PLC和称重仪表的自动配料系统设计方案

　　1 引言

　　在保护材料生产行业，配料通常是将原材料按某种比例均匀混合在一起， 用以形成一种新的材料，因此配料是这类行业生产的重要组成部分。在生产过程中，各种原料要严格按比例进行均匀混合，就必须靠配料机械来完成，目前工厂一般使用两种方法，第一种方法采用人工称重，然后将成比例的各种原材料同时放入配料机中搅拌。另一种方法是自动称重，自动搅拌。由于很多原始材料为粉状或颗粒，人工配料时，人体容易吸入粉尘等杂物，导致职业病出现，增加了生产风险和劳动力成本，同时配料品种繁多，数量巨大，因此人工配料难以现场管理，很容易出现误配，不但质量难以保证，同时也增加了管理成本。为了保证产品质量，提高生产效率，要求采用准确、可靠的自动配料系统。

　　2 基于 PLC、 工控机和称重仪表的配料系统

　　在河南西峡保护材料集团现有的配料系统中，工人首先将材料运送到称重车间，称重完之后，再将材料手动送到配料机上进行配料，称重车间使用了杭州四方的称重仪表进行称重，通过RS232口和工控主机相连，位于中控室的工控主机负责记录称重结果，显示称重数据，同时，控制人员可以在中控室通过控制电路手动控制配料过程的起停。

　　这种方式效率低下，同时，主机上运行的是C语言开发的DOS程序 [1] ，可扩性差，人机交互困难，不能完成自动配料的所有要求。为了提高生产率，降低成本，需要采用全自动配料系统。

　　新系统采用主从式结构。 以工控机为上位主机，以西门子PLC [2] 、变频器和称重仪表为下位从机。主机处于主导地位，实现对各从机的通信管理和控制，将工控机的RS-232异步通信口经电平转换后与PLC相连，形成上、下位机通信的一个物理通道；将主机的另一个RS-232口和称重仪表的通信口相连，构成第二个物理通道。上位机采用轮询方式，逐个与从站通信。上位机把任务规划的结果传送给PLC，在PLC进行控制的过程中，上位机使用上位机连接命令监视下位机的运行状态和数据区内容，实时读取PLC的内部状态以及称重仪表的实时数据，在上位机上显示。

　　总体上讲，系统具有如下功能：

　　①全自动配料，在设定好配方之后，系统自动按照配方称重配料，无需操作人员干预；

　　②具有报表功能，可以产生日报表，实时报表和月报表、年报表等；

　　③动态增加和修改报表，系统通过设定权限，赋予技术人员或操作人员修改，增加配方的权利，同时记录该次修改的日期和操作人员编号；

　　④断电恢复功能，系统能够在突然断电的情况下， 恢复断电前的测量记录；

　　⑤局域网共享功能， 主机在局域网内可以共享数据，方便车间主管了解工程进度和其他情况。

　　2.1 系统的组成

　　整个全自动配料混合系统由工控机、PLC、工业称重仪表、变频器、振动电机、混料机、传感器、传送带等部分组成。

　　上位工控机提供人机交互界面， 完成控制信息输人、数据管理、进行数据显示、存储、统计和报表等功能，上位机采用IPC810工控机，它的主要工作如下： 工控主机首先根据操作人员的指令， 读取某个编号的配方， 然后， 根据配方中配料的比例及先后顺序，向PLC发出开始配料的指令，使得PLC能够起动特定的变频器。在配料过程中，工控主机以轮询的方式，一方面实时读取PLC的状态字，了解PLC及PLC下级设备的运行状态； 另一方面实时读取安装在配料机上的称重仪表的称重数据， 按照配料策略， 当称重接近配方中的设定值时， 主机向PLC发出停止本次配料的指令。 当一个配方上的所有材料都配完后， 整个配料过程暂停，等待操作人员的指令。

　　系统运行过程中，PLC与上位机实时通信，从而保证界面上显示的数据与现场实际数据的一致性，操作人员在上位机上发出的操作命令和设定参数都可以实时送到PLC，PLC的主要工作有：①接收上位机发送来的命令，通过变频器控制振动电机的起、停和快慢；②将变频器的运行状态实时写入内存数据区，供工控机读取；③将自身的各种状态以状态字的形式准备好，共工控机实时读取。

　　2.2 控制策略及配料过程

　　通过对配料过程的特点进行分析，得到配料过程具有如下特点：

　　（1）被控对象是单向的不可逆系统。原料没有办法从配料机中重新回到传送带上。

　　（2） 具有明显的时滞性。 当配料达到设定值时，PLC控制电机停止传送原料，这时传送带上具有部分原料无法回收，所以系统具有明显的时滞性。

　　（3）受控特性是开关性的。系统的起、停控制等都是开关量。

　　（4）配料系统在正常工作区内是线性的。

　　因此，我们考虑采用快速、慢速、提前发出停止加料指令等控制策略， 同时利用PLC的互锁技术确保配料的顺利进行。系统起动后，工控机向PLC发出开始加料信号，PLC控制变频器驱动电机进行快速加料， 同时， 工控主机通过串口持续不断的读取称重仪表的称重数据， 当重量值接近设定值时， 工控主机向PLC发出停止加料的控制指令，此时，PLC控制变频器进行慢加，通过事先估计出传送机构上原料的残余， 设定值和实际加料的差值和传送机构上原料的残余相当时，PLC真正发出停止指令，该指令由变频器执行， 从而控制电机停机， 停机后传送机构上的原料无残余，配料精度符合要求。