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| 儲(chǔ)料罐自動(dòng)配料系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) | 2020-03-07 |
| 摘要：在現(xiàn)有儲(chǔ)料罐PLC配料系統(tǒng)基礎(chǔ)上，結(jié)合PLC和上位PC機(jī)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)部分軟硬件改造來(lái)建構(gòu)低成本儲(chǔ)料罐自動(dòng)配料系統(tǒng)。計(jì)量配料系統(tǒng)探討了其軟硬件構(gòu)成及控制策略等問(wèn)題，介紹上位PC與PLC之間的通信機(jī)制，Windows匿名管道通信技術(shù)，以及上位PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)方法。 自動(dòng)配料系統(tǒng)是儲(chǔ)料罐混合生產(chǎn)過(guò)程的重要組成部分。由于上料現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境差，不適合由操作人員直接在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行人工控制。且反應(yīng)釜混合生產(chǎn)中加入的（主要用于去除廢渣的S、P等）用量大，手動(dòng)稱料時(shí)間長(zhǎng)，而在攪拌末期為了調(diào)整二乙烯三胺成分，加入的粉，鐵粉等價(jià)格昂貴，希望稱量偏差小，由于加料過(guò)程大多是重復(fù)性的操作，操作繁鎖，操作人員工作勞動(dòng)強(qiáng)度大，常常出現(xiàn)稱量過(guò)重等誤操作，造成不必要的生產(chǎn)熱停工時(shí)間。因此如何縮短加料時(shí)間，提高合金配料的準(zhǔn)確度，降低混合成本，減輕操作員的工作強(qiáng)度是一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)曾研究一些自動(dòng)配料，大都以單片機(jī)為主，穩(wěn)定性差、安全可靠性不高，以及編程和人機(jī)交互困難。此外受混合生產(chǎn)工藝和設(shè)備的限制，開(kāi)發(fā)一套功能完整的自動(dòng)配料系統(tǒng)，不僅控制過(guò)程復(fù)雜，而且設(shè)備投資巨大。另一方面，考慮到現(xiàn)有交流儲(chǔ)料罐混合大都采用PLC控制系統(tǒng)，如果充分利用現(xiàn)有PLC資源，以PLC作為主控，普通ＰＣ作為上位機(jī)，利用WIN9X的管道技術(shù)和PLC的中斷通信機(jī)制，保證上位PC機(jī)與PLC之間的實(shí)時(shí)通信。通過(guò)電子稱直接采集重量信號(hào)，自動(dòng)控制稱重，操作人員通過(guò)鍵盤(pán)或鼠標(biāo)在上位機(jī)人機(jī)界面（HMI）上輸入加料信息（加料種類、重量等），監(jiān)視上料控制的全過(guò)程，打印加料的結(jié)果和生產(chǎn)報(bào)表，實(shí)現(xiàn)上料過(guò)程的測(cè)控管一體化，不失為一種切實(shí)可行的有效方法。 1加料過(guò)程用控制策略 自動(dòng)配料系統(tǒng)由8個(gè)高位料倉(cāng)、閥門(mén)、振料電機(jī)，一臺(tái)電子稱和稱料小車，以及一套位置檢測(cè)裝置組成。 上料過(guò)程包括：加料等待、稱料、放料等待、放料及退料等五個(gè)階段。在加料等待階段，小車停反應(yīng)釜后加料口位置上等待控制命令。在稱料階段，根據(jù)操作人員輸入的加料參數(shù)，小車自動(dòng)行走至的料位下，到位后鎖定位置，料倉(cāng)振動(dòng)電機(jī)開(kāi)啟振料。通過(guò)電子稱不斷地采集進(jìn)料量，當(dāng)達(dá)到加料設(shè)定值一提前量時(shí)停車，這里的提前量可由關(guān)閉電機(jī)到停止振動(dòng)的時(shí)間計(jì)算或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)獲得。當(dāng)所加物料是造渣劑時(shí)（如、氧化鋁粉等），立即進(jìn)入放料環(huán)節(jié)，否則進(jìn)入放料等待階段，小車停在原處，等候放料命令的到來(lái)。在放料階段，加料小車根據(jù)加料的種類自動(dòng)行走至反應(yīng)釜前加料口或反應(yīng)釜后加料口，小車到位后打開(kāi)放料閥，放料完畢后小車自動(dòng)停在加料等待位置（即反應(yīng)釜后加料口）上，到待下一次加料。當(dāng)發(fā)生加料誤操作或小車中存有遺料時(shí)，則執(zhí)行退料程序。 加料實(shí)時(shí)控制過(guò)程由一臺(tái)西門(mén)子115U型PLC控制器來(lái)完成，同時(shí)利用與上位PC機(jī)進(jìn)行通信，在上位機(jī)上完成加料參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、打印等功能。 考慮到自動(dòng)配料系統(tǒng)的重要性和安全可靠性，仍舊保留原有的手動(dòng)加料操作手段，因而自動(dòng)配料系統(tǒng)具有自動(dòng)控制和手動(dòng)操作兩種工作模式。在自動(dòng)模式下，操作人員僅需要輸入加料的種類（料倉(cāng)的編號(hào)）和重量等少量信息。PLC配料系統(tǒng)自動(dòng)完成稱料、加料的全過(guò)程。在手動(dòng)操作模式下，就由操作人員手動(dòng)來(lái)完成。 2配料系統(tǒng)硬件構(gòu)成 自動(dòng)配料系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由UPS、PC機(jī)、打印機(jī)、串行轉(zhuǎn)換卡和PLC、電子秤、閥門(mén)、電機(jī)、位置檢測(cè)裝置及其它執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。上位機(jī)通過(guò)RS232/RS485串行轉(zhuǎn)換卡與PLC通信，高速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確地傳輸數(shù)據(jù)。 出于安全考慮，設(shè)立兩臺(tái)PC機(jī)由UPS供電，采用熱備份方式工作，其中任何一臺(tái)PC機(jī)發(fā)生故障，配料系統(tǒng)仍能可靠地運(yùn)行。所有的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制工作都由PLC完成，上位機(jī)只負(fù)責(zé)提供人機(jī)交互界面，進(jìn)行加料數(shù)據(jù)輸入和顯示、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)和報(bào)表打印。當(dāng)兩臺(tái)上位機(jī)同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，PLC自動(dòng)地切換到手動(dòng)操作模式，仍能保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行。同時(shí)，PLC配有電池，可以保存所有系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，PLC一直與上位機(jī)實(shí)時(shí)通信，從而保證界面上顯示的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)的一致性，操作人員在上位機(jī)上發(fā)出的操作命令和設(shè)定參數(shù)都可以實(shí)時(shí)送到PLC上執(zhí)行。 3配料系統(tǒng)軟計(jì)總體設(shè)計(jì) 自動(dòng)配料系統(tǒng)的軟件包括上位機(jī)和PLC兩部分。這兩部分分別編寫(xiě)，并建立相互間的通信協(xié)議。上位機(jī)和PLC各有自已的功能模塊，上位機(jī)通過(guò)通信子程序，PLC通過(guò)通信中斷子程序經(jīng)由RS232/RS485串行總線轉(zhuǎn)換卡建立相互之間的通信聯(lián)接，數(shù)據(jù)以幀的形式在兩者之間進(jìn)行傳遞。 自動(dòng)配料系統(tǒng)為了兼顧通信速度和執(zhí)行效率，上位PC機(jī)與PLC之間的數(shù)據(jù)通信格式設(shè)有兩種，即查詢幀和控制幀，查詢幀只需一個(gè)標(biāo)識(shí)字節(jié)，控制幀包含控制信息，需要128個(gè)字節(jié)或更多。這兩種數(shù)據(jù)幀說(shuō)明如下： ①控制幀----多個(gè)字節(jié)。個(gè)字節(jié)為標(biāo)識(shí)符，值為0。后面字節(jié)包含所有的控制信息，如料位號(hào)，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(gè)標(biāo)識(shí)字節(jié)，值為1 上位機(jī)與PLC的握手機(jī)制如下： PLC一直以中斷方式接收上位機(jī)的數(shù)據(jù)幀。如果是查詢幀則馬上向上位機(jī)傳送當(dāng)前控制信息；如為控制幀，則等執(zhí)行完后，再送回?cái)?shù)據(jù)給上位機(jī)。如果通信出現(xiàn)故障，PLC進(jìn)入脫機(jī)工作狀態(tài)，由上位機(jī)負(fù)責(zé)來(lái)恢復(fù)通信。 為了保持上位機(jī)和PLC參數(shù)設(shè)置和控制狀態(tài)的一致，PLC負(fù)責(zé)保存所有系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。上位機(jī)剛開(kāi)機(jī)時(shí)，先發(fā)查詢幀，獲得當(dāng)前PLC的實(shí)際狀態(tài)數(shù)據(jù)（包括現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和操作員以前設(shè)定的系統(tǒng)數(shù)據(jù)）。然后上位機(jī)一直向PLC發(fā)命令：若有控制動(dòng)作，則發(fā)控制幀；若沒(méi)有，則發(fā)查詢幀。正常情況下，PLC接收到上位機(jī)的查詢幀就立即向上位機(jī)發(fā)送格式相同的數(shù)據(jù)回應(yīng)幀。由于PLC一直在循環(huán)執(zhí)行主程序，而以中斷方式處理與上位機(jī)的通信，并且這種中斷優(yōu)先級(jí)，因而保證了上位機(jī)的控制命令能及時(shí)得到響應(yīng)。 3.1`上位機(jī)軟件 上位機(jī)分成主模塊、加料參數(shù)設(shè)置、過(guò)程畫(huà)面、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、通信等模塊。主要是進(jìn)行加料參數(shù)輸入、過(guò)程畫(huà)面顯示、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、打印及數(shù)據(jù)庫(kù)的產(chǎn)生和維護(hù)等。為了上位機(jī)與PLC之間通信能實(shí)時(shí)、高速、穩(wěn)定地進(jìn)行。上位機(jī)單獨(dú)設(shè)立通信子程序，在后立運(yùn)行，主程序與通信子程序之間的數(shù)據(jù)交換通過(guò)管道來(lái)實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)軟件在Win95上采用具有良好圖形用戶界面的VB6.0實(shí)現(xiàn)。 3.2主程序 主程序?qū)Ω鱾€(gè)模塊進(jìn)行統(tǒng)一管理，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的初始化，加料參數(shù)設(shè)置，過(guò)程模擬畫(huà)面的數(shù)據(jù)更新及統(tǒng)計(jì)報(bào)表，打印，數(shù)據(jù)庫(kù)的產(chǎn)生和維護(hù)等。 為了使過(guò)程模擬畫(huà)面直觀簡(jiǎn)潔，不易出錯(cuò)。在界面設(shè)計(jì)上采用狀態(tài)顯示和操作鍵合一的方法。即畫(huà)面上的控件一直實(shí)時(shí)顯示對(duì)應(yīng)對(duì)象的實(shí)際狀態(tài)，同時(shí)操作人員可以通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊來(lái)直接選擇物料和輸入料重等參數(shù)，并由PLC所上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行畫(huà)面狀態(tài)的刷新。 在數(shù)據(jù)庫(kù)管理上，為了便于車間或作業(yè)區(qū)人員進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和報(bào)表，設(shè)計(jì)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(shí)為了方便班組間的勞動(dòng)競(jìng)賽和生產(chǎn)指標(biāo)對(duì)比，數(shù)據(jù)庫(kù)管理上設(shè)立了操作人員換班簽到制度，為此設(shè)立了兩種表格（即月、年報(bào)表），各班組當(dāng)班生產(chǎn)情況記錄在各自的月年報(bào)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(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)便于班組之間的橫向?qū)Ρ?，也有利于整個(gè)反應(yīng)釜生產(chǎn)的生產(chǎn)報(bào)表和統(tǒng)計(jì)分析。 3.3進(jìn)程間通信與同步 稱重配料系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的通信，軟件中使用了WIN95提供的匿名管道。首先通過(guò)調(diào)用WIN32API中的CreatePipe函數(shù)建立管道。該函數(shù)返回兩個(gè)句柄，一個(gè)用于讀，一個(gè)用于寫(xiě)。在主進(jìn)程中，建立管道后，需要將句柄傳遞給通信子進(jìn)程，子進(jìn)程才能讀取管道中的數(shù)據(jù)。由于匿名管道只能單向傳遞數(shù)據(jù)，為了能實(shí)現(xiàn)通信子進(jìn)程向主進(jìn)程傳遞數(shù)據(jù)，在子進(jìn)程中也要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)管道，并把讀句柄傳給主進(jìn)程。實(shí)現(xiàn)這一操作的的方法就是使用每個(gè)程序默認(rèn)使用的標(biāo)準(zhǔn)輸入和標(biāo)準(zhǔn)輸出句柄。在主進(jìn)程中設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)句柄，子進(jìn)程從主進(jìn)程那里繼承標(biāo)準(zhǔn)句柄，通過(guò)將子進(jìn)程創(chuàng)建的管道句柄設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)句柄，并由主進(jìn)程繼承它，可以實(shí)現(xiàn)主進(jìn)程和通信子進(jìn)程之間的雙向通信。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程向管道中寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，寫(xiě)操作立即返回，從而保證了主進(jìn)程與通信子進(jìn)程之間實(shí)時(shí)高速地傳輸數(shù)據(jù)。由于Windows匿名管道數(shù)據(jù)傳遞的單向性，從而確保了主進(jìn)程與通信子進(jìn)程之間不會(huì)產(chǎn)生沖突，很好地處理了進(jìn)程間通信的同步問(wèn)題。 3.4通信子程序 通信子程序是上位PC機(jī)和PLC之間的聯(lián)系紐帶。負(fù)責(zé)確保來(lái)自主進(jìn)程的用戶的設(shè)定數(shù)據(jù)和控制命令及時(shí)送給PLC，然后根據(jù)PLC送回的數(shù)據(jù)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(diào)用Windows的API函數(shù)，其編程繁瑣，使用較復(fù)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(shí)現(xiàn)異步通信有兩種方式：即查詢方式和事件驅(qū)動(dòng)方式?？紤]到實(shí)時(shí)控制中對(duì)可靠性的要求，選擇事件驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行通信。這是一種功能很強(qiáng)串行通信方式，它可隨時(shí)檢測(cè)到通信事件的發(fā)生，保證通信的高可靠性。 4結(jié)論 本稱重配料系統(tǒng)上位機(jī)和PLC之間采用嚴(yán)格的算法控制，管道通信技術(shù)，減少了系統(tǒng)通信量，提高了通信速度和效率。上位機(jī)形象直觀的過(guò)程模擬畫(huà)。 | |
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