風(fēng)險和勞動力成本，同時每日需要配料批次較多，人工容易導(dǎo)致失誤，最終造成產(chǎn)品質(zhì)量問題，增加了管理成本。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，需要采用準(zhǔn)確可靠的自動配料系統(tǒng)。
自動配料系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)。以工控機為上位主機,PLC、稱重儀表為下位從機，上位機處于主導(dǎo)地位，實現(xiàn)對各個從機的通信管理和控制。工控機通過CP5621卡與PLC間通過ProfibusDP總線相連，通過DP-Modbus網(wǎng)關(guān)與稱重儀表相連。
1自動配料系統(tǒng)

1.1控制系統(tǒng)構(gòu)成（見圖1）
整個全自動配料混合系統(tǒng)由工控機、PLC、工業(yè)稱重儀表、變頻器、振動電機、混料機、傳感器、傳送帶等組成。
每臺礦熱爐用一個配料站，根據(jù)日料倉的個數(shù),下設(shè)相應(yīng)稱重料斗，每個稱重料斗對應(yīng)一塊稱重儀表。每個日料倉下設(shè)一個稱重料斗，由一臺小皮帶

機將日料倉內(nèi)的料向稱重料斗內(nèi)喂料，達(dá)到稱重儀表所設(shè)定的重量時，自動停止喂料，并發(fā)出放料信號，此信號進(jìn)入PLC系統(tǒng)內(nèi)，由PLC控制稱重料斗下小皮帶機放料，喂料小皮帶機由稱重儀表控制啟停，放料小皮帶機由PLC控制啟停。
1.2稱重儀表的組成及工作原理
通常稱重儀表由稱重傳感器(WZ)、稱重變送器(WT)、稱重控制器(WIC)組成。
稱重傳感器由金屬彈性元件本體和與其相連的電阻應(yīng)變片構(gòu)成,4只電阻應(yīng)變片組成一個惠斯通電橋。被測物的重力G使彈性元件產(chǎn)生形變e。這一形變引起電阻應(yīng)變片的延伸，壓縮形變e。根據(jù)虎克定律，彈性形變與外力成正比,根據(jù)電阻應(yīng)變效應(yīng)理論：電阻應(yīng)變片的相對變化(△R)/R與形變e成正比(△R)/R=ke,式中化為電阻應(yīng)變片靈敏系數(shù)。因此惠斯通電橋的不平衡電壓Um=(△R／R)所以只要測量Um，經(jīng)過放大、變送并經(jīng)稱重控制器處理后便可得到被測物的重量G。
稱重配料系統(tǒng)的基本原理是：首先根據(jù)配制比例設(shè)定各物料的加量值，由稱重控制器或PLC順序執(zhí)行各種物料的加料，通過稱重儀表檢測此物料的加入量，直到加量達(dá)到設(shè)定值時關(guān)閉其進(jìn)料閥門，完成此物料的加量后進(jìn)人下一種物料的加入過程，直到所有的物料按照設(shè)定加量值加量完畢結(jié)束配料。
1.3稱重配料系統(tǒng)的特點
經(jīng)過實踐，利用稱重儀表實現(xiàn)配料自動化的優(yōu)點如下。
1.3.1實現(xiàn)質(zhì)量配比
由于稱重儀表測量的是物料的重量G,因為G=mg,故G1：G2：? ：Gn =m1：m2：?mn,所以稱重配料系統(tǒng)可直接實現(xiàn)各物料的質(zhì)量比例配制。化工生產(chǎn)中質(zhì)量計量比體積計量更優(yōu)越。
1.3.2同一儀表差值計量,克服系統(tǒng)誤差
所有物料的加量都是通過同一臺稱重儀表進(jìn)行檢測，并且各物料的加量控制是靠稱量值的前后差值計算來實現(xiàn)。即使稱重儀表的零點產(chǎn)生漂移，其用差值表示的加量仍是準(zhǔn)確的，也就保證了配制比例準(zhǔn)確。
當(dāng)儀表的零點和量程同時發(fā)生變化后，能否嚴(yán)格實現(xiàn)準(zhǔn)確的配制比例，討論如下:設(shè)稱重儀表輸入輸出的關(guān)系為Y=kx,mi,m2兩種物料之間的配制比例為H。
 

式(1)中，分別為m2、mi的加量。當(dāng)儀表零點量程變化后輸入輸出的關(guān)系為：丫=鼠+△，仍按原設(shè)定值進(jìn)行加料控制，則：

即使儀表的零點、量程同時改變后，稱重系統(tǒng)仍可實現(xiàn)皿、皿之間準(zhǔn)確的配制比例，從而保證了生產(chǎn)的安全性。
1.3.3系統(tǒng)具有易擴展性
稱重配料系統(tǒng)不僅可實現(xiàn)液體物料的配制，還可應(yīng)用于固、液物料的混合配制，以及向外供料的計量和控制，所有這些功能均只需增加相應(yīng)的閥門，增添相應(yīng)的控制程序便可以實現(xiàn)。
1.3.4系統(tǒng)的可靠性高,精度穩(wěn)定且調(diào)校方便
稱重傳感器是通過電阻應(yīng)變片電阻的微小變化來測量重力的，幾乎沒有機械行程，并且靈敏元件本身封裝在彈性元件內(nèi)部屬于全密封式結(jié)構(gòu)，不與工藝介質(zhì)接觸,不受料液結(jié)垢、結(jié)晶、腐蝕等影響，精度能夠保持長期穩(wěn)定。稱重系統(tǒng)的調(diào)校也很方便，只需用標(biāo)準(zhǔn)砥碼或定量的水便可對儀表進(jìn)行校驗。
1.4系統(tǒng)硬件構(gòu)成
1.4.1上位機
上位機采用標(biāo)準(zhǔn)4U機箱的工業(yè)控制計算機，工控機抗干擾以及防塵能力強，在惡劣環(huán)境下能夠正常工作。上位機硬件選用雙核中央處理器，大容量存儲，以及大屏幕的液晶顯示器。
上位機安裝WindowsXP系統(tǒng).SiemensSTEP7V5.4編程軟件以及SiemensWINCC人機界面軟件，WINCC根據(jù)系統(tǒng)配置制作上位機畫面。
1.4.2PLC系統(tǒng)
PLC選用西門子S7-300系列PLC,該系列PLC結(jié)構(gòu)緊湊，堅固耐用，經(jīng)濟可靠。
CPU選用315-2DP,該CPU有兩個通訊接口：MPI和DP,由于DP接口有較高的通訊速率,故使用ProfibusDP總線進(jìn)行通訊。
1.4.3稱重儀表
稱重儀表選用帶Modbus的工業(yè)稱重儀表,PLC通過Modbus通訊能夠讀出儀表的工作狀態(tài)，實時料重，并且可以將上位機的目標(biāo)重量寫入儀表，儀表按照目標(biāo)重量進(jìn)行稱重。
2通訊程序的設(shè)計
2.1上位機和PLC間的通訊
組態(tài)軟件一般都內(nèi)置了PLC的通訊驅(qū)動，在該驅(qū)動中組態(tài)通訊參數(shù)，再建立相應(yīng)的變量即可。
2.2PLC與稱重儀表的通訊
稱重儀表一般都內(nèi)置Modbus通訊協(xié)議，只需要增加ProfibusDP-Modbus的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)即口丁實現(xiàn)PLC與稱重儀表的通訊，鑒于稱重儀表比較多，為了減小輪詢時間間隔，每4~5塊稱重儀表配備了一塊網(wǎng)關(guān)，減小了通訊時間。
3過程應(yīng)用
配料過程是由稱重儀表實現(xiàn)，稱重儀表與PLC之間使用通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換（ModbusRTU）,實現(xiàn)在上位機設(shè)置各項參數(shù)，如配比等。PLC記錄每次配料偏差，自動計算出下次配料定值，寫入到稱重儀表內(nèi)。
上位機放置在配料控制室內(nèi)，PLC與工控機之間的通訊使用DP總線通訊。能在上位機完成配料配比以及報表的記錄打印、各設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)視等。
在爐頂過渡料倉（每個車間一個過渡料倉）內(nèi)加雷達(dá)料位計,信號進(jìn)入配料站PLC,當(dāng)過渡料倉料位低于設(shè)定值后，啟動配料過程，實現(xiàn)自動配料。
配料站附近設(shè)控制室，內(nèi)放配料PLC柜、動力柜、操作臺。通過操控操作臺上各按鈕，可實現(xiàn)手動上料（不經(jīng)過PLC）,這樣系統(tǒng)就有自動、手動（經(jīng)PLC）、純手動（不經(jīng)PLC）三種控制。
在PLC進(jìn)行控制的過程中，上位機使用上位機連接命令監(jiān)視下位機的運行狀態(tài)和數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)容，實時讀取PLC的內(nèi)部狀態(tài)以及稱重儀表的實時數(shù)據(jù)，在上位機上顯示。總體上講，系統(tǒng)具有如下功能:①全自動配料，在設(shè)定好配方之后，系統(tǒng)自動按照配方稱重配料，無需操作人員干預(yù);②具有報表功能，可以產(chǎn)生日報表、實時報表和月報表、年報表等;③動態(tài)增加和修改報表，系統(tǒng)通過設(shè)定權(quán)限，賦予技術(shù)人員或操作人員修改、增加配方的權(quán)利，同時記錄該次修改的日期和操作人員編號;④斷電恢復(fù)功能，系統(tǒng)能夠在突然斷電的情況下，恢復(fù)斷電前的測量記錄；⑤局域網(wǎng)共享功能，主機在局域網(wǎng)內(nèi)可以共享數(shù)據(jù)，方便車間主管了解工程進(jìn)度和其他情況。
3.1上位工控機提供人機交互界面，完成控制信息輸入、數(shù)據(jù)管理、進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、存儲、統(tǒng)計和報表等功能，它的主要工作如下：
工控主機首先根據(jù)操作人員的指令，讀取某個編號的配方，然后，根據(jù)配方中配料的比例及先后順序，向PLC發(fā)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(tài)字，了解PLC及PLC下級設(shè)備的運行狀態(tài)；另一方面實時讀取安裝在配料機上的稱重儀表的稱重數(shù)據(jù)，按照配料策略，當(dāng)稱重接近配方中的設(shè)定值時，主機向PLC發(fā)出停止本次配料的指令。
當(dāng)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。系統(tǒng)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(shù)據(jù)與現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)的一致性，操作人員在上位機上發(fā)出的操作命令和設(shè)定參數(shù)都可以實時送到PLCOPLC的主要工作有：①接收上位機發(fā)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(tài)實時寫入內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)，供工控機讀取;③將自身的各種狀態(tài)以狀態(tài)字的形式準(zhǔn)備好，供工控機實時讀取。
3.2控制策略及配料過程通過對配料過程的特點進(jìn)行分析，配料過程具有如下特點。
(1)被控對象是單向的不可逆系統(tǒng)。原料沒有辦法從配料機中重新回到傳送帶上。
(2)具有明顯的時滯性。當(dāng)配料達(dá)到設(shè)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，所以系統(tǒng)具有明顯的時滯性。
(3)受控特性是開關(guān)性的。系統(tǒng)的起、?？刂频榷际情_關(guān)量。
(4)配料系統(tǒng)在正常工作區(qū)內(nèi)是線性的。
因此，考慮采用快速、慢速、提前發(fā)出停止加料指令等控制策略，同時利用PLC的互鎖技術(shù)確保配料的順利進(jìn)行。系統(tǒng)起動后，工控機向PLC發(fā)出開始加料信號,PLC控制變頻器驅(qū)動電機進(jìn)行快速加料，同時，工控主機通過串口持續(xù)不斷地讀取稱重儀表的數(shù)據(jù)，當(dāng)重量值接近設(shè)定值時，工控主機向PLC發(fā)出停止加料的控制指令,此時,PLC控制變頻器進(jìn)行慢加，通過事先估計出傳送機構(gòu)上原料的殘余，設(shè)定值和實際加料的差值和傳送機構(gòu)上原料的殘余相當(dāng)時，PLC真正發(fā)出停止指令，該指令由變頻器執(zhí)行，從而控制電機停機，停機后傳送機構(gòu)上的原料無殘余,配料精度符合要求，如圖2所示。

(5)配方的增加與修改。
(6)配料故障輔助報警等其他功能。
4結(jié)語
本系統(tǒng)通過工控機、PLC和稱重儀表的協(xié)調(diào)工作，完成了所需自動配料任務(wù)，在實際應(yīng)用中表明系統(tǒng)穩(wěn)定運行、可靠，人機界面友善美觀，操作方便。

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