Entwurf eines automatischen Dosiersteuerungssystems auf Basis einer SPS und einer Mehrkopfwaage

Autor: Smartweigh– Mehrkopf-Gewichtsgerät

1 Vorwort Im Bereich der Herstellung von intelligenten Waagen in Zhongshan bezeichnet das Mischen von Rohstoffen in einem bestimmten Verhältnis die Herstellung eines neuen Rohstoffs. Daher ist das Mischen ein Schlüsselelement der Fertigung in diesem Bereich. Im Verarbeitungsprozess müssen verschiedene Rohstoffe gemäß dem vorgegebenen Verhältnis homogen vermischt werden. Dies erfolgt mithilfe von Mischmaschinen. In diesem Stadium verwenden Verarbeitungsbetriebe üblicherweise zwei Methoden. Die erste Methode beinhaltet das manuelle Wiegen, wobei die verschiedenen Rohstoffe anschließend separat in die Dosiermaschine gegeben und vermischt werden. Die zweite Methode ist das automatische Wiegen und vollautomatische Mischen.

Da viele Rohstoffe als Pulver oder Granulat vorliegen, besteht bei der manuellen Dosierung die Gefahr, Staub und andere Verunreinigungen einzuatmen. Dies birgt Gefahren am Arbeitsplatz, erhöht Produktionsrisiken und Personalkosten. Daher kann die manuelle Dosierung nicht direkt auf der Baustelle erfolgen und ist fehleranfällig. Dies beeinträchtigt nicht nur die Produktqualität, sondern führt auch zu höheren Verwaltungskosten. Um die Produktqualität besser zu sichern und die Produktivität zu steigern, ist die Auswahl einer präzisen und zuverlässigen Software für ein automatisches Dosiersystem erforderlich. 2. Gemäß dem automatischen Dosiersystem von Zhongshan Smart Weigh transportieren die Arbeiter die Rohstoffe zunächst zur Wiegehalle. Nach dem Wiegen werden die Rohstoffe manuell zur Dosieranlage transportiert. Für die Dosierung verwendet die Wiegehalle eine Mehrkopfwaage von Hangzhou Sifang. Diese ist über die RS232-Schnittstelle mit dem Industrieautomatisierungsserver verbunden. Der im Hauptkontrollraum befindliche Industrieautomatisierungsserver ist für die Erfassung der Wiegeergebnisse und die Anzeige der Wiegedaten zuständig. Darüber hinaus kann der Bediener im Hauptkontrollraum den gesamten Würzprozess gemäß der Steuerschaltung manuell starten und stoppen.

Diese Methode ist ineffizient. Zudem läuft das in C entwickelte und implementierte DOS-Programm auf einem Server [1], was zu schlechter Skalierbarkeit und schwieriger Mensch-Computer-Interaktion führt und die automatische Chargenverarbeitung nicht vollständig ermöglicht. Um die Produktionseffizienz zu steigern und die Kosten zu senken, ist ein vollautomatisches Chargenverarbeitungssystem erforderlich. Das neue System basiert auf einer Master-Slave-Architektur.

Der Industrie-PC dient als übergeordneter Server, während die Siemens-SPS [2], der Sanftanlaufer und die Mehrkopfwaage als übergeordnete und untergeordnete Slaves fungieren. Der Server übernimmt die zentrale Rolle, verwaltet die Kommunikation und steuert die Slaves. Nach der Impulssignalumwandlung verbindet er den asynchronen RS-232-Kommunikationsanschluss mit der SPS und schafft so einen sicheren physischen Kommunikationskanal zwischen den beiden Rechnern. Ein weiterer RS-232-Anschluss des Servers verbindet den Kommunikationsanschluss der Mehrkopfwaage und bildet so einen zweiten sicheren physischen Kommunikationskanal. Die Software des übergeordneten Rechners wählt das Abfrageverfahren für die Kommunikation mit den Slaves nacheinander.

Die übergeordnete Software übermittelt die Ergebnisse der Gesamtplanung der täglichen Aufgaben an die SPS. Während des gesamten SPS-Betriebs überwacht die übergeordnete Software mithilfe ihrer Verbindungsanweisungen den Betrieb des untergeordneten Rechners und den Inhalt des Dateninformationsbereichs und lädt die SPS-Daten umgehend. Die Echtzeitdaten des internen Zustands und der Mehrkopfwaage werden auf der Host-Software angezeigt. Insgesamt verfügt die Systemsoftware über folgende Funktionen: ① Vollautomatische Dosierung. Nach Festlegung der geheimen Rezeptur wiegt die Systemsoftware die Zutaten automatisch gemäß dieser Rezeptur ab, ohne dass ein Eingriff des Bedienpersonals erforderlich ist. ② Formularfunktion zur Erstellung von Tagesberichten, Echtzeitberichten, Monatsberichten, Jahresberichten usw. ③ Dynamische Tabellenerweiterung und -änderung. Die Systemsoftware ermöglicht es Fach- und Technikpersonal, die Tabelle gemäß der festgelegten Verwaltungsberechtigung zu ändern, die Kontrolle der geheimen Rezeptur zu verbessern und den Zeitpunkt sowie die tatsächliche Durchführung der Änderungen zu protokollieren. Die Mitarbeiternummer wird ebenfalls erfasst. 4. Funktion zur Wiederherstellung nach Stromausfall: Die Systemsoftware kann die Messwerte vor dem Stromausfall wiederherstellen, falls der Strom plötzlich ausfällt. 5. Funktion zur gemeinsamen Nutzung im lokalen Netzwerk: Der Server kann Ressourcendaten im lokalen Netzwerk freigeben, sodass die zuständigen Mitarbeiter in der Produktionshalle den Baufortschritt und andere Bedingungen verfolgen können. 2.1 Systemzusammensetzung: Alle automatischen Dosiermischer bestehen aus Industriecomputer, SPS, industrieller Mehrkopfwaage, Sanftanlaufgerät, Vibrationsmotor, Mischer, Sensor, Förderband usw.

Der übergeordnete Industrie-Steuerungsrechner zeigt die Benutzeroberfläche für die Mensch-Computer-Interaktion an und übernimmt Funktionen wie die Verarbeitung von Eingabedaten, Datenbankverwaltung, Datenanzeige, Speicherung, statistische Analyse und Formularerstellung. Die zugehörige Software basiert auf dem Industrie-Steuerungsrechner IPC810. Die Hauptaufgaben sind: Der Industrie-Automatisierungsserver lädt zunächst die geheime Rezeptur einer bestimmten Seriennummer gemäß der Bestellung des Bedienpersonals. Anschließend sendet er, entsprechend dem Verhältnis und der Reihenfolge der Gewürze in der geheimen Rezeptur, den Befehl zum Starten des Würzvorgangs an die SPS, damit diese die spezielle Software starten kann. Während des gesamten Würzvorgangs ruft der Industrie-Automatisierungsserver per Polling-Verfahren in Echtzeit die Statusinformationen der SPS ab, um deren Betrieb und den der angeschlossenen Maschinen zu steuern. Sobald die Wiegedaten gemäß der Würzstrategie den voreingestellten Wert in der geheimen Rezeptur erreichen, sendet der Server einen Befehl an die SPS, den Würzvorgang zu beenden. Sobald alle Rohstoffe für ein geheimes Rezept vorbereitet sind, wird der gesamte Würzvorgang unterbrochen und auf den Befehl des zuständigen Betriebspersonals gewartet.

Während des gesamten Systemsoftwarebetriebs kommuniziert die SPS in Echtzeit mit der Host-Computersoftware, um die Übereinstimmung zwischen den angezeigten und den tatsächlichen Daten zu gewährleisten. Alle Daten können umgehend an die SPS gesendet werden. Zu den Hauptaufgaben der SPS gehören: ① Empfangen der Anweisungen der Host-Computersoftware und Steuern von Start, Stopp und Drehzahl des Vibrationsmotors über den Sanftanlauf; ② Laden des Betriebszustands des Sanftanlaufs in Echtzeit in den Speicherbereich des Industrie-PCs; ③ Vorbereiten verschiedener Zustände in Form von Statuswörtern, die umgehend in den Industrie-PC geladen werden können. 2.2 Steuerungsmethode und Gesamtprozess des Würzens Die Analyse der Merkmale des Gesamtprozesses des Würzens ergab folgende Charakteristika: (1) Das Messobjekt ist einseitig irreversibles System. Das Rohmaterial kann nicht von der Dosieranlage zurück auf das Förderband gelangen.

(2) Es besteht eine erhebliche Zeitverzögerung. Sobald der Gewürzgehalt den voreingestellten Wert erreicht, steuert die SPS den Motor an, um die Zufuhr der Rohstoffe zu stoppen. Zu diesem Zeitpunkt befinden sich noch Rohstoffe auf dem Förderband, die nicht abgenommen werden können, wodurch die Systemsoftware eine erhebliche Verzögerung aufweist. (3) Die Steuerfunktion besteht darin, dass die Stromversorgung umschaltbar ist.

Die Start- und Stoppvorgänge der Systemsoftware stellen Schaltgrößen dar. (4) Das automatische Dosiersystem arbeitet in allen normalen Arbeitsbereichen linear. Daher berücksichtigen wir Steuerungsmethoden wie schnelles, langsames Dosieren und frühzeitiges Übertragen des Abschaltbefehls sowie die Selbstverriegelungs- und Verriegelungstechnologie der SPS, um einen reibungslosen Würzvorgang zu gewährleisten.

Nach dem Start der Systemsoftware sendet der Industrie-PC das Datensignal für den Beginn der Zufuhr an die SPS. Die SPS steuert daraufhin den Sanftanlaufmotor an, um die Zufuhr zu beschleunigen. Gleichzeitig lädt der Automatisierungsserver kontinuierlich die Wiegedaten der Mehrkopfwaage über die serielle Schnittstelle. Sobald das Nettogewicht nahe am voreingestellten Wert liegt, sendet der Automatisierungsserver den Steuercode zum Beenden der Zufuhr an die SPS. Die SPS steuert nun den Sanftanlaufmotor für eine langsame Zufuhr an. Voreingestellter Wert und spezifische Zufuhrmenge können anhand der Restrohstoffe im Fördersystem vorab festgelegt werden. Bei Fehlern oder anormalen Restrohstoffen im Fördersystem sendet die SPS einen Abbruchbefehl, der vom Sanftanlaufmotor ausgeführt wird und diesen anschließend abschaltet. Die einzelnen Schritte sind in Abbildung 1 dargestellt. Die wichtigsten täglichen Aufgaben des Industrie-PCs sind: (1) Anzeige der Animationen des gesamten Würzeprozesses.

(2) Den Steuercode an die SPS senden und den SPS-Betrieb starten. (3) Das Wiegedatensignal an die Mehrkopfwaage senden, den Wiegewert auf dem Display anzeigen und entsprechend den Wiegedaten einen Befehl an die SPS senden. (4) Datenbankabfrage und Formular erstellen, Gewürzdaten speichern und Formular kopieren.

(5) Verbesserung und Modifizierung des Geheimrezepts. (6) Weitere Funktionen wie z. B. ein Hilfsalarm für häufige Fehler beim Würzen. 3.1 Seitenlayout der mobilen Software für das Würzen. Die industrielle Steuerungsanwendung Longchuanqiao, Konfigurationsdesignschema für den industriellen Touchscreen, die Konfiguration des industriellen Steuerungssystems ist eine Entwicklungsplattform für Software, die von Kunden nach ihren eigenen Bedürfnissen entwickelt werden kann.

Wir können auf unserer Serviceplattform gemäß den geltenden Vorschriften für Verarbeitungstechnologien einen benutzerfreundlichen industriellen Touchscreen für alle Videoüberwachungssysteme entwickeln und gestalten. Der Bediener kann über diese Seite in Echtzeit mit den Maschinen und Anlagen vor Ort interagieren. Die mobile Software Longchuanqiao ist eine HMI/SCADA-basierte Konfiguration für die industrielle Steuerungsautomatisierung und bietet ein Entwicklungswerkzeug mit integriertem Seitenverhältnis und Datenvisualisierung. Diese Software zeichnet sich durch folgende Merkmale aus: (1) Vielfältige Kommunikationsfunktionen.

Die Longchuan-Bridge-Konfiguration [3] eignet sich für folgende Kommunikationsfunktionen: 1) Sie unterstützt serielle Kommunikationsmethoden wie RS232, RS422 und RS485 sowie Repeater, Telefonwahl, Telefonabfrage und -wahl. 2) Die Ethernet-Schnittstelle ist sowohl für Kabelfernsehen als auch für drahtlose Netzwerke geeignet. 3) Die Treibersoftware aller Geräte unterstützt GPRS, CDMA, GSM und weitere Mobilfunkstandards.

(2) Komfortable Systemsoftware für Entwicklung und Design. Eine Vielzahl von Komponenten und Steuerelementen bildet eine leistungsstarke Systemsoftware für die HMI-Entwicklung und das Design. Die verbesserten Verbindungs- und Farbverlaufseffekte lösen das Problem, dass viele ähnliche Mobiltelefon-Softwarelösungen zu viele Verbindungs- und Farbverlaufseffekte verwenden, was die Geschwindigkeit und Effizienz von Systemsoftware-Aktualisierungen ernsthaft beeinträchtigt. Mehrere Formen von Vektormaterial-Subgraphen erleichtern die Erstellung von Schnittstellen für Engineering-Projekte. Die Software unterstützt objektorientiertes Denken, eingebettete indirekte unabhängige Variablen, Zwischenvariablen und datenbankabfragebasierte unabhängige Variablen und ist für benutzerdefinierte Funktionen und Aufträge geeignet. (3) Offenheit.

Die Offenheit der Longchuan Bridge-Konfiguration zeigt sich vor allem in folgenden Aspekten: 1) Datenbankabfragen können mit VBA über Excel durchgeführt werden. 2) Die mobile Software basiert auf einer offenen Systemarchitektur und ist vollständig kompatibel mit den Spezifikationen DDE, OPC, ODBC/SQL, ActiveX und DNA. Sie bietet externe Schnittstellen in verschiedenen Formaten wie OLE, COM/DCOM, DLL usw., was es Kunden ermöglicht, gängige Entwicklungsumgebungen (z. B. VC++, VB usw.) für die detaillierte Weiterentwicklung zu nutzen.

3) Die Systemarchitektur der Longchuan Bridge-Konfigurations-I/O-Treibersoftware ist offen gestaltet. Teile des Quellcodes der Sockets sind vollständig veröffentlicht, sodass Kunden eigenständig Treibersoftware entwickeln können. (4) Datenbankabfragefunktion: Die Longchuan Bridge-Konfiguration verfügt über eine integrierte Zeitreihendatenbank. Verschiedene Funktionsblöcke zur Datenverarbeitung und -speicherung sind in diese Datenbank eingebettet und ermöglichen Funktionen wie Zusammenfassung, statistische Analyse, Manipulation und Linearisierung. (5) Anwendbar auf eine Vielzahl von Maschinen, Geräten und Systembussen.

Es eignet sich für SPS, Steuerungen, Multifunktionsgeräte, mobile Endgeräte und intelligente Steuermodule der meisten namhaften Hersteller weltweit. Darüber hinaus ist es auch mit gängigen Computerschnittstellen wie Profibus, CAN, LonWorks und Modbus kompatibel. 3.2 Die E/A-Ebene des Systems: Die Konfiguration der Longchuan-Brücke verwendet Zeitreihendatenbankpunkte zur Kennzeichnung der E/A-Punkte. Nach der Analyse benötigt die Systemsoftware drei E/A-Punkte. Zwei Datenreferenzpunkte dienen der Steuerung des Motorstarts und -stopps durch die SPS. Daher werden die Dateninformationsverbindungen dieser beiden Punkte als zwei Datenvolumen-E/As der SPS ausgewählt.

Ein Simulationspunkt repräsentiert Echtzeitdaten der Mehrkopfwaage. Die Daten an diesem Punkt korrespondieren mit den exakten Messwerten der Mehrkopfwaage. 4. Kommunikationsprogrammierung: Die Kommunikationsprogrammierung umfasst drei Teile: die Kommunikation zwischen Server und SPS, die Kommunikation zwischen Server und Mehrkopfwaage sowie die Kommunikation zwischen SPS und Sanftanlaufgerät. 4.1 Die Kommunikationskonfiguration zwischen Server und SPS ist in der Regel in gängige SPS-Treibersoftware integriert. Zunächst wird in der Longchuan-Bridge-Konfiguration eine neue virtuelle SPS-Maschine erstellt. Modell und Spezifikationen der virtuellen Maschine müssen mit der Anwendung übereinstimmen. SPS-Modell und -Spezifikationen sind identisch. Falls die benötigten SPS-Modellspezifikationen in der Konfiguration nicht vorhanden sind, kann der Softwarehersteller für Mobiltelefone die kostenlose Entwicklung und den Entwurf eines neuen SPS-Treibers mit den entsprechenden Spezifikationen beauftragen.

Die virtuelle Maschine dient zur Abbildung der realen Maschine. Die verwendete SPS ist eine Siemens S7-300, und der Server kommuniziert gemäß serieller Kommunikation (siehe Abschnitt 1.4.2) mit der SPS. Für die Mehrkopfwaage verwenden wir ein Modell von Hangzhou Sifang. Um eine optimale Kommunikation zwischen Bedienfeld und Konfiguration zu gewährleisten, haben wir die Firma Longchuanqiao mit der Entwicklung des Bedienfelds und der zugehörigen Treibersoftware beauftragt. Zunächst wählen wir den gewünschten Maschinentyp aus dem konfigurierten Treiberverzeichnis aus und erstellen für diesen Typ eine virtuelle Maschine zur Abbildung der realen Mehrkopfwaage. Anschließend konfigurieren wir die Kommunikationsports und -protokolle zwischen Bedienfeld und Computer.

4.3 Kommunikation zwischen SPS und Sanftanlasser: Da in der Gewürzproduktionsanlage verschiedene Rohstoffe verarbeitet werden, sind mehrere Förderbänder für eine effizientere Dosierung installiert. Daher muss eine SPS des automatischen Dosiersystems mit mehreren Sanftanlassern verbunden werden. Die Kommunikation zwischen SPS und Sanftanlassern erfolgt über den Profibus-Systembus. Dazu wird ein spezielles Profibus-Kommunikationsmodul in den Sanftanlasser eingesetzt, die Adresse der Slave-Station konfiguriert und die Verbindung über die Profibus-Funkfrequenz hergestellt. Die Steuerung ist mit der SPS verbunden. Die SPS sendet und empfängt Nachrichten im programmierten Format an den Sanftanlasser, übermittelt die Betriebssignale und lädt Statusmeldungen von der Sanftanlasser-Home-Adresse. Als Profibus-Domänenname wird CPU315-3DP verwendet. Jeder Sanftanlasser, der mit diesem Domänennamen kommuniziert, fungiert als Profibus-Slave-Station.

Während der Kommunikation wählt der Domänenname die Slave-Station zur Datenübertragung anhand der detaillierten Adresskennung im Kommunikationsnachrichtenformat aus. Die Slave-Station selbst kann keine Daten aktiv senden und die Übertragung von Informationsinhalten kann nicht unmittelbar erfolgen. Die in der Systemsoftware verwendeten Sanftanlaufgeräte entsprechen den Modellen und Spezifikationen der Siemens MicroMaster430-Serie [4].

Die zentrale Kommunikation zwischen SPS und Sanftanlasser umfasst zwei Definitionen: das Datennachrichtenformat und das Manipulations- sowie das Statuswort. (1) Kommunikationsnachrichtenformat.

Das Format jeder Nachricht beginnt mit der Kennung STX, gefolgt von der Längenangabe (LGE) und der Anzahl der Bytes der detaillierten Adresse ADR, anschließend der ausgewählten Dateninformationskennung. Das Nachrichtenformat endet mit dem Detektor BCC des Dateninformationsblocks. Die Feldnamen der Schlüsselfelder werden wie folgt angegeben: Das Feld STX ist eine ein Byte lange ASCII-Kennung (02hex), die den Beginn des Nachrichteninhalts markiert. Der LGE-Bereich ist ein Byte lang und gibt die Anzahl der Bytes an, gefolgt vom Inhalt dieser Information. Der ADR-Bereich ist ein Byte lang und enthält die detaillierte Adresse des Stationsknotens (d. h. des Sanftanlaufgeräts).

Der BCC-Bereich ist eine ein Byte lange Prüfsumme, die die Plausibilität des Nachrichteninhalts überprüft. Sie entspricht der Anzahl der Bytes vor dem BCC-Bereich im Nachrichteninhalt, berechnet per XOR-Verknüpfung. Ist der vom Soft-Starter empfangene Nachrichteninhalt laut Prüfsumme ungültig, verwirft er ihn und sendet keine Antwort an die Domain.

(2) Manipulations- und Statusmeldung. Die SPS kann die Variablenwerte des Sanftanlassers anhand des PKW-Bereichs des Sanftanlassers lesen und schreiben und so dessen Betriebszustand ändern oder steuern. In dieser Systemsoftware liest die SPS die Daten in diesem Bereich und speichert sie in einem speziellen Datenbereich, der vom Industrie-PC angezeigt wird.

5 Ergebnisse: Die Systemsoftware erfüllte die erforderlichen täglichen automatischen Chargenverarbeitungsaufgaben im Zusammenspiel mit dem Industrie-Steuerungsrechner, der SPS und dem Sanftanlaufgerät. Die Systemsoftware ist seit Mai 2008 im Einsatz. Die tägliche Chargenmenge beträgt 100 Tonnen, und es werden 10 geheime Rezepturen verarbeitet. Die Software zeigt nicht nur den Betriebsstatus in Echtzeit an, sondern auch Änderungen und Aktualisierungen geheimer Rezepturen sowie spezifische Bedienungsanweisungen. Die Systemsoftware arbeitet reibungslos und zuverlässig. Der industrielle Touchscreen ist benutzerfreundlich und elegant. Darüber hinaus ermöglicht die konfigurierbare Entwicklungsarchitektur der Systemsoftware einfache zukünftige Upgrades.

Autor: Smartweigh– Hersteller von Mehrkopf-Gewichten

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