用PLC与自制的组件构成电子皮带秤的方案设计

     本文介绍用自制的PLC外围组件与PLC组合构成电子皮带秤的装置。该装置由于不选用上位机或触摸屏及较贵的专用模快，仅用自制组件与PLC配合，使设备不仅抗干扰好，而且造价也大为降低。该装置可实现瞬时流量及累计流量的时时显示，并有键盘置数和打印功能。其硬件结构见下图一：

                   图一、PLC构成皮带秤原理图

                   一、硬件组成

1、              PLC：选用S7-200，型号为：CPU224 DC，输入点14个，即I0.0~I0.7、I1.0~I1.5    输出点10个，即 Q0.0~Q0.7、Q1.0~Q1.1。输出点选用晶体管输出。

2、              传感器变送组件：传感器选用电阻应变式，精度为0.05 ‰称重传感器，输出为：0～10 mV。变送器自制：选用LM324集成块的3个运放器构成，输出为4～20ma电流信号，可远距离传送。为确保温漂极小，用LM324的第4个运放器做恒温控制器，该变送器放在一恒温盒里，放置在传感器附近。

3、              I / F转换组件：自制，其作用是将传感变送器传送来的4～20ma电流信号转换为0～2.77KHz 的脉冲信号，输入给PLC的高速计数器的加计数输入端（I0.0）。

4、              二路数字显示且带有打印功能组件（见下面“4路4位数码显示及微打输出组件”照片），该组件对外有4个插座接口：

（1）、J2插座：去PLC的I / O口，有5条线去PLC输出口：其J2-1脚为(SCL)时钟线, 接PLC的Q0.0。J2-2脚为(STA1)数据线，接PLC的Q0.1。J2-3脚为(STA2)数据线，接PLC的Q0.2，J2-4脚为复位同步线，接PLC的Q0.3。J2-7脚为控制线,接PLC的Q0.4。,J2-5脚为打印握手线，接PLC输入口I0.7。

（2）、J1插座：去8位数字显示板，显示累计流量值。

（3）、J3插座：去4位数字显示板，显示瞬时流量值。

（4）、J4插座：去微型打印机，可打印当班计量记录。

5、键盘组件：由一块控制电路板和16位薄膜式键盘组成(见下面键盘组件照片)，控制板的J1为输入插座，其J1-1为SCL线（时钟线），接PLC的I0.3，其J1-2为STA（数据线），接PLC的I0.4。

键盘共有16个键，0～9 为置数用的数字键，第一次按一下数字键，瞬时流量显示器的最低位显示按键数，其它各位数清零，再按数字键，显示值左移一位，最低位显示刚刚按下的数字键的对应值…。A、B…F 6键为命令键，本设计规定：

A键为置“年”的命令键，如显示器已置好的数为“2012”，按一下A键，PLC将此值转换为ASCII码，送入“年的存数区”，以备打印时用。

B键为置“月、日”的命令键，如显示器已置好的数为“0212”，按一下B键，PLC将”02”与“12”分别转换为ASCII码，且送入“月”和“日”的存数区”，以备打印时用。

C键为置班次与圈数的命令键，，如显示器已置好的数为“0203”，按一下C键，PLC将”02” 转换为ASCII码，再与“03”分别送入“班”和“圈数”的存数区”。

D键为置“系列系数”的命令键，皮带秤按一般规定有：1、2、3、5、7系列，按此键将设置的系列数存入“系列系数”存数区，以备计量运算使用。（本设计暂未用）

E键为打印命令键，按下此键，PLC将按规定的格式打印数据。

F键为清零键，如置入的显示值有误，按此键可将数据请0.

有关显示、打印及键盘组件的介绍请见“自制的PLC外围组件及应用”一文，本文只介绍传感器变送器与I / F转换组件的硬件组成及PLC如何与显示组件、键盘组件的连接及编程。

         二、电子皮带秤称重数学模型分析

：

             图二、用测速发电机供电传感器输出信号与瞬时流量成比例关系

         三、信号处理

由图二右侧公式推导可知，用测速发电机供源的称重传感器，其输出信号Ug与瞬时流量q成正比。故可直接用Ug 值代表皮带秤的瞬时流量q，而不必分别求出 p、v 二个量，再求瞬时流量值q。这样处理不仅节省测速传感器及变送器，也简化了运算程序。

1、  对q的处理：在额定最大转速下，传感器承受0～额定压力，其输出信号Ug=0～10mV，通过V / I 转换变为4～20ma的电流信号，可远距离传送而不会使信号失真。该装置再将4～20ma转换为对应的频率脉冲信号输入给PLC高速计数输入口进行计数。高速计数器的计数值就是对应时刻的累计流量值，再用读取计数值减去前一秒读取的计数值（即1秒时间内的计数值）就是瞬时流量。

           q 值如何转换为对应的频率脉冲呢，我们以 100T /H 皮带秤为例：

              100 T/H = 100000 Kg/3600S = 27.77 Kg/S

即要求累计脉冲频率为27.77 Hz，其测量精度为一个脉冲为1Kg，为了提高测量精度，转换频率选为2.77KHz，这样一个脉冲为0.01 Kg测量精度。

下面介绍一下传感器变送器组件和 I / F 转换组件的电路原理：

图三为传感器变送器电路原理图，粉色虚线框内为称重传感器电路图，它是由4个等值电阻应变片构成，Rx、RW2支路为传感器调零电路，调节RW2可调节传感器的输出=0V，RW1、R与测速发电机串联，调节RW1 可改变供桥电压，在最大额定转速下发电机输出电压为Eo,在额定负荷下，调节RW1，使传感器输出电压Uab=10mV。

                    图三、传感器变送器原理图

运放器U1B 组成放大倍数 K=400的反向放大器，输入为0～－10mV，输出为：0～4V。晶体管G1其发射极与集电极电阻相等皆为2K，由于Ic=Ie，故这二个电阻的电压降总是相等的，当输入信号=0时，G1的发射极对地电压=0，G1的集电极对+23V电压的电压也等于0，对地电压=23V,该电压输出给G2，使G2发射极对地电压=23V,此时G2发射极电阻承受1V电压，其阻值=250Ω,故使G2集电极输出4ma电流。当输入信号=10mV时，G1的发射极对地电压=4V，G1的集电极对+23V电压的电压也等于4V，对地电压=19V,该电压输出给G2，使G2发射极对地电压=19 V,此时G2发射极电阻承受5V电压，其阻值=250Ω,故使G2集电极 输出20ma电流。

该电路放置在一个恒温盒里，其控制电路见下图。

图五 为I / F转换电路，是由LM358、LM331二个集成电路组成，LM358 为电压跟随器，调节RW2使其输出（1脚）电压=-0.69V。当输入4ma电流时，电阻（173Ω）的电压=0.69V，使该电阻上端对地电压=0V，当输入20ma电流时，电阻（173Ω）的电压=3.46V，使该电阻上端对地电压=2.77V。LM331是V / F 转换器，输入0～10 电压信号，可产生0～10KHz脉冲信号，由于前级输入电压为0～2.77V,故转换输出脉冲信号为0～2.77KHz。

                图五、I / F 转换电路原理图

从图三、图五的选用元件可知，自制的变送器组件与I / F 转换组件成本造价是非常低的，几十元钱就可搞定。这就是选用自制组件的原因。

四、显示、打印组件与键盘组建的简介

   （一）、4路4位数码显示及微打输出组件：

该组件是由主控板、4块显示板组成，主控板（图右侧电路板）其板右侧插座连接PLC的I/O口，左侧中插座接打印机，其余4个插座接4块4位显示板。本设备由于累计流量显示为8位数字，故将1、2路显示板并为一起，改成一块8位显示板，第3路为瞬时流量显示（4位数）。

（二）、键盘组件：

   上图为键盘组件，它是由控制板和薄膜式键盘组成。控制板左下侧插座与PLC的输入口连接（占2个输入口），右侧插座连接键盘。键盘为16个键，0~9 为数字键，余下6个键为命令键，可填写为A、B、C、D、E、F字母，也可按其命令功能改写汉字，使之一目了然。

显示、打印组件与键盘组件为使用多年的定型产品，其硬件电路及运行程序已做加密处理，故以实物照片供大家参考，它们与PLC连接，前面已述，如何编程及使用请见后面说明。

五、采集称重信号的设计构思及PLC编程

目前使用的皮带秤的设计，多采用模拟量转换为数字量的转换模块，将称重传感器输出的模拟信号转换为数字量，再对数字量按数学模型进行运算求出瞬时流量，再进行累加。本设计采用的是将称重传感器输出的模拟信号转换为频率脉冲，用PLC的高速计数器对其累加计数，其计数器的计数值即为累计流量。

皮带运输机的皮带很难做的均称，有厚有薄，故对皮带秤的动态调零很难调准，一般均采用这样处理：皮带空载运转时，调节秤框给传感器施加略小与1/10的量程的予压力，皮带机空跑几整圈，记下累计值和运行时间，用其累计值除以时间，其商就是单位时间皮带的平均皮重，将此皮重转换为固定频率的脉冲，再进行称重测量时，计数器在进行对称重脉冲加计数的同时，对皮重脉冲进行减计数。这样累计计数的结果，才为物料的真实重量。而这种计数叫做可逆计数。

S7-200的PLC内含的高速计数器，有这种功能，选用PLC的HSC0计数器，设工作模式为7，其高速计数器将执行加、减可逆的计数方式：其I0.0为加计数脉冲输入端，I0.1为减计数脉冲输入端，I0.2为复位端，I0.2置1时复位有效，计数器清零。其I0.0输入的加脉冲来自I / F转换组件输出的F+脉冲，脉冲频率为0～2.77KHz（具体电路请见图五、I / F 转换电路原理图)。I0.1输入的减脉冲来自PLC输出口Q0.7,脉冲频率=250Hz，它是由PLC的4mS 时间中断形成的：每发生一次时间中断，使MB4加1，这样M4.0将输出F=125Hz的时钟频率，再用M4.0的前、后沿输出给Q0.7,使Q0.7输出的脉冲频率 F-=250 Hz。

     （一）、皮带秤调零、校准的设计考虑：

1、安放接近开关及其作用：

皮带秤调零、校准都是在皮带机运行中进行的，考虑皮带的不均匀性，调零与校准的测试时间应为皮带机运行N整圈的时间，为此选用一个接近开关作为判断皮带运行一整圈的检测原件：在皮带侧边的某点固定一块铁片，在其下方安装一接近开关，皮带每旋转一周，其铁片将通过一次接近开关，使其输出一个脉冲。任意二个脉冲的间距时间就是皮带运行一整圈的时间。

2、皮带秤调零：闭合K2（工作/校准）开关（I0.6=1），使皮带秤处于校整方式，皮带机空载运行，按一下调零按钮(K3)，皮带秤进入调零工作状态，当皮带上的铁片运行到接近开关的上方，接近开关输出第一个脉冲信号时，PLC使 Q0.6=0,即使I0.2=0,高速计数器由0开始计数，在调零方式下无F-脉冲输入，故高速计数器只作加计数，同时用秒脉冲SM0.5开始计时。当接近开关发出第N个脉冲时，PLC立刻进行如下运算：将皮带机运行N整圈所累计的重量值除以运行时间，其商即为平均皮重，此值立刻送瞬时流量显示区显示，随后，使Q0.6=1,即I0.2=1,高速计数器复位。此时显示值=250为准，如大于250，应减小秤框的予压力，如小于250，应加大秤框的予压力，再按调零按钮重新运行，直至调整到=250为止。  

3、皮带秤校准：闭合 K2（工作/校准）开关，皮带秤处于校整方式，皮带机运行，其秤框上方的皮带上放置标准校准链码，按一下校准按钮(K4)，皮带秤进入校准工作状态，当接近开关输出第一个脉冲信号时，PLC使 Q0.6=0,即使I0.2=0,高速计数器由0开始计数，此时I0.0 输入F+脉冲，I0.1输入F-脉冲，高速计数器处于加减可逆计数状态。同时用秒脉冲SM0.5开始计时。当接近开关发出发出第N个脉冲时，PLC立刻进行如下运算：将皮带机运行N整圈所累计的重量值除以运行时间，其商即为链码重量值，此值立刻送瞬时流量显示区显示，随后，Q0.6=1,高速计数器复位。如此显示值不等于链码标称重量值，应调整图三中的RW3电阻器，再按校准按钮重新运行校整，直至调整到显示值=链码标称重量值为止。

下面为SBR_1子程序，即为皮带秤动态调零、校准的子程序：

（二）、皮带秤称重测量的设计考虑

1、皮带秤调零、校准后，可进入实物计量，即使“工作/校准”开关K2断开（I0.6=0），将“工作/停止”开关K1闭合（I0.5=1），皮带秤进入计量工作状态。PLC的高速计数器进入可逆计数的计数状态，此时如皮带机停止运行，必然使F+=0,为使计数器不计数，F-也必须=0，故应选用控制皮带机运行的接触器的常开触点加在PLC的一个输入点上（I1.4），当皮带机停止时触点断开(I1.4=0)，使Q0.7无F-脉冲输出，当皮带机运行时触点闭合(I1.4=1)，使Q0.7输出F-脉冲.

2、累计流量与瞬时流量的采集与运算：

（1）、累计流量的采集与运算：

本装置在实物计量中，可逆计数器的计数值即为此时刻的累计流量，计数单位为0.01Kg，而累计显示值为8位数，显示单位为Kg，故计数器的计数值（HC0）应除以100，其商才为累计显示值。

显示组件要求显示的数据为BCD码，为使显示数字稳定清晰，显示送数的周期取0.5秒，即每隔0.5秒取一次HC0，再进行除100的运算，其商（MD28）再进行BCD码转换后，方可送入显示区显示。

累计显示为8为数字显示，S7-200只有4位的 I_BCD转换指令，如自行编写8位的BCD吗转换程序，程序运行时间太长，会影响整机的运算速度，为此采用如下的处理手段进行编程：先判断MD28，如其值小于10000，直接用I-BCD指令将其低字（MW30）转换为BCD吗,其高字（MW28）=0。如MD28位于10000～20000之间，将MD28－10000，其差值的低字用I-BCD指令转换为BCD，其高字=1 ……具体编程清见自动工作子程序。

（2）瞬时流量的采集与运算：

瞬时流量的采集时间也选用0.5秒，采集数据的方法是，每隔0，5秒，将此时的MD28值减去前一次的MD28值，其差值乘20，即为此时刻的瞬时流量（单位为0.1Kg / S），再用I-BCD指令将其低字直接转换为BCD码，再送入瞬时流量显示区显示。详见自动工作子程序。

     （3）SBR-0 自动工作子程序:

    3、皮带秤主程序及其它子程序展示其解析：

    （1）、皮带秤主程序：

   （2）、SBR-3 子程序

（3）、SBR-5 子程序

（4）INT_0 中断服务程序

    上面列出的主程序与3个子程序均有较详细注解说明，这里对此不再解析。下面对SBR-2（键盘组件的运行程序）与SBR-4 （显示与打印组件的运行程序）作以说明，这二个子程序均编成功能块，编程时直接调用功能块就可以，而且编程简单：只要将有关数据输入给功能块上的对应输入点，或由功能块输出的数据、位信号传递给对应的数据区、位变量就行了。下面就这二个功能块的编程、使用作以介绍：

1、  SBR-2子程序的使用与编程：

    SBR-2子程序为键盘组件的运行程序，它以功能块的形式出现。使用时只需调用它的功能块，再填写该功能能块所需要的输入与输出条件，就完成对它的编程，见下图：

该功能块的输入信号有3个：

（1）、EN： 为使能输入点，当它=1，该功能程序运行，本程序选用SM0.0 连接，故使该功能程序时时都在运行。

   （2）、SCL：为时钟脉冲输入点，它来自键盘组件的时钟线，本设备将它接在PLC的I0.3输入点，故用I0.3 接入功能块的SCL输入点。

   （3）、STA：为数据脉冲输入点，它来自键盘组件的数据线，本设备将它接在PLC的I0.4输入点，故用I0.4 接入功能块的STA输入点。

 该功能块的输出信号有7个：

 （1）、OUT3：为数据（字）输出，它来自键盘组件，由数字键置入的数值：每按一下数字键，OUT3值左移一位，新置入的数进入OUT3值的最低位。本设备用VW20字连接OUT3输出。

 （2）、OUTA：为按A键发出的脉宽=0.2秒的脉冲信号，本设备用它输出给V313.0，做置“年”命令信号。见主程序的网络15程序。

 （3）、OUTB：为按B键发出的脉宽=0.2秒的脉冲信号，本设备用它输出给V313.1，做置“月、日”命令信号。见主程序的网络16程序。

（4）、OUTC：为按C键发出的脉宽=0.2秒的脉冲信号，本设备用它输出给V313.2，做置“班、圈数”命令信号。见主程序的网络17程序。

   （5）、OUTE：为按E键发出的脉宽=0.2秒的脉冲信号，本设备用它输出给V313.4，作为打印命令信号。见主程序的网络8程序：用V313.4的前沿沿将V311.0=1，V311.0=1输送给SBR-4，使SBR-4执行打印程序。

    （6）、OUTF：为按F键发出的脉宽=0.2秒的脉冲信号，本设备用它作清零用，即使OUT3=0。

2、SBR-4子程序的使用与编程：

SBR-4子程序为显示与打印组件的运行程序，它以功能块的形式出现。使用时只需调用它的功能块，再填写该功能能块所需要的输入与输出条件，就完成对它的编程，见下图：

该程序中应填写的数据有：

MD24：为已转换为BCD码的累计流量值，送入此块，在未按键盘时，此数据时时在累计流量显示器显示。  

MD4：为已转换为BCD码的瞬时流量值，送入此块，在未按键盘时，此数据时时在瞬时流量显示器显示。  

&VB100：为打印数据首址

VD90：存放打印数据的指针地址

VB81：打印数据字节数

V310.1：接显示、打印组件的时钟线（SCL）

       V310.4：接显示、打印组件的累计流量数据线(STA1)

       V310.6：接显示、打印组件的瞬时流量数据线(STA2)

V311.2：接显示、打印组件的同步控制线。

六、打印数据表的编写

本程序对打印数据的编程非常简单：在主程序编写一条传送指令（见网络8），在网络5的SBR-2块的OUTE输出端填写 V313.4，再在中断程序里的SBR-4块的输入点（Sin1）填写V310.0位变量，即完成打印的编程。程序动作是这样进行的：

按一下键盘组建的E键，其SBR-2功能块的OUTE立刻输出一个打印命令脉冲，输送给V313.4，V313.4使V310.0=1,再传送给SBR-4的Sin1输入点，SBR-4的程序立刻按规定的格式进行打印输出。

本程序的打印数据格式是这样编写的，数据首址定为VB100，指针地址存储区为VD90，打印数据所占字节数为VB81，对打印编程只填写这3个数据就行。打印输出的格式为：

         测试记录

   2012 年 02 月 15日

瞬时流量： 0121.0  Kg / S

累计流量： 01325798  K g

    测试： 3 班

打印数据表见下表：

 用PLC做成的皮带秤比用单片机做成的皮带秤抗干扰性好，而且PLC同时还可做其它控制用。在既作设备的程序控制又作皮带秤计量时， 可选用继电器触点输出的 PLC作设备程序控制，增加一个晶体管输出的扩展输出模块，用它替换图一的Q0.0~Q0.4及Q0.7的输出，将使皮带秤的设计成本变的更低，而且皮带秤的计量数据就在PLC内，不需通讯传递。

本文到此结束，如有不妥之处请给于指正，谢谢大家！