| 儲料罐自動配料系統的實現 | 2020-03-07 |
| 摘要：在現有儲料罐PLC配料系統基礎上，結合PLC和上位PC機的優勢，通過部分軟硬件改造來建構低成本儲料罐自動配料系統。計量配料系統探討了其軟硬件構成及控制策略等問題，介紹上位PC與PLC之間的通信機制，Windows匿名管道通信技術，以及上位PC機軟件設計方法。 自動配料系統是儲料罐混合生產過程的重要組成部分。由于上料現場環境差，不適合由操作人員直接在現場進行人工控制。且反應釜混合生產中加入的（主要用于去除廢渣的S、P等）用量大，手動稱料時間長，而在攪拌末期為了調整二乙烯三胺成分，加入的粉，鐵粉等價格昂貴，希望稱量偏差小，由于加料過程大多是重復性的操作，操作繁鎖，操作人員工作勞動強度大，常常出現稱量過重等誤操作，造成不必要的生產熱停工時間。因此如何縮短加料時間，提高合金配料的準確度，降低混合成本，減輕操作員的工作強度是一個迫切需要解決的問題。國內曾研究一些自動配料，大都以單片機為主，穩定性差、安全可靠性不高，以及編程和人機交互困難。此外受混合生產工藝和設備的限制，開發一套功能完整的自動配料系統，不僅控制過程復雜，而且設備投資巨大。另一方面，考慮到現有交流儲料罐混合大都采用PLC控制系統，如果充分利用現有PLC資源，以PLC作為主控，普通ＰＣ作為上位機，利用WIN9X的管道技術和PLC的中斷通信機制，保證上位PC機與PLC之間的實時通信。通過電子稱直接采集重量信號，自動控制稱重，操作人員通過鍵盤或鼠標在上位機人機界面（HMI）上輸入加料信息（加料種類、重量等），監視上料控制的全過程，打印加料的結果和生產報表，實現上料過程的測控管一體化，不失為一種切實可行的有效方法。 1加料過程用控制策略 自動配料系統由8個高位料倉、閥門、振料電機，一臺電子稱和稱料小車，以及一套位置檢測裝置組成。 上料過程包括：加料等待、稱料、放料等待、放料及退料等五個階段。在加料等待階段，小車停反應釜后加料口位置上等待控制命令。在稱料階段，根據操作人員輸入的加料參數，小車自動行走至的料位下，到位后鎖定位置，料倉振動電機開啟振料。通過電子稱不斷地采集進料量，當達到加料設定值一提前量時停車，這里的提前量可由關閉電機到停止振動的時間計算或根據經驗獲得。當所加物料是造渣劑時（如、氧化鋁粉等），立即進入放料環節，否則進入放料等待階段，小車停在原處，等候放料命令的到來。在放料階段，加料小車根據加料的種類自動行走至反應釜前加料口或反應釜后加料口，小車到位后打開放料閥，放料完畢后小車自動停在加料等待位置（即反應釜后加料口）上，到待下一次加料。當發生加料誤操作或小車中存有遺料時，則執行退料程序。 加料實時控制過程由一臺西門子115U型PLC控制器來完成，同時利用與上位PC機進行通信，在上位機上完成加料參數設定、數據管理、統計報表、打印等功能。 考慮到自動配料系統的重要性和安全可靠性，仍舊保留原有的手動加料操作手段，因而自動配料系統具有自動控制和手動操作兩種工作模式。在自動模式下，操作人員僅需要輸入加料的種類（料倉的編號）和重量等少量信息。PLC配料系統自動完成稱料、加料的全過程。在手動操作模式下，就由操作人員手動來完成。 2配料系統硬件構成 自動配料系統的硬件結構主要由UPS、PC機、打印機、串行轉換卡和PLC、電子秤、閥門、電機、位置檢測裝置及其它執行機構組成。上位機通過RS232/RS485串行轉換卡與PLC通信，高速、穩定、準確地傳輸數據。 出于安全考慮，設立兩臺PC機由UPS供電，采用熱備份方式工作，其中任何一臺PC機發生故障，配料系統仍能可靠地運行。所有的現場設備的控制工作都由PLC完成，上位機只負責提供人機交互界面，進行加料數據輸入和顯示、存儲、統計和報表打印。當兩臺上位機同時發生故障時，PLC自動地切換到手動操作模式，仍能保證生產的正常進行。同時，PLC配有電池，可以保存所有系統設置參數和現場狀態數據。系統運行過程中，PLC一直與上位機實時通信，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上執行。 3配料系統軟計總體設計 自動配料系統的軟件包括上位機和PLC兩部分。這兩部分分別編寫，并建立相互間的通信協議。上位機和PLC各有自已的功能模塊，上位機通過通信子程序，PLC通過通信中斷子程序經由RS232/RS485串行總線轉換卡建立相互之間的通信聯接，數據以幀的形式在兩者之間進行傳遞。 自動配料系統為了兼顧通信速度和執行效率，上位PC機與PLC之間的數據通信格式設有兩種，即查詢幀和控制幀，查詢幀只需一個標識字節，控制幀包含控制信息，需要128個字節或更多。這兩種數據幀說明如下： ①控制幀----多個字節。個字節為標識符，值為0。后面字節包含所有的控制信息，如料位號，料重，放料口選擇，提前量，是否校秤，是否暫停等等。格式如圖4A所示： ②查詢幀----只包含一個標識字節，值為1 上位機與PLC的握手機制如下： PLC一直以中斷方式接收上位機的數據幀。如果是查詢幀則馬上向上位機傳送當前控制信息；如為控制幀，則等執行完后，再送回數據給上位機。如果通信出現故障，PLC進入脫機工作狀態，由上位機負責來恢復通信。 為了保持上位機和PLC參數設置和控制狀態的一致，PLC負責保存所有系統設定參數和現場狀態數據。上位機剛開機時，先發查詢幀，獲得當前PLC的實際狀態數據（包括現場數據和操作員以前設定的系統數據）。然后上位機一直向PLC發命令：若有控制動作，則發控制幀；若沒有，則發查詢幀。正常情況下，PLC接收到上位機的查詢幀就立即向上位機發送格式相同的數據回應幀。由于PLC一直在循環執行主程序，而以中斷方式處理與上位機的通信，并且這種中斷優先級，因而保證了上位機的控制命令能及時得到響應。 3.1`上位機軟件 上位機分成主模塊、加料參數設置、過程畫面、統計報表、通信等模塊。主要是進行加料參數輸入、過程畫面顯示、統計報表、打印及數據庫的產生和維護等。為了上位機與PLC之間通信能實時、高速、穩定地進行。上位機單獨設立通信子程序，在后立運行，主程序與通信子程序之間的數據交換通過管道來實現。上位機軟件在Win95上采用具有良好圖形用戶界面的VB6.0實現。 3.2主程序 主程序對各個模塊進行統一管理，負責整個系統的初始化，加料參數設置，過程模擬畫面的數據更新及統計報表，打印，數據庫的產生和維護等。 為了使過程模擬畫面直觀簡潔，不易出錯。在界面設計上采用狀態顯示和操作鍵合一的方法。即畫面上的控件一直實時顯示對應對象的實際狀態，同時操作人員可以通過鼠標點擊來直接選擇物料和輸入料重等參數，并由PLC所上傳的數據進行畫面狀態的刷新。 在數據庫管理上，為了便于車間或作業區人員進行統計分析和報表，設計了3種表格（即日、月、年表）。且表格按日期命名，如：Day.db,Month199909.db，Year1999.db等。同時為了方便班組間的勞動競賽和生產指標對比，數據庫管理上設立了操作人員換班簽到制度，為此設立了兩種表格（即月、年報表），各班組當班生產情況記錄在各自的月年報表中，這些表格按甲、乙、丙、丁班組依次命名為A199909.db,A1999.db,B199909.db,B1999.d b……依此類推。這樣的數據庫設計便于班組之間的橫向對比，也有利于整個反應釜生產的生產報表和統計分析。 3.3進程間通信與同步 稱重配料系統為了實現進程之間的通信，軟件中使用了WIN95提供的匿名管道。首先通過調用WIN32API中的CreatePipe函數建立管道。該函數返回兩個句柄，一個用于讀，一個用于寫。在主進程中，建立管道后，需要將句柄傳遞給通信子進程，子進程才能讀取管道中的數據。由于匿名管道只能單向傳遞數據，為了能實現通信子進程向主進程傳遞數據，在子進程中也要創建一個管道，并把讀句柄傳給主進程。實現這一操作的的方法就是使用每個程序默認使用的標準輸入和標準輸出句柄。在主進程中設置標準句柄，子進程從主進程那里繼承標準句柄，通過將子進程創建的管道句柄設為標準句柄，并由主進程繼承它，可以實現主進程和通信子進程之間的雙向通信。當一個進程向管道中寫入數據時，寫操作立即返回，從而保證了主進程與通信子進程之間實時高速地傳輸數據。由于Windows匿名管道數據傳遞的單向性，從而確保了主進程與通信子進程之間不會產生沖突，很好地處理了進程間通信的同步問題。 3.4通信子程序 通信子程序是上位PC機和PLC之間的聯系紐帶。負責確保來自主進程的用戶的設定數據和控制命令及時送給PLC，然后根據PLC送回的數據刷新通信管道。 通信子程序與PLC之間的通信采用串行通信方式，常用的串行通信方式有兩種：一是調用Windows的API函數，其編程繁瑣，使用較復雜；另一就是使用VB6.0串行通信控件（即Windows的MSCOMM32.OCX6.0),該控件實現異步通信有兩種方式：即查詢方式和事件驅動方式。考慮到實時控制中對可靠性的要求，選擇事件驅動方式進行通信。這是一種功能很強串行通信方式，它可隨時檢測到通信事件的發生，保證通信的高可靠性。 4結論 本稱重配料系統上位機和PLC之間采用嚴格的算法控制，管道通信技術，減少了系統通信量，提高了通信速度和效率。上位機形象直觀的過程模擬畫。 | |
