基于PLC的称重配料控制器的开发与应用

基于PLC的称重配料控制器的开发与应用山东•滨州新大新机电科技有限公司摘要：本文介绍了一种基于西门子PLC的新型称重配料控制器的研发过程和技术特性，主要有S7-200 PLC、智能称重接线盒、触摸屏及专用电路组成，在化工、制药、食品等领域有广阔的应用发展前景。

关键词：称重、配料、控制器、PLC、智能接线盒、人机界面。

工业电子称重是近年来刚刚兴起的一门新兴技术，它是从计量用衡器基础上发展而来，普通计量用衡器主要是示值显示，而工业称重一般直接参与控制，对精度和稳定性的要求都很高，精度和稳定性直接决定产品的质量。

目前代表性的产品是梅特勒-托利多的PANTHER系列和志美的CB920以及众多国产品牌控制仪表等，由于发展时间比较短，应用还不是很成熟，现有产品大多根据特定用户对象的需求而设计，最多的是控制功能比较简单的包装行业，在应用领域上有一定的局限性。

主要体现在组成控制系统时信号处理和传递方式各不相同，有些产品为方便系统互连，往往经过多次信号转换，牺牲了最关键的精度指标。

常规组合方案主要有以下几种：1、方案一：采用带模拟电流输出的称重计量仪表：仪表直接接受传感器信号，仪表可指示重量、并将重量值转换成4~20mA信号输出至DCS或PLC信号模块，由DCS或PLC再将4~20mA信号转换成重量值，并由DCS或PLC进行控制，组成控制方案复杂。

缺点：由于信号经过仪表和DCS两次转换，误差会大大增加；而且校秤时称重仪表和DCS 要单独进行校准，必须进行两次；仪表和DCS数值不统一，容易引起误导。

2、方案二：采用带通讯输出的称重计量仪表：仪表直接接受传感器信号，仪表可指示重量、并将重量值采用数字信号经通讯接口传输至DCS或PLC信号模块，由DCS或PLC显示重量值，并由DCS或PLC进行控制。

该方案可有效避免仪表和DCS显示值不统一的问题，校秤时仅校称重仪表即可。

缺点：由于信号经过仪表和DCS进行通讯传输，误差不会增加，但计量仪表和DCS的通讯处理比较复杂，需要专门的驱动程序。

现有称重仪表的通讯稳定性普遍不好，通讯中断或超时频率较高、会影响控制功能。

3、方案三：采用带通讯输出的称重控制仪表：仪表直接接受传感器信号，仪表可指示重量、并将重量值采用数字信号经通讯接口传输至DCS或PLC信号模块，由DCS或PLC显示重量值，该方案与方案二近似，差别是由仪表进行控制，DCS仅作数据指示，控制风险较小。

该方案可有效避免仪表和DCS显示值不统一的问题，校秤时仅校称重仪表即可。

缺点：这个方案在目前应用较多，由于信号经过仪表和DCS进行通讯传输，误差不会增加，但计量仪表和DCS的通讯处理比较复杂，需要专门的驱动程序。

一般仪表的通讯稳定性不好，通讯中断不会影响控制功能，但会影响数据显示。

该类称重仪表仅能进行简单的定量控制，而且外围电路比较复杂，需要专门设计驱动电路、手自动切换电路，另外还有几个致命的缺陷就是暂停、配料过程中间退出和驱动机泵比较复杂，通过计算机设置配料参数时会影响正常的控制功能，仪表许多二级设置参数不能在计算机是哪个修改。

4、方案四：采用带模拟电流输出的重量变送器：变送器直接接受传感器信号，但不能现场指示重量，只将重量值转换成4~20mA信号输出至DCS或PLC信号模块，由DCS或PLC 再将4~20mA信号转换成重量值，并由DCS或PLC进行控制。

经过变送仪表和DCS两次转换，误差会大大增加；而且校秤时要先调变送器，然后在DCS上进行校准。

5、方案五：采用西门子等知名公司的专用重量模块，可以克服上述方案存在的信号传输、校准等问题。

缺点：造价高；没有成型产品，用户必须具有程序开发能力，有一定的局限性。

近年来，由于长期从事精细化工的自动化控制工作，在工业称重应用中，以上几种控制方案在工程中都有应用，积累了丰富的工程经验。

先后使用过托利多称重变送器、托利多T600控制仪、志美CB920控制器及国产多个知名品牌设备，均存在这样和那样的问题，集中反映在以下方面：n控制精度难以控制；n通讯互连互通问题最难解决，与现有PLC\DCS接驳困难。

早期产品通讯功能较差，许多参数无法在线修改，修改设置会中断生产；通讯中断频率高；n人机界面简单，信息量较小，普通工人很难掌握；n校准程序复杂，个别甚至必须进行两次校准；n控制程序比较简单，现有产品大多适用于定量包装行业，对于比较复杂的工艺，如化工配料，需要同步控制机泵和阀门，同时需要手自切换、临时中断、随即添加等，在现有控制器上都无法实现。

为此我们组织技术人员，设计开发了新型的称重配料控制系统，选用西门子200系列PLC和液晶显示器，配合自行研发的智能数字称重接线盒进行测量和控制。

该方案核心是采用智能数字接线盒进行称重数据的高速高精度A\D转换，将毫伏信号直接转换成数字信号，采用工业串行通讯协议RS485标准将信号传输至PLC，由PLC进行数据处理、计算和控制，并在需要时将信号传输至DCS系统进行数据监控。

该方案有以下优点：n采用数字接线盒进行一次性信号转换，可达到200000字\mV的分辨率，大大提高了测量精度；n一台称重控制器最多可同时显示控制四台秤（每台秤使用一个数字接线盒），可大大降低设备成本；n采用性能稳定的PLC进行数据处理和控制，由于PLC接受的是通讯信号，不再进行信号转换，不会增加额外误差；PLC直接进行控制可降低设备故障风险，DCS进行监控和数据管理，真正达到了分散控制、集中管理的原则；n由于PLC选用西门子200系列兼容产品，支持PPI、MPI、Profibus、Modbus、以太网等通讯协议，与现有DCS系统和PLC系统兼容性好，不需专门开发驱动程序，调试简单而且通讯稳定，通讯故障率低；n采用液晶显示器进行信息显示，可直接显示中文信息和工艺流程图，比一般数码管式的称重仪表更方便，而且信息量大，除测量参数外，还可以指示操作模式、运行状态、设备状态等信息；配用触摸显示屏还可显示动画，使操作界面更加直观；n可预存多套配方，操作人员可方便调用。

针对化工生产专门设计的随机添料功能，适合化工配料中不合格品处理时的临时定量添料。

n校准方便，即可从现场校准，又可从DCS上进行校准，二者任选其一。

这是以往系统配套中难以克服的弱点；n配好的物料可受控转向不同的目标容器，多个工序使用相同物料时可以共用一套配料系统；n专用触摸按键操作面板和专用接线模组，可直接驱动电磁阀，可靠性高且维修更换方便，比一般开关按钮和分立继电器更适合化工腐蚀环境；n全部二级设置参数均可在计算机上远程修改，而且修改参数不会中断配料过程；n针对不同工艺的成熟控制程序包，用户可根据需要选择，并可根据用户特殊需求开发特殊控制功能，熟悉西门子编程的用户也可自行进行功能扩展；n从经济性上讲，该方案造价低于进口称重控制仪表或进口称重变送器造价，与国产称重控制仪表持平。

常用操作功能n操作模式：装卸联动、定量配方装料、定量配方卸料、随机定量装料、随机定量卸料、手动操作、配方选择、设备闲置。

n运行状态指示：正在装料、正在卸料、装料暂停、卸料暂停、强制中断、配料完成、配料超差、超差检查、延时卸料、装完待卸、闲置n设备状态指示：欠载、超载、动态（秤不稳定）、故障1（传感器通讯故障）、故障2（泵启动故障）n远程监控的通讯参数：所有重量参数、配料参数、内部参数和运行状态均可按权限在线读写，可使用计算机进行远程监控操作。

n过冲量自动补偿功能n远程校准功能n用户需要的其它逻辑控制应用案例一拖一液氯钢瓶充装控制器：一拖六液体配料控制器和同时配四种物料、并由多个出口的配料控制器：一拖四液氯钢瓶充装控制器：术语解释装卸联动：启动后自动向中间容器内装料，装料目标值以当前选定的配方为准，本次实际装入物料重量等于目标值后先进行超差检查，然后停顿预定的时间，再自动向下一容器卸料，卸料量目标值与装料目标值相同，本次实际卸出物料重量等于目标值时自动停止并进行超差检查。

定量装料：启动后自动向中间容器内装料，装料目标值以当前选定的配方为准，本次实际装入物料重量等于目标值后自动停止并进行超差检查。

定量卸料：启动后自动从中间容器向下一容器卸料，卸料量目标值以当前选定的配方为准，本次实际卸出物料重量等于目标值时自动停止并进行超差检查。

随机装料：启动后自动向中间容器内装料，装料目标值以当前设定的临时目标量为准，本次实际装入物料重量等于临时目标值后自动停止并进行超差检查。

在本模式下，按<增加>和<减少>键即可直接调整临时目标量的数值，而且不会改变预置的配方目标量。

在将模式选择改到“装卸联动”“定量装料”“定量卸料”后，目标量仍为原来选定的配方数值。

随机卸料：启动后自动从中间容器向下一容器卸料，卸料目标值以当前设定的临时目标量为准，本次实际卸出物料重量等于临时目标值后自动停止并进行超差检查。

在本模式下，按<增加>和<减少>键即可直接调整临时目标量的数值，而且不会改变预置的配方目标量。

在将模式选择改到“装卸联动”“定量装料”“定量卸料”后，目标量仍为原来选定的配方数值。

注意：以上五种配料方式均为自动配料，即启动后将自动根据预定程序开启或关闭相应阀门和机泵。

配料量均不管中间容器内原有物料的数量，在此基础上装入目标量或卸出目标量。

手动操作：在本模式下，可通过按键直接开关阀门和机泵。

装料暂停：装料过程中人为按下<启动\暂停>或<急停>（或远程命令），配料过程被暂停，再次按下<启动\暂停>或释放<急停>（或远程命令）可继续执行刚才的配料过程。

卸料暂停：卸料过程中人为按下<启动\暂停>或<急停>（或远程命令），配料过程被暂停，再次按下<启动\暂停>或释放<急停>（或远程命令）可继续执行刚才的配料过程。

装完待卸：装卸联动模式下装料完成延时过程中人为按下<启动\暂停>或<急停>（或远程命令），配料过程被暂停，再次按下<启动\暂停>或释放<急停>（或远程命令），将开始卸料。

配料完成：自动装料或卸料过程完成且配料量符合预定范围。

配料超差：自动装料或卸料过程完成且配料量超过预定范围。

强制中断：自动配料过程中人为按下<中断\退出>键（或远程命令），配料过程被人为中断退回初始状态。

延时放料：装料完成后的等候卸料时间。

过冲量：关断动作执行过程中多加的物料重量。

显示画面说明1、首页：上部显示有三个参数，分别为操作模式、运行状态和设备状态。

画面正中显示的实时毛重，下部显示有目标量和已装卸量。

l操作模式包括：设备闲置、装卸联动、定量装料、定量卸料、随机装料、随机卸料、手动操作和配方选择。