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工控機(jī)和變頻器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行

針對保護(hù)材料生產(chǎn)行業(yè)中的配料環(huán)節(jié)，介紹了一種全自動(dòng)配料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)以工控機(jī)為主站，以PLC、變頻器和稱重儀表為從站，使用Profibus總線進(jìn)行主從通訊，IPC上采用紫金橋組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)界面，運(yùn)行結(jié)果表明系統(tǒng)不但具有很高的效率，同時(shí)也穩(wěn)定，可靠。

使用PLC、工控機(jī)和變頻器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行
在保護(hù)材料生產(chǎn)行業(yè)，配料通常是將原材料按某種比例均勻混合在一起，用以形成一種新的材料，因此配料是這類行業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分。在生產(chǎn)過程中，各種原料要嚴(yán)格按比例進(jìn)行均勻混合，就必須靠配料機(jī)械來完成。

目前工廠一般使用兩種方法，第一種方法采用人工稱重，然后將成比例的各種原材料同時(shí)放入配料機(jī)中攪拌。另一種方法是自動(dòng)稱重，自動(dòng)攪拌。

由于很多原始材料為粉狀或顆粒，人工配料時(shí)，人體容易吸入粉塵等雜物，導(dǎo)致職業(yè)病出現(xiàn)，增加了生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)和勞動(dòng)力成本，同時(shí)配料品種繁多，數(shù)量巨大，因此人工配料難以現(xiàn)場管理，很容易出現(xiàn)誤配，不但質(zhì)量難以保證，同時(shí)也增加了管理成本。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，要求采用準(zhǔn)確、可靠的自動(dòng)配料系統(tǒng)。

基于PLC、工控機(jī)和稱重儀表的配料系統(tǒng)
在河南西峽保護(hù)材料集團(tuán)現(xiàn)有的配料系統(tǒng)中，工人首先將材料運(yùn)送到稱重車間，稱重完之后，再將材料手動(dòng)送到配料機(jī)上進(jìn)行配料，稱重車間使用了杭州四方的稱重儀表進(jìn)行稱重，通過RS232口和工控主機(jī)相連，位于中控室的工控主機(jī)負(fù)責(zé)記錄稱重結(jié)果，顯示稱重?cái)?shù)據(jù)，同時(shí)，控制人員可以在中控室通過控制電路手動(dòng)控制配料過程的起停。

這種方式效率低下，同時(shí)，主機(jī)上運(yùn)行的是C語言開發(fā)的DOS程序[1]，可擴(kuò)性差，人機(jī)交互困難，不能完成自動(dòng)配料的所有要求。為了提高生產(chǎn)率，降低成本，需要采用全自動(dòng)配料系統(tǒng)。

新系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)。以工控機(jī)為上位主機(jī)，以西門子PLC[2]、變頻器和稱重儀表為下位從機(jī)。主機(jī)處于主導(dǎo)地位，實(shí)現(xiàn)對各從機(jī)的通信管理和控制，將工控機(jī)的RS－232異步通訊口經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后與PLC相連，形成上、下位機(jī)通訊的一個(gè)物理通道；將主機(jī)的另一個(gè)RS-232口和稱重儀表的通訊口相連，構(gòu)成第二個(gè)物理通道。

上位機(jī)采用輪詢方式，逐個(gè)與從站通訊。上位機(jī)把任務(wù)規(guī)劃的結(jié)果傳送給PLC，在PLC進(jìn)行控制的過程中，上位機(jī)使用上位機(jī)連接命令監(jiān)視下位機(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的內(nèi)部狀態(tài)以及稱重儀表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在上位機(jī)上顯示。

總體上講，系統(tǒng)具有如下功能：

① 全自動(dòng)配料。在設(shè)定好配方之后，系統(tǒng)自動(dòng)按照配方稱重配料，無需操作人員干預(yù)。
② 具有報(bào)表功能。可以產(chǎn)生日報(bào)表，實(shí)時(shí)報(bào)表和月報(bào)表、年報(bào)表等。
③ 動(dòng)態(tài)增加和修改報(bào)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(shí)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(jī)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。
1 系統(tǒng)的組成

整個(gè)全自動(dòng)配料混合系統(tǒng)由工控機(jī)、PLC、工業(yè)稱重儀表、變頻器、振動(dòng)電機(jī)、混料機(jī)、傳感器、傳送帶等部分組成。

上位工控機(jī)提供人機(jī)交互界面，完成控制信息輸人、數(shù)據(jù)管理、進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、存儲、統(tǒng)計(jì)和報(bào)表等功能，上位機(jī)采用IPC810工控機(jī)，它的主要工作如下：

工控主機(jī)首先根據(jù)操作人員的指令，讀取某個(gè)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能夠啟動(dòng)特定的變頻器。在配料過程中，工控主機(jī)以輪詢的方式，一方面實(shí)時(shí)讀取PLC的狀態(tài)字，了解PLC及PLC下級設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；另一方面實(shí)時(shí)讀取安裝在配料機(jī)上的稱重儀表的稱重?cái)?shù)據(jù)，按照配料策略，當(dāng)稱重接近配方中的設(shè)定值時(shí)，主機(jī)向PLC發(fā)出停止本次配料的指令。當(dāng)一個(gè)配方上的所有材料都配完后，整個(gè)配料過程暫停，等待操作人員的指令。

系統(tǒng)運(yùn)行過程中，PLC與上位機(jī)實(shí)時(shí)通信，從而保證界面上顯示的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實(shí)際數(shù)據(jù)的一致性，操作人員在上位機(jī)上發(fā)出的操作命令和設(shè)定參數(shù)都可以實(shí)時(shí)送到PLC，PLC的主要工作有：１）接收上位機(jī)發(fā)送來的命令，通過變頻器控制振動(dòng)電機(jī)的啟、停和快慢；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）將自身的各種狀態(tài)以狀態(tài)字的形式準(zhǔn)備好，共工控機(jī)實(shí)時(shí)讀取。

2 控制策略及配料過程

通過對配料過程的特點(diǎn)進(jìn)行分析，得到配料過程具有如下特點(diǎn)：

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(jī)中重新回到傳送帶上。
② 具有明顯的時(shí)滯性。當(dāng)配料達(dá)到設(shè)定值時(shí)，PLC控制電機(jī)停止傳送原料，這時(shí)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(shí)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，我們考慮采用快速、慢速、提前發(fā)出停止加料指令等控制策略，同時(shí)利用PLC的互鎖技術(shù)確保配料的順利進(jìn)行。系統(tǒng)啟動(dòng)后，工控機(jī)向PLC發(fā)出開始加料信號，PLC控制變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行快速加料，同時(shí)，工控主機(jī)通過串口持續(xù)不斷的讀取稱重儀表的稱重?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)出停止加料的控制指令。

此時(shí)，PLC控制變頻器進(jìn)行慢加，通過事先估計(jì)出傳送機(jī)構(gòu)上原料的殘余，設(shè)定值和實(shí)際加料的差值和傳送機(jī)構(gòu)上原料的殘余相當(dāng)時(shí)，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(jī)停機(jī)，停機(jī)后傳送機(jī)構(gòu)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(jī)軟件設(shè)計(jì)
工控機(jī)主要完成的任務(wù)如下：

① 提供配料過程的動(dòng)畫顯示。
② 向PLC發(fā)出控制指令，讀取PLC的運(yùn)行狀態(tài)。
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(jù)稱重?cái)?shù)據(jù)，向PLC發(fā)送指令。
④ 數(shù)據(jù)庫和報(bào)表，保存配料數(shù)據(jù)，打印報(bào)表。
⑤ 配方的增加與修改。
⑥ 配料故障輔助報(bào)警等其他功能。
使用PLC、工控機(jī)和變頻器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行
圖１　主要的配料過程流程圖

1 配料軟件的界面設(shè)計(jì)

上位工控機(jī)使用紫金橋組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)界面，工業(yè)控制組態(tài)軟件實(shí)際上是一種能由用戶根據(jù)自己的需要進(jìn)行二次開發(fā)的軟件開發(fā)平臺。我們可以根據(jù)工藝要求在該平臺上對整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)出友好的人機(jī)界面，操作員通過該界面可以與現(xiàn)場設(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，它提供了一個(gè)高度集成化、可視化的開發(fā)環(huán)境。該軟件具有如下一些特點(diǎn):

多種通訊功能。 紫金橋組態(tài)軟件支持如下通訊功能:

1)支持RS232、RS422、RS485等串口通訊方式，并支持無線電臺、電話撥號、電話輪詢撥號等方式;
2)以太網(wǎng)通訊同時(shí)支持有線以太網(wǎng)和無線以太網(wǎng);
3)所有設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序均支持GPRS、CDMA、GSM等移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。
方便的開發(fā)系統(tǒng)。豐富的組件和控件構(gòu)成強(qiáng)大的HMI開發(fā)系統(tǒng);增強(qiáng)的過渡色與漸進(jìn)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(jìn)色時(shí)嚴(yán)重影響畫面刷新速度和系統(tǒng)運(yùn)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?qū)ο缶幊谭绞?，?nèi)置間接變量、中間變量、數(shù)據(jù)庫變量，支持自定義函數(shù)和自定義菜單。

開放性。紫金橋組態(tài)軟件的開放性表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:

1)支持EXCEL以VBA的方式訪問數(shù)據(jù)庫;

2)軟件為開放式體系結(jié)構(gòu)，全面支持DDE, OPC, ODBC/SQL, ActiveX，DNA標(biāo)準(zhǔn)。以O(shè)LE, COM/DCOM、動(dòng)態(tài)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(fā)工具(如:VC++、VB等)進(jìn)行深層的二次開發(fā);

3)紫金橋組態(tài)軟件I/0驅(qū)動(dòng)程序的體系結(jié)構(gòu)為開放式結(jié)構(gòu)，其接口部分源代碼完全公開，用戶可以自行開發(fā)新的驅(qū)動(dòng)程序。

數(shù)據(jù)庫功能.紫金橋組態(tài)軟件內(nèi)置了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，而且實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫又內(nèi)置多種功能塊，來完成數(shù)據(jù)處理與存儲，可實(shí)現(xiàn)累計(jì)、統(tǒng)計(jì)、控制、線形化等多種功能。

支持多種設(shè)備及總線。支持國內(nèi)外大部分知名廠家生產(chǎn)的PLC、調(diào)節(jié)器、智能儀表、智能終端、智能模塊;此外，還支持Profibus，Can, LonWorks和Modbus等標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線。

２系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)

紫金橋組態(tài)軟件用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫點(diǎn)來表示I/O點(diǎn)。經(jīng)過分析，系統(tǒng)需要三個(gè)I/O點(diǎn)，兩個(gè)數(shù)字控制點(diǎn)用來通過PLC控制電機(jī)的起、停，因此這兩個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)鏈接選擇分別為PLC的兩個(gè)數(shù)字量輸入輸出通道。一個(gè)模擬點(diǎn)用來表示從稱重儀表上讀取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，因此，該點(diǎn)的數(shù)據(jù)鏈接為稱重儀表的測量值。

通訊程序設(shè)計(jì)
通訊程序設(shè)計(jì)主要包含三部分，第一部分為主機(jī)與PLC的通訊；第二部分為主機(jī)與稱重儀表的通訊；第三部分為PLC與變頻器之間的通訊。

1 主機(jī)與PLC的通訊

組態(tài)軟件一般都內(nèi)置了主流PLC的驅(qū)動(dòng)程序，首先在紫金橋組態(tài)軟件中新建一個(gè)PLC虛擬設(shè)備，該虛擬設(shè)備的型號必須和使用的真實(shí)PLC的型號一致，如果在組態(tài)軟件中找不到所需的PLC的型號，則可以委托軟件廠家免費(fèi)開發(fā)一個(gè)新的該型號PLC驅(qū)動(dòng)。虛擬設(shè)備用來映射真實(shí)的設(shè)備，這里，我們使用的PLC是simensS7-300，設(shè)定主機(jī)通過串口1和PLC通訊。

2 主機(jī)與稱重儀表的通訊

針對稱重儀表，我們使用的是杭州四方的稱重儀表，為了使儀表和組態(tài)軟件很好的通訊，我們特別委托紫金橋公司為該儀表開發(fā)了驅(qū)動(dòng)程序。首先我們從組態(tài)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，并針對該類型，建立一個(gè)虛擬設(shè)備，用來映射真實(shí)的稱重儀表，然后設(shè)定儀表與計(jì)算機(jī)的通訊端口及通訊協(xié)議。

3 PLC與變頻器之間的通訊

由于配料車間有多種原材料，為了配料方便，我們設(shè)置了多個(gè)傳送帶，所以配料系統(tǒng)一個(gè)PLC需要鏈接多個(gè)變頻器。為此我們在PLC和變頻器之間使用了Profibus總線進(jìn)行通訊，將專用的Profibus通訊模塊插入到變頻器上，并設(shè)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(shí)現(xiàn)對該變頻器進(jìn)行報(bào)文的發(fā)送與接收，將控制字發(fā)送到變頻器，同時(shí)把狀態(tài)字從變頻器中讀取回來。

CPU315-2DP作為Profibus主站，每個(gè)與主站通訊的變頻器可以看作是一個(gè)Profibus從站。通訊時(shí)，主站根據(jù)通訊報(bào)文中的地址字符來選擇要傳輸數(shù)據(jù)的從站。從站本身不能主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，各個(gè)從站之間也不能直接進(jìn)行信息的傳輸。系統(tǒng)所選用的變頻器型號均為Siemens　MicroMaster430系列[4]。PLC和變頻器之間主要的通訊主要涉及兩個(gè)概念。第一是數(shù)據(jù)報(bào)文，第二是控制字與狀態(tài)字。

１）通訊報(bào)文。每條報(bào)文都是以字符STX開始，接著是長度說明LGE和地址字節(jié)ADR，然后是采用的數(shù)據(jù)字符，報(bào)文以數(shù)據(jù)塊的檢驗(yàn)符BCC結(jié)束，主要字段的解釋如下:

STX區(qū)是一個(gè)字節(jié)的ASCII字符(02hex)，表示一條信息的開始;LGE區(qū)是一個(gè)字節(jié)，指明這一條信息中后跟的字節(jié)數(shù)目。

ADR區(qū)是一個(gè)字節(jié)，是從站結(jié)點(diǎn)(即變頻器)的地址。

BCC區(qū)是長度為一個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)和，用于檢查該信息是否有效。它是該信息中BCC前面所有字節(jié)“異或”運(yùn)算的結(jié)果。如果根據(jù)校驗(yàn)和的運(yùn)算結(jié)果，表明變頻器接收到的信息是無效的，它將丟棄這一信息，并且不向主站發(fā)出應(yīng)答信號。

２）控制字與狀態(tài)字。PLC通過變頻器的PKW區(qū)可以讀寫變頻器的參數(shù)值，從而改變或了解變頻器的工作狀態(tài)。在本系統(tǒng)中,PLC讀出該區(qū)的數(shù)據(jù)，放在特定的數(shù)據(jù)區(qū)中，供工控機(jī)查詢，查詢結(jié)果在工控機(jī)上顯示。