基于现场总线的小料自动配料控制系统

徐峰1，马铁军1,2，翁家雄2

(1.华南理工大学工业装备与控制工程学院，广州 5100；2.华工百川自控科技有限公司，广州 5100)

摘要：针对现有的小料称量系统中存在的称量精度不高、由于数据传输过程中的干扰而出现误动作、超

重小料不易处理等问题，采用简易适用的控制算法，高速可靠的数据传输方式。上位机所记录的生产数据

显示，精度和速度都达到了预期的效果，对超重小料的操作处理也简单易行。该系统性能稳定、运行可靠、控制系统与上位机操作界面功能完善，在调试生产过程中出现的具体问题和上位机存储的生产数据也为进

一步优化称量系统提供了素材和依据，很有市场推广价值。

关键词：自动控制技术；现场总线；设计；小料称量；自动控制

中图分类号：TP273+.5 文献标识码：A 文章编号：1003─188X(2007)05─0133─03

0 引言

配料工序是橡胶、印钞、油墨、水泥、化工、食品等工农业生产中的一个重要环节，也是橡胶、印钞、油、水泥、化工、食品等生产的源头工序[1]，其配料质量控制的优劣直接关系着下游生产能否顺利进行。如果配料质量达不到要求，轻则造成原料、能源的浪费，重则会影响产品的质量和产率，并且有些重要生产的配料失误甚至会给整个生产酿成事故[2]。目前使用的小料称量系统存在称量精度与称量速度的互相，有的精度不够高，有的速度不够快；且对于排料口的粉尘都作为废料处理，没有循环利用。其操作界面信息与历史记录不完善，管理人员不能很好地查询称量的过程以及出现的异常状况，给工艺管理反馈带来不便，数据传输也因为干扰而出现误动作。出于对以上不足的考虑，采用基于现场总线的配料控制系统。系统具有配料精度高、速度快、数据传输抗干扰性能好等优点。

1 配料系统的组成

1) 给料设备：本系统根据物料特性采用电磁振动给料机、螺旋给料机两种给料设备。

2) 称量设备：由传感器、称料斗以及梅特勒—托利多的PANTHER（磐狮）称重显示仪表组成。

3) 排料设备：安装在称量设备下方，由卸料阀，气压缸组成。

4) 接料设备：由步进电机控制的两个旋转的接料筐构成。

5) 控制系统：主要由工控机（IPC）、称量仪表、西门子315-2DP CPU 以及输入输出模块构成。

2 系统的硬件组成和数据传输

2.1 控制系统的要求

本小料称量系统具有11个需要通信的称重仪表，需要采用计算机进行在线监控、管理，对称量速度、称量精度、系统的兼容性、可扩展性有较高的要求。因此，在进行系统设计及其实现的时候需要从通信方式及通信协议的采用、硬件架构、控制策略以及软件实现等方面进行综合考虑。

2.2 PROFIBUS-DP现场总线技术

PROFIBUS是近年来国际上最为流行的现场总线之一，也是目前数据传输率最快的一种现场总线(传输率最高可达12Mbit)，因此在很多领域内广泛应用。它是不依赖于生产厂家的现场总线，各种各样的自动化设备均可通过同样的接口交换信息。PROFIBUS-DP (Distributed I/ O S -分布系统)是一种经过优化的模块,有比较高的数据传输率,适用于系统和外部设备之间的通信,远程I/O系统尤为适合。它允许高速度周期性的小批量数据通信,适用于对时间要求比较高的自动化场合[3]。

由于PROFIBUS现场总线是一种数字通信网络。在系统中间层或不同层的总线设备之间均采用数字信号进行通信，而可实现一对电线上传输多个信号（包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息），大量减少了导线和连接附件，提高了系统的可靠性和抗干扰能力。

基于包括校验秤在内的11个称量仪表的通信

收稿日期：2006-08-21

作者简介：徐峰（1984-）,男，南昌人，硕士研究生，(E-mail) xfzmcy@126.com。

考虑，在PLC 的选取上采用含有DP/MPI 接口的西门子S7 300系列315-2DP CPU 模块，系统利用PROFIBUS– DP 网实现称量仪表与PLC 的CPU 之间的数据传输。每个仪表上自带DP 通讯接口，通过总线把PLC 的CPU 与11个称量仪表连接，在STEP7编程软件中对每个仪表在PROFIBUS–DP 网的地址进行分配，各个仪表的实时称量量即可直接读取。 2.3 系统的硬件组成 该系统包括上位工控机，控制器组成：西门子S7-300系列315-2DP CPU 模块、4块SM321数字输入模块、7块SM322数字、继电器输出模块、电源模块、128k 的存储卡、2块接口模块IM365；现场仪表：11个PANTHER （磐狮）称重显示仪表；现场执行机构包括异步电机、电磁振动给料机、螺旋给料机等。控制系统的硬件结构如图1所示。

图1 系统硬件结构图

上位工控机发送生产数据、进行配方管理、实时监控生产过程、出现异常情况进行报警处理，并在上位机内装有西门子STEP7编程软件，对PLC 进行编程。控制器与上位工控机、现场仪表分别相连，读取上位机发送的配方数据并返回实时数据、采集现场仪表发送的现场称量数据、控制现场执行机构进行称量动作。现场仪表把压力传感器的信号转换成标准信号，通过仪表自带的总线接口连入总线把称量数据传入PLC ，PLC 根据收到的数据进行相应的控制。现场执行机构受控制器控制，按指令进行工作，实现喂料、卸料、接料、转盘旋转等功能。

3 系统实现

3.1 PLC 程序实现

本控制系统的PLC 程序是采用西门子S7PLC 的编程软件STEP7 V5.2 设计而成。PLC 程序流程图如图2所示。当CPU 接收到工控机发送的配方数据，就开始自动的称量过程，现场称量仪表不断的通过总线把数据传入PLC ，根据实时的称量量决定是高速加料还是慢速加料，是否进行超重处理。配方中设定接料顺序，按设定好的顺序排料，当一份料称好并且顺序字符合的时候发送给PLC 称好的信号，PLC 再去控制接料筐去接相应的料；称量下料结束后接料筐继续随着转盘旋转等待接下一份料；当一个配方

里的所有料都已经接好，转盘自动转到装卸袋区域，换上新袋继续以上过程。

图2 PLC程序流程图

3.2 上位软件的设计与工作流程

上位机软件是与PLC 程序配套设计的。基于WINDOWS 的上位机软件具有实时过程监控、超重/超时报警、报警处理、自动保存数据、查询历史数据、打印配方与历史数据等功能。软件的工作流程如图

PROFIBUS-MPI

U7U8 U9 U10U11U12U13U14U15U16 U17 工控机 CP5611

CPU

315-2DP

模块

IM365 接口模块

PROFIBUS-D

1#秤

2#秤

3#秤

4#秤

5#秤

6#秤

7#秤

8#秤

9#秤

10#秤

PS 307

电源模块

校验秤

0#槽I/O SM 321

IM365

接口模块

1#槽I/O SM 321

2#槽I/O SM 321

3#槽I/O SM 321

4#槽I/O SM 322

5#槽I/O SM 322

6#槽I/O SM 322

7#槽I/O SM 322

8#槽I/O SM 322

9#槽I/O SM 322

10#槽I/O SM 322

MMC-128K

DIN 导轨-

DIN 导轨二

图3 上位软件程序流程图

4 系统特点

4.1 接料

本系统采用两个安装在转盘上的接料筐旋转方式接料，有效地解决了一字排开的配料系统用小车接料方案中接料时间在整个生产时间占的比重过大的问题。从发出接料信号到旋转至接料位置最长时间仅为2个料筐的间距时间，这比小车接料速度提高很多，有利于提高整个系统的效率。顺序接料方式，使每种配方的小料按设定顺序层叠，使得工艺人员能够方便辨认所称小料以及对故障并行排查。

4.2 粉尘处理

由于小料的物料中有许多料容易发生破碎，特别是在喂料和卸料的过程中产生大量的粉尘，对工作环境、操作人员的健康有很大的影响，且长时间的粉尘也浪费了大量的原材料。本系统采用一秤一除尘风管的设计，提高物料利用效率，降低了环境污染。

4.3 超重处理

由于在称量过程中存在着过冲量（物料已经落在半空，还没有完全落下）。超重在一定程度上是不能完全杜绝的（在对速度有一定要求的情况下）。如何处理超重的物料也就是一个配料系统设计过程中必须考虑的问题。本系统在称量过程中利用相对简单、易于实现的方式来进行超重部分的处理。

5 结论

本控制系统在调试中的数据显示旋转接料式的配料系统从速度和精度上均符合或超过生产工艺要求，控制精度可达到0.5%，合理的超重处理功能提高了操作人员的工作效率。基于PROFIBUS的分布式网络控制提高了系统的可靠性、可维护性、和可扩展性。

参考文献：

[1] 贺洪江,黄尔烈.水泥生产配料的微机控制系统[J].

自动化仪表,2002(4):42.

[2] 张中明,葛金华,诸葛芬.铬铁合金精炼炉计算机配

料系统[J].冶金自动化,2000(2):37-40.

[3] 阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大

学出版社,2002.

Automatic Batching Control System Based on Field Bus

XU Feng1, MA Tie-jun1, 2, WENG Jia-xiong2

(1.College of Industry Equipment and Control Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 5100, China；2.Guangzhou SCUT BESTRY Auto-control Technology Corporation Ltd, Guangzhou 5100, China)

Abstract：The automatic batching control system exist now have inadequate precision, the disturber of the transmission may conduce error manipulate. Aim at these disadvantages, this system adopts facility arithmetic, high-speed and reliable transmission mode. The manufacture record indicates the precision and the speed accomplish the anticipation; the manipulation of the overweight is feasible. This system has stable capability, dependable function. The control system and the interface are improved. The difficulty during the debugging and the manufacture data storage provide gist for the improvement. The market popularize is valuable.

Key words：auto-control technology;field bus; design; batching; automatic control