基于西門子PLC的高度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王坤

（遼寧工程職業(yè)學(xué)院，遼寧 鐵嶺 112008）

0 引言

高度測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)械、模具、五金等多種行業(yè)與多種場(chǎng)合，主要用于測(cè)量工件的高度，也可測(cè)量形狀和位置公差尺寸。汽車座椅采用聚氨酯發(fā)泡填充，聚氨酯發(fā)泡的硬度、回彈性、隔熱性、舒適性、結(jié)實(shí)耐用性在汽車的銷售及使用中都起到重要作用，因此聚氨酯發(fā)泡工藝極為重要。本文設(shè)計(jì)一款智能泡沫起升測(cè)量裝置，用于測(cè)量發(fā)泡過程曲線，保存數(shù)據(jù)并生成報(bào)告。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

檢測(cè)設(shè)備的控制系統(tǒng)以西門子S7-1200 PLC 為主控制器，S7-1200 控制器使用靈活，功能強(qiáng)大，具有模塊化、結(jié)構(gòu)緊湊以及組態(tài)靈活的特點(diǎn)，適用于多種場(chǎng)合[1]。

設(shè)備模塊本身自帶兩組模擬量輸入，無須新增模塊。選擇超聲波傳感器（型號(hào)：Microsonic mic+25/D），檢測(cè)范圍30~250 mm；圓柱形反射式傳感器，測(cè)量分辨率0.025 mm，重復(fù)精度±0.15%，用于測(cè)量泡沫聚氨酯、玻璃填充的環(huán)氧樹脂；選用西門子TP700 觸摸屏為上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備操作、數(shù)據(jù)讀取、曲線監(jiān)控、數(shù)據(jù)保存等功能。測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

設(shè)備集成14 點(diǎn)輸入10 點(diǎn)輸出數(shù)字量，2路輸入模擬量，2 個(gè)自動(dòng)化總線接口，用于編程、HMI(人機(jī)界面)、PLC 或其他設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，通過開放的以太網(wǎng)協(xié)議與第三方設(shè)備通信[2]。I/O 分配表如表1 所示。

表1 PLC I/O分配表

超聲波傳感器（型號(hào)：Microsonic mic+25/D）共有5 根引腳，其中黑色為信號(hào)線接入PLC 模擬量通道0。將傳感器固定在支架上方，底座放置攪拌杯。測(cè)量方式有兩種，一種以底座為零點(diǎn)，一種以上方為零點(diǎn)。根據(jù)裝置的使用方法，需用傳感器的灰色線進(jìn)行示教，標(biāo)定底座為零點(diǎn)，則傳感器的測(cè)量值即為泡沫的起升高度。PLC 和觸摸屏之間采用以太網(wǎng)通信，IP 地址設(shè)定為192.168.0.1，觸摸屏IP 地址設(shè)定為192.168.0.2。

3 軟件設(shè)計(jì)

選用博途V15.1 編寫PLC 程序及制作觸摸屏畫面，博途是西門子全集成自動(dòng)化門戶軟件，可減少重復(fù)輸入，共享數(shù)據(jù)庫。限幅消抖濾波法是一種消除隨機(jī)干擾的有效方法，可以濾除偶然因素引起的脈沖干擾，但是要求對(duì)系統(tǒng)的采樣數(shù)據(jù)范圍有準(zhǔn)確的判斷，如果允許誤差值設(shè)置不合理，可能會(huì)過濾系統(tǒng)中的正常數(shù)據(jù)[3]。

比較相鄰兩個(gè)時(shí)刻的采樣值，記錄t(n)和t(n-1)時(shí)刻所讀到的連續(xù)兩個(gè)模擬量的值y(n)和y(n-1)，根據(jù)正常值估計(jì)并確定兩次采樣的最大允許誤差，如超過最大允許誤差，則認(rèn)為發(fā)生了隨機(jī)干擾，并認(rèn)為后一次采樣值為非法值，該采樣不采用。若未超過允許的最大偏差，則認(rèn)為是有效采樣。

測(cè)量裝置設(shè)置手動(dòng)和自動(dòng)模式：手動(dòng)模式下，將手自動(dòng)開關(guān)切換為手動(dòng)-踩下腳踏開關(guān)開始攪拌30 s-時(shí)間繼電器計(jì)時(shí)-點(diǎn)擊測(cè)量按鈕-生成測(cè)量曲線-發(fā)泡結(jié)束按下停止測(cè)量按鈕；自動(dòng)模式下，將手自動(dòng)開關(guān)切換為自動(dòng)-踩下腳踏開始攪拌-30 s 后自動(dòng)停止并開始測(cè)量-生成測(cè)量曲線-高度不發(fā)生變化后停止。

4 ～20 mA 電流信號(hào)對(duì)應(yīng)PLC 5 536-27 648 的數(shù)字量，對(duì)應(yīng)超聲波傳感器的測(cè)量范圍30 ～250 mm。在博途軟件中使用標(biāo)準(zhǔn)化NORM_X 和縮放SCALE_X 指令作模數(shù)轉(zhuǎn)換,將傳感器測(cè)量的4 ～20 mA 電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為距離30 ～250 mm。模數(shù)轉(zhuǎn)換程序如圖2 所示。

圖2 模數(shù)轉(zhuǎn)換程序

在PLC 屬性中，點(diǎn)擊“Web 服務(wù)器功能”，勾選“在此設(shè)備的所有模塊上激活Web服務(wù)器”，在監(jiān)視窗口中選擇所要監(jiān)視的變量“高度”，則可在PLC“192.168.0.1”的主頁中遠(yuǎn)程監(jiān)控測(cè)量高度。

西門子TP700 觸摸屏作為上位機(jī)，用于監(jiān)控高度起升曲線。如不設(shè)置觸摸屏實(shí)物，也可選用博途軟件HMI 功能進(jìn)行仿真。仿真前對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行必要設(shè)置，在“控制面板”中，雙擊“Communication Settings”，對(duì)“S7Online”進(jìn)行網(wǎng)卡選擇，在相關(guān)接口參數(shù)分配中選擇“Realtek PClE GbE Family Controller TCPIP Auto.1”,即可仿真為上位機(jī)。

泡沫起升高度數(shù)據(jù)可在監(jiān)控下保存并生成PDF 報(bào)告，報(bào)告樣例如圖3 所示。

圖3 報(bào)告樣例

4 結(jié)語

智能泡沫起升測(cè)量裝置選用西門子PLC 讀取超聲波傳感器測(cè)量的高度，在上位機(jī)顯示高度的實(shí)時(shí)曲線，記錄開始時(shí)間、最大高度、最終高度、開始時(shí)間、混合時(shí)間、上升時(shí)間、測(cè)試時(shí)間、高度縮小時(shí)間等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，生成數(shù)據(jù)報(bào)告，可在Web 中查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)功能并達(dá)到了其他設(shè)計(jì)要求。