邵偉恒，鄒 偉

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

基于LabVIEW的自動(dòng)配料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邵偉恒，鄒 偉

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

針對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程配料系統(tǒng)精度差、效率低、維修量大、人機(jī)界面不友好、成本高等問(wèn)題，將總線(xiàn)控制技術(shù)、分時(shí)復(fù)用技術(shù)和精確稱(chēng)重技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套基于Labview的自動(dòng)混配料控制系統(tǒng)。給出了系統(tǒng)的通訊設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)及硬件設(shè)計(jì)。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果證明，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)、快捷、友好、精確可靠的完成配料生產(chǎn)。

自動(dòng)配料 ； LabVIEW；總線(xiàn)控制技術(shù)

引言

配料是生產(chǎn)工藝中十分重要的一道工序，配料精度的高低直接影響到最終產(chǎn)品的性能。傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，是由工人根據(jù)生產(chǎn)要求，計(jì)算每種物料的配料比例，并根據(jù)計(jì)算出的比例手動(dòng)控制每種物料的下料量，來(lái)滿(mǎn)足生產(chǎn)要求[1]。通常傳統(tǒng)的配料工作操作流程復(fù)雜，耗時(shí)長(zhǎng)、效率低、計(jì)量精度低等缺點(diǎn)[2，3]。目前全自動(dòng)配混料控制系統(tǒng)在化工、冶金、建材及有色金屬等行業(yè)中應(yīng)用廣泛。

為了提高傳統(tǒng)配料系統(tǒng)的效率和精度，本文基于LabVIEW、研華模塊、稱(chēng)重模塊和流量計(jì)等設(shè)計(jì)了一套低成本、全自動(dòng)、高精度的物料輸送、實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的組成

該系統(tǒng)上位機(jī)由LabVIEW編寫(xiě)，能夠?qū)崿F(xiàn)物料的綜合配比，實(shí)時(shí)監(jiān)控，錯(cuò)誤判斷，故障報(bào)警，誤操作警示等功能。該系統(tǒng)的下位機(jī)由稱(chēng)重稱(chēng)1和2、研華數(shù)字輸出模塊ADAM4068、流量計(jì)及研華數(shù)字輸入模塊ADAM4053組成。系統(tǒng)采用總線(xiàn)控制技術(shù)，通過(guò)MODBUS通訊，將研華數(shù)字量輸入輸出模塊，稱(chēng)重稱(chēng)模塊、流量計(jì)連接起來(lái)。能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀取，清零，輸出控制，輸入檢測(cè)等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 配料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 配料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

配料系統(tǒng)由冷水儲(chǔ)藏罐，母液A料罐1#和2#，母液B料罐1#、2#和3#，復(fù)配釜1，復(fù)配釜2，成品罐。冷水罐帶有冷水泵，母液A料、母液B料罐及復(fù)配釜下面有電動(dòng)閥門(mén)，電動(dòng)閥門(mén)有完全打開(kāi)、完全關(guān)閉和半開(kāi)半閉三種狀態(tài)；裝車(chē)泵配有流量計(jì)，可以控制裝車(chē)料的重量。配料系統(tǒng)組成圖如圖2所示。

圖2 配料系統(tǒng)組成圖

2.1 系統(tǒng)基本原則

配料系統(tǒng)泵與閥在設(shè)計(jì)過(guò)程中要滿(mǎn)足具有如下功能：

1）開(kāi)泵之前要開(kāi)閥門(mén)，關(guān)閥門(mén)之前要先關(guān)閉泵，否則回造成設(shè)備損壞。因此本系統(tǒng)在閥門(mén)未開(kāi)之前，泵的輸入數(shù)灰色不可用狀態(tài)（如圖1所示）。

2）電動(dòng)閥在完全打開(kāi)以后才可以打開(kāi)泵。需要對(duì)電動(dòng)閥進(jìn)行打開(kāi)和關(guān)閉檢查，如果打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)間超過(guò)30s，軟件要進(jìn)行報(bào)警。

3）由于流體的運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致稱(chēng)重稱(chēng)測(cè)試值不能準(zhǔn)確反映靜態(tài)重量，因此需要對(duì)主泵和輔助泵進(jìn)行分級(jí)控制。

4）為了節(jié)約成本，該系統(tǒng)采用分時(shí)復(fù)用的設(shè)計(jì)理念，總體包括五中料的傳輸，但是在傳輸過(guò)程中，不能同時(shí)傳輸A1和A2；也不能同時(shí)傳輸B1~B3，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要針對(duì)五種料的開(kāi)關(guān)進(jìn)行保護(hù)限制，防止用戶(hù)誤動(dòng)作。

5）為了方便操作人員記錄配料方式，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了組合方案。該方案可以自由配比配料方式，并能夠進(jìn)行保存于記錄，且每次打入的原料都會(huì)在左側(cè)中予以顯示。

6）在每種原料配比完成以后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉泵和閥門(mén)。如果為組合方案，系統(tǒng)會(huì)對(duì)上一次原料清零并自動(dòng)打入下一種原料。

7）軟件需帶有密碼程序。通過(guò)該密碼程序管理不同用戶(hù)的權(quán)限。

本系統(tǒng)內(nèi)部程序采用多線(xiàn)程+狀態(tài)機(jī)的控制方式，針對(duì)不同的時(shí)序要求，設(shè)計(jì)不同的程序，用戶(hù)使用起來(lái)友好，不卡頓，各種提示信息齊全，方便操作人員進(jìn)行操作。

2.2 軟件程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)上位機(jī)采用Labview作為主要設(shè)計(jì)軟件，LabVIEW采用圖形化編程語(yǔ)言（G語(yǔ)言），與傳統(tǒng)的文本編程語(yǔ)言有顯著的區(qū)別，許多文本語(yǔ)言的架構(gòu)不適合LabVIEW[4]。

軟件程序主要包括泵閥一體化子程序設(shè)計(jì)，通訊控制子程序設(shè)計(jì)，證書(shū)子程序設(shè)計(jì)，顯示子程序設(shè)計(jì)以及組合方案子程序設(shè)計(jì)五個(gè)部分。主程序中利用Labview并行處理的功能，將這五個(gè)部分依據(jù)不同的采樣速率進(jìn)行分類(lèi)處理。這樣不但可以方便編程，而且可以實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)交流無(wú)卡頓現(xiàn)象，針對(duì)硬件通訊可以采用1 s采樣率，針對(duì)用戶(hù)顯示子程序可以采用50~80 ms的掃描周期，針對(duì)組合方案子程序，可以方便設(shè)計(jì)延時(shí)等待。程序Labview設(shè)計(jì)如圖3所示。

泵閥一體化子程序設(shè)計(jì)主要是為了實(shí)現(xiàn)不同原料之間區(qū)分，針對(duì)不同的系統(tǒng)，多種原料配比可以通過(guò)增加對(duì)該子程序的引用數(shù)量來(lái)完成，方便系統(tǒng)升級(jí)和擴(kuò)展。該程序的輸入全部為L(zhǎng)abview地址變量，在主程序引用時(shí)，只需要將顯示或輸入控件的引用連接到該子程序的輸入即可。改程序內(nèi)部設(shè)置，打入偏差自動(dòng)檢測(cè)，瞬時(shí)流量檢測(cè)報(bào)警，錯(cuò)誤輸入報(bào)警提示等功能。

通訊控制子程序，主要實(shí)現(xiàn)與硬件設(shè)備的接口，為了控制打入量的檢測(cè)精度，一般設(shè)置1 s采樣周期，設(shè)備的延時(shí)時(shí)間設(shè)置為500 ms以?xún)?nèi)，防止某一個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障導(dǎo)致通訊時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響打入原料量的檢測(cè)，造成打入誤差。也可以通過(guò)下位機(jī)硬件進(jìn)行打入量的檢測(cè)，提高系統(tǒng)可靠性及打入精度。

顯示子程序主要處理人機(jī)交互命令，對(duì)用戶(hù)的輸入操作進(jìn)行命令解析，提示錯(cuò)誤，信號(hào)狀態(tài)檢查等工作。

組合方案子程序通過(guò)狀態(tài)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用狀態(tài)機(jī)模型編寫(xiě)的LabVIEW程序，具有很好的可讀性、擴(kuò)展性、維護(hù)性和代碼重用性。LabVIEW程序設(shè)計(jì)模式總，狀態(tài)機(jī)和生產(chǎn)者/消費(fèi)者的結(jié)構(gòu)最為普遍，狀態(tài)機(jī)包含三要素：狀態(tài)（State）、事件（Event）和動(dòng)作（Action）[5]。對(duì)于組合方案設(shè)計(jì)，該模式十分適用。

圖3 泵閥一體化子程序調(diào)用圖

圖4 組合方案狀態(tài)機(jī)示意圖

首先打入A1料，然后對(duì)其軟硬件狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)的硬件輸入信息，決定系統(tǒng)運(yùn)行到哪一步，本程序針對(duì)組合方案控制。具體程序流程圖如圖4所示。其中準(zhǔn)備工作包括重量清零，打入量設(shè)置，打開(kāi)閥門(mén)。料打入操作主要包括開(kāi)啟對(duì)應(yīng)泵，檢查設(shè)備故障，檢查打入完成標(biāo)志。改程序包括狀態(tài)機(jī)程序有兩個(gè)停止觸發(fā)源，一是檢測(cè)到系統(tǒng)故障，立即停止配料操作，二是收到用戶(hù)停止配料命令，立即停止配料操作。組合方案在程序設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用非定時(shí)Labview循環(huán)，而通訊控制子程序，顯示子程序，證書(shū)子程序，泵閥一體化子程序盡量采用定時(shí)循環(huán)，且顯示子程序和泵閥一體化子程序循環(huán)周期要小于組合方案子程序。

圖5 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖

2.3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖如圖5所示。硬件設(shè)計(jì)采用3塊4068作為數(shù)字量輸出控制，驅(qū)動(dòng)繼電器輸出，輸出數(shù)字量包括各種閥門(mén)的開(kāi)關(guān)，泵類(lèi)開(kāi)關(guān)，攪拌電機(jī)的開(kāi)關(guān)等。4053模塊用來(lái)讀取對(duì)閥門(mén)全開(kāi)和全關(guān)數(shù)字信號(hào)。其中所有模塊的通訊都采用RS485總線(xiàn)，采用屏蔽雙絞線(xiàn)，單端接地，終端電阻120 Ω。

3 結(jié)語(yǔ)

目前該系統(tǒng)已經(jīng)被某公司成功應(yīng)用于多家配料企業(yè)。實(shí)際應(yīng)用表明，該控制系統(tǒng)在多路復(fù)用的情況下，能夠十分友好地完成包括冷水在內(nèi)的六種原料的配比工作。該自動(dòng)配料系統(tǒng)兼顧了功能和成本的同時(shí)，提高了配料精度和效率，方便了操作人員，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景和很高的實(shí)用價(jià)值。

[1]趙興森, 文生平, 徐永謙.基于PLC的自動(dòng)配料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2013, 21(4):962.

[2]潘寶霞, 賈朝陽(yáng).20kt/a聚丙烯擠壓造粒裝置配料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].化工機(jī)械, 2011, 38(1): 46～48.

[3]孟慶祥, 姜永成, 朱光強(qiáng),等.基于PLC的自動(dòng)混配料控制系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表, 2016(3):321-323.

[4]聶影, 馮向軍, 廖璞.基于LabVIEW的狀態(tài)機(jī)模型研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2007, 15(9): 1166.

[5]葉楓樺, 周新聰, 白秀琴,等.基于LabVIEW隊(duì)列狀態(tài)機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].虛擬儀器與應(yīng)用, 2010(4):204-206.

Design of Automatic Control System Based on LabVIEW

SHAO Wei-heng, ZOU Wei
(The 5th Electronics Research Institute of the Ministry of Industry and Information Technology, Guangzhou 510610)

Aiming at these problems of the traditional industrial production automatic process, such as poor accuracy, low efficiency, large amount of maintenance, unfriendly man-machine interface, and high cost, combined with the field bus control technology, the time-sharing multiplexing technology, and the precise weighing technology, an automatic control system based on LabVIEW is designed.The communication design, software design and hardware design of the system are presented.The results of the field application show that the system can be automatic, fast, friendly, accurate and reliable.

automatic; LabVIEW; field bus control technology

TP227

A

1004-7204（2016）05-0132-04

邵偉恒(1989-)，男，河北圍場(chǎng)縣人，碩士，助理工程師，從事電子電氣產(chǎn)品可靠性及自動(dòng)化控制及檢測(cè)技術(shù)的研究。