基于PLC的自動稱重監測控制系統的研究與設計

王 鵬，徐世許，伍經紋

（青島大學 自動化與電氣工程學院，青島 266071）

基于PLC的自動稱重監測控制系統的研究與設計

王 鵬，徐世許，伍經紋

（青島大學 自動化與電氣工程學院，青島 266071）

在當今生產加工過程中，總會使用稱重系統。針對工業稱重問題，提出了基于工業稱重的自動監測控制系統，可以根據采集稱重數據來實現自動控制。開發設計以歐姆龍可編程邏輯控制器（PLC）為控制器，以昆侖通態觸摸屏為可控、可觀工具，以梅特勒托利多工業稱重設備為采集重量數據設備、基于歐姆龍Fins協議的Visual Basic上位機數據監控處理軟件的系統，可以很好的解決提高工業生產精度、降低成本、提高工作效率、減少過逾勞動力損失等問題。

歐姆龍PLC；觸摸屏；自動稱重；Fins協議；Visual Basic

0　引言

隨著當今社會現代化與信息化的發展，將信息技術應用于工業已成現如今的當務之急，但是當代農業具有工作環境惡劣、工作位置分散、控制對象多樣等缺點，影響工業現場工況信息的采集。現提出基于工業稱重的自動監測控制系統，為工業現場信息采集與控制開拓了新道路［1］。現代應用稱重監測自動控制系統取代了之前工人手工憑經驗操作過程，能夠大大地提高農業產品精度、釋放勞動力、同時，上位機通過VB軟件，可以從下位機PLC中讀取上來的數據進行實時顯示、采集、處理、整合、加工，記錄符合務件的數據并將存儲下來以供將來追溯責任人。系統經調試已應用于某農藥科技加工廠，并且得到了客戶很好反饋，優化生產工作現狀，提高生產效率。

1　硬件系統

某企業原有一大型反應釜，工人每次都需要通過稱重反饋的數值來控制三種物料的增加與停止，這種工作方式既浪費勞動力又無法保證產品的精度。需要設計一套稱重監測與自動控制系統，控制流程如下：三種物料分別通過兩個抽料泵和一個電磁閥控制依次加入到反應釜當中，充分攪拌后，工人可以將農藥進行使用或二次加工。控制過程中的稱重數據需要通過稱重傳感器保存到PLC當中，上位機通過基于Visual Basic的Access數據庫軟件采集PLC當中的數據進行處理。控制流程圖如圖1所示。

圖1　控制流程圖

1.1系統構成

稱重監測自動控制系統主要負責現場信息的采集與工作狀態的控制，四部分分別為：PLC、稱重傳感器、觸摸屏、上位機，通過以太網通信與RS-232C通信將各個部件連接到一起。其中PLC用到的型號是歐姆龍CP1L-EM30DR-D，分為18個24V直流輸入、12個24V輸出，自帶一個以太網口用于與上位機或者編程軟件CX-Programmer進行通信，兩個RS-232C通訊串口通過CP1W-CIF01擴展板分別與觸摸屏和稱重傳感器進行通信［2］；稱重傳感器用到梅特勒-托利多稱重設備，選擇COM1通訊端口、連續輸出方式、9600波特率、8位無校驗，將稱重數據傳送到PLC當中［3］；觸摸屏用到昆侖通態觸摸屏，型號為：TPC7062TX（KX），是以Cortex-A8 CPU為核心的高性能嵌入式一體化觸摸屏［4］；上位機開發軟件是以Visual Basic為平臺、Access為數據庫、使用歐姆龍公司開發Fins協議，對由稱重傳感器傳送到PLC的數據進行采集、處理、保存，通訊方式選擇以太網通訊，具有接收穩定、距離遠等優點。結構框圖如圖2所示。

圖2　結構框圖

1.2通信介紹

本次課題通信主要包括PLC與觸摸屏、PLC與稱重傳感器之間的RS-232C串口通信和上位機與下位機以太網通信。RS-232C發布以來比較常見的串行通信接口，其中，RS是英文Recommend Standard（推薦標準）的英文縮寫，232是標識號，C代表修改的次數，RS-232C是基于Host Link通信協議，該協議是以數據幀的形式從上位機發送到下位機，下位機收到后會自動識別并加以執行，然后將執行結果返回上位機。該通信接口具有傳輸距離短（最遠為15米）、傳輸速率低（最高20kbps）等特點［5］。相對于以太網通訊，是當今使用最為廣泛的通訊方式，通過對TCP/IP協議棧的使用，廣泛應用在企業信息管理層，具有傳輸距離遠（最高100米）、傳輸速率高、穩定等特點［6］。

在稱重監測自動控制系統當中，觸摸屏、稱重設備與PLC通信均使用RS232C通信，該PLC自帶兩個串口通信，所以需要兩個CP1W-CIF01選件板將PLC兩個端口設置成RS232C通訊，觸摸屏通過一根電纜與PLC COM1端相連，通過PLC編譯軟件CX-Programmer修改波特率為9600，通訊協議設置為Host Link；而稱重傳感器與COM2端相連，修改波特率為9600，8位無校驗。

2　軟件系統

本次課題的軟件系統主要包括：利用C XProgrammer編寫的PLC下位機程序、利用MCGS嵌入版組態軟件開發編寫觸摸屏軟件和基于Fins協議的VB監控軟件。

2.1PLC程序

稱重監測自動控制系統的生產工藝要求：需要設計的主程序分為三個方面：第一個方面為數據采集、處理、保存程序，實時存儲有效數據供我們使用；第二個方面為自動工作程序，在自動的工作模式下，開始工作后，三種物料按照設定值依次加入到反應釜當中，料到位后，自動停止工作；第三個方面為手動工作程序，在手動的工作模式下，開始工作后，工人可以憑借測定重量來控制工作狀態。不論是在自動或者手動的工作模式，每一輪工作狀態下，都要求產生關于存儲有用數據的標志位，方便上位機VB軟件通過判斷標志位來訪問數據。數據處理、自動工作、手動工作的程序設計流程圖如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 數據處理流程圖

圖4 自動工作流程圖

圖5　手動工作流程圖

2.2觸摸屏設計

稱重自動監測控制系統需要利用觸摸屏來顯示數據和工作狀態，用到的觸摸屏型號是昆侖通態TPC7062KX，用到的編程軟件是MCGS嵌入版組態軟件。觸摸屏主要包含四個界面，主界面、監視界面、設定界面和配方界面（如圖6～圖9所示）。主界面主要有三個按鈕：監視界面按鈕、設定界面按鈕和配方界面按鈕，分別用來跳轉到各個界面；監視界面主要用來查看物料的設定值、提前量、實際值和總重量，以及查看各種物料的工作狀態；設定畫面主要用來編輯各種物料的設定值、提前量和誤差；配方界面用來對配方進行查看、修改和保存，配方是一種產品包含各個物料的重量，可以直接通過選擇配方下載到PLC當中，具有方便、可靠、準確性高等優點。

圖6　主界面

圖7　監視界面

圖8　設定界面

圖9　配方界面

2.3基于Fins協議的VB監控軟件

上位機軟件是通過Visual Basic開發的遠程監控軟件，需要以太網通信與PLC建立連接，在VB當中，需使用Winsock控件，通過發送Fins指令來讀取PLC數據存儲區的數據。

為了能使上位機能快速讀取下位機的數據，這里只要求上位機讀取數據存儲區數據，防止Fins協議程序冗余，導致程序響應變慢，因此需要將下位機采集的工作狀態，如：輸入輸出工作轉換成數據存儲區數字。

上位機遠程監控軟件分為三個界面：用戶登錄界面、數據監視界面和數據處理界面。用戶登錄界面作用是選擇用戶進行登錄；數據監視界面主要用來對采集數據和工作狀態進行實時的顯示和查看；數據處理界面主要可以用來對有效數據進行保存，通過Access數據庫將有效數據存儲在Excel表格里，方便日后對有問題的數據進行追溯。軟件編寫流程圖10所示。

圖10　軟件編寫流程圖

3　結束語

針對生產稱重問題，設計和研究了一套自動監測控制系統，彌補了當今工業對于數據采集的不足，并且能夠根據檢測上來的數據進行設備的自動控制。系統經過調試后已穩定運行，具有提高工作效率、減少成本和勞動力等優點。但是本文設計的系統只針對一套控制設備，后期還需要不斷的調試來設計多系統控制。

［1］ 代品宣，王青云，梁瑞宇.魯棒的物聯網智能農業控制系統設計與實現［J］.電子器件，2015.

［2］ 歐姆龍自動化（中國）有限公司.SYSMAC CP系列CP1L CPU單元操作手冊［Z］.2010：1-4.

［3］ 梅特勒-托利多公司.IND231/IND236技術/操作手冊［Z］.2013：39-42.

［4］ 北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司.昆侖通態觸摸屏技術服務手冊［Z］.2013：10-12.

［5］ 徐世許，朱妙其，王毓順.可編程控制器原理·應用·網絡［M］.中國科學技術大學出版社，2002：288-289.

［6］ 劉明哲，徐皓冬，畢宇航.確定性實時以太網通信協議研究［M］.儀器儀表學報，2005.

圖9　跟隨特性曲線

從實驗結果可以看出，主動式波浪補償在位置控制系統中有著優良的跟蹤特性，其系統的跟隨遲滯時間約為0.5秒，滿足正常的使用要求。

6　結論

將主動式波浪補償應用到位置控制系統中，建立相應的電機驅動系統的數學模型，確定傳遞函數，并采用智能偽微分控制器，來提高系統的響應性能。

運用MATLAB中的Simulink對波浪正弦波進行模擬，觀察其跟隨特性曲線，發現其滯后時間小，并沒有出現穩態誤差。

搭建出位置控制系統的實驗模型，進行實驗驗證，完全滿足了波浪反饋控制的要求，是一種可行的設計方案。

參考文獻：

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［2］ 徐小軍.一種新型主動式波浪補償系統的原理及數學模型建模.國防科技大學報，2007，（3）：118-122.

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Design of the system for automatic monitoring and control based on PLC

WANG Peng， XU Shi-xu， WU Jing-wen

TP273

A

1009-0134（2016）10-0035-04

2016-06-17

王鵬（1991 -），男，山東青島人，碩士研究生，研究方向為計算機控制技術。