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1引言。
在防護(hù)材料生產(chǎn)行業(yè)中，配料通常是用來(lái)將原料按照一定的比例均勻混合，形成新的材料，因此配料是該行業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分。在生產(chǎn)過(guò)程中，各種原料必須嚴(yán)格按比例混合均勻，這必須通過(guò)配料機(jī)械來(lái)完成。目前工廠一般用兩種方法。第一種方法采用人工稱重，然后將各種比例的原料同時(shí)放入配料機(jī)中攪拌。另一種方法是自動(dòng)稱重和自動(dòng)攪拌。由于許多原料是粉末或顆粒，人體在人工配料時(shí)容易吸入灰塵等雜物，導(dǎo)致職業(yè)病，增加生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)和人工成本。同時(shí)，配料品種多、數(shù)量大，人工配料難以現(xiàn)場(chǎng)管理，容易錯(cuò)配，不僅難以保證質(zhì)量，而且增加了管理成本。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，需要一個(gè)準(zhǔn)確可靠的自動(dòng)配料系統(tǒng)。
2基于PLC、工控機(jī)和衡器的配料系統(tǒng)。
在河南某物資集團(tuán)現(xiàn)有的配料系統(tǒng)中，工人首先將物料運(yùn)輸?shù)椒Q重車間，然后人工將物料送到配料機(jī)進(jìn)行配料。稱重車間采用杭州四方衡器稱重，通過(guò)RS232端口與工控機(jī)連接。位于中央控制室的工控機(jī)負(fù)責(zé)記錄稱重結(jié)果并顯示稱重?cái)?shù)據(jù)。同時(shí)，控制器可以通過(guò)中央控制室的控制電路手動(dòng)控制配料過(guò)程的啟動(dòng)和停止。
這種方法效率低下，同時(shí)主機(jī)運(yùn)行C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的DOS程序，擴(kuò)展性差，人機(jī)交互困難，不能滿足自動(dòng)配料的所有要求。為了提高生產(chǎn)率和降低成本，有必要采用自動(dòng)配料系統(tǒng)。
新系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)。上位機(jī)采用工控機(jī)，下位機(jī)采用西門子PLC、變頻器和衡器。主控計(jì)算機(jī)處于主導(dǎo)地位，實(shí)現(xiàn)對(duì)各從機(jī)的通信管理和控制。工控機(jī)的RS-232異步通信端口經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換后與PLC相連，形成上下位機(jī)通信的物理通道；將主機(jī)的另一個(gè)RS-232端口與衡器的通信端口相連，形成第二物理通道。上位機(jī)通過(guò)輪詢與從站逐一通信。上位機(jī)將任務(wù)規(guī)劃的結(jié)果傳送給PLC。在PLC控制過(guò)程中，上位機(jī)利用上位機(jī)連接命令監(jiān)控下位機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)容，實(shí)時(shí)讀取PLC內(nèi)部狀態(tài)和衡器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并顯示在上位機(jī)上。
一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)具有以下功能:①全自動(dòng)配料，配方設(shè)定后，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)配方稱量配料，無(wú)需操作員干預(yù)；②具有報(bào)表功能，可以生成日?qǐng)?bào)表、實(shí)時(shí)報(bào)表、月報(bào)、年報(bào)等。(3)動(dòng)態(tài)添加和修改報(bào)告。系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置權(quán)限賦予技術(shù)人員或操作人員修改和增加公式的權(quán)利，并記錄修改日期和操作人員數(shù)量；④掉電恢復(fù)功能，系統(tǒng)可以在突然掉電的情況下恢復(fù)掉電前的測(cè)量記錄；⑤局域網(wǎng)共享功能，主機(jī)可以在局域網(wǎng)內(nèi)共享數(shù)據(jù)，方便車間主管了解工程進(jìn)度等情況。
2.1系統(tǒng)的組成。
整個(gè)自動(dòng)配料攪拌系統(tǒng)由工控機(jī)、PLC、工業(yè)衡器、變頻器、振動(dòng)電機(jī)、攪拌機(jī)、傳感器、傳送帶等組成。
上位機(jī)提供人機(jī)交互界面，完成控制信息輸入、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)和報(bào)表等功能。上位機(jī)采用IPC810工控機(jī)，其主要工作如下:工控機(jī)先根據(jù)操作人員的指令讀取某個(gè)編號(hào)的配方，然后根據(jù)配方中配料的比例和順序向PLC發(fā)送開(kāi)始配料的指令，讓PLC啟動(dòng)特定的變頻器。配料過(guò)程中，工控主機(jī)實(shí)時(shí)讀取PLC的狀態(tài)字，了解PLC及其下屬設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；另一方面，安裝在配料機(jī)上的稱重儀表的稱重?cái)?shù)據(jù)被實(shí)時(shí)讀取。根據(jù)配料策略，當(dāng)稱重接近配方中的設(shè)定值時(shí)，上位機(jī)向PLC發(fā)出停止配料的指令。當(dāng)配方中的所有材料都完成后，整個(gè)配料過(guò)程暫停，等待操作員的指令。
在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，PLC與上位機(jī)實(shí)時(shí)通信，以保證界面上顯示的數(shù)據(jù)與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的一致性。操作人員在主機(jī)上發(fā)送的操作命令和設(shè)定參數(shù)可以實(shí)時(shí)發(fā)送給PLC。PLC的主要任務(wù)是:①接收上位機(jī)發(fā)送的命令，通過(guò)變頻器控制振動(dòng)電機(jī)的啟動(dòng)、停止和速度；2)將變頻器的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)寫入內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)，供工控機(jī)讀取；③以狀態(tài)詞的形式準(zhǔn)備各種狀態(tài)，通過(guò)工控機(jī)實(shí)時(shí)讀取。
2.2控制策略和配料過(guò)程。
通過(guò)分析配料過(guò)程的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)配料過(guò)程具有以下特點(diǎn):
(1)受控對(duì)象是單向不可逆系統(tǒng)。原料沒(méi)有辦法從加藥機(jī)回到傳送帶上。
(2)有明顯的時(shí)滯。當(dāng)配料達(dá)到設(shè)定值時(shí)，PLC控制電機(jī)停止輸送原料，然后輸送帶上的部分原料無(wú)法回收，系統(tǒng)存在明顯的時(shí)滯。
(3)受控特性是開(kāi)關(guān)。系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止控制都是開(kāi)關(guān)值。
(4)配料系統(tǒng)在正常工作區(qū)域是線性的。
因此，我們考慮采用快、慢、提前下達(dá)停止投料指令的控制策略，并利用PLC的聯(lián)鎖技術(shù)來(lái)保證配料的順利進(jìn)行。系統(tǒng)啟動(dòng)后，工控計(jì)算機(jī)向PLC發(fā)送送料啟動(dòng)信號(hào)，PLC控制變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)快速送料。同時(shí)，工控主機(jī)通過(guò)串口不斷讀取衡器的稱重?cái)?shù)據(jù)。當(dāng)重量值接近設(shè)定值時(shí)，工控主機(jī)向PLC發(fā)出停止給料的控制指令。此時(shí)PLC控制變頻器緩慢進(jìn)給。通過(guò)預(yù)先估算原料在輸送機(jī)構(gòu)上的殘留量，當(dāng)設(shè)定值與實(shí)際投料的差值等于原料在輸送機(jī)構(gòu)上的殘留量時(shí)，PLC真正發(fā)出停止指令，由變頻器執(zhí)行，從而控制電機(jī)停止。停止后，輸送機(jī)構(gòu)上的原料無(wú)殘留，配料精度符合要求。過(guò)程如圖1所示。
自動(dòng)配料系統(tǒng)。
3.工業(yè)控制主機(jī)的軟件設(shè)計(jì)。
工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的主要任務(wù)如下:
(1)提供配料過(guò)程的動(dòng)畫顯示。
(2)向PLC發(fā)送控制指令，讀取PLC的運(yùn)行狀態(tài)。
(3)讀取衡器上的稱重信號(hào)，在顯示器上顯示稱重值，并根據(jù)稱重?cái)?shù)據(jù)向PLC發(fā)送指令。
(4)數(shù)據(jù)庫(kù)和報(bào)表，保存配料數(shù)據(jù)和打印報(bào)表。
(5)公式的添加和修改。
(6)配料故障輔助報(bào)警等其他功能。

3.1配料軟件界面設(shè)計(jì)。
上位機(jī)采用紫金橋組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)界面。工控組態(tài)軟件其實(shí)是一個(gè)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，用戶可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。根據(jù)工藝要求，我們可以在該平臺(tái)上為整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)一個(gè)友好的人機(jī)界面，操作員可以通過(guò)該界面與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。紫金橋軟件是HMI/SCADA工業(yè)自動(dòng)化組態(tài)軟件，提供了高度集成和可視化的開(kāi)發(fā)環(huán)境。該軟件具有以下特點(diǎn):
(1)多種通訊功能。紫金橋配置軟件[3]支持以下通信功能:
1)支持RS232、RS422、RS485等串行通信模式，支持無(wú)線電臺(tái)、電話撥號(hào)、電話輪詢撥號(hào)等模式。
2)以太網(wǎng)通信支持有線以太網(wǎng)和無(wú)線以太網(wǎng)。
3)所有設(shè)備的驅(qū)動(dòng)都支持GPRS、CDMA、GSM等移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。
(2)便捷的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。豐富的組件和控件構(gòu)成了強(qiáng)大的HMI開(kāi)發(fā)系統(tǒng)；過(guò)渡色和遞進(jìn)色的增強(qiáng)功能，從根本上解決了很多同類軟件在過(guò)渡色和遞進(jìn)色使用過(guò)多時(shí)嚴(yán)重影響畫面刷新速度和系統(tǒng)運(yùn)行效率的問(wèn)題；更靈活多樣的矢量子圖，讓工程圖更快；提供面向?qū)ο蟮木幊棠Ｊ?，?nèi)置間接變量，中間變量和數(shù)據(jù)庫(kù)變量，支持自定義函數(shù)和自定義菜單。
(3)開(kāi)放性。紫金橋組態(tài)軟件的開(kāi)放性表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
1)支持Excel訪問(wèn)VBA的數(shù)據(jù)庫(kù)。
2)軟件具有開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)，完全支持DDE、OPC、ODBC/SQL、ActiveX和DNA標(biāo)準(zhǔn)。外部訪問(wèn)接口以O(shè)LE、COM/DCOM、動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)等形式提供，方便用戶使用各種常用開(kāi)發(fā)工具(如VC++、VB等)。)進(jìn)行深度二次開(kāi)發(fā)。
3)紫金橋配置軟件的I/O驅(qū)動(dòng)架構(gòu)是開(kāi)放的，其接口的源代碼是完全開(kāi)放的，用戶可以自行開(kāi)發(fā)新的驅(qū)動(dòng)。
(4)數(shù)據(jù)庫(kù)功能。紫金橋組態(tài)軟件內(nèi)置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)置各種功能塊完成數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)累加、統(tǒng)計(jì)、控制、對(duì)齊等各種功能。
(5)支持多種設(shè)備和總線。支持國(guó)內(nèi)外大部分知名廠商生產(chǎn)的PLC、調(diào)節(jié)器、智能儀表、智能終端、智能模塊；此外，它還支持Profibus、Can、LonWorks和Modbus。
3.2系統(tǒng)的I/O點(diǎn)。
紫金橋組態(tài)軟件用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)點(diǎn)表示I/O點(diǎn)。經(jīng)分析，系統(tǒng)需要三個(gè)I/O點(diǎn)，用兩個(gè)數(shù)字控制點(diǎn)通過(guò)PLC控制電機(jī)的啟動(dòng)和停止，因此選擇這兩個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)鏈路作為PLC的兩個(gè)數(shù)字輸入輸出通道。模擬點(diǎn)用于表示從稱重儀器讀取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，因此該點(diǎn)的數(shù)據(jù)鏈接是稱重儀器的測(cè)量值。
4.通信程序設(shè)計(jì)。
通信程序設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)部分。第一部分是主機(jī)與PLC的通信。第二部分是上位機(jī)與衡器的通信。第三部分是PLC與變頻器的通信。
4.1主機(jī)與PLC的通信。
一般組態(tài)軟件都有內(nèi)置的主流PLC驅(qū)動(dòng)。首先，在紫金橋組態(tài)軟件中創(chuàng)建新的PLC虛擬設(shè)備。虛擬設(shè)備的模型必須與使用的真實(shí)可編程邏輯控制器的模型一致。如果在組態(tài)軟件中找不到所需的PLC型號(hào)，可以委托軟件制造商免費(fèi)開(kāi)發(fā)這種類型的新PLC驅(qū)動(dòng)程序。虛擬設(shè)備用于映射真實(shí)設(shè)備。這里我們用的PLC是西門子S7-300，主機(jī)設(shè)置為通過(guò)串口1與PLC通信。
4.2主機(jī)與衡器的通訊。
衡器我們用的是杭州四方的衡器。為了使儀器能與組態(tài)軟件很好地通信，我們專門委托紫金橋公司開(kāi)發(fā)了儀器的驅(qū)動(dòng)程序。我們首先從配置軟件的驅(qū)動(dòng)列表中選擇一個(gè)我們需要的設(shè)備類型，并根據(jù)這個(gè)類型構(gòu)建一個(gè)虛擬設(shè)備來(lái)映射真實(shí)的稱重儀表，然后設(shè)置儀表與計(jì)算機(jī)之間的通信端口和通信協(xié)議。
4.3PLC與變頻器的通訊。
由于配料車間的原材料種類繁多，為了方便配料，我們?cè)O(shè)置了多條傳送帶，因此配料系統(tǒng)的一臺(tái)PLC需要連接多個(gè)變頻器。因此，我們使用Profibus總線在PLC和變頻器之間進(jìn)行通信，在變頻器中插入專用的Profibus通信模塊，設(shè)置變頻器的從地址，然后通過(guò)Profibus連接器接入PLC。PLC可以通過(guò)編程向變頻器發(fā)送和接收消息，向變頻器發(fā)送控制字，從變頻器回讀狀態(tài)字。
CPU315-2DP是Profibus主站，與主站通信的每個(gè)變頻器都可以看作Profibus從站。在通信期間，主站根據(jù)通信消息中的地址字符選擇從站發(fā)送數(shù)據(jù)。從站本身不能主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，從站也不能直接傳輸信息。系統(tǒng)選擇的變頻器型號(hào)為西門子microster430系列[4]。PLC與變頻器的主要通信主要涉及兩個(gè)概念。第一個(gè)是數(shù)據(jù)報(bào)文，第二個(gè)是控制字和狀態(tài)字。
(1)通信消息。每個(gè)消息都以字符STX開(kāi)始，然后是長(zhǎng)度描述LGE和地址字節(jié)ADR，最后是采用的數(shù)據(jù)字符。消息以數(shù)據(jù)塊檢查器BCC結(jié)束。主要字段解釋如下:
STX區(qū)域是一個(gè)一字節(jié)的ASCII字符(02十六進(jìn)制)，它指示消息的開(kāi)始。
LGE區(qū)域是一個(gè)字節(jié)，表示這條信息后面的字節(jié)數(shù)。
ADR區(qū)是一個(gè)字節(jié)，是從站節(jié)點(diǎn)(即變頻器)的地址。
BCC區(qū)是一個(gè)長(zhǎng)度為一個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)和，用于檢查信息是否有效。是該信息中BCC之前所有字節(jié)異或運(yùn)算的結(jié)果。如果校驗(yàn)和的運(yùn)算結(jié)果表明變頻器接收到的信息無(wú)效，則丟棄該信息，不向主站發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。
(2)控制字和狀態(tài)字。PLC可以通過(guò)變頻器的PKW區(qū)域讀寫變頻器的參數(shù)值，從而改變或了解變頻器的工作狀態(tài)。在該系統(tǒng)中，PLC讀出該區(qū)域的數(shù)據(jù)，放入特定的數(shù)據(jù)區(qū)域供工控機(jī)查詢，查詢結(jié)果顯示在工控機(jī)上。
5結(jié)論。
通過(guò)工控機(jī)、可編程控制器和變頻器的配合，系統(tǒng)完成了所需的自動(dòng)配料任務(wù)。該系統(tǒng)自2008年5月投入使用以來(lái)，每天準(zhǔn)備配料100多噸，完成配方10個(gè)左右，既能實(shí)時(shí)顯示工況，又能提供修改和添加配方的功能。實(shí)際運(yùn)行表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，人機(jī)界面美觀，操作方便。同時(shí)，系統(tǒng)采用組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)，可以為以后的升級(jí)提供方便。

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