基于PLC的自動(dòng)稱重監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

王 鵬，徐世許，伍經(jīng)紋

（青島大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，青島 266071）

基于PLC的自動(dòng)稱重監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

王 鵬，徐世許，伍經(jīng)紋

（青島大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，青島 266071）

在當(dāng)今生產(chǎn)加工過(guò)程中，總會(huì)使用稱重系統(tǒng)。針對(duì)工業(yè)稱重問(wèn)題，提出了基于工業(yè)稱重的自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，可以根據(jù)采集稱重?cái)?shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)以歐姆龍可編程邏輯控制器（PLC）為控制器，以昆侖通態(tài)觸摸屏為可控、可觀工具，以梅特勒托利多工業(yè)稱重設(shè)備為采集重量數(shù)據(jù)設(shè)備、基于歐姆龍F(tuán)ins協(xié)議的Visual Basic上位機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)控處理軟件的系統(tǒng)，可以很好的解決提高工業(yè)生產(chǎn)精度、降低成本、提高工作效率、減少過(guò)逾勞動(dòng)力損失等問(wèn)題。

歐姆龍PLC；觸摸屏；自動(dòng)稱重；Fins協(xié)議；Visual Basic

0　引言

隨著當(dāng)今社會(huì)現(xiàn)代化與信息化的發(fā)展，將信息技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)已成現(xiàn)如今的當(dāng)務(wù)之急，但是當(dāng)代農(nóng)業(yè)具有工作環(huán)境惡劣、工作位置分散、控制對(duì)象多樣等缺點(diǎn)，影響工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工況信息的采集?，F(xiàn)提出基于工業(yè)稱重的自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信息采集與控制開(kāi)拓了新道路［1］?，F(xiàn)代應(yīng)用稱重監(jiān)測(cè)自動(dòng)控制系統(tǒng)取代了之前工人手工憑經(jīng)驗(yàn)操作過(guò)程，能夠大大地提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)品精度、釋放勞動(dòng)力、同時(shí)，上位機(jī)通過(guò)VB軟件，可以從下位機(jī)PLC中讀取上來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、采集、處理、整合、加工，記錄符合務(wù)件的數(shù)據(jù)并將存儲(chǔ)下來(lái)以供將來(lái)追溯責(zé)任人。系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試已應(yīng)用于某農(nóng)藥科技加工廠，并且得到了客戶很好反饋，優(yōu)化生產(chǎn)工作現(xiàn)狀，提高生產(chǎn)效率。

1　硬件系統(tǒng)

某企業(yè)原有一大型反應(yīng)釜，工人每次都需要通過(guò)稱重反饋的數(shù)值來(lái)控制三種物料的增加與停止，這種工作方式既浪費(fèi)勞動(dòng)力又無(wú)法保證產(chǎn)品的精度。需要設(shè)計(jì)一套稱重監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制系統(tǒng)，控制流程如下：三種物料分別通過(guò)兩個(gè)抽料泵和一個(gè)電磁閥控制依次加入到反應(yīng)釜當(dāng)中，充分?jǐn)嚢韬?，工人可以將農(nóng)藥進(jìn)行使用或二次加工?？刂七^(guò)程中的稱重?cái)?shù)據(jù)需要通過(guò)稱重傳感器保存到PLC當(dāng)中，上位機(jī)通過(guò)基于Visual Basic的Access數(shù)據(jù)庫(kù)軟件采集PLC當(dāng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理?？刂屏鞒虉D如圖1所示。

圖1　控制流程圖

1.1系統(tǒng)構(gòu)成

稱重監(jiān)測(cè)自動(dòng)控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)信息的采集與工作狀態(tài)的控制，四部分分別為：PLC、稱重傳感器、觸摸屏、上位機(jī)，通過(guò)以太網(wǎng)通信與RS-232C通信將各個(gè)部件連接到一起。其中PLC用到的型號(hào)是歐姆龍CP1L-EM30DR-D，分為18個(gè)24V直流輸入、12個(gè)24V輸出，自帶一個(gè)以太網(wǎng)口用于與上位機(jī)或者編程軟件CX-Programmer進(jìn)行通信，兩個(gè)RS-232C通訊串口通過(guò)CP1W-CIF01擴(kuò)展板分別與觸摸屏和稱重傳感器進(jìn)行通信［2］；稱重傳感器用到梅特勒-托利多稱重設(shè)備，選擇COM1通訊端口、連續(xù)輸出方式、9600波特率、8位無(wú)校驗(yàn)，將稱重?cái)?shù)據(jù)傳送到PLC當(dāng)中［3］；觸摸屏用到昆侖通態(tài)觸摸屏，型號(hào)為：TPC7062TX（KX），是以Cortex-A8 CPU為核心的高性能嵌入式一體化觸摸屏［4］；上位機(jī)開(kāi)發(fā)軟件是以Visual Basic為平臺(tái)、Access為數(shù)據(jù)庫(kù)、使用歐姆龍公司開(kāi)發(fā)Fins協(xié)議，對(duì)由稱重傳感器傳送到PLC的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、保存，通訊方式選擇以太網(wǎng)通訊，具有接收穩(wěn)定、距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2　結(jié)構(gòu)框圖

1.2通信介紹

本次課題通信主要包括PLC與觸摸屏、PLC與稱重傳感器之間的RS-232C串口通信和上位機(jī)與下位機(jī)以太網(wǎng)通信。RS-232C發(fā)布以來(lái)比較常見(jiàn)的串行通信接口，其中，RS是英文Recommend Standard（推薦標(biāo)準(zhǔn)）的英文縮寫，232是標(biāo)識(shí)號(hào)，C代表修改的次數(shù)，RS-232C是基于Host Link通信協(xié)議，該協(xié)議是以數(shù)據(jù)幀的形式從上位機(jī)發(fā)送到下位機(jī)，下位機(jī)收到后會(huì)自動(dòng)識(shí)別并加以執(zhí)行，然后將執(zhí)行結(jié)果返回上位機(jī)。該通信接口具有傳輸距離短（最遠(yuǎn)為15米）、傳輸速率低（最高20kbps）等特點(diǎn)［5］。相對(duì)于以太網(wǎng)通訊，是當(dāng)今使用最為廣泛的通訊方式，通過(guò)對(duì)TCP/IP協(xié)議棧的使用，廣泛應(yīng)用在企業(yè)信息管理層，具有傳輸距離遠(yuǎn)（最高100米）、傳輸速率高、穩(wěn)定等特點(diǎn)［6］。

在稱重監(jiān)測(cè)自動(dòng)控制系統(tǒng)當(dāng)中，觸摸屏、稱重設(shè)備與PLC通信均使用RS232C通信，該P(yáng)LC自帶兩個(gè)串口通信，所以需要兩個(gè)CP1W-CIF01選件板將PLC兩個(gè)端口設(shè)置成RS232C通訊，觸摸屏通過(guò)一根電纜與PLC COM1端相連，通過(guò)PLC編譯軟件CX-Programmer修改波特率為9600，通訊協(xié)議設(shè)置為Host Link；而稱重傳感器與COM2端相連，修改波特率為9600，8位無(wú)校驗(yàn)。

2　軟件系統(tǒng)

本次課題的軟件系統(tǒng)主要包括：利用C XProgrammer編寫的PLC下位機(jī)程序、利用MCGS嵌入版組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)編寫觸摸屏軟件和基于Fins協(xié)議的VB監(jiān)控軟件。

2.1PLC程序

稱重監(jiān)測(cè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝要求：需要設(shè)計(jì)的主程序分為三個(gè)方面：第一個(gè)方面為數(shù)據(jù)采集、處理、保存程序，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)有效數(shù)據(jù)供我們使用；第二個(gè)方面為自動(dòng)工作程序，在自動(dòng)的工作模式下，開(kāi)始工作后，三種物料按照設(shè)定值依次加入到反應(yīng)釜當(dāng)中，料到位后，自動(dòng)停止工作；第三個(gè)方面為手動(dòng)工作程序，在手動(dòng)的工作模式下，開(kāi)始工作后，工人可以憑借測(cè)定重量來(lái)控制工作狀態(tài)。不論是在自動(dòng)或者手動(dòng)的工作模式，每一輪工作狀態(tài)下，都要求產(chǎn)生關(guān)于存儲(chǔ)有用數(shù)據(jù)的標(biāo)志位，方便上位機(jī)VB軟件通過(guò)判斷標(biāo)志位來(lái)訪問(wèn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)工作、手動(dòng)工作的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程圖

圖4 自動(dòng)工作流程圖

圖5　手動(dòng)工作流程圖

2.2觸摸屏設(shè)計(jì)

稱重自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)需要利用觸摸屏來(lái)顯示數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)，用到的觸摸屏型號(hào)是昆侖通態(tài)TPC7062KX，用到的編程軟件是MCGS嵌入版組態(tài)軟件。觸摸屏主要包含四個(gè)界面，主界面、監(jiān)視界面、設(shè)定界面和配方界面（如圖6～圖9所示）。主界面主要有三個(gè)按鈕：監(jiān)視界面按鈕、設(shè)定界面按鈕和配方界面按鈕，分別用來(lái)跳轉(zhuǎn)到各個(gè)界面；監(jiān)視界面主要用來(lái)查看物料的設(shè)定值、提前量、實(shí)際值和總重量，以及查看各種物料的工作狀態(tài)；設(shè)定畫面主要用來(lái)編輯各種物料的設(shè)定值、提前量和誤差；配方界面用來(lái)對(duì)配方進(jìn)行查看、修改和保存，配方是一種產(chǎn)品包含各個(gè)物料的重量，可以直接通過(guò)選擇配方下載到PLC當(dāng)中，具有方便、可靠、準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)。

圖6　主界面

圖7　監(jiān)視界面

圖8　設(shè)定界面

圖9　配方界面

2.3基于Fins協(xié)議的VB監(jiān)控軟件

上位機(jī)軟件是通過(guò)Visual Basic開(kāi)發(fā)的遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，需要以太網(wǎng)通信與PLC建立連接，在VB當(dāng)中，需使用Winsock控件，通過(guò)發(fā)送Fins指令來(lái)讀取PLC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)。

為了能使上位機(jī)能快速讀取下位機(jī)的數(shù)據(jù)，這里只要求上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)，防止Fins協(xié)議程序冗余，導(dǎo)致程序響應(yīng)變慢，因此需要將下位機(jī)采集的工作狀態(tài)，如：輸入輸出工作轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)數(shù)字。

上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件分為三個(gè)界面：用戶登錄界面、數(shù)據(jù)監(jiān)視界面和數(shù)據(jù)處理界面。用戶登錄界面作用是選擇用戶進(jìn)行登錄；數(shù)據(jù)監(jiān)視界面主要用來(lái)對(duì)采集數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示和查看；數(shù)據(jù)處理界面主要可以用來(lái)對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，通過(guò)Access數(shù)據(jù)庫(kù)將有效數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Excel表格里，方便日后對(duì)有問(wèn)題的數(shù)據(jù)進(jìn)行追溯。軟件編寫流程圖10所示。

圖10　軟件編寫流程圖

3　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)生產(chǎn)稱重問(wèn)題，設(shè)計(jì)和研究了一套自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，彌補(bǔ)了當(dāng)今工業(yè)對(duì)于數(shù)據(jù)采集的不足，并且能夠根據(jù)檢測(cè)上來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備的自動(dòng)控制。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)調(diào)試后已穩(wěn)定運(yùn)行，具有提高工作效率、減少成本和勞動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)。但是本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)只針對(duì)一套控制設(shè)備，后期還需要不斷的調(diào)試來(lái)設(shè)計(jì)多系統(tǒng)控制。

［1］ 代品宣，王青云，梁瑞宇.魯棒的物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子器件，2015.

［2］ 歐姆龍自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司.SYSMAC CP系列CP1L CPU單元操作手冊(cè)［Z］.2010：1-4.

［3］ 梅特勒-托利多公司.IND231/IND236技術(shù)/操作手冊(cè)［Z］.2013：39-42.

［4］ 北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司.昆侖通態(tài)觸摸屏技術(shù)服務(wù)手冊(cè)［Z］.2013：10-12.

［5］ 徐世許，朱妙其，王毓順.可編程控制器原理·應(yīng)用·網(wǎng)絡(luò)［M］.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2002：288-289.

［6］ 劉明哲，徐皓冬，畢宇航.確定性實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信協(xié)議研究［M］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2005.

圖9　跟隨特性曲線

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，主動(dòng)式波浪補(bǔ)償在位置控制系統(tǒng)中有著優(yōu)良的跟蹤特性，其系統(tǒng)的跟隨遲滯時(shí)間約為0.5秒，滿足正常的使用要求。

6　結(jié)論

將主動(dòng)式波浪補(bǔ)償應(yīng)用到位置控制系統(tǒng)中，建立相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，確定傳遞函數(shù)，并采用智能偽微分控制器，來(lái)提高系統(tǒng)的響應(yīng)性能。

運(yùn)用MATLAB中的Simulink對(duì)波浪正弦波進(jìn)行模擬，觀察其跟隨特性曲線，發(fā)現(xiàn)其滯后時(shí)間小，并沒(méi)有出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差。

搭建出位置控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，完全滿足了波浪反饋控制的要求，是一種可行的設(shè)計(jì)方案。

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Design of the system for automatic monitoring and control based on PLC

WANG Peng， XU Shi-xu， WU Jing-wen

TP273

A

1009-0134（2016）10-0035-04

2016-06-17

王鵬（1991 -），男，山東青島人，碩士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制技術(shù)。