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產(chǎn)品的生產(chǎn)周期和生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化程度是影響企業(yè)效益的重要因素。針對(duì)某飼料廠設(shè)備陳舊、自動(dòng)化程度低、配料精度差等缺點(diǎn)，在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，設(shè)計(jì)了基于PLC自動(dòng)配料系統(tǒng)，并利用力控組態(tài)軟件對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和自動(dòng)化程度。
1配料系統(tǒng)的工藝要求
由圖1可見(jiàn)，S1-S20共有20個(gè)配料倉(cāng)，將其分為2組，分別是S1-S8和S9-S20，分別對(duì)應(yīng)1個(gè)稱重倉(cāng)。首先，將20個(gè)物料倉(cāng)中的物料按某種配方要求的重量進(jìn)行稱重，稱重過(guò)程中每組配料倉(cāng)的下料順序可以在下料開(kāi)始前任意設(shè)定，每組倉(cāng)單獨(dú)進(jìn)行配料。當(dāng)2組配料都結(jié)束后，打開(kāi)倉(cāng)門F-U和F-V使得稱好的物料進(jìn)入混合倉(cāng)H1進(jìn)行混合。當(dāng)稱重倉(cāng)B1和B2為空時(shí)，倉(cāng)門F-U和F-V自動(dòng)關(guān)閉。物料的混合采用定時(shí)控制。定時(shí)時(shí)間結(jié)束說(shuō)明飼料已經(jīng)完全混合，此時(shí)由攪拌電機(jī)的負(fù)載電流控制的混合倉(cāng)門F-W打開(kāi)，物料經(jīng)傳送帶C1送到提升機(jī)T，人工打包。在物料開(kāi)始混合的同時(shí)，啟動(dòng)泵M1從罐S21中抽出某種液體物料加入混合倉(cāng)中。
2硬件電路設(shè)計(jì)
2．1總體設(shè)計(jì)方案
全系統(tǒng)由核心控制器S7-200系列PLCCPU226、文本顯示器TD400C、數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊EM222、模擬量輸入模塊EM235、信號(hào)調(diào)理電路、稱重傳感器、電子秤、負(fù)載電流、通信模塊及PC機(jī)等組成。
2．1．1負(fù)載電流檢測(cè)電路。由于該廠區(qū)控制區(qū)有一些強(qiáng)電設(shè)備，電磁干擾對(duì)系統(tǒng)的影響比較大，非常有必要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波。EM235要求輸入模擬信號(hào)的直流電壓，范圍是0～100mV，而電機(jī)的負(fù)載電流是220V/3～10A交流信號(hào)。因此，必須要對(duì)其進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)化、變壓等。圖3為整流和濾波電路。整個(gè)信號(hào)調(diào)理電路如下:采用了1個(gè)變流比是300∶1的電流互感器將3～10A交流大電流轉(zhuǎn)換為10～43mA小電流;經(jīng)過(guò)1個(gè)單向橋式整流電路將交流電轉(zhuǎn)換為直流;由R1和R2將電流信號(hào)變化為電壓信號(hào);選用合適的Π型濾波電路濾去一些高頻干擾。經(jīng)過(guò)Matlab仿真可知，采用該調(diào)理電路夠使得220V/3～10A交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～100mV內(nèi)的直流電壓信號(hào)，且其電壓波動(dòng)不超過(guò)0．1mV，完全滿足了控制要求。
2．1．2稱重信號(hào)檢測(cè)電路。除量程范圍不同外，2個(gè)稱重倉(cāng)所采用的電路大致相同。以1號(hào)秤為例來(lái)介紹稱重信號(hào)的采集及調(diào)理電路。由于稱重倉(cāng)的體積比較大，保持稱重過(guò)程中倉(cāng)的平衡是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。為此，將3個(gè)稱重傳感器依次串聯(lián)，并以等邊三角形的形式安裝于稱重倉(cāng)的底部，所監(jiān)測(cè)的信號(hào)為3個(gè)傳感器的電壓之和。其濾波電路的設(shè)計(jì)與負(fù)載電流檢測(cè)電路相同。實(shí)踐證明，這種安裝方式解決了稱重倉(cāng)稱重過(guò)程中的平衡問(wèn)題，提高了測(cè)量精度。
2．1．3通信模塊。雖然僅使用PLC作為控制系統(tǒng)能夠完成基本的控制功能，但是還不夠完善，存在一定的局限性。它不能直接顯示各種運(yùn)行曲線和當(dāng)前值與設(shè)定值，也不能顯示故障報(bào)警原因，更不能保存歷史數(shù)據(jù)和打印報(bào)表等。為了解決上述問(wèn)題，可采用PLC配套組態(tài)軟件來(lái)組成顯示監(jiān)控給定單元。由于現(xiàn)場(chǎng)的上下位之間大約有200m，采用RS485即可完成信號(hào)的傳輸。但是，由于PC機(jī)的通信接口為RS232接口，要在傳輸之前加1個(gè)232到485總線的電平轉(zhuǎn)化的模塊［1］。
2．2主電路電路電氣原理
系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)2種控制方式。
3配料系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
3．1下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
由于被控對(duì)象以電機(jī)為主，輸出信號(hào)均為開(kāi)關(guān)信號(hào)。根據(jù)配料生產(chǎn)控制過(guò)程及被控制對(duì)象的復(fù)雜程度，進(jìn)行I/O點(diǎn)數(shù)和I/O的類型統(tǒng)計(jì)。
負(fù)載電流輸入PLC程序控制的配料系統(tǒng)有自動(dòng)和手動(dòng)2種控制方式。在自動(dòng)狀態(tài)下，核心程序算法的流程見(jiàn)圖5和圖6［2］。為了提高系統(tǒng)的抗干擾性能，在數(shù)據(jù)采集部分軟件上采用了均值濾波算法［3］。值得注意的是，用S7-200進(jìn)行編程時(shí)，當(dāng)內(nèi)存變量冗余比較多時(shí)，盡量避免使用臨時(shí)變量，以避免在多個(gè)子程序中應(yīng)用同一個(gè)臨時(shí)變量引起的程序混亂以及由此導(dǎo)致的不可預(yù)料的情況。
3．2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
上位機(jī)軟件采用的是北京某公司的力控組態(tài)軟件。組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)包括畫(huà)面創(chuàng)建、I/O設(shè)備連接、數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)和動(dòng)畫(huà)連接4個(gè)步驟［4］。
在利用力控對(duì)PLC進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，力控系統(tǒng)與PLC之間必須進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。把與力控進(jìn)行交換數(shù)據(jù)的設(shè)備統(tǒng)稱為I/O設(shè)備。I/O設(shè)備的連接主要包括2個(gè)部分［4］，即I/O設(shè)備的建立與連接。建立I/O設(shè)備的方法是雙擊力控的工程項(xiàng)目中的I/O設(shè)備組態(tài)，在PLC項(xiàng)中選擇雙擊S7-200，然后根據(jù)向?qū)гO(shè)置即可完成設(shè)備組態(tài)的建立。需要設(shè)置的項(xiàng)目主要包括PLC地址、通信方式(在此選用串口方式)及波特率等。連接I/O設(shè)備的方法是在數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)的I/O連接項(xiàng)中輸入需要與力控進(jìn)行交換數(shù)據(jù)的PLC參數(shù)地址即可。但是，值得注意的是，在利用力控對(duì)PLC進(jìn)行監(jiān)控的時(shí)候，必須先關(guān)閉西門子編程軟件。圖8為系統(tǒng)配料過(guò)程中1號(hào)秤的3個(gè)配料周期內(nèi)數(shù)據(jù)的變化情況。從圖中可以看出，3個(gè)周期內(nèi)數(shù)據(jù)變化基本一致。
力控中的點(diǎn)數(shù)主要指的是建立了I/O設(shè)備的變量的總數(shù)。為了節(jié)約系統(tǒng)點(diǎn)數(shù)，把PLC中地址連續(xù)的8個(gè)開(kāi)關(guān)量(1個(gè)開(kāi)關(guān)量只占1位)結(jié)合成1個(gè)字節(jié)型變量進(jìn)行傳輸，上位機(jī)使用時(shí)再把其拆分為位變量。
4結(jié)論
基于PLC自動(dòng)配料系統(tǒng)已在某飼料廠投入使用。通過(guò)軟件算法的優(yōu)化，每秤料(約500kg)的最大誤差保持在3kg以內(nèi)，完全滿足設(shè)計(jì)時(shí)1%的要求。一批料配料時(shí)間大約為6min，比舊設(shè)備速度快。從系統(tǒng)配料過(guò)程中1號(hào)秤的3個(gè)配料周期內(nèi)數(shù)據(jù)的變化可見(jiàn)，該系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性。因此，該系統(tǒng)滿足了自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)快速性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的要求。
利用PLC與組態(tài)軟件相結(jié)合構(gòu)成的配料系統(tǒng)，不僅精確地實(shí)現(xiàn)了配料全過(guò)程，而且通過(guò)上位友好的可視化界面實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)配料過(guò)程方便快捷的遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。此外，還可以在PLC發(fā)生故障時(shí)通過(guò)報(bào)警畫(huà)面顯示故障產(chǎn)生的原因和故障點(diǎn)，方便維護(hù)。

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