基於PLC和多頭秤的自動配料控制系統設計
作者：Smartweigh多頭配重器
1 前言 在中山智慧秤重製造領域，調配通常是指將各種原料以一定比例混合，製成新的原料。因此，調配是該領域製造的關鍵環節。在加工過程中，各種原料必須嚴格按照比例均勻混合，這需要透過調配機械來實現。目前，加工廠一般採用兩種方法。第一種方法是人工稱重，然後將各種原料按比例分別放入配料機進行混合。另一種方法是自動稱重，全自動混合。
由於許多初始原料為粉末或顆粒狀，人工調味時，人體極易吸入粉塵和其他污垢，造成職業危害，增加生產風險和人力成本。因此，施工現場無法有效管理人工調味，且極易出現不匹配的情況，不僅無法保證產品質量，還會增加管理成本。為了更好地確保產品品質並提高生產效率，規定應選用精準可靠的自動配料系統軟體。 2 根據PLC、工控機和多頭秤組成的自動配料系統，目前中山智慧稱重公司的自動配料系統中，工人首先將原材料運送到稱重車間。秤重完成後，再將原料人工送至配料機調味。稱重車間使用杭州四方公司的多頭秤進行稱重，並透過RS232介面與工業自動化伺服器連接。位於主控室的工業自動化伺服器負責記錄稱重結果並顯示稱重資料資訊。此外，操作員還可以根據控制電路在主控室手動控制整個調味過程的啟動和停止。
這種方法效率不高。此外，以C語言開發設計的DOS程式運行在伺服器上[1]，伺服器可擴充性差，人機互動技術複雜，無法實現自動批次的全部功能。為了更好地提高生產效率和控製成本，必須選擇全自動批次系統。新系統採用主從關係結構。
工業電腦用作上位機，西門子PLC[2]、軟啟動器和多頭秤分別用作上、下從設備。上位機作為主導設備，負責各從設備的通訊管理與操作，並將脈衝訊號轉換後，透過工業電腦的RS-232非同步通訊埠與PLC連接，形成上、下電腦之間的實體安全通訊通道；同時，將上位機的另一個RS-232埠與多頭秤的通訊埠連接，形成第二個實體安全通道。上位機軟體採用輪詢方式，逐一與各從站通訊。
上位機軟體將每日任務的總體規劃結果傳送至PLC。在PLC運作的整個過程中，上位機軟體透過其連接指令監控下位機的運作情況和資料資訊區的內容，並立即載入PLC資料。內部情況及其多頭秤的即時數據顯示在上位機軟體上。系統軟體整體具有以下功能：① 全自動配料。設定秘方後，系統軟體無須實際操作人員幹預，即可依秘方自動秤重食材；② 具備報表功能，可產生日報表、月報表、年報表等即時報表；③ 動態增強及修改表格。系統軟體授權專業技術人員或實際操作人員根據設定的管理權限進行修改，加強對秘方的控制，並記錄修改的時間和實際操作人員編號。 4. 斷電修復功能，系統軟體可在突然斷電時修復斷電前的精確測量記錄；5. 區域網路共享功能，伺服器可在區域網路內共享資源數據信息，生產車間負責人可追蹤施工進度等情況。 2.1 系統組成 所有自動配料攪拌機均由工業電腦、PLC、工業生產多頭秤、軟啟動器、震動馬達、攪拌器、感測器、輸送帶等組成。
上位機顯示人機互動技術頁面，並執行資訊內容輸入、資料庫管理、資料資訊顯示、儲存、統計分析和表單產生等功能。上位機軟體採用IPC810工控機。其主要任務如下：首先，工業自動化伺服器根據實際操作人員的順序載入特定序號的秘方；然後，根據秘方中調味料的比例和順序，向PLC發送開始調味料的指令，使PLC啟動專用軟體。在整個調味料過程中，工業自動化伺服器採用輪詢方式即時載入PLC的狀態字，掌握PLC及其下屬設備的運作；根據調味策略，當稱重資料接近秘方中的預設值時，伺服器向PLC發送指令終止調味料。當秘方中的所有原料都準備就緒後，所有調味料的製作過程都會暫停，等待實際操作人員的指示。
在系統軟體運作的整個過程中，PLC與上位機軟體即時通信，以確保頁面顯示的數據資訊與現場特定數據資訊的一致性，所有資訊均可立即發送至PLC。 PLC的主要任務包括：①接收上位機軟體推送的指令，並根據軟啟動器控制振動馬達的啟動、停止和轉速；②將軟啟動器的運行狀態即時載入到運行記憶體資料資訊區，該資訊由工控電腦載入；③以狀態字的形式準備自身的各種運作狀態，工控電腦可立即載入。 2.2 控制方法及調味全過程 根據對調味全過程特性的分析，可知調味全過程具有以下特點：（1）被測目標為單向不可逆系統軟體，原料無法從配料機返回傳送帶。
（2）存在明顯的時滯。當調味料達到預設值時，PLC控制馬達停止輸送原料。此時傳送帶上可能存在一些無法採購的原料，因此系統軟體有明顯的時滯。 （3）可控特性在於電源可切換。
系統軟體的啟動和停止操作均為開關量。 (4) 自動配料系統在所有正常工作範圍內均為線性。因此，我們考慮採用快速、慢速和提前發送終止進料指令等控制方法，並利用PLC的自鎖和互鎖技術，以確保調味過程的平穩進行。
系統軟體啟動後，工控電腦向PLC發送進料開始的資料訊號，PLC控制軟啟動器驅動馬達快速啟動進料。同時，工業自動化伺服器透過串列通訊持續載入多頭秤的稱重資料資訊。當淨重值接近預設值時，工業自動化伺服器會向PLC發送停止進料的控制代碼。此時，PLC控制軟啟動器進行慢速進料，預設值和特定進料量可依傳動機構上的殘留原料預先設定。當傳動機構發生故障或殘留原料異常時，PLC發出終止指令，軟啟動器執行指令，進而控制馬達停止運轉。步驟如圖1所示。自動配料系統軟體 3 工業自動化伺服器軟體開發 工控電腦的主要日常任務如下：（1）顯示調味全過程的動畫資訊。
（2）向PLC發送控制碼並載入PLC操作指令。 （3）將稱重資料訊號載入到多頭秤上，在顯示器上顯示稱重值，並根據稱重資料資訊向PLC發送指令。 （4）資料庫查詢和表單，儲存調味資料信息，複製表單。
（5）秘方改良與修改。 （6）其他功能，例如調味過程中常見故障的輔助警報。 3.1 調味品手機軟體頁面設計 工業控制電腦應用龍川橋配置設計方案工業觸控屏，工業控制系統配置實際上是一個開發軟體服務平台，客戶可以根據自身需求進行開發。
我們可以根據工藝規範，為服務平台上的所有視頻監控系統開發和設計友好的工業觸控屏，操作人員可以透過此頁面與現場機械設備進行即時互動。龍川橋手機軟體是一款HMI/SCADA工業控制自動化配置軟體，提供整合了寬高比和資料視覺化的開發工具。本軟體具有以下特點：（1）多種通訊功能。
龍川橋配置[3]適用於下列通訊功能：1）適用於RS232、RS422、RS485等串列通訊方式，以及中繼、電話撥號、電話輪詢撥號等通訊方式。 2）乙太網路介面通訊也適用於有線電視乙太網路介面和無線網路乙太網路介面。 3）所有機器設備的驅動軟體均適用於GPRS、CDMA、GSM等行動互聯網規格。
（2）便捷的開發設計系統軟體。多種組件和控制功能構成了強大的HMI開發設計系統軟體；改進的連接色和漸近色效果從根本上解決了許多類似手機軟體使用過多連接色和漸近色，嚴重威脅界面更新速度和系統軟體運行效率的問題；更多形式的向量素材子圖使工程項目界面設計更加便捷變量，展現對象的思維方式，嵌入自變量、中間變量適用、間接自變量。 （3）開放。
龍川橋配置的開放性主要體現在以下幾個方面：1）支援使用Excel透過VBA進行資料庫查詢。 2）手機軟體採用開放系統架構，完全相容於DDE、OPC、ODBC/SQL、ActiveX和DNA等規範，並提供OLE、COM/DCOM、動態連結庫等多種形式的外部接口，方便使用者使用各種常用開發環境（如VC++、VB等）進行深度二次開發。
3）龍川橋配置I/O驅動軟體的系統架構採用開放式結構，其部分介面原始碼已完全公開，客戶可獨立開發驅動軟體。 (4) 資料庫查詢功能。龍川橋配置內建時序資料庫，並在該時序資料庫中嵌入了多種功能模組，用於資料處理和存儲，可完成匯總、統計分析、資料處理、線性化等多種功能。 (5) 適用於多種機器設備和系統匯流排。
它適用於全球大多數知名廠商生產的PLC、控制器、多功能儀表、行動智慧終端和智慧控制模組；此外，它也適用於Profibus、Can、LonWorks和Modbus等標準電腦介面。 3.2 系統I/O等級 龍川橋配置採用時序資料庫點來指示I/O點。經分析，系統軟體必須有三個I/O點，其中兩個資料參考點用於根據PLC控制馬達的啟動停止。因此，這兩點的資料資訊連接被選為PLC的兩個資料量I/O。
模擬點用於表示從多頭秤加載的即時數據，因此該點的數據資訊與多頭秤的精確測量值相關聯。 4 通訊程式設計 通訊程式設計包括三個部分：第一部分是伺服器與PLC之間的通訊；第二部分是伺服器與多頭秤之間的通訊；第三部分是PLC與軟啟動器之間的通訊。 4.1 伺服器與PLC之間的通訊配置通常嵌入常用的PLC驅動軟體。首先，在龍川橋配置中建立一個新的PLC虛擬機器。虛擬機器的型號和規格必須與實際應用一致，PLC的型號和規格也必須相同。如果在配置中找不到所需的PLC型號和規格，可以授權手機軟體廠商免費開發和設計符合該類型和規格的PLC驅動程式。
虛擬機器用於模擬真實機器。這裡，大家使用的PLC是西門子S7-300，伺服器依照串列埠通訊方式與PLC通訊。 4.2 伺服器與多頭秤的通訊 多頭秤我們採用杭州四方的多頭秤。為了確保儀錶板與配置之間的良好通信，我們特地委託龍川橋企業開發儀錶板並設計驅動軟體。首先，我們從配置的驅動目錄中選擇所需的機器設備類型，並針對該類型建立虛擬機器設備來模擬真實的多頭秤，然後設定儀錶板與電腦之間的通訊連接埠號碼和通訊協定。
4.3 PLC與軟啟動器的通訊 由於調味料生產車間原料種類繁多，為了方便調味料，我們設置了多條傳送帶。因此，自動配料系統的一台PLC需要連接多個軟啟動器。為此，我們採用Profibus系統匯流排在PLC和軟啟動器之間進行通信，在軟啟動器中插入專用的Profibus通信控制模組，設置軟啟動器從站的詳細地址，然後根據Profibus射頻進行連接。控制器連接到PLC，PLC根據程式完成對軟啟動器的推送和接收，向軟啟動器發送操作字，並從軟啟動器來源站載入狀態字。 CPU315-3DP用作Profibus域名，每個與該域名通訊的軟啟動器都可以視為一個Profibus從站。
通訊過程中，網域名稱會根據通訊訊息格式中的詳細位址識別碼選擇從站進行資料傳輸。從站本身不能主動傳輸數據，每個從站也不能立即執行資訊內容的傳輸。系統軟體中使用的軟體啟動器型號和規格均為西門子MicroMaster430系列產品[4]。
PLC與軟啟動器之間的關鍵通訊涉及兩個定義。第一個是資料訊息格式，第二個是操作字和狀態字。 (1) 通信訊息格式。
每個訊息的格式均以標識符 STX 開頭，然後是長度指示 LGE 和詳細位址 ADR 的位元組數，最後是選定的資料資訊標識符。訊息格式以資料資訊區塊的偵測器 BCC 結尾。關鍵字段名稱表示如下：STX 欄位是一個位元組的 ASCII 識別碼（十六進位 02），指示訊息內容的開始。 LGE 區域是一個位元組，指示該資訊內容的位元組數。 ADR 區域是一個字節，表示站點節點（即軟啟動器）的詳細位址。
BCC 區域是一個長度為 1 位元組的校驗和，用於檢查資訊內容是否合理。它是訊息內容中 BCC 之前位元組數的總和與校驗和計算結果的異或 (XOR) 運算結果。如果軟啟動器接收到的資訊內容根據校驗和的計算結果無效，它將丟棄該資訊內容，並且不會向網域發送回覆資料訊號。
（2）操作字和狀態字。 PLC可根據軟啟動器的PKW區域讀取和寫入軟啟動器的變數值，進而改變或掌握軟啟動器的運作狀態。在本系統軟體中，PLC讀取該區域的資料訊息，並將其放入工業控制電腦可查看的專用資料資訊區域，查看結果在工業控制電腦上顯示。
5. 結果 此系統軟體在工業控制電腦、PLC和軟啟動器的協同作用下，完成了所需的日常自動配料任務。該系統軟體自2008年5月交付使用以來，每日配料量為100噸，執行10個秘方。上下行操作不僅能即時顯示工作狀態訊息，還能顯示秘方變更與升級功能；具體操作說明清晰明了，系統軟體運作流暢可靠，工業觸控大方，實際操作便捷。此外，該系統軟體採用配置開發設計，方便後續升級。
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