摘要：設計了采用OMRON PLC為主控機的自動配料控制系統，其可通過變頻器實現自動給料控制，該系統具有精度高、可行性好、抗干擾能力強等優點。上位機采用組態軟件組態王實時在線監控，可及時了解現場信息、發送控制命令、實時下載料方、查看歷史、實時數據及曲線；并可通過組態界面的WEB發布功能，將生產數據傳送到決策管理層，決策管理層將生產配方下置到生產管理層，實現了企業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軟件IO驅動程序，通過IO驅動程序實現PLC與現場實時數據的交換。

　　關鍵詞: 自動配料監控系統  組態界面   管控一體化

　　1.引言

　　在現代工業生產中，經常需要將多種原料按一定的比例混合，以制造某種產品，這種將一種原料與其它幾種原料按事先設定的比例進行混合配料的配料稱重系統在工業生產過程中有著廣泛的應用，它能根據事先設定的配料單，將各種不同的原料在不同的稱重設備中進行稱量配料。

　　煉鋼保護渣是現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，直接影響鋼坯質量的好壞。保護渣由石灰石、玻璃粉、石墨、水泥、工業氯化鈉、蘇打等八種物料按一定比例進行配制的。配料的精度對鋼坯質量有著很大的影響。因此，精確、高效的稱量設備不僅能提高生產率，而且是生產優質保護渣的保證。

　　結合冶金行業中煉鋼保護渣配料工藝，開發設計出本自動配料系統并可以通過網絡實現遠程監控。

　　2.方案論證

　　2.1  系統工藝流程

　　煉鋼保護渣是由石灰石、玻璃粉、石墨、水泥、工業氯化鈉、蘇打等8種物料按照一定的比例進行配制的,其配料系統的工藝過程如圖1所示。貯料倉料門控制8種物料分別放入8個貯料中,8個貯倉料在圓錐形中間漏斗上方圍成一圈(圖中只畫出2個貯料倉),物料依次經中間漏斗放入電子秤中進行稱量。貯料倉分為上料倉和下料倉,在8個上料倉中放入8種物料,下料倉的下口接螺旋給料機。為防止螺旋給料機被物料“壓死”,在下料倉中設置了上、下阻移式物位計。當物料在下料位時開啟上下料倉間的閥門,將物料放入下料倉中;當物料到達下料倉的上料位時,閉此閥門。自動配料過程控制系統首先啟動1#螺旋給料機,全速向稱重電子秤連續加料,電子秤進行連續稱量。當達到稱量值的一定值時,螺旋給料機轉速開始下降(變頻調速),隨著物料的增加,螺旋給料機的速度越來越慢;當稱重值接近或達到要求的數值時螺旋給料機停車,此時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2#給料機稱量第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中,注水混合后送到下道工序。

　　2.2  方案比較

　　當前自動配料解決方案有三種：以單片機為主控制機的自動裝置、以PLC為主控制器的自動配料裝置、智能自動配料裝置。各種方式優缺點如下：

　　(1)以單片機為主控制機的自動裝置

　　在當代工業生產中，以單片機為控制機的自動裝置層出不窮，廣泛應用于工業控制中。單片機以其價格便宜、輕巧占據市場，其功能和開發工具也相對比較完善，其完成的系統后期維護困難。以單片機開發的智能控制設備，成本低，開發方便，功能靈活，有成熟的開發體系，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環境。可以與計算機通訊，但需要較復雜的編程。由于單片機技術的限制,系統難以制作更高級的統一控制畫面。

　　(2)以PLC為主控制器的自動配料裝置

　　PLC組成的控制系統，性能相對穩定，抗干擾能力強，符合工業級標準，適合于惡劣的工業環境。PLC本身輸入輸出點數可以靈活配置，并能自由選擇添加輸入輸出。

　　其邏輯控制功能強，可長期運行于工業現場，其自身保護能力較高。并可以與上位機建立通訊連接，完成兩者的數據交換；也可以通過串口上網模塊通過網絡交換數據。其完善的功能，靈活的配置，簡單的編程，可靠的工作，使其廣泛用于工業現場。由于ＰＬＣ技術的成熟，容易制作上一層的監控頁面。

　　(3)專用自動配料裝置

　　專業自動配料裝置簡單易用，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。但專用儀表價格較貴，不利于系統的擴展。對成型系統擴展、維護相當困難。在工業控制中，難以用于生產數據頻繁變動和復雜邏輯算法的控制。工業中常用于作為現場智能IO直接控制現場設備，并通過數據線將簡單的數據傳遞到上層大型智能控制設備。

　　通過上面三種常用工業控制方案中，可以得到以單片機為主控制機的自動裝置和智能自動配料裝置，難以滿足本設計的要求，所以選用以PLC為主控制器的自動配料系統方案。

圖1 系統工藝流程

　　2.3  PLC為主控制器的自動配料方案

　　(1)方案框架與構思

　　現場控制部分：

　　基于煉鋼保護渣配料工藝和現場裝置（閥門、給料機、物位計、稱重傳感器等）確定現場需要控制IO點數（具體分為數字量和模擬量），通過選用合適PLC型號，完成配料邏輯的控制。由PLC接受上位機傳來的配料的料方，通過開關量輸入上位機組態軟件數據的接受，PLC自動完成邏輯運算，控制各配料變頻器的頻率，以帶動對應給料機的動作。

　　過程管理部分：

　　上位機采用組態軟件完成現場工作狀況的實時監控，及時獲得現場IO數據，適時下傳控制命令。利用上位機組態軟件完成數據的存儲、實時數據曲線、歷史數據曲線的顯示。通過組態的WEB發布功能，將數據傳送到上一層管理部門，并上層接受傳來的控制命令。

　　(2)系統設備的選型

　　該系統需要8個模擬量輸出，1個模擬量輸入，28個開關量輸入，12個開關量輸出，故選OMRON CQM1H系列PLC。

　　變頻器：臺達VFD-A   2.2Kw8臺稱重傳感器：昆侖海岸公司生產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：遼寧中鑫自動化儀表公司生產的UL-3LP系列阻移式物位計，檢測原理： 檢測板受阻時，輸出報警信號，繼電器狀態改變；物料脫離檢測板時，恢復檢測狀態 ；往返頻率：次/分   輸出節電容量：普通型AC220V•5A ，水平安裝，承受壓力<0.3Mpa螺旋給料機：XGL150,功率為1.5Kw，料桶直徑為160mm。

　　3.系統設計

　　3.1  PLC程序設計

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

　　(1)料倉料位控制軟件:

　　料倉料位控制系統本系統中的貯料倉共有8個。當物料在下料位時開啟上下料倉間的閥門,將物料放入下料倉中;當物料到達下料倉的上料位時,關閉此閥門。

　　(2)自動稱量控制軟件

　　本系統由于不允許重量有超調,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,本系統采用飽和非線性方法來實現。Ｕｋ的限幅值為10Ｖ,由于每一種物料的配料重量不同,故Ｕｐ、Ｋ1的數值亦不同。當配料開始時Ｕｐｆ較小,Ｕｋ=Ｋ△Ｕ=Ｕｋｍax,螺旋給料機全速給料;當Ｕｐｆ達到一定值時,Ｕｋ=Ｋ1△Ｕ<Ｕｋｍax,但Uk>Umin,此時Ｕｋ為低速給定值,隨著Ｕｐｆ的逐漸上升,Ｕｋ逐漸下降;當Ｕｋ=Umin時,停止給料,即稱量完畢。

　　3.2  組態程序設計

　　組態軟件可以簡易繪制出現場工作環境，逼真地模擬出現場工作狀況，有利于集中方式的工業監控。

　　(1)組態的簡介

　　建立新組態工程的一般過程是：

　　設計圖形界面（定義畫面）;
　　定義設備;構造數據庫（定義變量）;
　　建立動畫連接;
　　運行調試。

　　需要說明的是，這5個步驟并不是完全獨立的，事實上，這4個部分常常是交錯進行的。在用組態王畫面開發系統編制工程時，要依照此過程考慮三個方面：

　　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際的工業現場和相應的工控設備。
　　數據：  怎樣用數據來描述工控對象的各種屬性？也就是創建一個具體的數據庫，此數據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：  數據和圖形畫面中的圖素的連接關系是什么？也就是畫面上的圖素以怎樣的動畫來模擬現場設備的運行，以及怎樣讓操作者輸入控制設備的指令。

　　(2)主畫面功能

　　主畫面是該系統設計的主要監視界面，如圖2，它實時顯示現場數據。畫面實時顯示當前配料的實際料方配比和八種配料的給定料方。每次執行完一次循環的配料，實時顯示實際的配料值。可以直接將當前配料的實際值顯示出來。表格第三行顯示的是系統對于每一種配料的誤差，根據要求該誤差應小于5%。否則，將對煉鋼保護渣的質量產生影響，可能影響實際生產。該誤差的計算是在應用程序腳本里實現的，腳本語言在組態程序運行時，每3s刷新一次畫面，畫面的動畫隨連接變量的不同而改變。

圖2 組態主界面

　　控制部分按鈕說明：

　　上電：給系統八臺變頻器上電，使系統處于備妥狀態；
　　開啟：全自動運行按鈕，使系統處于自動運行狀態，系統八種配料依次運行，如不停止，系統循環按當前配方運行。
　　停止：系統任何狀態下，都可停止；
　　料種選擇：自左至右，從高位到低位，3位二進制數表示八種配料中的一種，以供操作員進行手動和半自動操作。
　　手動：相當于點動式按鈕。
　　半自動：每次執行該種配料的單步操作。

　　3.3  組態下OMRON PLC串口驅動程序（1）技術背景隨著現代控制技術的完善，在線實時監控成為工程中必不可少的一部分。這就需要組態軟件與現場設備實時的交換數據，傳遞生產信息。雖然現在組態軟件中PLC的程序已比較完善，基本能夠滿足用戶需要。但現在新型串口設備（PLC、現場儀表、流量計等）層出不窮，有些設備并沒有在組態軟件下的驅動程序，即暫時無法掛接到組態下。這時，需要工程人員自己根據廠家提供的開發接口和硬件廠商提供的協議標準，自己編寫合適的驅動程序。

　　（2）驅動程序概述

　　IO驅動程序（FIOS）負責完成與各種I/O設備進行數據交換。一方面，它把從I/O設備采集到的實時過程數據發送給數據庫DB，另一方面，從DB發出的下置數據也通過FIOS發送給I/O設備。FIOS的體系結構是開放式的，它提供開發工具與接口標準，允許用戶以力控軟件為平臺，自行開發各種I/O設備的驅動程序。

　　FIOS SDK主要由4部分組成：設備組態接口（Iodevcfg）、數據連接組態接口（Ioitemui）、I/O監控接口Ioapi和I/O服務器程序Ioserver。
　　Iodevcfg：負責管理設備組態過程。
　　Ioitemui：負責管理數據連接組態過程。
　　Ioapi：負責完成與I/O設備間的數據交換，實現對設備的監控過程。包括：對通信協議的解析、數據格式的轉換等。
　　Ioserver：完成對Ioapi 部分動態裝載，調用并執行Ioapi 實現的導出函數。同時完成與I/O設備的底層通信（串口通信、網絡通信等），以及設備超時處理、設備故障診斷等。Ioserver還完成與數據庫DB之間的通信。它把從I/O設備采集到的數據經Ioapi解析轉換后提交給DB，或將DB下置給I/O設備的數據經Ioapi解析轉換后寫入I/O設備。
　　Ioserver由FIOS SDK提供。 程序員僅需要開發Iodevcfg、Ioitemui、Ioapi三部分的代碼。

　　4.設計總結

　　4.1  設計創新之處

　　本設計結合現代生產的實際和當前工業控制領域發展的趨勢，在常規生產控制的基礎上大膽提出了創新。

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

　　有效地協調企業內部信息，完成企業資源的統一調度，實現企業的管控一體化策略。在本設計中具體表現：可以通過WEB頁面查詢某一時段某些相關變量的查詢與統計，同時可以根據企業內部完整信息選擇合適配方下置到配方存儲文件中。

　　    在驅動程序方面，雖然本設計中用到的PLC驅動程序已相對完善，但是在實際工程應用中如設備改造升級，可能會遇到一些新型儀表、PLC無法掛接到本系統組態下，此時可以利用當前驅動設計模板進行簡單地修改即可,方便系統的升級與改進。

　　4.2  設計總結

　　通過設計自動配料系統過程中的設計和實踐，學到了一些技巧和方法，現總結如下：

　　(1)PLC編程方面

　　PLC中位與通道的靈活運用，通道中位與通道中數值的對應關系，給編程帶來了方便；
　　PLC編程的順序編程方法；
　　PLC中對于復雜狀態編程時，先將復雜狀態分解為多個小狀態，每個小狀態分別置位一輔助點，最后利用各小狀態輔助點之間邏輯關系產生相應的動作。

　　(2)組態方面

　　在組態的應用和學習過程中，不但熟練掌握了組態的常用功能：繪制畫面、定義IO變量、腳本語言、動畫連接、數據報表、實時曲線、歷史曲線、歷史報警等；而且，還積累了一些應用技巧、方法，對組態有了更深的理解。
　　組態中IO變量線性轉換設置對數據采集與下置命令的影響;WEB頁面快速設置的方法及修改，以及發布頁面的配置，發布設置中具體端口號的設置；
　　頁面、應用程序、變量刷新頻率在系統中的具體作用；
　　對圖素的修改，可以做到簡單修改為我所用等等。

　　(3)驅動程序方面

　　 掌握了驅動開發的必備知識，現在可以迅速地對一個硬件開發組態下的程序。積累了VC編程的經驗，可以使用API函數對一些Windows程序設計進行編程。
      學會了VC對串口編程的方法，可以利用VC編程串口，編寫適合的串口應用程序，完成相應的功能；
　   能夠使用力控接口SDK對相應的硬件進行開發，編寫適合于硬件的組態驅動程序；
　　可以對相應的硬件驅動訂制方案，制作適當的驅動程序；
　　熟悉VC的開發環境。