地磅稱重儀表基于 PLC 在礦熱爐自動配料系統中的應用

針對礦熱爐的配料環節 ，介紹了一種全自動配料系統的設計方法 ，該系統以 PLC 為主站 ，地磅稱重儀表為從站，使用 Profibus DP 總線及 DP-Modbus 網關進行主從通訊。 上位機使用 WINCC 軟件作為人機界面，系統有較高的效率，穩定可靠。

前言

配料是鐵合金生產中的重要組成部分,在生產過程中,機械將各種原料嚴格按照比例均勻混合。目前工廠一般采用兩種方法,一種是人工稱重,然后將稱好的物料一起放入輸送皮帶或小車上進行上料,經過爐頂過渡料倉,最后進入礦熱爐;另外一種是自動稱重,自動上料,人工干預少。由于原料里面有很多粉塵,人工配料時容易吸入而導致職業病。增加了生產風險和勞動力成本,同時每日需要配料批次較多,人工容易導致失誤,最終造成產品質量問題,增加了管理成本。為了提高產品質量和生產效率,需要采用準確可靠的自動配料系統。

1自動配料系統

自動配料系統采用主從式結構。以工控機為上位主機,PLC、稱重儀表為下位從機,上位機處于主導地位,實現對各個從機的通信管理和控制。工控機通過CP5621卡與PLC間通過Profibus DP總線相連,通過DP-Modbus網關與稱重儀表相連。

1.1控制系統構成(見圖1)

整個全自動配料混合系統由工控機、PLC、工業稱重儀表、變頻器、振動電機、混料機、傳感器、傳送帶等組成。每臺礦熱爐用一個配料站,根據日料倉的個數,下設相應稱重料斗,每個稱重料斗對應一塊稱重儀表。每個日料倉下設一個稱重料斗， 由一臺小皮帶機將日料倉內的料向稱重料斗內喂料， 達到稱重儀表所設定的重量時， 自動停止喂料， 并發出放料信號，此信號進入 PLC 系統內，由 PLC 控制稱重料斗下小皮帶機放料， 喂料小皮帶機由稱重儀表控制啟停，放料小皮帶機由 PLC 控制啟停。

1.2稱重儀表的組成及工作原理

通常稱重儀表由稱重傳感器（WZ）、稱重變送器（WT）、稱重控制器（WIC）組成。

稱重傳感器由金屬彈性元件本體和與其相連的電阻應變片構成，4 只電阻應變片組成一個惠斯通電橋。 被測物的重力 G 使彈性元件產生形變 ε，這一形變引起電阻應變片的延伸，壓縮形變 ε。 根據虎克定律，彈性形變與外力成正比：ε∝G，根據電阻應變效應理論：電阻應變片的相對變化（△R）/R 與形變 ε 成正比：（△R）/R=kε， 式中，k 為電阻應變片靈敏系數。因此 （△R）/R∝G 惠斯通電橋的不平衡電壓 Um= （△R/R）Uref，所以 Um∝G 只要測量 Um，經過放大 、變送并經稱重控制器處理后便可得到被測物的重量 G。

稱重配料系統的基本原理是： 首先根據配制比例設定各物料的加量值，由稱重控制器或 PLC 順序執行各種物料的加料， 通過稱重儀表檢測此物料的加入量，直到加量達到設定值時關閉其進料閥門，完

成此物料的加量后進人下一種物料的加入過程，直到所有的物料按照設定加量值加量完畢結束配料。

1.3稱重配料系統的特點

經過實踐， 利用稱重儀表實現配料自動化的優點如下。

1.3.1實現質量配比

由于稱重儀表測量的是物料的重量 G，因為 G= mg，故 G1：G2：…：Gn=m1：m2：…mn，所以稱重配料系統可直接實現各物料的質量比例配制。 化工生產中質量計量比體積計量更優越。

1.3.2 同一儀表差值計量，克服系統誤差

所有物料的加量都是通過同一臺稱重儀表進行檢測， 并且各物料的加量控制是靠稱量值的前后差值計算來實現。 即使稱重儀表的零點產生漂移，其用差值表示的加量仍是準確的，也就保證了配制比例準確。

當儀表的零點和量程同時發生變化后， 能否嚴格實現準確的配制比例，討論如下：設稱重儀表輸入輸出的關系為 Y=kx，m1，m2 兩種物料之間的配制比例為 H。

式（1）中，G2、G1 分別為 m2、m1 的加量。 當儀表零點量程變化后輸入輸出的關系為：Y=kx+△，仍按原設定值進行加料控制，則：

即使儀表的零點、量程同時改變后，稱重系統仍可實現 m1、m2 之間準確的配制比例， 從而保證了生產的安全性。

1.3.3系統具有易擴展性

稱重配料系統不僅可實現液體物料的配制，還可應用于固、液物料的混合配制，以及向外供料的計量和控制，所有這些功能均只需增加相應的閥門，增添相應的控制程序便可以實現。

1.3.4 系統的可靠性高，精度穩定且調校方便

稱重傳感器是通過電阻應變片電阻的微小變化來測量重力的，幾乎沒有機械行程，并且靈敏元件本身封裝在彈性元件內部屬于全密封式結構， 不與工藝介質接觸，不受料液結垢、結晶、腐蝕等影響，精度能夠保持長期穩定。 稱重系統的調校也很方便，只需用標準砝碼或定量的水便可對儀表進行校驗。

1.4系統硬件構成

1.4.1上位機

上位機采用標準 4U 機箱的工業控制計算機，工控機抗干擾以及防塵能力強， 在惡劣環境下能夠正常工作。 上位機硬件選用雙核中央處理器，大容量存儲，以及大屏幕的液晶顯示器。

上位機安裝 Windows XP 系統、Siemens STEP 7 V5.4 編程軟件以及 Siemens WINCC 人機界面軟件，WINCC 根據系統配置制作上位機畫面。

1.4.2PLC 系統

PLC 選用 S7-300 系列PLC， 該系列 PLC結構緊湊，堅固耐用，經濟可靠。

CPU 選用 315-2DP， 該 CPU 有兩個通訊接口：MPI 和 DP，由于 DP 接口有較高的通訊速率，故使用Profibus DP 總線進行通訊。

1.4.3稱重儀表

稱重儀表選用帶 Modbus 的工業稱重儀表，PLC通過 Modbus 通訊能夠讀出儀表的工作狀態，實時料重，并且可以將上位機的目標重量寫入儀表，儀表按照目標重量進行稱重。

2.通訊程序的設計

2.1上位機和 PLC 間的通訊

組態軟件一般都內置了 PLC 的通訊驅動，在該驅動中組態通訊參數，再建立相應的變量即可。

2.2 PLC 與稱重儀表的通訊

稱重儀表一般都內置 Modbus 通訊協議，只需要增加 Profibus DP-Modbus 的網絡協議轉換網關即可實現 PLC 與稱重儀表的通訊， 鑒于稱重儀表比較多，為了減小輪詢時間間隔，每 4~5 塊稱重儀表配備了一塊網關，減小了通訊時間。

3.過程應用

配料過程是由稱重儀表實現， 稱重儀表與 PLC之間使用通訊進行數據交換 (Modbus RTU)，實現在上位機設置各項參數，如配比等。 PLC 記錄每次配料偏差，自動計算出下次配料定值，寫入到稱重儀表內。

上位機放置在配料控制室內， PLC 與工控機之間的通訊使用 DP 總線通訊。 能在上位機完成配料配比以及報表的記錄打印、各設備運行狀態監視等。

在爐頂過渡料倉（每個車間一個過渡料倉）內加雷達料位計，信號進入配料站 PLC，當過渡料倉料位低于設定值后，啟動配料過程，實現自動配料。

配料站附近設控制室，內放配料 PLC 柜、動力柜、操作臺。 通過操控操作臺上各按鈕，可實現手動上料（ 不經過 PLC）， 這樣系統就有自動、 手動（ 經PLC）、純手動（不經 PLC）三種控制。

在 PLC 進行控制的過程中，上位機使用上位機連接命令監視下位機的運行狀態和數據區內容，實時讀取 PLC 的內部狀態以及稱重儀表的實時數據，在上位機上顯示。 總體上講，系統具有如下功能：①

全自動配料，在設定好配方之后，系統自動按照配方稱重配料，無需操作人員干預；②具有報表功能，可以產生日報表、實時報表和月報表、年報表等；③動態增加和修改報表，系統通過設定權限，賦予技術人員或操作人員修改、增加配方的權利，同時記錄該次修改的日期和操作人員編號；④斷電恢復功能，系統能夠在突然斷電的情況下，恢復斷電前的測量記錄；⑤局域網共享功能，主機在局域網內可以共享數據，方便車間主管了解工程進度和其他情況。

3.1 上位工控機提供人機交互界面，完成控制信息輸入、數據管理、進行數據顯示、存儲、統計和報表等功能，它的主要工作如下：

工控主機首先根據操作人員的指令， 讀取某個編號的配方，然后，根據配方中配料的比例及先后順序，向 PLC 發出開始配料的指令，使得 PLC 能夠起動特定的變頻器。 在配料過程中，工控主機以輪詢的方式，一方面實時讀取 PLC 的狀態字，了解 PLC 及 PLC 下級設備的運行狀態； 另一方面實時讀取安裝在配料機上的稱重儀表的稱重數據，按照配料策略，當稱重接近配方中的設定值時，主機向 PLC 發出停止本次配料的指令。

當一個配方上的所有材料都配完后， 整個配料過程暫停，等待操作人員的指令。 系統運行過程中，PLC 與上位機實時通信， 從而保證界面上顯示的數據與現場實際數據的一致性， 操作人員在上位機上發出的操作命令和設定參數都可以實時送到 PLC。 PLC 的主要工作有：①接收上位機發送來的命令，通過變頻器控制振動電機的起、停和快慢；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將自身的各種狀態以狀態字的形式準備好， 供工控機實時讀取。

3.2 控制策略及配料過程通過對配料過程的特點進行分析，配料過程具有如下特點。

（1）被控對象是單向的不可逆系統。 原料沒有辦法從配料機中重新回到傳送帶上。

（2）具有明顯的時滯性。 當配料達到設定值時，PLC 控制電機停止傳送原料， 這時傳送帶上具有部分原料無法回收，所以系統具有明顯的時滯性。

（3）受控特性是開關性的。 系統的起、停控制等都是開關量。

（4）配料系統在正常工作區內是線性的。

因此，考慮采用快速、慢速、提前發出停止加料指令等控制策略，同時利用 PLC 的互鎖技術確保配料的順利進行。 系統起動后，工控機向 PLC 發出開始加料信號，PLC 控制變頻器驅動電機進行快速加料，同時，工控主機通過串口持續不斷地讀取稱重儀表的數據，當重量值接近設定值時，工控主機向 PLC發出停止加料的控制指令，此時，PLC 控制變頻器進行慢加，通過事先估計出傳送機構上原料的殘余，設定值和實際加料的差值和傳送機構上原料的殘余相當時，PLC 真正發出停止指令， 該指令由變頻器執行，從而控制電機停機，停機后傳送機構上的原料無殘余，配料精度符合要求，如圖 2 所示。

（5）配方的增加與修改。

（6）配料故障輔助報警等其他功能。

4.結語

本系統通過工控機、PLC 和稱重儀表的協調工作，完成了所需自動配料任務，在實際應用中表明系統穩定運行、可靠，人機界面友善美觀，操作方便.