復(fù)秤對(duì)比鎳摞精密計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張伯文 吳偉 周向榮

摘? 要：針對(duì)包裝車間鎳摞人工計(jì)量時(shí)效率低、精度差，控制難的問(wèn)題，采用復(fù)秤對(duì)比的方式精確計(jì)量鎳摞重量，利用西門子控制器Smart200PLC通過(guò)RS485口的自由口協(xié)議及RS232轉(zhuǎn)485模塊UT201B與托利多IND331稱重儀表自帶的RS232口通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，通過(guò)PLC軟件編程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，滿足系統(tǒng)控制要求，并提供報(bào)警功能;同時(shí)通過(guò)PLC作profinet IO與主控1500PLC通信，滿足車間mes終端數(shù)據(jù)采集要求。

關(guān)鍵詞：復(fù)秤對(duì)比;鎳摞精確計(jì)量;Smart200PLC;IND331稱重儀表;RS232通信;控制

中圖分類號(hào)：TP29? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）19-0157-04

Design of Repeated Weighing Comparison Nickel Stack Precision Metering System

ZHANG Bowen1，2， WU Wei1，2， ZHOU Xiangrong1，2

（1.Changsha Institute of Mining Research Co.， Ltd.， Changsha? 410012， China; 2.National Metal Mining Engineering Technology Research Center， Changsha? 410012， China）

Abstract： Aiming at the problems of low efficiency， poor accuracy and difficult control in manual measurement of nickel stack in packaging workshop， the weight of nickel stack is accurately measured by repeated weighing comparison. Using Siemens controller Smart200PLC and the free port protocol of RS485 port， and RS232 to 485 module UT201B communicates with the built-in RS232 port of the Toledo IND331 weighing instrument for data acquisition， and performs data processing through PLC software programming to meet system control requirements and provide alarm functions; at the same time， it communicates with the main control 1500PLC through using the PLC as profinet IO to meet the workshop mes terminal data collection requirements.

Keywords： repeated weighing comparison; precision measurement of nickel stack; Smart200PLC; IND331 weighing instrument; RS232 communication; control

0? 引? 言

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為配合金川集團(tuán)“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用”融合創(chuàng)新應(yīng)用重點(diǎn)項(xiàng)目之鎳冶煉廠成品車間建設(shè)全國(guó)最大智能化成品包裝車間而實(shí)施的大板鎳智能剪切包裝生產(chǎn)線中稱重計(jì)量環(huán)節(jié)。具體要求為：當(dāng)自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的AGV小車把鎳摞放到秤臺(tái)上，稱重系統(tǒng)穩(wěn)定一段時(shí)間后，自動(dòng)將兩臺(tái)秤稱重的結(jié)果發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)比較兩次結(jié)果，滿足兩次結(jié)果差值不超過(guò)0.5 kg的重量要求，且重量在對(duì)應(yīng)品類的重量范圍內(nèi)，才允許進(jìn)行噴碼工作，否則報(bào)警提示，請(qǐng)求人工介入處理。

因此，新設(shè)計(jì)的稱重計(jì)量系統(tǒng)需要滿足三個(gè)功能[1，2]：

（1）效率問(wèn)題：原來(lái)包裝車間采用單獨(dú)計(jì)量，多次稱重，采用天車或者叉車的人工轉(zhuǎn)運(yùn)方法來(lái)保證生產(chǎn)要求，原來(lái)的生產(chǎn)方式勞動(dòng)強(qiáng)度高，人員配套多，安全風(fēng)險(xiǎn)大，在操作難度、生產(chǎn)效率上受到很大的限制。車間年生產(chǎn)鎳摞由2012年的8萬(wàn)噸到現(xiàn)在的14萬(wàn)噸，而生產(chǎn)人員年減5～6人，因此，提高效率迫在眉睫。

（2）精度問(wèn)題：車間原來(lái)生產(chǎn)配套稱重計(jì)量設(shè)備是針對(duì)當(dāng)時(shí)的電解鎳薄板計(jì)重模式設(shè)計(jì)，電解鎳薄板單塊重量在40～45 kg/片，單塊鎳板厚度為6～8 mm，總鎳摞包裝重量1 500±30 kg，片數(shù)為26～30片不等。新系統(tǒng)除了滿足以前的薄板計(jì)重要求外，還需滿足后續(xù)增加厚板計(jì)塊要求，每摞厚板計(jì)塊22塊，單摞鎳板重1 800～2 200 kg。

（3）控制要求：車間以前的測(cè)量結(jié)果不參與自動(dòng)控制，由人工判別。而新系統(tǒng)要滿足測(cè)量結(jié)果最少10秒以上結(jié)果穩(wěn)定時(shí)間;主副秤差值不得大于0.5 kg，大于輸出報(bào)警;計(jì)量結(jié)果不在對(duì)應(yīng)品類（如薄板、厚板）的重量范圍內(nèi)報(bào)警;數(shù)據(jù)結(jié)果需要上傳主控1 500PLC，以便后期的mes數(shù)據(jù)采集。

1? 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及硬件選擇

1.1? 秤及稱重方式選擇

為了解決稱重系統(tǒng)效率問(wèn)題，我們仔細(xì)咨詢秤專業(yè)廠家如梅特勒-托利多公司業(yè)務(wù)人員，網(wǎng)絡(luò)搜集秤計(jì)量的方式，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，決定采用復(fù)秤對(duì)比形式，即一臺(tái)秤疊加于另一臺(tái)秤上，只需一次就可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)稱出兩個(gè)結(jié)果，減少操作，提高效率。考慮到金川公司已大量使用梅特勒-托利多的秤，從減少備件和人員熟悉程度出發(fā)，我們選擇梅特勒-托利多品牌的PFA584 平臺(tái)秤，該秤主要由4個(gè)0745A傳感器和1臺(tái)IND331儀表組成，精度可做到分度數(shù)6 000e[5]。按厚板要求傳感器量程3 000 kg來(lái)算，為保證最小0.5 kg的精度，最小分辨率需達(dá)到0.5/3 000=1/6 000，因此能滿足精度要求。

1.2? 數(shù)據(jù)采集方式選擇

季男等在《稱重系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的幾種方法》中總結(jié)了4種稱重?cái)?shù)據(jù)的采集方法，并對(duì)每種方法的特點(diǎn)進(jìn)行了分析和說(shuō)明：

（1）用模擬量輸入模板數(shù)據(jù)采集方式采集稱重?cái)?shù)據(jù)。

（2）用專用稱重模塊采集稱重?cái)?shù)據(jù)。

（3）用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信方式采集稱重?cái)?shù)據(jù)。

（4）用 PROFIBUS? 現(xiàn)場(chǎng)總線方式采集稱重?cái)?shù)據(jù)。

對(duì)比上述四種采集方式，模擬量輸入方式雖然簡(jiǎn)單但存在一定的誤差;稱重模板的方式雖然比較精準(zhǔn)，但也存在一定的局限性;而點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信和用 PROFIBUS 總線采集數(shù)據(jù)適合具有標(biāo)準(zhǔn)串口的設(shè)備，但有一定的技術(shù)難度[3]。

查看梅特勒-托利多IND331儀表本身有1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RS232串口com1，可選RS232/485串口選件，本著經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則，我們選用RS232點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信方式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集?？紤]到1500CPU 1513-1PN（型號(hào)：6ES7 513-1AL02-0AB0）作為主控PLC，既要與5臺(tái)庫(kù)卡機(jī)器人、視覺(jué)主機(jī)、AGV主機(jī)通信，又要承擔(dān)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的控制協(xié)調(diào)工作，因此采用新增smart200PLC作為從站，承擔(dān)稱重?cái)?shù)據(jù)采集任務(wù)，減少1500PLC的負(fù)擔(dān)，減少采購(gòu)成本;Smart 200與1500PLC采用PROFINET通信來(lái)保障數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。smart200只需與2臺(tái)精秤通信，不需多的控制功能，因此選用ST20（型號(hào)：6ES7 288-1ST20-0AA0），串口通信的方式?？紤]到秤通過(guò)RS232或485通訊時(shí)不能分配地址，因此每臺(tái)秤需要一路串口，而ST20本身自帶1路485串口，只能與1臺(tái)秤進(jìn)行，所以還需擴(kuò)展1路485串口，我們選用增加RS232/485通信信號(hào)板SB CM01（型號(hào)：6ES7 288-5CM01-0AA0）與另一臺(tái)秤進(jìn)行自由口通信。smart200支持的RS485網(wǎng)絡(luò)在波特率為9 600～1 875 00時(shí)最長(zhǎng)距離為50米[4]。

1.3? 計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖

設(shè)計(jì)方案為西門子Smart200PLC通過(guò)Port0及port1的RS485口（自由口協(xié)議）編程，及使用RS232轉(zhuǎn)485模塊（如深圳宇泰公司的UT201B）與托利多IND331稱重儀表自帶的RS232口進(jìn)行通訊，從而在不增加托利多PLC選件板的情況下實(shí)現(xiàn)秤數(shù)據(jù)的采集。方案圖如圖1所示。

2? IND331儀表參數(shù)設(shè)置及協(xié)議解析

2.1? 儀表參數(shù)設(shè)置

托利多IND331儀表串口有1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串口 RS-232（COM1），300～115 200波特率;1個(gè)可選串口RS-232/485（COM2），300～115 200波特率，但不支持具有地址識(shí)別的多路通信。其支持協(xié)議有串口輸入：ASCⅡ指令CPTZ（清皮，去皮，打印，清零），SICS（提供1級(jí)和2級(jí)接口指令）;串口輸出：連續(xù)輸出，擴(kuò)展連續(xù)輸出，命令輸出（限定格式）[5]。

要想進(jìn)行RS232串口通信，我們要設(shè)置如下參數(shù)：

（1）串口1任務(wù)：連續(xù)輸出

（2）檢查串口1：波特率=9 600;數(shù)據(jù)位=8;奇偶校驗(yàn)=無(wú)

2.2? 通信協(xié)議解析

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用連續(xù)輸出方式進(jìn)行RS232串口通信。IND331能夠向遠(yuǎn)程設(shè)備（如PC 或遠(yuǎn)程顯示屏）連續(xù)發(fā)送重量數(shù)據(jù)和秤的狀態(tài)信息。連續(xù)輸出的數(shù)據(jù)格式如圖2所示。

其中：

（1）數(shù)據(jù)輸出以十六進(jìn)制02開始，ASCII回車字符（0D hex）。

（2）顯示的重量。可以是毛重或凈重。六位，沒(méi)有小數(shù)點(diǎn)或符號(hào)。不足六位前補(bǔ)空格。

（3）校驗(yàn)和啟用時(shí)才發(fā)送校驗(yàn)位。校驗(yàn)和用于檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送中的錯(cuò)誤。

我們使用《大傻串口調(diào)試軟件 3.0》監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如圖3所示。

接收到的數(shù)據(jù)為：

02 3B 30 20 20 20 31 36 38 3520 20 20 20 30 30 0D

共為17個(gè)字符，沒(méi)有校驗(yàn)。

通過(guò)數(shù)據(jù)讀取的重量為1 685，根據(jù)SWA定義的1位小數(shù)及SWB定義的單位kg和正負(fù)屬性，可以得出實(shí)際重量為：168.5 kg。

3? 程序軟件設(shè)計(jì)

3.1? 初始化端口

本程序段是設(shè)置smart200的Port0端口為自有協(xié)議，SMB30的值為09H，說(shuō)明為“自由口協(xié)議，波特率9 600，8個(gè)數(shù)據(jù)位，無(wú)校驗(yàn)位”;SMB87的值為BOH，說(shuō)明“接收信息使能被使能，使用SMB88數(shù)值檢測(cè)信息開始，使用SMB89數(shù)值檢測(cè)信息結(jié)束，使用SMB90數(shù)據(jù)檢測(cè)空閑條件，使用SMB92超出時(shí)間段，信息終止，使用SMB94最大接收字符數(shù)”，這些參數(shù)的設(shè)置與上述稱重顯示儀的參數(shù)設(shè)置一致。

3.2? 接收數(shù)據(jù)

使用RCV指令每500 ms接收1次數(shù)據(jù)存于VB1100開始的19個(gè)字節(jié)。其中VB1100為接收的字節(jié)數(shù)，正常=17，有校驗(yàn)碼時(shí)=18;VB1101為起始字符，固定=02H（H代表16進(jìn)制）;VB1102-VB1104為IND331的狀態(tài)字SWA、SWB、SWC，共3個(gè)字節(jié);VB1105-VB1110為重量顯示值，共6個(gè)字節(jié);VB1111-VB1116 為皮重顯示值，共6個(gè)字節(jié);VB1117為結(jié)束符，正常=0DH。

3.3? 數(shù)據(jù)處理

將VB1105至VB1110所存的數(shù)據(jù)存至VB1120至VB1125中，然后通過(guò)將這些字節(jié)的字符串組轉(zhuǎn)換為雙整型賦值給VD1130，如果通訊中斷，則VB1100=0，將0強(qiáng)制賦值給VD1130;再將VD1130轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)型賦給VD1140，考慮到小數(shù)點(diǎn)為1位，所以VD1140除10給VD1144。VB1103.1為稱重儀表中SW-B中數(shù)位1，代表符號(hào)是正還是負(fù)。如果為1則VD1144的值乘-1.0。

3.4? 穩(wěn)定輸出

當(dāng)檢測(cè)到有料后，每秒將本次數(shù)據(jù)值與上次數(shù)據(jù)值對(duì)比，相等則自動(dòng)加1，不相等重新計(jì)數(shù)，穩(wěn)定10秒后輸出穩(wěn)定信號(hào)位 Q1170.0，在計(jì)數(shù)期間黃燈提示。穩(wěn)定信號(hào)輸出的瞬間，記錄當(dāng)前的主秤重量和副秤重量，以便做差值比較。

3.5? 10秒后主副秤差值對(duì)比程序

穩(wěn)定輸出后，進(jìn)行主副秤差值比較，取絕對(duì)值，如果主副秤差值大于0.5 kg，則置位“主副秤超差”信號(hào)，待人工處理后方可復(fù)位。

3.6? 10秒后根據(jù)板型檢查重量是否達(dá)標(biāo)

薄板鎳摞的重量范圍為1 470～1 530 kg，厚板鎳摞的重量范圍為1 800～2 200 kg，主秤重量根據(jù)上位選擇比較，如果超出對(duì)應(yīng)板型的重量范圍，則置位“主秤超范圍”信號(hào)，待人工處理后方可復(fù)位。

3.7? 故障輸出及復(fù)位

當(dāng)有料檢測(cè)光電開關(guān)沒(méi)料時(shí)，主秤和副秤重量不為0.0，則提示“秤未清零”，同時(shí)蜂鳴器和故障燈輸出。

當(dāng)主秤未清零、副秤未清零、主副秤超差、主秤超范圍四個(gè)故障信號(hào)有輸出時(shí)故障紅燈輸出，同時(shí)蜂鳴報(bào)警，當(dāng)人工處理時(shí)，可關(guān)閉蜂鳴，減少噪音。而沒(méi)有故障紅燈和報(bào)警黃燈信號(hào)，則輸出正常綠燈信號(hào)

當(dāng)?shù)?個(gè)掃描脈沖SM0.1時(shí)，或者人工復(fù)位按鈕閉合時(shí)復(fù)位主秤未清零、副秤未清零、主副秤超差、主秤超范圍和蜂鳴。

3.8? Smart200 與1500PLC profinet IO通訊

從STEP 7-Micro/WIN SMART V2.5版本開始，支持作智能IO設(shè)備，因此需要升級(jí)固件到 V2.5，然后通過(guò) profinet配置向?qū)В?dǎo)出GSD文件給1500PLC。

當(dāng)ST20組態(tài)為PROFINET智能設(shè)備后，如果和上位IO控制器沒(méi)有連接或者組態(tài)不匹配時(shí)，ERROR指示燈就會(huì)以1 Hz的頻率閃爍。

4? 使用效果

現(xiàn)場(chǎng)效果如圖4所示。圖4（a）為復(fù)秤計(jì)量鎳摞的生產(chǎn)圖，圖4（b）為ind331儀表，圖4（c）為ST20控制器，圖4（d）為UT201B轉(zhuǎn)換模塊。主副秤的0745A傳感器把鎳摞重量數(shù)量發(fā)送給各自的ind331儀表，ST20控制器通過(guò)UT201B轉(zhuǎn)換器與ind331儀表的RS232口通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，ST20控制器通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)控制報(bào)警功能和上位機(jī)通信功能。

本系統(tǒng)自2021年1月開始投入使用，一直運(yùn)行穩(wěn)定可靠，充分成功地驗(yàn)證了設(shè)計(jì)，其實(shí)際效果得到了金川公司領(lǐng)導(dǎo)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)人員的認(rèn)可和稱贊，為金川集團(tuán)鎳冶煉廠成品車間成功建設(shè)全國(guó)最大智能化成品包裝車間提供了有力支持。

5? 結(jié)? 論

本設(shè)計(jì)通過(guò)復(fù)秤對(duì)比的計(jì)量方式解決了鎳摞生產(chǎn)精密計(jì)量效率問(wèn)題，通過(guò)Smart200PLC與IND331的自由口通訊實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和穩(wěn)定輸出，以及報(bào)警的控制功能。

本文不但介紹了IND331的協(xié)議，還注明了實(shí)施中使用的元件型號(hào)，并對(duì)程序設(shè)計(jì)作出了解釋，對(duì)于初次使用smart 200PLC與托利多IND331秤通過(guò)RS232通訊的朋友可提供借鑒作用，該方案中若IN331選配485通訊板（型號(hào)72225757），則可取消 RS232轉(zhuǎn)RS485模塊UT201B，進(jìn)行RS485通訊時(shí)，只需變動(dòng)硬件接線回路，編程可不做改動(dòng)，可取得同樣效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姚輝.全自動(dòng)電解鎳板剪切包裝機(jī)組的開發(fā)與應(yīng)用 [J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2015，28（2）：41-43.

[2] 郭鋒，王宇翱，閆國(guó)梁，等.智能稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].中國(guó)高新科技，2018（3）：40-42.

[3] 季男，孫軍紅.稱重系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的幾種方法 [J].本鋼技術(shù)，2009（2）：32-35.

[4] 向曉漢.S7-200SMARTPLC完全精通教程 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[5] 梅特勒-托利多.XK3141 IND131/331稱重顯示控制器使用說(shuō)明書 [EB/OL].（2021-01-25）.https： //wenku.baidu.com/view/eb12d259beeb19e8b8f67c1cfad6195f302be8f5.html.

作者簡(jiǎn)介：張伯文（1977—）男，漢族，湖南寧鄉(xiāng)人，電氣工程師，本科，主要研究方向：電氣自動(dòng)化控制。