復秤對比鎳摞精密計量系統設計

張伯文 吳偉 周向榮

摘? 要：針對包裝車間鎳摞人工計量時效率低、精度差，控制難的問題，采用復秤對比的方式精確計量鎳摞重量，利用西門子控制器Smart200PLC通過RS485口的自由口協議及RS232轉485模塊UT201B與托利多IND331稱重儀表自帶的RS232口通信實現數據采集，通過PLC軟件編程進行數據處理，滿足系統控制要求，并提供報警功能;同時通過PLC作profinet IO與主控1500PLC通信，滿足車間mes終端數據采集要求。

關鍵詞：復秤對比;鎳摞精確計量;Smart200PLC;IND331稱重儀表;RS232通信;控制

中圖分類號：TP29? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）19-0157-04

Design of Repeated Weighing Comparison Nickel Stack Precision Metering System

ZHANG Bowen1，2， WU Wei1，2， ZHOU Xiangrong1，2

（1.Changsha Institute of Mining Research Co.， Ltd.， Changsha? 410012， China; 2.National Metal Mining Engineering Technology Research Center， Changsha? 410012， China）

Abstract： Aiming at the problems of low efficiency， poor accuracy and difficult control in manual measurement of nickel stack in packaging workshop， the weight of nickel stack is accurately measured by repeated weighing comparison. Using Siemens controller Smart200PLC and the free port protocol of RS485 port， and RS232 to 485 module UT201B communicates with the built-in RS232 port of the Toledo IND331 weighing instrument for data acquisition， and performs data processing through PLC software programming to meet system control requirements and provide alarm functions; at the same time， it communicates with the main control 1500PLC through using the PLC as profinet IO to meet the workshop mes terminal data collection requirements.

Keywords： repeated weighing comparison; precision measurement of nickel stack; Smart200PLC; IND331 weighing instrument; RS232 communication; control

0? 引? 言

本系統設計為配合金川集團“5G+工業互聯網應用”融合創新應用重點項目之鎳冶煉廠成品車間建設全國最大智能化成品包裝車間而實施的大板鎳智能剪切包裝生產線中稱重計量環節。具體要求為：當自動轉運的AGV小車把鎳摞放到秤臺上，稱重系統穩定一段時間后，自動將兩臺秤稱重的結果發送給控制系統，控制系統比較兩次結果，滿足兩次結果差值不超過0.5 kg的重量要求，且重量在對應品類的重量范圍內，才允許進行噴碼工作，否則報警提示，請求人工介入處理。

因此，新設計的稱重計量系統需要滿足三個功能[1，2]：

（1）效率問題：原來包裝車間采用單獨計量，多次稱重，采用天車或者叉車的人工轉運方法來保證生產要求，原來的生產方式勞動強度高，人員配套多，安全風險大，在操作難度、生產效率上受到很大的限制。車間年生產鎳摞由2012年的8萬噸到現在的14萬噸，而生產人員年減5～6人，因此，提高效率迫在眉睫。

（2）精度問題：車間原來生產配套稱重計量設備是針對當時的電解鎳薄板計重模式設計，電解鎳薄板單塊重量在40～45 kg/片，單塊鎳板厚度為6～8 mm，總鎳摞包裝重量1 500±30 kg，片數為26～30片不等。新系統除了滿足以前的薄板計重要求外，還需滿足后續增加厚板計塊要求，每摞厚板計塊22塊，單摞鎳板重1 800～2 200 kg。

（3）控制要求：車間以前的測量結果不參與自動控制，由人工判別。而新系統要滿足測量結果最少10秒以上結果穩定時間;主副秤差值不得大于0.5 kg，大于輸出報警;計量結果不在對應品類（如薄板、厚板）的重量范圍內報警;數據結果需要上傳主控1 500PLC，以便后期的mes數據采集。

1? 系統方案設計及硬件選擇

1.1? 秤及稱重方式選擇

為了解決稱重系統效率問題，我們仔細咨詢秤專業廠家如梅特勒-托利多公司業務人員，網絡搜集秤計量的方式，并進行了現場試驗，決定采用復秤對比形式，即一臺秤疊加于另一臺秤上，只需一次就可以實現同時稱出兩個結果，減少操作，提高效率。考慮到金川公司已大量使用梅特勒-托利多的秤，從減少備件和人員熟悉程度出發，我們選擇梅特勒-托利多品牌的PFA584 平臺秤，該秤主要由4個0745A傳感器和1臺IND331儀表組成，精度可做到分度數6 000e[5]。按厚板要求傳感器量程3 000 kg來算，為保證最小0.5 kg的精度，最小分辨率需達到0.5/3 000=1/6 000，因此能滿足精度要求。

1.2? 數據采集方式選擇

季男等在《稱重系統數據采集的幾種方法》中總結了4種稱重數據的采集方法，并對每種方法的特點進行了分析和說明：

（1）用模擬量輸入模板數據采集方式采集稱重數據。

（2）用專用稱重模塊采集稱重數據。

（3）用點對點數據通信方式采集稱重數據。

（4）用 PROFIBUS? 現場總線方式采集稱重數據。

對比上述四種采集方式，模擬量輸入方式雖然簡單但存在一定的誤差;稱重模板的方式雖然比較精準，但也存在一定的局限性;而點對點數據通信和用 PROFIBUS 總線采集數據適合具有標準串口的設備，但有一定的技術難度[3]。

查看梅特勒-托利多IND331儀表本身有1個標準RS232串口com1，可選RS232/485串口選件，本著經濟實用的原則，我們選用RS232點對點數據通信方式來實現數據采集。考慮到1500CPU 1513-1PN（型號：6ES7 513-1AL02-0AB0）作為主控PLC，既要與5臺庫卡機器人、視覺主機、AGV主機通信，又要承擔整個生產系統的控制協調工作，因此采用新增smart200PLC作為從站，承擔稱重數據采集任務，減少1500PLC的負擔，減少采購成本;Smart 200與1500PLC采用PROFINET通信來保障數據的實時性。smart200只需與2臺精秤通信，不需多的控制功能，因此選用ST20（型號：6ES7 288-1ST20-0AA0），串口通信的方式。考慮到秤通過RS232或485通訊時不能分配地址，因此每臺秤需要一路串口，而ST20本身自帶1路485串口，只能與1臺秤進行，所以還需擴展1路485串口，我們選用增加RS232/485通信信號板SB CM01（型號：6ES7 288-5CM01-0AA0）與另一臺秤進行自由口通信。smart200支持的RS485網絡在波特率為9 600～1 875 00時最長距離為50米[4]。

1.3? 計量系統設計方案圖

設計方案為西門子Smart200PLC通過Port0及port1的RS485口（自由口協議）編程，及使用RS232轉485模塊（如深圳宇泰公司的UT201B）與托利多IND331稱重儀表自帶的RS232口進行通訊，從而在不增加托利多PLC選件板的情況下實現秤數據的采集。方案圖如圖1所示。

2? IND331儀表參數設置及協議解析

2.1? 儀表參數設置

托利多IND331儀表串口有1個標準串口 RS-232（COM1），300～115 200波特率;1個可選串口RS-232/485（COM2），300～115 200波特率，但不支持具有地址識別的多路通信。其支持協議有串口輸入：ASCⅡ指令CPTZ（清皮，去皮，打印，清零），SICS（提供1級和2級接口指令）;串口輸出：連續輸出，擴展連續輸出，命令輸出（限定格式）[5]。

要想進行RS232串口通信，我們要設置如下參數：

（1）串口1任務：連續輸出

（2）檢查串口1：波特率=9 600;數據位=8;奇偶校驗=無

2.2? 通信協議解析

本系統設計采用連續輸出方式進行RS232串口通信。IND331能夠向遠程設備（如PC 或遠程顯示屏）連續發送重量數據和秤的狀態信息。連續輸出的數據格式如圖2所示。

其中：

（1）數據輸出以十六進制02開始，ASCII回車字符（0D hex）。

（2）顯示的重量。可以是毛重或凈重。六位，沒有小數點或符號。不足六位前補空格。

（3）校驗和啟用時才發送校驗位。校驗和用于檢測數據發送中的錯誤。

我們使用《大傻串口調試軟件 3.0》監測數據，如圖3所示。

接收到的數據為：

02 3B 30 20 20 20 31 36 38 3520 20 20 20 30 30 0D

共為17個字符，沒有校驗。

通過數據讀取的重量為1 685，根據SWA定義的1位小數及SWB定義的單位kg和正負屬性，可以得出實際重量為：168.5 kg。

3? 程序軟件設計

3.1? 初始化端口

本程序段是設置smart200的Port0端口為自有協議，SMB30的值為09H，說明為“自由口協議，波特率9 600，8個數據位，無校驗位”;SMB87的值為BOH，說明“接收信息使能被使能，使用SMB88數值檢測信息開始，使用SMB89數值檢測信息結束，使用SMB90數據檢測空閑條件，使用SMB92超出時間段，信息終止，使用SMB94最大接收字符數”，這些參數的設置與上述稱重顯示儀的參數設置一致。

3.2? 接收數據

使用RCV指令每500 ms接收1次數據存于VB1100開始的19個字節。其中VB1100為接收的字節數，正常=17，有校驗碼時=18;VB1101為起始字符，固定=02H（H代表16進制）;VB1102-VB1104為IND331的狀態字SWA、SWB、SWC，共3個字節;VB1105-VB1110為重量顯示值，共6個字節;VB1111-VB1116 為皮重顯示值，共6個字節;VB1117為結束符，正常=0DH。

3.3? 數據處理

將VB1105至VB1110所存的數據存至VB1120至VB1125中，然后通過將這些字節的字符串組轉換為雙整型賦值給VD1130，如果通訊中斷，則VB1100=0，將0強制賦值給VD1130;再將VD1130轉換成實數型賦給VD1140，考慮到小數點為1位，所以VD1140除10給VD1144。VB1103.1為稱重儀表中SW-B中數位1，代表符號是正還是負。如果為1則VD1144的值乘-1.0。

3.4? 穩定輸出

當檢測到有料后，每秒將本次數據值與上次數據值對比，相等則自動加1，不相等重新計數，穩定10秒后輸出穩定信號位 Q1170.0，在計數期間黃燈提示。穩定信號輸出的瞬間，記錄當前的主秤重量和副秤重量，以便做差值比較。

3.5? 10秒后主副秤差值對比程序

穩定輸出后，進行主副秤差值比較，取絕對值，如果主副秤差值大于0.5 kg，則置位“主副秤超差”信號，待人工處理后方可復位。

3.6? 10秒后根據板型檢查重量是否達標

薄板鎳摞的重量范圍為1 470～1 530 kg，厚板鎳摞的重量范圍為1 800～2 200 kg，主秤重量根據上位選擇比較，如果超出對應板型的重量范圍，則置位“主秤超范圍”信號，待人工處理后方可復位。

3.7? 故障輸出及復位

當有料檢測光電開關沒料時，主秤和副秤重量不為0.0，則提示“秤未清零”，同時蜂鳴器和故障燈輸出。

當主秤未清零、副秤未清零、主副秤超差、主秤超范圍四個故障信號有輸出時故障紅燈輸出，同時蜂鳴報警，當人工處理時，可關閉蜂鳴，減少噪音。而沒有故障紅燈和報警黃燈信號，則輸出正常綠燈信號

當第1個掃描脈沖SM0.1時，或者人工復位按鈕閉合時復位主秤未清零、副秤未清零、主副秤超差、主秤超范圍和蜂鳴。

3.8? Smart200 與1500PLC profinet IO通訊

從STEP 7-Micro/WIN SMART V2.5版本開始，支持作智能IO設備，因此需要升級固件到 V2.5，然后通過 profinet配置向導，并導出GSD文件給1500PLC。

當ST20組態為PROFINET智能設備后，如果和上位IO控制器沒有連接或者組態不匹配時，ERROR指示燈就會以1 Hz的頻率閃爍。

4? 使用效果

現場效果如圖4所示。圖4（a）為復秤計量鎳摞的生產圖，圖4（b）為ind331儀表，圖4（c）為ST20控制器，圖4（d）為UT201B轉換模塊。主副秤的0745A傳感器把鎳摞重量數量發送給各自的ind331儀表，ST20控制器通過UT201B轉換器與ind331儀表的RS232口通信實現數據采集，ST20控制器通過軟件編程實現控制報警功能和上位機通信功能。

本系統自2021年1月開始投入使用，一直運行穩定可靠，充分成功地驗證了設計，其實際效果得到了金川公司領導和生產現場人員的認可和稱贊，為金川集團鎳冶煉廠成品車間成功建設全國最大智能化成品包裝車間提供了有力支持。

5? 結? 論

本設計通過復秤對比的計量方式解決了鎳摞生產精密計量效率問題，通過Smart200PLC與IND331的自由口通訊實現了數據采集，通過軟件編程實現數據轉換和穩定輸出，以及報警的控制功能。

本文不但介紹了IND331的協議，還注明了實施中使用的元件型號，并對程序設計作出了解釋，對于初次使用smart 200PLC與托利多IND331秤通過RS232通訊的朋友可提供借鑒作用，該方案中若IN331選配485通訊板（型號72225757），則可取消 RS232轉RS485模塊UT201B，進行RS485通訊時，只需變動硬件接線回路，編程可不做改動，可取得同樣效果。

參考文獻：

[1] 姚輝.全自動電解鎳板剪切包裝機組的開發與應用 [J].機電產品開發與創新，2015，28（2）：41-43.

[2] 郭鋒，王宇翱，閆國梁，等.智能稱重系統的設計與實現 [J].中國高新科技，2018（3）：40-42.

[3] 季男，孫軍紅.稱重系統數據采集的幾種方法 [J].本鋼技術，2009（2）：32-35.

[4] 向曉漢.S7-200SMARTPLC完全精通教程 [M].北京：機械工業出版社，2013.

[5] 梅特勒-托利多.XK3141 IND131/331稱重顯示控制器使用說明書 [EB/OL].（2021-01-25）.https： //wenku.baidu.com/view/eb12d259beeb19e8b8f67c1cfad6195f302be8f5.html.

作者簡介：張伯文（1977—）男，漢族，湖南寧鄉人，電氣工程師，本科，主要研究方向：電氣自動化控制。