基于PLC和多头秤的自动配料控制系统设计

作者：Smartweigh多头配重器

1 前言 在中山智能称重制造领域，调配通常是指将各种原材料按一定比例混合，制成新的原材料。因此，调配是该领域制造的关键环节。在加工过程中，各种原材料必须严格按照比例均匀混合，这需要通过调配机械来实现。目前，加工厂一般采用两种方法。第一种方法是人工称重，然后将各种原材料按比例分别放入配料机进行混合。另一种方法是自动称重，全自动混合。

由于许多初始原材料为粉末或颗粒状，人工调味时，人体极易吸入粉尘和其他污垢，造成职业危害，增加生产风险和人力成本。因此，施工现场无法有效管理人工调味，且极易出现不匹配的情况，不仅无法保证产品质量，还会增加管理成本。为了更好地保证产品质量并提高生产效率，规定应选用精准可靠的自动配料系统软件。2 根据PLC、工控机和多头秤组成的自动配料系统，目前中山智能称重公司的自动配料系统中，工人首先将原材料运送到称重车间。称重完成后，再将原材料人工送至配料机进行调味。称重车间使用杭州四方公司的多头秤进行称重，并通过RS232接口与工业自动化服务器连接。位于主控室的工业自动化服务器负责记录称重结果并显示称重数据信息。此外，操作员还可以根据控制电路在主控室手动控制整个调味过程的启动和停止。

这种方法效率不高。此外，用C语言开发设计的DOS程序运行在服务器上[1]，服务器可扩展性差，人机交互技术复杂，无法实现自动批处理的全部功能。为了更好地提高生产效率和控制成本，必须选择一种全自动批处理系统。新系统采用主从关系结构。

工业计算机用作上位机，西门子PLC[2]、软启动器和多头秤分别用作上、下从设备。上位机作为主导设备，负责各从设备的通信管理和操作，并将脉冲信号转换后，通过工业计算机的RS-232异步通信端口与PLC连接，形成上、下计算机之间的物理安全通信通道；同时，将上位机的另一个RS-232端口与多头秤的通信端口连接，形成第二个物理安全通信通道。上位机软件采用轮询方式，逐个与各从站通信。

上位机软件将每日任务的总体规划结果传输至PLC。在PLC运行的整个过程中，上位机软件通过其连接指令监控下位机的运行情况和数据信息区的内容，并立即加载PLC数据。内部情况及其多头秤的实时数据显示在上位机软件上。系统软件整体具有以下功能：① 全自动配料。设定秘方后，系统软件无需实际操作人员干预，即可根据秘方自动称量配料；② 具有报表功能，可生成日报表、月报表、年报表等实时报表；③ 动态增强和修改表格。系统软件授权专业技术人员或实际操作人员根据设定的管理权限进行修改，加强对秘方的控制，并记录修改的时间和实际操作人员编号。 4. 断电修复功能，系统软件可在突然断电时修复断电前的精确测量记录；5. 局域网共享功能，服务器可在局域网内共享资源数据信息，生产车间负责人可跟踪施工进度等情况。2.1 系统组成 所有自动配料搅拌机均由工业计算机、PLC、工业生产多头秤、软启动器、振动电机、搅拌器、传感器、输送带等组成。

上位机显示人机交互技术页面，并执行信息内容输入、数据库管理、数据信息显示、存储、统计分析和表单生成等功能。上位机软件采用IPC810工控机。其主要任务如下：首先，工业自动化服务器根据实际操作人员的顺序加载特定序列号的秘方；然后，根据秘方中调料的比例和顺序，向PLC发送开始调料的指令，使PLC启动专用软件。在整个调料过程中，工业自动化服务器采用轮询方式实时加载PLC的状态字，掌握PLC及其下属设备的运行情况；根据调料策略，当称重数据接近秘方中的预设值时，服务器向PLC发送指令终止调料。当秘方中的所有原材料都准备就绪后，所有调味料的制作过程都会暂停，等待实际操作人员的指令。

在系统软件运行的整个过程中，PLC与上位机软件实时通信，以确保页面显示的数据信息与现场具体数据信息的一致性，所有信息均可立即发送至PLC。PLC的主要任务包括：①接收上位机软件推送的指令，并根据软启动器控制振动电机的启动、停止和转速；②将软启动器的运行状态实时加载到运行存储器数据信息区，该信息由工控计算机加载；③以状态字的形式准备自身的各种运行状态，工控计算机可立即加载。2.2 控制方法及调味全过程 根据对调味全过程特点的分析，可知调味全过程具有以下特点：（1）被测目标为单向不可逆系统软件，原料无法从配料机返回传送带。

（2）存在明显的时滞。当调味料达到预设值时，PLC控制电机停止输送原材料。此时传送带上可能存在一些无法采购的原材料，因此系统软件存在明显的时滞。（3）可控特性在于电源可切换。

系统软件的启动和停止操作均为开关量。(4) 自动配料系统在所有正常工作范围内均为线性。因此，我们考虑采用快速、慢速和提前发送终止进料指令等控制方法，并利用PLC的自锁和互锁技术，以确保调味过程的平稳进行。

系统软件启动后，工控计算机向PLC发送进料开始的数据信号，PLC控制软启动器驱动电机快速启动进料。同时，工业自动化服务器通过串口通信持续加载多头秤的称重数据信息。当净重值接近预设值时，工业自动化服务器向PLC发送停止进料的控制代码。此时，PLC控制软启动器进行慢速进料，预设值和具体进料量可根据传动机构上的残留原料预先设定。当传动机构出现故障或残留原料异常时，PLC发出终止指令，软启动器执行该指令，进而控制电机停止运转。步骤如图1所示。自动配料系统软件 3 工业自动化服务器软件开发 工控计算机的主要日常任务如下：（1）显示调味全过程的动画信息。

（2）向PLC发送控制代码并加载PLC操作指令。（3）将称重数据信号加载到多头秤上，在显示屏上显示称重值，并根据称重数据信息向PLC发送指令。（4）数据库查询和表单，存储调味数据信息，复制表单。

（5）秘方改进与修改。（6）其他功能，例如调味过程中常见故障的辅助报警。3.1 调味品手机软件页面设计 工业控制计算机应用龙川桥配置设计方案工业触摸屏，工业控制系统配置实际上是一个开发软件服务平台，客户可以根据自身需求进行开发。

我们可以根据工艺规范，为服务平台上的所有视频监控系统开发和设计友好的工业触摸屏，操作人员可以通过此页面与现场机械设备进行实时交互。龙川桥手机软件是一款HMI/SCADA工业控制自动化配置软件，提供集成了宽高比和数据可视化的开发工具。该软件具有以下特点：（1）多种通信功能。

龙川桥配置[3]适用于以下通信功能：1）适用于RS232、RS422、RS485等串行通信方式，以及中继、电话拨号、电话轮询拨号等通信方式。2）以太网接口通信也适用于有线电视以太网接口和无线网络以太网接口。3）所有机器设备的驱动软件均适用于GPRS、CDMA、GSM等移动互联网规范。

（2）便捷的开发设计系统软件。多种组件和控制功能构成了强大的HMI开发设计系统软件；改进的连接色和渐近色效果从根本上解决了许多类似手机软件使用过多连接色和渐近色，严重威胁界面更新速度和系统软件运行效率的问题；更多形式的矢量素材子图使工程项目界面设计更加便捷；展现面向对象的思维方式，嵌入间接自变量、中间变量、数据库查询自变量，适用于自定义功能和自定义订单。（3）开放。

龙川桥配置的开放性主要体现在以下几个方面：1）支持使用Excel通过VBA进行数据库查询。2）手机软件采用开放系统架构，完全兼容DDE、OPC、ODBC/SQL、ActiveX和DNA等规范，并提供OLE、COM/DCOM、动态链接库等多种形式的外部接口，方便用户使用各种常用开发环境（如VC++、VB等）进行深度二次开发。

3）龙川桥配置I/O驱动软件的系统架构采用开放式结构，其部分接口源代码已完全公开，客户可以独立开发驱动软件。(4) 数据库查询功能。龙川桥配置内置时序数据库，并在该时序数据库中嵌入了多种功能模块，用于数据处理和存储，可完成汇总、统计分析、数据处理、线性化等多种功能。(5) 适用于多种机器设备和系统总线。

它适用于全球大多数知名厂商生产的PLC、控制器、多功能仪表、移动智能终端和智能控制模块；此外，它也适用于Profibus、Can、LonWorks和Modbus等标准计算机接口。3.2 系统I/O级别 龙川桥配置采用时序数据库点来指示I/O点。经分析，系统软件必须有三个I/O点，其中两个数据参考点用于根据PLC控制电机的启停。因此，这两个点的数据信息连接被选择为PLC的两个数据量I/O。

仿真点用于表示从多头秤加载的实时数据，因此该点的数据信息与多头秤的精确测量值相关联。4 通信编程设计 通信编程设计包括三个部分：第一部分是服务器与PLC之间的通信；第二部分是服务器与多头秤之间的通信；第三部分是PLC与软启动器之间的通信。4.1 服务器与PLC之间的通信配置通常嵌入常用的PLC驱动软件。首先，在龙川桥配置中创建一个新的PLC虚拟机。虚拟机的型号和规格必须与实际应用一致，PLC的型号和规格也必须相同。如果在配置中找不到所需的PLC型号和规格，可以授权手机软件厂商免费开发和设计符合该类型和规格的PLC驱动程序。

虚拟机用于模拟真实机器。这里，大家使用的PLC是西门子S7-300，服务器按照串口通信方式与PLC通信。4.2 服务器与多头秤的通信 多头秤我们采用杭州四方的多头秤。为了确保仪表盘与配置之间的良好通信，我们特地委托龙川桥企业开发仪表盘并设计驱动软件。首先，我们从配置的驱动目录中选择所需的机器设备类型，并针对该类型创建一个虚拟机设备来模拟真实的多头秤，然后设置仪表盘与计算机之间的通信端口号和通信协议。

4.3 PLC与软启动器的通信 由于调味料生产车间原料种类繁多，为了便于调料，我们设置了多条传送带。因此，自动配料系统的一台PLC需要连接多个软启动器。为此，我们采用Profibus系统总线在PLC和软启动器之间进行通信，在软启动器中插入专用的Profibus通信控制模块，设置软启动器从站的详细地址，然后根据Profibus射频进行连接。控制器连接到PLC，PLC根据编程完成对软启动器的推送和接收，向软启动器发送操作字，并从软启动器源站加载状态字。CPU315-3DP用作Profibus域名，每个与该域名通信的软启动器都可以视为一个Profibus从站。

通信过程中，域名根据通信消息格式中的详细地址标识符选择从站进行数据传输。从站本身不能主动传输数据，每个从站也不能立即执行信息内容的传输。系统软件中使用的软启动器型号和规格均为西门子MicroMaster430系列产品[4]。

PLC与软启动器之间的关键通信涉及两个定义。第一个是数据消息格式，第二个是操作字和状态字。(1) 通信消息格式。

每条消息的格式均以标识符 STX 开头，然后是长度指示 LGE 和详细地址 ADR 的字节数，最后是选定的数据信息标识符。消息格式以数据信息块的检测器 BCC 结尾。关键字段名称表示如下：STX 字段是一个字节的 ASCII 标识符（十六进制 02），指示消息内容的开始。LGE 区域是一个字节，指示该信息内容的字节数。ADR 区域是一个字节，表示站点节点（即软启动器）的详细地址。

BCC 区域是一个长度为 1 字节的校验和，用于检查信息内容是否合理。它是消息内容中 BCC 之前字节数的总和与校验和计算结果的异或 (XOR) 运算结果。如果软启动器接收到的信息内容根据校验和的计算结果无效，它将丢弃该信息内容，并且不会向域名发送回复数据信号。

（2）操作字和状态字。PLC可根据软启动器的PKW区域读取和写入软启动器的变量值，进而改变或掌握软启动器的运行状态。在本系统软件中，PLC读取该区域的数据信息，并将其放入工业控制计算机可查看的专用数据信息区域，查看结果在工业控制计算机上显示。

5. 结果 该系统软件在工业控制计算机、PLC和软启动器的协同作用下，完成了所需的日常自动配料任务。该系统软件自2008年5月交付使用以来，日配料量为100吨，执行10个秘方。上下行操作不仅能实时显示工作状态信息，还能显示秘方变更和升级功能；具体操作说明清晰明了，系统软件运行流畅可靠，工业触摸屏美观大方，实际操作便捷。此外，该系统软件采用配置开发设计，便于后续升级。

作者：Smartweigh多头配重器制造商

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