摘要：設(shè)計(jì)了采用OMRON PLC為主控機(jī)的自動(dòng)配料控制系統(tǒng)，其可通過變頻器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)給料控制，該系統(tǒng)具有精度高、可行性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。上位機(jī)采用組態(tài)軟件組態(tài)王實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，可及時(shí)了解現(xiàn)場信息、發(fā)送控制命令、實(shí)時(shí)下載料方、查看歷史、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及曲線；并可通過組態(tài)界面的WEB發(fā)布功能，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳送到?jīng)Q策管理層，決策管理層將生產(chǎn)配方下置到生產(chǎn)管理層，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)各層信息的有效連接，完成了一定程度的管控一體化功能。利用VC編寫串口通訊及組態(tài)軟件IO驅(qū)動(dòng)程序，通過IO驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)PLC與現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的交換。

　　關(guān)鍵詞: 自動(dòng)配料監(jiān)控系統(tǒng)  組態(tài)界面   管控一體化

　　1.引言

　　在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常需要將多種原料按一定的比例混合，以制造某種產(chǎn)品，這種將一種原料與其它幾種原料按事先設(shè)定的比例進(jìn)行混合配料的配料稱重系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中有著廣泛的應(yīng)用，它能根據(jù)事先設(shè)定的配料單，將各種不同的原料在不同的稱重設(shè)備中進(jìn)行稱量配料。

　　煉鋼保護(hù)渣是現(xiàn)代煉鋼冶金中常用的材料之一，它在鋼坯的澆鑄和凝固過程中，直接影響鋼坯質(zhì)量的好壞。保護(hù)渣由石灰石、玻璃粉、石墨、水泥、工業(yè)氯化鈉、蘇打等八種物料按一定比例進(jìn)行配制的。配料的精度對鋼坯質(zhì)量有著很大的影響。因此，精確、高效的稱量設(shè)備不僅能提高生產(chǎn)率，而且是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)保護(hù)渣的保證。

　　結(jié)合冶金行業(yè)中煉鋼保護(hù)渣配料工藝，開發(fā)設(shè)計(jì)出本自動(dòng)配料系統(tǒng)并可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

　　2.方案論證

　　2.1  系統(tǒng)工藝流程

　　煉鋼保護(hù)渣是由石灰石、玻璃粉、石墨、水泥、工業(yè)氯化鈉、蘇打等8種物料按照一定的比例進(jìn)行配制的,其配料系統(tǒng)的工藝過程如圖1所示。貯料倉料門控制8種物料分別放入8個(gè)貯料中,8個(gè)貯倉料在圓錐形中間漏斗上方圍成一圈(圖中只畫出2個(gè)貯料倉),物料依次經(jīng)中間漏斗放入電子秤中進(jìn)行稱量。貯料倉分為上料倉和下料倉,在8個(gè)上料倉中放入8種物料,下料倉的下口接螺旋給料機(jī)。為防止螺旋給料機(jī)被物料“壓死”,在下料倉中設(shè)置了上、下阻移式物位計(jì)。當(dāng)物料在下料位時(shí)開啟上下料倉間的閥門,將物料放入下料倉中;當(dāng)物料到達(dá)下料倉的上料位時(shí),閉此閥門。自動(dòng)配料過程控制系統(tǒng)首先啟動(dòng)1#螺旋給料機(jī),全速向稱重電子秤連續(xù)加料,電子秤進(jìn)行連續(xù)稱量。當(dāng)達(dá)到稱量值的一定值時(shí),螺旋給料機(jī)轉(zhuǎn)速開始下降(變頻調(diào)速),隨著物料的增加,螺旋給料機(jī)的速度越來越慢;當(dāng)稱重值接近或達(dá)到要求的數(shù)值時(shí)螺旋給料機(jī)停車,此時(shí)每一種物料稱量完畢。打開電子秤放料閥門,將物料放入中間貯料倉中暫存。然后啟動(dòng)2#給料機(jī)稱量第2種物料,每稱完一種即放入中間貯料倉中暫存,待8種物料均稱量完畢后一起放入球磨機(jī)中,注水混合后送到下道工序。

　　2.2  方案比較

　　當(dāng)前自動(dòng)配料解決方案有三種：以單片機(jī)為主控制機(jī)的自動(dòng)裝置、以PLC為主控制器的自動(dòng)配料裝置、智能自動(dòng)配料裝置。各種方式優(yōu)缺點(diǎn)如下：

　　(1)以單片機(jī)為主控制機(jī)的自動(dòng)裝置

　　在當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)中，以單片機(jī)為控制機(jī)的自動(dòng)裝置層出不窮，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中。單片機(jī)以其價(jià)格便宜、輕巧占據(jù)市場，其功能和開發(fā)工具也相對比較完善，其完成的系統(tǒng)后期維護(hù)困難。以單片機(jī)開發(fā)的智能控制設(shè)備，成本低，開發(fā)方便，功能靈活，有成熟的開發(fā)體系，完善的功能。但其抗干擾能力有限，無法勝任于較為惡劣的工業(yè)環(huán)境。可以與計(jì)算機(jī)通訊，但需要較復(fù)雜的編程。由于單片機(jī)技術(shù)的限制,系統(tǒng)難以制作更高級的統(tǒng)一控制畫面。

　　(2)以PLC為主控制器的自動(dòng)配料裝置

　　PLC組成的控制系統(tǒng)，性能相對穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，符合工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)，適合于惡劣的工業(yè)環(huán)境。PLC本身輸入輸出點(diǎn)數(shù)可以靈活配置，并能自由選擇添加輸入輸出。

　　其邏輯控制功能強(qiáng)，可長期運(yùn)行于工業(yè)現(xiàn)場，其自身保護(hù)能力較高。并可以與上位機(jī)建立通訊連接，完成兩者的數(shù)據(jù)交換；也可以通過串口上網(wǎng)模塊通過網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)。其完善的功能，靈活的配置，簡單的編程，可靠的工作，使其廣泛用于工業(yè)現(xiàn)場。由于ＰＬＣ技術(shù)的成熟，容易制作上一層的監(jiān)控頁面。

　　(3)專用自動(dòng)配料裝置

　　專業(yè)自動(dòng)配料裝置簡單易用，適合于小型控制中，能夠完成簡單的控制要求，其精確度較高。但專用儀表價(jià)格較貴，不利于系統(tǒng)的擴(kuò)展。對成型系統(tǒng)擴(kuò)展、維護(hù)相當(dāng)困難。在工業(yè)控制中，難以用于生產(chǎn)數(shù)據(jù)頻繁變動(dòng)和復(fù)雜邏輯算法的控制。工業(yè)中常用于作為現(xiàn)場智能IO直接控制現(xiàn)場設(shè)備，并通過數(shù)據(jù)線將簡單的數(shù)據(jù)傳遞到上層大型智能控制設(shè)備。

　　通過上面三種常用工業(yè)控制方案中，可以得到以單片機(jī)為主控制機(jī)的自動(dòng)裝置和智能自動(dòng)配料裝置，難以滿足本設(shè)計(jì)的要求，所以選用以PLC為主控制器的自動(dòng)配料系統(tǒng)方案。

圖1 系統(tǒng)工藝流程

　　2.3  PLC為主控制器的自動(dòng)配料方案

　　(1)方案框架與構(gòu)思

　　現(xiàn)場控制部分：

　　基于煉鋼保護(hù)渣配料工藝和現(xiàn)場裝置（閥門、給料機(jī)、物位計(jì)、稱重傳感器等）確定現(xiàn)場需要控制IO點(diǎn)數(shù)（具體分為數(shù)字量和模擬量），通過選用合適PLC型號，完成配料邏輯的控制。由PLC接受上位機(jī)傳來的配料的料方，通過開關(guān)量輸入上位機(jī)組態(tài)軟件數(shù)據(jù)的接受，PLC自動(dòng)完成邏輯運(yùn)算，控制各配料變頻器的頻率，以帶動(dòng)對應(yīng)給料機(jī)的動(dòng)作。

　　過程管理部分：

　　上位機(jī)采用組態(tài)軟件完成現(xiàn)場工作狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)獲得現(xiàn)場IO數(shù)據(jù)，適時(shí)下傳控制命令。利用上位機(jī)組態(tài)軟件完成數(shù)據(jù)的存儲、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線、歷史數(shù)據(jù)曲線的顯示。通過組態(tài)的WEB發(fā)布功能，將數(shù)據(jù)傳送到上一層管理部門，并上層接受傳來的控制命令。

　　(2)系統(tǒng)設(shè)備的選型

　　該系統(tǒng)需要8個(gè)模擬量輸出，1個(gè)模擬量輸入，28個(gè)開關(guān)量輸入，12個(gè)開關(guān)量輸出，故選OMRON CQM1H系列PLC。

　　變頻器：臺達(dá)VFD-A   2.2Kw8臺稱重傳感器：昆侖海岸公司生產(chǎn)BK-5型懸臂梁式測力/稱重傳感器，壓式傳感器，稱量范圍：0-20t。

　　物位計(jì)：遼寧中鑫自動(dòng)化儀表公司生產(chǎn)的UL-3LP系列阻移式物位計(jì)，檢測原理： 檢測板受阻時(shí)，輸出報(bào)警信號，繼電器狀態(tài)改變；物料脫離檢測板時(shí)，恢復(fù)檢測狀態(tài) ；往返頻率：次/分   輸出節(jié)電容量：普通型AC220V•5A ，水平安裝，承受壓力<0.3Mpa螺旋給料機(jī)：XGL150,功率為1.5Kw，料桶直徑為160mm。

　　3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1  PLC程序設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用的是CQM1H  PLC,其程序語言為梯形圖。自動(dòng)稱量控制系統(tǒng)的軟件分為兩部分:一部分為料倉料位控制軟件,另一部分為稱量系統(tǒng)的控制軟件。

　　(1)料倉料位控制軟件:

　　料倉料位控制系統(tǒng)本系統(tǒng)中的貯料倉共有8個(gè)。當(dāng)物料在下料位時(shí)開啟上下料倉間的閥門,將物料放入下料倉中;當(dāng)物料到達(dá)下料倉的上料位時(shí),關(guān)閉此閥門。

　　(2)自動(dòng)稱量控制軟件

　　本系統(tǒng)由于不允許重量有超調(diào),故不能采用一般的控制方法為了滿足稱量精度和稱量快速性,本系統(tǒng)采用飽和非線性方法來實(shí)現(xiàn)。Ｕｋ的限幅值為10Ｖ,由于每一種物料的配料重量不同,故Ｕｐ、Ｋ1的數(shù)值亦不同。當(dāng)配料開始時(shí)Ｕｐｆ較小,Ｕｋ=Ｋ△Ｕ=Ｕｋｍax,螺旋給料機(jī)全速給料;當(dāng)Ｕｐｆ達(dá)到一定值時(shí),Ｕｋ=Ｋ1△Ｕ<Ｕｋｍax,但Uk>Umin,此時(shí)Ｕｋ為低速給定值,隨著Ｕｐｆ的逐漸上升,Ｕｋ逐漸下降;當(dāng)Ｕｋ=Umin時(shí),停止給料,即稱量完畢。

　　3.2  組態(tài)程序設(shè)計(jì)

　　組態(tài)軟件可以簡易繪制出現(xiàn)場工作環(huán)境，逼真地模擬出現(xiàn)場工作狀況，有利于集中方式的工業(yè)監(jiān)控。

　　(1)組態(tài)的簡介

　　建立新組態(tài)工程的一般過程是：

　　設(shè)計(jì)圖形界面（定義畫面）;
　　定義設(shè)備;構(gòu)造數(shù)據(jù)庫（定義變量）;
　　建立動(dòng)畫連接;
　　運(yùn)行調(diào)試。

　　需要說明的是，這5個(gè)步驟并不是完全獨(dú)立的，事實(shí)上，這4個(gè)部分常常是交錯(cuò)進(jìn)行的。在用組態(tài)王畫面開發(fā)系統(tǒng)編制工程時(shí)，要依照此過程考慮三個(gè)方面：

　　圖形：用戶希望怎樣的圖形畫面？也就是怎樣用抽象的圖形畫面來模擬實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場和相應(yīng)的工控設(shè)備。
　　數(shù)據(jù)：  怎樣用數(shù)據(jù)來描述工控對象的各種屬性？也就是創(chuàng)建一個(gè)具體的數(shù)據(jù)庫，此數(shù)據(jù)庫中的變量反映了工控對象的各種屬性，比如溫度，壓力等。
　　連接：  數(shù)據(jù)和圖形畫面中的圖素的連接關(guān)系是什么？也就是畫面上的圖素以怎樣的動(dòng)畫來模擬現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行，以及怎樣讓操作者輸入控制設(shè)備的指令。

　　(2)主畫面功能

　　主畫面是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要監(jiān)視界面，如圖2，它實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場數(shù)據(jù)。畫面實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前配料的實(shí)際料方配比和八種配料的給定料方。每次執(zhí)行完一次循環(huán)的配料，實(shí)時(shí)顯示實(shí)際的配料值。可以直接將當(dāng)前配料的實(shí)際值顯示出來。表格第三行顯示的是系統(tǒng)對于每一種配料的誤差，根據(jù)要求該誤差應(yīng)小于5%。否則，將對煉鋼保護(hù)渣的質(zhì)量產(chǎn)生影響，可能影響實(shí)際生產(chǎn)。該誤差的計(jì)算是在應(yīng)用程序腳本里實(shí)現(xiàn)的，腳本語言在組態(tài)程序運(yùn)行時(shí)，每3s刷新一次畫面，畫面的動(dòng)畫隨連接變量的不同而改變。

圖2 組態(tài)主界面

　　控制部分按鈕說明：

　　上電：給系統(tǒng)八臺變頻器上電，使系統(tǒng)處于備妥狀態(tài)；
　　開啟：全自動(dòng)運(yùn)行按鈕，使系統(tǒng)處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)八種配料依次運(yùn)行，如不停止，系統(tǒng)循環(huán)按當(dāng)前配方運(yùn)行。
　　停止：系統(tǒng)任何狀態(tài)下，都可停止；
　　料種選擇：自左至右，從高位到低位，3位二進(jìn)制數(shù)表示八種配料中的一種，以供操作員進(jìn)行手動(dòng)和半自動(dòng)操作。
　　手動(dòng)：相當(dāng)于點(diǎn)動(dòng)式按鈕。
　　半自動(dòng)：每次執(zhí)行該種配料的單步操作。

　　3.3  組態(tài)下OMRON PLC串口驅(qū)動(dòng)程序（1）技術(shù)背景隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的完善，在線實(shí)時(shí)監(jiān)控成為工程中必不可少的一部分。這就需要組態(tài)軟件與現(xiàn)場設(shè)備實(shí)時(shí)的交換數(shù)據(jù)，傳遞生產(chǎn)信息。雖然現(xiàn)在組態(tài)軟件中PLC的程序已比較完善，基本能夠滿足用戶需要。但現(xiàn)在新型串口設(shè)備（PLC、現(xiàn)場儀表、流量計(jì)等）層出不窮，有些設(shè)備并沒有在組態(tài)軟件下的驅(qū)動(dòng)程序，即暫時(shí)無法掛接到組態(tài)下。這時(shí)，需要工程人員自己根據(jù)廠家提供的開發(fā)接口和硬件廠商提供的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，自己編寫合適的驅(qū)動(dòng)程序。

　?。?）驅(qū)動(dòng)程序概述

　　IO驅(qū)動(dòng)程序（FIOS）負(fù)責(zé)完成與各種I/O設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。一方面，它把從I/O設(shè)備采集到的實(shí)時(shí)過程數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)庫DB，另一方面，從DB發(fā)出的下置數(shù)據(jù)也通過FIOS發(fā)送給I/O設(shè)備。FIOS的體系結(jié)構(gòu)是開放式的，它提供開發(fā)工具與接口標(biāo)準(zhǔn)，允許用戶以力控軟件為平臺，自行開發(fā)各種I/O設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。

　　FIOS SDK主要由4部分組成：設(shè)備組態(tài)接口（Iodevcfg）、數(shù)據(jù)連接組態(tài)接口（Ioitemui）、I/O監(jiān)控接口Ioapi和I/O服務(wù)器程序Ioserver。
　　Iodevcfg：負(fù)責(zé)管理設(shè)備組態(tài)過程。
　　Ioitemui：負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)連接組態(tài)過程。
　　Ioapi：負(fù)責(zé)完成與I/O設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的監(jiān)控過程。包括：對通信協(xié)議的解析、數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換等。
　　Ioserver：完成對Ioapi 部分動(dòng)態(tài)裝載，調(diào)用并執(zhí)行Ioapi 實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)出函數(shù)。同時(shí)完成與I/O設(shè)備的底層通信（串口通信、網(wǎng)絡(luò)通信等），以及設(shè)備超時(shí)處理、設(shè)備故障診斷等。Ioserver還完成與數(shù)據(jù)庫DB之間的通信。它把從I/O設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)Ioapi解析轉(zhuǎn)換后提交給DB，或?qū)B下置給I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)經(jīng)Ioapi解析轉(zhuǎn)換后寫入I/O設(shè)備。
　　Ioserver由FIOS SDK提供。 程序員僅需要開發(fā)Iodevcfg、Ioitemui、Ioapi三部分的代碼。

　　4.設(shè)計(jì)總結(jié)

　　4.1  設(shè)計(jì)創(chuàng)新之處

　　本設(shè)計(jì)結(jié)合現(xiàn)代生產(chǎn)的實(shí)際和當(dāng)前工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)展的趨勢，在常規(guī)生產(chǎn)控制的基礎(chǔ)上大膽提出了創(chuàng)新。

　　在配料的控制方面，除了能夠完成常規(guī)的自動(dòng)配料控制外，大膽地提出了向高層提供生產(chǎn)數(shù)據(jù)并接受高層管理的功能，使生產(chǎn)控制信息通過有效可行的途徑、安全的方式傳遞到上一層。

　　有效地協(xié)調(diào)企業(yè)內(nèi)部信息，完成企業(yè)資源的統(tǒng)一調(diào)度，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的管控一體化策略。在本設(shè)計(jì)中具體表現(xiàn)：可以通過WEB頁面查詢某一時(shí)段某些相關(guān)變量的查詢與統(tǒng)計(jì)，同時(shí)可以根據(jù)企業(yè)內(nèi)部完整信息選擇合適配方下置到配方存儲文件中。

　　    在驅(qū)動(dòng)程序方面，雖然本設(shè)計(jì)中用到的PLC驅(qū)動(dòng)程序已相對完善，但是在實(shí)際工程應(yīng)用中如設(shè)備改造升級，可能會(huì)遇到一些新型儀表、PLC無法掛接到本系統(tǒng)組態(tài)下，此時(shí)可以利用當(dāng)前驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)模板進(jìn)行簡單地修改即可,方便系統(tǒng)的升級與改進(jìn)。

　　4.2  設(shè)計(jì)總結(jié)

　　通過設(shè)計(jì)自動(dòng)配料系統(tǒng)過程中的設(shè)計(jì)和實(shí)踐，學(xué)到了一些技巧和方法，現(xiàn)總結(jié)如下：

　　(1)PLC編程方面

　　PLC中位與通道的靈活運(yùn)用，通道中位與通道中數(shù)值的對應(yīng)關(guān)系，給編程帶來了方便；
　　PLC編程的順序編程方法；
　　PLC中對于復(fù)雜狀態(tài)編程時(shí)，先將復(fù)雜狀態(tài)分解為多個(gè)小狀態(tài)，每個(gè)小狀態(tài)分別置位一輔助點(diǎn)，最后利用各小狀態(tài)輔助點(diǎn)之間邏輯關(guān)系產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。

　　(2)組態(tài)方面

　　在組態(tài)的應(yīng)用和學(xué)習(xí)過程中，不但熟練掌握了組態(tài)的常用功能：繪制畫面、定義IO變量、腳本語言、動(dòng)畫連接、數(shù)據(jù)報(bào)表、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、歷史報(bào)警等；而且，還積累了一些應(yīng)用技巧、方法，對組態(tài)有了更深的理解。
　　組態(tài)中IO變量線性轉(zhuǎn)換設(shè)置對數(shù)據(jù)采集與下置命令的影響;WEB頁面快速設(shè)置的方法及修改，以及發(fā)布頁面的配置，發(fā)布設(shè)置中具體端口號的設(shè)置；
　　頁面、應(yīng)用程序、變量刷新頻率在系統(tǒng)中的具體作用；
　　對圖素的修改，可以做到簡單修改為我所用等等。

　　(3)驅(qū)動(dòng)程序方面

　　 掌握了驅(qū)動(dòng)開發(fā)的必備知識，現(xiàn)在可以迅速地對一個(gè)硬件開發(fā)組態(tài)下的程序。積累了VC編程的經(jīng)驗(yàn)，可以使用API函數(shù)對一些Windows程序設(shè)計(jì)進(jìn)行編程。
      學(xué)會(huì)了VC對串口編程的方法，可以利用VC編程串口，編寫適合的串口應(yīng)用程序，完成相應(yīng)的功能；
　   能夠使用力控接口SDK對相應(yīng)的硬件進(jìn)行開發(fā)，編寫適合于硬件的組態(tài)驅(qū)動(dòng)程序；
　　可以對相應(yīng)的硬件驅(qū)動(dòng)訂制方案，制作適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)程序；
　　熟悉VC的開發(fā)環(huán)境。