1 引言

在保护材料生产行业，配料通常是将原材料按某种比例均匀混合在一起， 用以形成一种新的材料，因此配料是这类行业生产的重要组成部分。在生产过程中，各种原料要严格按比例进行均匀混合，就必须靠配料机械来完成，目前工厂一般使用两种方法，第一种方法采用人工称重，然后将成比例的各种原材料同时放入配料机中搅拌。另一种方法是自动称重，自动搅拌。由于很多原始材料为粉状或颗粒，人工配料时，人体容易吸入粉尘等杂物，导致职业病出现，增加了生产风险和劳动力成本，同时配料品种繁多，数量巨大，因此人工配料难以现场管理，很容易出现误配，不但质量难以保证，同时也增加了管理成本。为了保证产品质量，提高生产效率，要求采用准确、可靠的自动配料系统。

2 基于 PLC、 工控机和称重仪表的配料系统

在河南西峡保护材料集团现有的配料系统中，工人首先将材料运送到称重车间，称重完之后，再将材料手动送到配料机上进行配料，称重车间使用了杭州四方的称重仪表进行称重，通过RS232口和工控主机相连，位于中控室的工控主机负责记录称重结果，显示称重数据，同时，控制人员可以在中控室通过控制电路手动控制配料过程的起停。

这种方式效率低下，同时，主机上运行的是C语言开发的DOS程序 [1] ，可扩性差，人机交互困难，不能完成自动配料的所有要求。为了提高生产率，降低成本，需要采用全自动配料系统。

新系统采用主从式结构。 以工控机为上位主机，以西门子PLC [2] 、变频器和称重仪表为下位从机。主机处于主导地位，实现对各从机的通信管理和控制，将工控机的RS-232异步通信口经电平转换后与PLC相连，形成上、下位机通信的一个物理通道；将主机的另一个RS-232口和称重仪表的通信口相连，构成第二个物理通道。上位机采用轮询方式，逐个与从站通信。上位机把任务规划的结果传送给PLC，在PLC进行控制的过程中，上位机使用上位机连接命令监视下位机的运行状态和数据区内容，实时读取PLC的内部状态以及称重仪表的实时数据，在上位机上显示。

总体上讲，系统具有如下功能：①全自动配料，在设定好配方之后，系统自动按照配方称重配料，无需操作人员干预；②具有报表功能，可以产生日报表，实时报表和月报表、年报表等；③动态增加和修改报表，系统通过设定权限，赋予技术人员或操作人员修改，增加配方的权利，同时记录该次修改的日期和操作人员编号；④断电恢复功能，系统能够在突然断电的情况下， 恢复断电前的测量记录；⑤局域网共享功能， 主机在局域网内可以共享数据，方便车间主管了解工程进度和其他情况。

2.1 系统的组成

整个全自动配料混合系统由工控机、PLC、工业称重仪表、变频器、振动电机、混料机、传感器、传送带等部分组成。

上位工控机提供人机交互界面， 完成控制信息输人、数据管理、进行数据显示、存储、统计和报表等功能，上位机采用IPC810工控机，它的主要工作如下： 工控主机首先根据操作人员的指令， 读取某个编号的配方， 然后， 根据配方中配料的比例及先后顺序，向PLC发出开始配料的指令，使得PLC能够起动特定的变频器。在配料过程中，工控主机以轮询的方式，一方面实时读取PLC的状态字，了解PLC及PLC下级设备的运行状态； 另一方面实时读取安装在配料机上的称重仪表的称重数据， 按照配料策略， 当称重接近配方中的设定值时， 主机向PLC发出停止本次配料的指令。 当一个配方上的所有材料都配完后， 整个配料过程暂停，等待操作人员的指令。

系统运行过程中，PLC与上位机实时通信，从而保证界面上显示的数据与现场实际数据的一致性，操作人员在上位机上发出的操作命令和设定参数都可以实时送到PLC，PLC的主要工作有：①接收上位机发送来的命令，通过变频器控制振动电机的起、停和快慢；②将变频器的运行状态实时写入内存数据区，供工控机读取；③将自身的各种状态以状态字的形式准备好，共工控机实时读取。

2.2 控制策略及配料过程

通过对配料过程的特点进行分析，得到配料过程具有如下特点：

（1）被控对象是单向的不可逆系统。原料没有办法从配料机中重新回到传送带上。

（2） 具有明显的时滞性。 当配料达到设定值时，PLC控制电机停止传送原料，这时传送带上具有部分原料无法回收，所以系统具有明显的时滞性。

（3）受控特性是开关性的。系统的起、停控制等都是开关量。

（4）配料系统在正常工作区内是线性的。

因此，我们考虑采用快速、慢速、提前发出停止加料指令等控制策略， 同时利用PLC的互锁技术确保配料的顺利进行。系统起动后，工控机向PLC发出开始加料信号，PLC控制变频器驱动电机进行快速加料， 同时， 工控主机通过串口持续不断的读取称重仪表的称重数据， 当重量值接近设定值时， 工控主机向PLC发出停止加料的控制指令，此时，PLC控制变频器进行慢加，通过事先估计出传送机构上原料的残余， 设定值和实际加料的差值和传送机构上原料的残余相当时，PLC真正发出停止指令，该指令由变频器执行， 从而控制电机停机， 停机后传送机构上的原料无残余，配料精度符合要求。流程如图１所示。
 

3 工控主机软件设计

工控机主要完成的任务如下：

（1）提供配料过程的动画显示。

（2） 向PLC发出控制指令， 读取PLC的运行状态。

（3）读取称重仪表上的称重信号，并将称重值在显示器上显示，根据称重数据，向PLC发送指令。

（4） 数据库和报表， 保存配料数据， 打印报表。

（5）配方的增加与修改。

（6）配料故障辅助报警等其他功能。

3.1 配料软件的界面设计

上位工控机使用紫金桥组态软件设计人机界面，工业控制组态软件实际上是一种能由用户根据自己的需要进行二次开发的软件开发平台。我们可以根据工艺要求在该平台上对整个监控系统开发出友好的人机界面，操作员通过该界面可以与现场设备进行实时交互。 紫金桥软件是HMI/SCADA工业自动化组态软件，它提供了一个高度集成化、可视化的开发环境。该软件具有如下一些特点：

（1）多种通信功能。 紫金桥组态软件 [3] 支持如下通信功能：

1）支持RS232、RS422、RS485等串口通信方式，并支持无线电台、电话拨号、电话轮询拨号等方式。

2）以太网通信同时支持有线以太网和无线以太网。

3）所有设备的驱动程序均支持GPRS、CDMA、GSM等移动网络标准。

（2）方便的开发系统。丰富的组件和控件构成强大的HMI开发系统；增强的过渡色与渐进色功能，从根本上解决了很多同类软件在过多使用过渡色、 渐进色时严重影响画面刷新速度和系统运行效率的问题； 更加灵活多样的矢量子图， 使得制作工程画面更快捷；提供面向对象编程方式，内置间接变量、中间变量、数据库变量，支持自定义函数和自定义菜单。

（3）开放性。紫金桥组态软件的开放性表现在如下几个方面：

1）支持Excel以VBA的方式访问数据库。

2）软件为开放式体系结构，全面支持DDE，OPC， ODBC/SQL， ActiveX，DNA标准。以OLE，COM/DCOM、 动态链接库等多种形式提供外部访问接口， 便于用户利用各种常用开发工具 （如： VC++、VB等）进行深层的二次开发。

3）紫金桥组态软件I/O驱动程序的体系结构为开放式结构，其接口部分源代码完全公开，用户可以自行开发新的驱动程序。

（4）数据库功能.紫金桥组态软件内置了实时数据库，而且实时数据库又内置多种功能块，来完成数据处理与存储，可实现累计、统计、控制、线形化等多种功能。

（5）支持多种设备及总线。支持国内外大部分知名厂家生产的PLC、调节器、智能仪表、智能终端、智能模块；此外，还支持Profibus，Can，LonWorks和Modbus等标准的现场总线。

3.2 系统的 I/O 点数

紫金桥组态软件用实时数据库点来表示I/O点。经过分析，系统需要三个I/O点，两个数字控制点用来通过PLC控制电机的起、停，因此这两个点的数据链接选择分别为PLC的两个数字量输入输出通道。一个模拟点用来表示从称重仪表上读取的实时数据，因此，该点的数据链接为称重仪表的测量值。

4 通信程序设计

通信程序设计主要包含三部分，第一部分为主机与PLC的通信；第二部分为主机与称重仪表的通信；第三部分为PLC与变频器之间的通信。

4.1 主机与 PLC 的通信

组态软件一般都内置了主流PLC的驱动程序，首先在紫金桥组态软件中新建一个PLC虚拟设备，该虚拟设备的型号必须和使用的真实PLC的型号一致，如果在组态软件中找不到所需的PLC的型号，则可以委托软件厂家免费开发一个新的该型号PLC驱动。虚拟设备用来映射真实的设备，这里，我们使用的PLC是SimensS7-300，设定主机通过串口1和PLC通信。

4.2 主机与称重仪表的通信

针对称重仪表，我们使用的是杭州四方的称重仪表，为了使仪表和组态软件很好的通信，我们特别委托紫金桥公司为该仪表开发了驱动程序。首先我们从组态软件的驱动列表中选择一个我们需要的设备类型，并针对该类型，建立一个虚拟设备，用来映射真实的称重仪表，然后设定仪表与计算机的通信端口及通信协议。

4.3 PLC 与变频器之间的通信

由于配料车间有多种原材料，为了配料方便，我们设置了多个传送带，所以配料系统一个PLC需要链接多个变频器。为此我们在PLC和变频器之间使用了Profibus总线进行通信，将专用的Profibus通信模块插入到变频器上，并设定好变频器的从站地址，然后通过Profibus连接器接入到PLC中，PLC通过编程，实现对该变频器进行报文的发送与接收，将控制字发送到变频器，同时把状态字从变频器中读取回来。

CPU315-2DP作为Profibus主站，每个与主站通信的变频器可以看作是一个Profibus从站。通信时，主站根据通信报文中的地址字符来选择要传输数据的从站。从站本身不能主动发送数据，各个从站之间也不能直接进行信息的传输。系统所选用的变频器型号均为Siemens MicroMaster430系列 [4] 。PLC和变频器之间主要的通信主要涉及两个概念。第一是数据报文，第二是控制字与状态字。

（1） 通信报文。 每条报文都是以字符STX开始，接着是长度说明LGE和地址字节ADR，然后是采用的数据字符，报文以数据块的检验符BCC结束，主要字段的解释如下：

STX区是一个字节的ASCII字符(02hex)，表示一条信息的开始。

LGE区是一个字节，指明这一条信息中后跟的字节数目。

ADR区是一个字节，是从站结点（即变频器）的地址。

BCC区是长度为一个字节的校验和，用于检查该信息是否有效。它是该信息中BCC前面所有字节“异或”运算的结果。 如果根据校验和的运算结果，表明变频器接收到的信息是无效的，它将丢弃这一信息，并且不向主站发出应答信号。

（2）控制字与状态字。PLC通过变频器的PKW区可以读写变频器的参数值，从而改变或了解变频器的工作状态。在本系统中，PLC读出该区的数据，放在特定的数据区中，供工控机查询，查询结果在工控机上显示。

5 结论

本系统通过工控机、PLC和变频器的协调工作，完成了所需自动配料任务， 系统自2008年5月投入使用以来，每天配料100多吨，完成配方10个左右，不但可实时显示工况，而且可以提供配方修改、增加等功能；实际运行表明，系统运行稳定、可靠，人机界面美观，操作方便，同时系统采用组态软件开发，可以为以后的升级提供便利。

新旧系统的功能和用途对比如表1所示。