1引言。
在防護材料生產行業中，配料通常是用來將原料按照一定的比例均勻混合，形成新的材料，因此配料是該行業生產的重要組成部分。在生產過程中，各種原料必須嚴格按比例混合均勻，這必須通過配料機械來完成。目前工廠一般用兩種方法。第一種方法采用人工稱重，然後將各種比例的原料同時放入配料機中攪拌。另一種方法是自動稱重和自動攪拌。由於許多原料是粉末或顆粒，人體在人工配料時容易吸入灰塵等雜物，導致職業病，增加生產風險和人工成本。同時，配料品種多、數量大，人工配料難以現場管理，容易錯配，不僅難以保證質量，而且增加了管理成本。為了保證產品質量，提高生產效率，需要一個準確可靠的自動配料係統。
2基於PLC、工控機和衡器的配料係統。
在河南某物資集團現有的配料係統中，工人首先將物料運輸到稱重車間，然後人工將物料送到配料機進行配料。稱重車間采用杭州四方衡器稱重，通過RS232端口與工控機連接。位於中央控製室的工控機負責記錄稱重結果並顯示稱重數據。同時，控製器可以通過中央控製室的控製電路手動控製配料過程的啟動和停止。
這種方法效率低下，同時主機運行C語言開發的DOS程序，擴展性差，人機交互困難，不能滿足自動配料的所有要求。為了提高生產率和降低成本，有必要采用自動配料係統。
新係統采用主從結構。上位機采用工控機，下位機采用西門子PLC、變頻器和衡器。主控計算機處於主導地位，實現對各從機的通信管理和控製。工控機的RS-232異步通信端口經過電平轉換後與PLC相連，形成上下位機通信的物理通道；將主機的另一個RS-232端口與衡器的通信端口相連，形成第二物理通道。上位機通過輪詢與從站逐一通信。上位機將任務規劃的結果傳送給PLC。在PLC控製過程中，上位機利用上位機連接命令監控下位機的運行狀態和數據區內容，實時讀取PLC內部狀態和衡器實時數據，並顯示在上位機上。
一般來說，係統具有以下功能:①全自動配料，配方設定後，係統自動根據配方稱量配料，無需操作員幹預；②具有報表功能，可以生成日報表、實時報表、月報、年報等。(3)動態添加和修改報告。係統通過設置權限賦予技術人員或操作人員修改和增加公式的權利，並記錄修改日期和操作人員數量；④掉電恢複功能，係統可以在突然掉電的情況下恢複掉電前的測量記錄；⑤局域網共享功能，主機可以在局域網內共享數據，方便車間主管了解工程進度等情況。
2.1係統的組成。
整個自動配料攪拌係統由工控機、PLC、工業衡器、變頻器、振動電機、攪拌機、傳感器、傳送帶等組成。
上位機提供人機交互界麵，完成控製信息輸入、數據管理、數據顯示、存儲、統計和報表等功能。上位機采用IPC810工控機，其主要工作如下:工控機先根據操作人員的指令讀取某個編號的配方，然後根據配方中配料的比例和順序向PLC發送開始配料的指令，讓PLC啟動特定的變頻器。配料過程中，工控主機實時讀取PLC的狀態字，了解PLC及其下屬設備的運行狀態；另一方麵，安裝在配料機上的稱重儀表的稱重數據被實時讀取。根據配料策略，當稱重接近配方中的設定值時，上位機向PLC發出停止配料的指令。當配方中的所有材料都完成後，整個配料過程暫停，等待操作員的指令。
在係統運行過程中，PLC與上位機實時通信，以保證界麵上顯示的數據與實際現場數據的一致性。操作人員在主機上發送的操作命令和設定參數可以實時發送給PLC。PLC的主要任務是:①接收上位機發送的命令，通過變頻器控製振動電機的啟動、停止和速度；2)將變頻器的運行狀態實時寫入內存數據區，供工控機讀取；③以狀態詞的形式準備各種狀態，通過工控機實時讀取。
2.2控製策略和配料過程。
通過分析配料過程的特點，發現配料過程具有以下特點:
(1)受控對象是單向不可逆係統。原料沒有辦法從加藥機回到傳送帶上。
(2)有明顯的時滯。當配料達到設定值時，PLC控製電機停止輸送原料，然後輸送帶上的部分原料無法回收，係統存在明顯的時滯。
(3)受控特性是開關。係統的啟動和停止控製都是開關值。
(4)配料係統在正常工作區域是線性的。
因此，我們考慮采用快、慢、提前下達停止投料指令的控製策略，並利用PLC的聯鎖技術來保證配料的順利進行。係統啟動後，工控計算機向PLC發送送料啟動信號，PLC控製變頻器驅動電機快速送料。同時，工控主機通過串口不斷讀取衡器的稱重數據。當重量值接近設定值時，工控主機向PLC發出停止給料的控製指令。此時PLC控製變頻器緩慢進給。通過預先估算原料在輸送機構上的殘留量，當設定值與實際投料的差值等於原料在輸送機構上的殘留量時，PLC真正發出停止指令，由變頻器執行，從而控製電機停止。停止後，輸送機構上的原料無殘留，配料精度符合要求。過程如圖1所示。
自動配料係統。
3.工業控製主機的軟件設計。
工業控製計算機的主要任務如下:
(1)提供配料過程的動畫顯示。
(2)向PLC發送控製指令，讀取PLC的運行狀態。
(3)讀取衡器上的稱重信號，在顯示器上顯示稱重值，並根據稱重數據向PLC發送指令。
(4)數據庫和報表，保存配料數據和打印報表。
(5)公式的添加和修改。
(6)配料故障輔助報警等其他功能。

3.1配料軟件界麵設計。
上位機采用紫金橋組態軟件設計人機界麵。工控組態軟件其實是一個軟件開發平台，用戶可以根據自己的需求進行二次開發。根據工藝要求，我們可以在該平台上為整個監控係統開發一個友好的人機界麵，操作員可以通過該界麵與現場設備進行實時交互。紫金橋軟件是HMI/SCADA工業自動化組態軟件，提供了高度集成和可視化的開發環境。該軟件具有以下特點:
(1)多種通訊功能。紫金橋配置軟件[3]支持以下通信功能:
1)支持RS232、RS422、RS485等串行通信模式，支持無線電台、電話撥號、電話輪詢撥號等模式。
2)以太網通信支持有線以太網和無線以太網。
3)所有設備的驅動都支持GPRS、CDMA、GSM等移動網絡標準。
(2)便捷的開發係統。豐富的組件和控件構成了強大的HMI開發係統；過渡色和遞進色的增強功能，從根本上解決了很多同類軟件在過渡色和遞進色使用過多時嚴重影響畫麵刷新速度和係統運行效率的問題；更靈活多樣的矢量子圖，讓工程圖更快；提供麵向對象的編程模式，內置間接變量，中間變量和數據庫變量，支持自定義函數和自定義菜單。
(3)開放性。紫金橋組態軟件的開放性表現在以下幾個方麵:
1)支持Excel訪問VBA的數據庫。
2)軟件具有開放的體係結構，完全支持DDE、OPC、ODBC/SQL、ActiveX和DNA標準。外部訪問接口以OLE、COM/DCOM、動態鏈接庫等形式提供，方便用戶使用各種常用開發工具(如VC++、VB等)。)進行深度二次開發。
3)紫金橋配置軟件的I/O驅動架構是開放的，其接口的源代碼是完全開放的，用戶可以自行開發新的驅動。
(4)數據庫功能。紫金橋組態軟件內置實時數據庫，實時數據庫內置各種功能塊完成數據處理和存儲，可以實現累加、統計、控製、對齊等各種功能。
(5)支持多種設備和總線。支持國內外大部分知名廠商生產的PLC、調節器、智能儀表、智能終端、智能模塊；此外，它還支持Profibus、Can、LonWorks和Modbus。
3.2係統的I/O點。
紫金橋組態軟件用實時數據庫點表示I/O點。經分析，係統需要三個I/O點，用兩個數字控製點通過PLC控製電機的啟動和停止，因此選擇這兩個點的數據鏈路作為PLC的兩個數字輸入輸出通道。模擬點用於表示從稱重儀器讀取的實時數據，因此該點的數據鏈接是稱重儀器的測量值。
4.通信程序設計。
通信程序設計主要包括三個部分。第一部分是主機與PLC的通信。第二部分是上位機與衡器的通信。第三部分是PLC與變頻器的通信。
4.1主機與PLC的通信。
一般組態軟件都有內置的主流PLC驅動。首先，在紫金橋組態軟件中創建新的PLC虛擬設備。虛擬設備的模型必須與使用的真實可編程邏輯控製器的模型一致。如果在組態軟件中找不到所需的PLC型號，可以委托軟件製造商免費開發這種類型的新PLC驅動程序。虛擬設備用於映射真實設備。這裏我們用的PLC是西門子S7-300，主機設置為通過串口1與PLC通信。
4.2主機與衡器的通訊。
衡器我們用的是杭州四方的衡器。為了使儀器能與組態軟件很好地通信，我們專門委托紫金橋公司開發了儀器的驅動程序。我們首先從配置軟件的驅動列表中選擇一個我們需要的設備類型，並根據這個類型構建一個虛擬設備來映射真實的稱重儀表，然後設置儀表與計算機之間的通信端口和通信協議。
4.3PLC與變頻器的通訊。
由於配料車間的原材料種類繁多，為了方便配料，我們設置了多條傳送帶，因此配料係統的一台PLC需要連接多個變頻器。因此，我們使用Profibus總線在PLC和變頻器之間進行通信，在變頻器中插入專用的Profibus通信模塊，設置變頻器的從地址，然後通過Profibus連接器接入PLC。PLC可以通過編程向變頻器發送和接收消息，向變頻器發送控製字，從變頻器回讀狀態字。
CPU315-2DP是Profibus主站，與主站通信的每個變頻器都可以看作Profibus從站。在通信期間，主站根據通信消息中的地址字符選擇從站發送數據。從站本身不能主動發送數據，從站也不能直接傳輸信息。係統選擇的變頻器型號為西門子microster430係列[4]。PLC與變頻器的主要通信主要涉及兩個概念。第一個是數據報文，第二個是控製字和狀態字。
(1)通信消息。每個消息都以字符STX開始，然後是長度描述LGE和地址字節ADR，最後是采用的數據字符。消息以數據塊檢查器BCC結束。主要字段解釋如下:
STX區域是一個一字節的ASCII字符(02十六進製)，它指示消息的開始。
LGE區域是一個字節，表示這條信息後麵的字節數。
ADR區是一個字節，是從站節點(即變頻器)的地址。
BCC區是一個長度為一個字節的校驗和，用於檢查信息是否有效。是該信息中BCC之前所有字節異或運算的結果。如果校驗和的運算結果表明變頻器接收到的信息無效，則丟棄該信息，不向主站發送應答信號。
(2)控製字和狀態字。PLC可以通過變頻器的PKW區域讀寫變頻器的參數值，從而改變或了解變頻器的工作狀態。在該係統中，PLC讀出該區域的數據，放入特定的數據區域供工控機查詢，查詢結果顯示在工控機上。
5結論。
通過工控機、可編程控製器和變頻器的配合，係統完成了所需的自動配料任務。該係統自2008年5月投入使用以來，每天準備配料100多噸，完成配方10個左右，既能實時顯示工況，又能提供修改和添加配方的功能。實際運行表明，該係統穩定可靠，人機界麵美觀，操作方便。同時，係統采用組態軟件開發，可以為以後的升級提供方便。

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