Conception d'un système de contrôle de dosage automatique basé sur un automate programmable et une peseuse multi-têtes

Auteur : Smartweigh– Peseuse multi-têtes

1. Avant-propos Dans le domaine de la fabrication de produits à pesage intelligent Zhongshan, le mélange consiste généralement à combiner des matières premières dans des proportions précises afin d'obtenir un nouveau produit. Le mélange est donc une étape clé de la fabrication dans ce secteur. Lors du processus de transformation, les différentes matières premières doivent être mélangées uniformément et en respectant scrupuleusement les proportions requises, une opération réalisée par une machine de mélange. À ce stade, les usines de transformation utilisent généralement deux méthodes. La première consiste à effectuer un pesage manuel, puis à introduire séparément les différentes matières premières dans une machine de dosage pour les mélanger. La seconde méthode est un système de pesage automatique suivi d'un mélange entièrement automatisé.

Étant donné que de nombreuses matières premières initiales se présentent sous forme de poudres ou de granulés, le dosage manuel expose les opérateurs à une forte inhalation de poussières et autres impuretés, engendrant des risques professionnels, une augmentation des risques de production et des coûts liés au capital humain. Par conséquent, le dosage manuel ne peut être géré directement sur le chantier, car il est très sujet aux erreurs de dosage, compromettant ainsi la qualité et augmentant les coûts de gestion. Afin de garantir la qualité des produits et d'améliorer la productivité, il est impératif de sélectionner un logiciel de dosage automatique précis et fiable. 2. Le système de dosage automatique de Zhongshan Smart Weigh, basé sur un automate programmable (PLC), un ordinateur de contrôle industriel et une balance multi-têtes, fonctionne de la manière suivante : les opérateurs acheminent d'abord les matières premières vers l'atelier de pesage. Une fois le pesage terminé, les matières premières sont envoyées manuellement vers la machine de dosage. Pour le dosage, l'atelier de pesage utilise une balance multi-têtes Hangzhou Sifang. Celle-ci est connectée au serveur d'automatisation industrielle via un port RS232. Ce serveur, situé dans la salle de contrôle principale, enregistre les résultats de pesage et affiche les données correspondantes. De plus, l'opérateur peut contrôler manuellement le démarrage et l'arrêt de l'ensemble du processus d'assaisonnement dans la salle de contrôle principale, conformément au circuit de commande.

Ce type de méthode est inefficace. De plus, le processus du programme DOS, développé et conçu en langage C, s'exécute sur le serveur [1], ce qui présente une faible évolutivité et une interface homme-machine complexe, et ne permet pas de mettre en œuvre toutes les fonctionnalités du traitement par lots automatisé. Afin d'améliorer l'efficacité de la production et de maîtriser les coûts, il est nécessaire de choisir un système de traitement par lots automatisé. Le nouveau système adopte une structure relationnelle maître-esclave.

L'ordinateur industriel sert de serveur principal, tandis que l'automate programmable Siemens PLC[2], le démarreur progressif et la balance multi-têtes font office d'esclaves. Le serveur, en tant que système principal, gère la communication et le fonctionnement de chaque esclave. Après conversion du signal d'impulsion, il connecte le port de communication asynchrone RS-232 de l'ordinateur industriel à l'automate programmable, créant ainsi un canal de communication physique sécurisé entre les ordinateurs principal et inférieur. Un autre port RS-232 du serveur est connecté au port de communication de la balance multi-têtes afin de former un second canal de communication physique sécurisé. Le logiciel de l'ordinateur principal communique successivement avec les stations esclaves par interrogation.

Le logiciel de l'ordinateur hôte transmet les résultats de la planification globale des tâches quotidiennes à l'automate programmable (PLC). Pendant toute la durée de fonctionnement du PLC, le logiciel de l'ordinateur hôte utilise les instructions de connexion pour surveiller le fonctionnement de l'ordinateur hôte et le contenu de la zone d'informations, et charge immédiatement les données du PLC. Les données en temps réel relatives à l'état interne et à la peseuse multi-têtes sont affichées sur le logiciel de l'ordinateur hôte. Le logiciel système possède les fonctions suivantes : ① Dosage entièrement automatisé. Une fois la recette secrète définie, le logiciel système pèse automatiquement les ingrédients conformément à cette recette, sans intervention du personnel ; ② Fonction de génération de rapports : il permet de générer des rapports quotidiens, mensuels, annuels, etc., ainsi que des rapports en temps réel ; ③ Mise à jour et modification dynamiques des tables : le logiciel système permet au personnel technique ou opérationnel autorisé de modifier les tables, améliorant ainsi le contrôle des recettes secrètes, et enregistre la date et l'heure de chaque modification, ainsi que le numéro de série de l'utilisateur. 4. Fonction de récupération après coupure de courant : le logiciel système peut restaurer les enregistrements de mesure précis antérieurs à la coupure de courant en cas de coupure soudaine. 5. Fonction de partage sur réseau local : le serveur peut partager les données de ressources sur le réseau local, permettant ainsi aux responsables de l'atelier de production de suivre l'avancement des travaux et autres conditions. 2.1 Composition du système : tous les mélangeurs à dosage automatique sont composés d'un ordinateur industriel, d'un automate programmable, d'une peseuse multi-têtes industrielle, d'un démarreur progressif, d'un moteur vibrant, d'un mélangeur, de capteurs, d'un convoyeur, etc.

L'ordinateur de contrôle industriel supérieur affiche l'interface homme-machine et assure des fonctions telles que la saisie, la gestion et l'affichage des données, le stockage, l'analyse statistique et la création de formulaires. Le logiciel de cet ordinateur utilise un automate programmable industriel IPC810. Ses principales tâches sont les suivantes : le serveur d'automatisation industrielle charge d'abord la recette secrète correspondant à un numéro de série spécifique, conformément aux instructions de l'opérateur. Ensuite, en fonction des proportions et de l'ordre d'assaisonnement définis dans la recette, il transmet la commande de démarrage de l'assaisonnement à l'automate programmable (PLC), qui lance alors le logiciel dédié. Pendant toute la durée de l'assaisonnement, le serveur d'automatisation industrielle interroge régulièrement l'automate programmable (PLC) en temps réel afin de contrôler son fonctionnement et celui des machines qui lui sont subordonnées. Enfin, lorsque le poids atteint une valeur proche de la valeur prédéfinie dans la recette secrète, le serveur envoie une commande à l'automate programmable (PLC) pour arrêter l'assaisonnement. Une fois que toutes les matières premières d'une recette secrète ont été préparées, tout le processus d'assaisonnement est suspendu, en attendant l'ordre du personnel en charge de l'exécution.

Durant tout le processus de fonctionnement du logiciel système, l'automate programmable (PLC) communique en temps réel avec le logiciel de l'ordinateur hôte afin de garantir la cohérence entre les données affichées et les données réelles. Toutes les données sont transmises instantanément à l'automate. Les principales tâches de l'automate sont les suivantes : ① Recevoir les instructions du logiciel de l'ordinateur hôte et contrôler le démarrage, l'arrêt et la vitesse du moteur vibrant en fonction du démarreur progressif ; ② Charger en temps réel l'état de fonctionnement du démarreur progressif dans la mémoire de l'ordinateur de contrôle industriel ; ③ Préparer ses différents états sous forme de mots d'état, qui peuvent être chargés instantanément dans l'ordinateur de contrôle industriel. 2.2 Méthode de contrôle et processus de maturation : L'analyse des caractéristiques du processus de maturation révèle les points suivants : (1) Le système cible est unilatéral et irréversible. La matière première ne peut pas retourner sur le convoyeur depuis la machine de dosage.

(2) Il présente un délai de réponse important. Lorsque l'assaisonnement atteint la valeur prédéfinie, l'automate programmable commande le moteur pour arrêter le transport des matières premières. À ce moment-là, certaines matières premières présentes sur le convoyeur ne peuvent être achetées, ce qui explique le délai de réponse important du logiciel système. (3) L'alimentation électrique est commutable.

Les opérations de démarrage et d'arrêt du logiciel système sont toutes des commutations de quantités. (4) Le système de dosage automatique est linéaire dans toutes les zones de fonctionnement normales. Par conséquent, nous prenons en compte l'utilisation de méthodes de contrôle telles que la vitesse rapide, la vitesse lente et la transmission anticipée de la commande d'arrêt d'alimentation, ainsi que l'utilisation de la technologie d'auto-verrouillage et d'interverrouillage du PLC pour assurer le bon déroulement du processus d'assaisonnement.

Après le démarrage du logiciel système, l'ordinateur de contrôle industriel transmet le signal de début d'alimentation à l'automate programmable (PLC), qui commande le démarreur progressif pour accélérer le démarrage de l'alimentation. Parallèlement, le serveur d'automatisation industrielle charge en continu les données de pesage de la peseuse multi-têtes via une liaison série. Lorsque le poids net approche la valeur prédéfinie, le serveur d'automatisation industrielle transmet à l'automate programmable le code de commande d'arrêt d'alimentation. L'automate programmable commande alors le démarreur progressif pour une alimentation lente, la valeur prédéfinie et le débit d'alimentation précis étant déterminés au préalable en fonction des matières premières restantes dans le système de transmission. En cas d'erreur ou de quantité anormale de matières premières restantes dans le système de transmission, l'automate programmable envoie une commande d'arrêt, exécutée par le démarreur progressif, puis arrête le moteur. Ces étapes sont illustrées sur la figure 1. Logiciel du système de dosage automatique 3 Développement du logiciel du serveur d'automatisation industrielle Les principales tâches quotidiennes de l'ordinateur de contrôle industriel sont les suivantes : (1) Affichage des informations animées relatives à l'ensemble du processus de dosage.

(2) Envoyer le code de contrôle à l'automate programmable et programmer son fonctionnement. (3) Charger le signal de données de pesage sur la peseuse multi-têtes, afficher la valeur de pesée sur l'écran et envoyer la commande à l'automate programmable en fonction de ces données. (4) Interroger la base de données, enregistrer les données de pesage et copier le formulaire.

(5) Amélioration et modification de la recette secrète. (6) Autres fonctions telles qu'une alarme auxiliaire pour les défauts courants d'assaisonnement. 3.1 Conception de l'interface du logiciel mobile d'assaisonnement. Application informatique de contrôle industriel. Schéma de conception de la configuration Longchuanqiao. Écran tactile industriel. La configuration du système de contrôle industriel est en réalité une plateforme de développement logiciel personnalisable par les clients selon leurs besoins.

Nous pouvons développer et concevoir un écran tactile industriel convivial pour tous les systèmes de vidéosurveillance de notre plateforme de services, conformément aux réglementations en matière de technologie de traitement. L'opérateur peut ainsi interagir en temps réel avec les machines et équipements sur site, comme indiqué sur cette page. Le logiciel mobile Longchuanqiao est une solution d'automatisation et de contrôle industriel IHM/SCADA qui fournit un outil de développement intégrant le format d'image et la visualisation des données. Ce logiciel présente les caractéristiques suivantes : (1) Fonctions de communication variées.

La configuration du pont Longchuan [3] est adaptée aux fonctions de communication suivantes : 1) Elle convient aux méthodes de communication série telles que RS232, RS422 et RS485, ainsi qu’aux fonctions de répéteur, de numérotation téléphonique et d’interrogation téléphonique. 2) La communication via interface Ethernet est également compatible avec les interfaces Ethernet de la télévision par câble et des réseaux sans fil. 3) Les logiciels pilotes de tous les appareils sont compatibles avec les normes GPRS, CDMA, GSM et autres spécifications Internet mobile.

(2) Logiciel de développement et de conception convivial. Une variété de composants et de commandes forment un puissant système de développement et de conception d'IHM ; l'amélioration des couleurs de connexion et des effets de couleur asymptotiques résout à la source le problème que de nombreux logiciels pour téléphones mobiles similaires utilisent trop de couleurs de connexion et de couleurs asymptotiques, ce qui constitue une menace sérieuse pour la rapidité et l'efficacité de la mise à jour de l'interface. Un plus grand nombre de sous-graphiques vectoriels facilite la création d'interfaces pour les projets d'ingénierie ; il illustre une méthode de pensée orientée objet, intègre des variables indépendantes indirectes, des variables intermédiaires et des variables indépendantes de requêtes de base de données, et est applicable aux fonctions et aux commandes personnalisées. (3) Ouvert.

L'ouverture de la configuration du pont Longchuan se manifeste principalement par les aspects suivants : 1) Utilisation d'Excel pour consulter les requêtes de base de données via VBA. 2) Le logiciel mobile repose sur une architecture système ouverte, entièrement compatible avec les spécifications DDE, OPC, ODBC/SQL, ActiveX et DNA. Il offre des interfaces de navigation externes sous diverses formes (OLE, COM/DCOM, bibliothèque de liens dynamiques, etc.), permettant ainsi aux clients d'utiliser facilement différents environnements de développement courants (VC++, VB, etc.) pour effectuer des développements secondaires approfondis.

3) L'architecture système du logiciel pilote d'E/S de la configuration Longchuan Bridge est ouverte ; une partie du code source de ses sockets est entièrement publiée, permettant ainsi aux clients de développer leurs propres pilotes. 4) Fonction d'interrogation de base de données : la configuration Longchuan Bridge intègre une base de données de séries temporelles. Divers blocs fonctionnels y sont intégrés pour le traitement et le stockage des données, permettant notamment la synthèse, l'analyse statistique, la manipulation et la linéarisation. 5) Compatibilité avec une large gamme de machines, d'équipements et de bus système.

Il est compatible avec les automates programmables, les contrôleurs, les instruments multifonctions, les terminaux mobiles intelligents et les modules de commande intelligents des plus grands fabricants mondiaux. De plus, il est compatible avec les interfaces informatiques standard telles que Profibus, CAN, LonWorks et Modbus. 3.2 Configuration des E/S du système Longchuan Bridge : les points d'entrée/sortie sont définis à partir d'une base de données de séries temporelles. Après analyse, le logiciel système nécessite trois points d'entrée/sortie, dont deux points de référence pour la commande de démarrage et d'arrêt du moteur par l'automate programmable. Par conséquent, la connexion de ces deux points est sélectionnée comme deux entrées/sorties de volume de données de l'automate programmable.

Un point de simulation est utilisé pour représenter les données en temps réel chargées depuis la peseuse multi-têtes. Ainsi, les données à ce point sont liées à la mesure exacte de la peseuse. 4. Conception du programme de communication. La conception du programme de communication comprend trois parties : la communication entre le serveur et l’automate programmable (PLC) ; la communication entre le serveur et la peseuse multi-têtes ; et la communication entre l’automate programmable et le démarreur progressif. 4.1 La configuration de communication entre le serveur et l’automate programmable est généralement intégrée au logiciel pilote d’automate programmable standard. Tout d’abord, une nouvelle machine virtuelle d’automate programmable est créée dans la configuration Longchuan Bridge. Le modèle et les spécifications de la machine virtuelle doivent correspondre à l’application réelle. Les modèles et spécifications d’automate programmable sont identiques. Si les spécifications du modèle d’automate programmable requis ne sont pas disponibles dans la configuration, le fabricant du logiciel mobile peut être mandaté pour développer et concevoir gratuitement un nouveau pilote d’automate programmable correspondant.

La machine virtuelle sert à simuler la machine réelle. Ici, l'automate programmable utilisé est un Siemens S7-300, et le serveur est configuré pour communiquer avec lui via une liaison série. 4.2 Communication entre le serveur et la peseuse multi-têtes. Pour la peseuse multi-têtes, nous utilisons un modèle de Hangzhou Sifang. Afin d'optimiser la communication entre le tableau de bord et la configuration, nous avons mandaté la société Longchuanqiao pour développer le logiciel pilote. Nous sélectionnons d'abord le type de machine requis dans le répertoire des pilotes configurés, puis nous créons une machine virtuelle pour simuler la peseuse multi-têtes réelle. Enfin, nous configurons le numéro de port et les protocoles de communication entre le tableau de bord et l'ordinateur.

4.3 Communication entre l'automate programmable et le démarreur progressif. L'atelier de production d'assaisonnement utilisant diverses matières premières, plusieurs convoyeurs ont été installés pour faciliter le processus. Par conséquent, un automate programmable du système de dosage automatique doit être connecté à plusieurs démarreurs progressifs. La communication entre l'automate et le démarreur progressif s'effectue via le bus Profibus. Un module de contrôle Profibus spécifique est inséré dans le démarreur progressif, et l'adresse précise de la station esclave est configurée. La connexion s'effectue ensuite par radiofréquence Profibus. Le contrôleur est connecté à l'automate, qui gère l'envoi et la réception des messages au démarreur progressif conformément à sa programmation. Le CPU315-3DP sert de nom de domaine Profibus, et chaque démarreur progressif communiquant avec ce nom de domaine est considéré comme une station esclave Profibus.

Lors de la communication, le nom de domaine sélectionne la station esclave à transmettre les données en fonction de l'identifiant d'adresse détaillé figurant dans le format du message de communication. La station esclave ne peut pas transmettre activement de données et ne peut pas effectuer immédiatement la transmission d'informations. Les modèles et spécifications des démarreurs progressifs utilisés dans le logiciel système sont tous des produits de la série Siemens MicroMaster430 [4].

La communication essentielle entre l'automate programmable et le démarreur progressif repose sur deux éléments : le format des messages de données et les mots de commande et d'état. (1) Format des messages de communication.

Le format de chaque message commence par l'identifiant STX, suivi de la longueur LGE et du nombre d'octets de l'adresse détaillée ADR, puis de l'identifiant des données sélectionnées. Le message se termine par le BCC du détecteur du bloc de données. Les noms des champs clés sont les suivants : le champ STX est un identifiant ASCII d'un octet (02 hexadécimal) qui indique le début du contenu du message. La zone LGE est un octet indiquant le nombre d'octets suivis du contenu de cette information. La zone ADR est un octet qui correspond à l'adresse détaillée du nœud de la station (par exemple, le démarreur progressif).

La zone BCC est une somme de contrôle d'un octet, utilisée pour vérifier la validité des informations. Elle correspond au nombre total d'octets précédant le BCC dans le contenu du message, après application d'un OU exclusif (XOR). Si les informations reçues par le serveur logiciel sont invalides d'après ce résultat, elles seront rejetées et aucune réponse ne sera envoyée au nom de domaine.

(2) Mots de manipulation et d'état. L'automate programmable peut lire et écrire la valeur de la variable du démarreur progressif conformément à la zone PKW de ce dernier, puis modifier ou contrôler son état de fonctionnement. Dans ce logiciel système, l'automate lit les données de cette zone et les place dans une zone de données dédiée, accessible à l'ordinateur de contrôle industriel. Les résultats de cette lecture sont ensuite affichés sur l'ordinateur de contrôle industriel.

5 Résultats : Le logiciel système a exécuté avec succès les tâches quotidiennes de dosage automatique requises, grâce à la coopération entre l'ordinateur de contrôle industriel, l'automate programmable et le démarreur progressif. Ce logiciel est opérationnel depuis mai 2008. La capacité de dosage journalière est de 100 tonnes, et 10 recettes secrètes sont exécutées. Il permet d'afficher en temps réel l'état de fonctionnement, ainsi que les informations relatives aux modifications et mises à jour des recettes secrètes. Les instructions d'utilisation précises sont également fournies. Le logiciel fonctionne de manière fluide et fiable, son écran tactile industriel est esthétique et élégant, et son utilisation est intuitive. De plus, sa conception modulaire facilite les mises à jour ultérieures.

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