張伯文 吳偉 周向榮

摘? 要：針對包裝車間鎳摞人工計量時效率低、精度差，控制難的問題，采用復(fù)秤對比的方式精確計量鎳摞重量，利用西門子控制器Smart200PLC通過RS485口的自由口協(xié)議及RS232轉(zhuǎn)485模塊UT201B與托利多IND331稱重儀表自帶的RS232口通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，通過PLC軟件編程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，滿足系統(tǒng)控制要求，并提供報警功能;同時通過PLC作profinet IO與主控1500PLC通信，滿足車間mes終端數(shù)據(jù)采集要求。

關(guān)鍵詞：復(fù)秤對比;鎳摞精確計量;Smart200PLC;IND331稱重儀表;RS232通信;控制

中圖分類號：TP29? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）19-0157-04

Design of Repeated Weighing Comparison Nickel Stack Precision Metering System

ZHANG Bowen1，2， WU Wei1，2， ZHOU Xiangrong1，2

（1.Changsha Institute of Mining Research Co.， Ltd.， Changsha? 410012， China; 2.National Metal Mining Engineering Technology Research Center， Changsha? 410012， China）

Abstract： Aiming at the problems of low efficiency， poor accuracy and difficult control in manual measurement of nickel stack in packaging workshop， the weight of nickel stack is accurately measured by repeated weighing comparison. Using Siemens controller Smart200PLC and the free port protocol of RS485 port， and RS232 to 485 module UT201B communicates with the built-in RS232 port of the Toledo IND331 weighing instrument for data acquisition， and performs data processing through PLC software programming to meet system control requirements and provide alarm functions; at the same time， it communicates with the main control 1500PLC through using the PLC as profinet IO to meet the workshop mes terminal data collection requirements.

Keywords： repeated weighing comparison; precision measurement of nickel stack; Smart200PLC; IND331 weighing instrument; RS232 communication; control

0? 引? 言

本系統(tǒng)設(shè)計為配合金川集團(tuán)“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用”融合創(chuàng)新應(yīng)用重點項目之鎳冶煉廠成品車間建設(shè)全國最大智能化成品包裝車間而實施的大板鎳智能剪切包裝生產(chǎn)線中稱重計量環(huán)節(jié)。具體要求為：當(dāng)自動轉(zhuǎn)運的AGV小車把鎳摞放到秤臺上，稱重系統(tǒng)穩(wěn)定一段時間后，自動將兩臺秤稱重的結(jié)果發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)比較兩次結(jié)果，滿足兩次結(jié)果差值不超過0.5 kg的重量要求，且重量在對應(yīng)品類的重量范圍內(nèi)，才允許進(jìn)行噴碼工作，否則報警提示，請求人工介入處理。

因此，新設(shè)計的稱重計量系統(tǒng)需要滿足三個功能[1，2]：

（1）效率問題：原來包裝車間采用單獨計量，多次稱重，采用天車或者叉車的人工轉(zhuǎn)運方法來保證生產(chǎn)要求，原來的生產(chǎn)方式勞動強(qiáng)度高，人員配套多，安全風(fēng)險大，在操作難度、生產(chǎn)效率上受到很大的限制。車間年生產(chǎn)鎳摞由2012年的8萬噸到現(xiàn)在的14萬噸，而生產(chǎn)人員年減5～6人，因此，提高效率迫在眉睫。

（2）精度問題：車間原來生產(chǎn)配套稱重計量設(shè)備是針對當(dāng)時的電解鎳薄板計重模式設(shè)計，電解鎳薄板單塊重量在40～45 kg/片，單塊鎳板厚度為6～8 mm，總鎳摞包裝重量1 500±30 kg，片數(shù)為26～30片不等。新系統(tǒng)除了滿足以前的薄板計重要求外，還需滿足后續(xù)增加厚板計塊要求，每摞厚板計塊22塊，單摞鎳板重1 800～2 200 kg。

（3）控制要求：車間以前的測量結(jié)果不參與自動控制，由人工判別。而新系統(tǒng)要滿足測量結(jié)果最少10秒以上結(jié)果穩(wěn)定時間;主副秤差值不得大于0.5 kg，大于輸出報警;計量結(jié)果不在對應(yīng)品類（如薄板、厚板）的重量范圍內(nèi)報警;數(shù)據(jù)結(jié)果需要上傳主控1 500PLC，以便后期的mes數(shù)據(jù)采集。

1? 系統(tǒng)方案設(shè)計及硬件選擇

1.1? 秤及稱重方式選擇

為了解決稱重系統(tǒng)效率問題，我們仔細(xì)咨詢秤專業(yè)廠家如梅特勒-托利多公司業(yè)務(wù)人員，網(wǎng)絡(luò)搜集秤計量的方式，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，決定采用復(fù)秤對比形式，即一臺秤疊加于另一臺秤上，只需一次就可以實現(xiàn)同時稱出兩個結(jié)果，減少操作，提高效率?？紤]到金川公司已大量使用梅特勒-托利多的秤，從減少備件和人員熟悉程度出發(fā)，我們選擇梅特勒-托利多品牌的PFA584 平臺秤，該秤主要由4個0745A傳感器和1臺IND331儀表組成，精度可做到分度數(shù)6 000e[5]。按厚板要求傳感器量程3 000 kg來算，為保證最小0.5 kg的精度，最小分辨率需達(dá)到0.5/3 000=1/6 000，因此能滿足精度要求。

1.2? 數(shù)據(jù)采集方式選擇

季男等在《稱重系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的幾種方法》中總結(jié)了4種稱重數(shù)據(jù)的采集方法，并對每種方法的特點進(jìn)行了分析和說明：

（1）用模擬量輸入模板數(shù)據(jù)采集方式采集稱重數(shù)據(jù)。

（2）用專用稱重模塊采集稱重數(shù)據(jù)。

（3）用點對點數(shù)據(jù)通信方式采集稱重數(shù)據(jù)。

（4）用 PROFIBUS? 現(xiàn)場總線方式采集稱重數(shù)據(jù)。

對比上述四種采集方式，模擬量輸入方式雖然簡單但存在一定的誤差;稱重模板的方式雖然比較精準(zhǔn)，但也存在一定的局限性;而點對點數(shù)據(jù)通信和用 PROFIBUS 總線采集數(shù)據(jù)適合具有標(biāo)準(zhǔn)串口的設(shè)備，但有一定的技術(shù)難度[3]。

查看梅特勒-托利多IND331儀表本身有1個標(biāo)準(zhǔn)RS232串口com1，可選RS232/485串口選件，本著經(jīng)濟(jì)實用的原則，我們選用RS232點對點數(shù)據(jù)通信方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。考慮到1500CPU 1513-1PN（型號：6ES7 513-1AL02-0AB0）作為主控PLC，既要與5臺庫卡機(jī)器人、視覺主機(jī)、AGV主機(jī)通信，又要承擔(dān)整個生產(chǎn)系統(tǒng)的控制協(xié)調(diào)工作，因此采用新增smart200PLC作為從站，承擔(dān)稱重數(shù)據(jù)采集任務(wù)，減少1500PLC的負(fù)擔(dān)，減少采購成本;Smart 200與1500PLC采用PROFINET通信來保障數(shù)據(jù)的實時性。smart200只需與2臺精秤通信，不需多的控制功能，因此選用ST20（型號：6ES7 288-1ST20-0AA0），串口通信的方式?？紤]到秤通過RS232或485通訊時不能分配地址，因此每臺秤需要一路串口，而ST20本身自帶1路485串口，只能與1臺秤進(jìn)行，所以還需擴(kuò)展1路485串口，我們選用增加RS232/485通信信號板SB CM01（型號：6ES7 288-5CM01-0AA0）與另一臺秤進(jìn)行自由口通信。smart200支持的RS485網(wǎng)絡(luò)在波特率為9 600～1 875 00時最長距離為50米[4]。

1.3? 計量系統(tǒng)設(shè)計方案圖

設(shè)計方案為西門子Smart200PLC通過Port0及port1的RS485口（自由口協(xié)議）編程，及使用RS232轉(zhuǎn)485模塊（如深圳宇泰公司的UT201B）與托利多IND331稱重儀表自帶的RS232口進(jìn)行通訊，從而在不增加托利多PLC選件板的情況下實現(xiàn)秤數(shù)據(jù)的采集。方案圖如圖1所示。

2? IND331儀表參數(shù)設(shè)置及協(xié)議解析

2.1? 儀表參數(shù)設(shè)置

托利多IND331儀表串口有1個標(biāo)準(zhǔn)串口 RS-232（COM1），300～115 200波特率;1個可選串口RS-232/485（COM2），300～115 200波特率，但不支持具有地址識別的多路通信。其支持協(xié)議有串口輸入：ASCⅡ指令CPTZ（清皮，去皮，打印，清零），SICS（提供1級和2級接口指令）;串口輸出：連續(xù)輸出，擴(kuò)展連續(xù)輸出，命令輸出（限定格式）[5]。

要想進(jìn)行RS232串口通信，我們要設(shè)置如下參數(shù)：

（1）串口1任務(wù)：連續(xù)輸出

（2）檢查串口1：波特率=9 600;數(shù)據(jù)位=8;奇偶校驗=無

2.2? 通信協(xié)議解析

本系統(tǒng)設(shè)計采用連續(xù)輸出方式進(jìn)行RS232串口通信。IND331能夠向遠(yuǎn)程設(shè)備（如PC 或遠(yuǎn)程顯示屏）連續(xù)發(fā)送重量數(shù)據(jù)和秤的狀態(tài)信息。連續(xù)輸出的數(shù)據(jù)格式如圖2所示。

其中：

（1）數(shù)據(jù)輸出以十六進(jìn)制02開始，ASCII回車字符（0D hex）。

（2）顯示的重量?？梢允敲鼗騼糁?。六位，沒有小數(shù)點或符號。不足六位前補(bǔ)空格。

（3）校驗和啟用時才發(fā)送校驗位。校驗和用于檢測數(shù)據(jù)發(fā)送中的錯誤。

我們使用《大傻串口調(diào)試軟件 3.0》監(jiān)測數(shù)據(jù)，如圖3所示。

接收到的數(shù)據(jù)為：

02 3B 30 20 20 20 31 36 38 3520 20 20 20 30 30 0D

共為17個字符，沒有校驗。

通過數(shù)據(jù)讀取的重量為1 685，根據(jù)SWA定義的1位小數(shù)及SWB定義的單位kg和正負(fù)屬性，可以得出實際重量為：168.5 kg。

3? 程序軟件設(shè)計

3.1? 初始化端口

本程序段是設(shè)置smart200的Port0端口為自有協(xié)議，SMB30的值為09H，說明為“自由口協(xié)議，波特率9 600，8個數(shù)據(jù)位，無校驗位”;SMB87的值為BOH，說明“接收信息使能被使能，使用SMB88數(shù)值檢測信息開始，使用SMB89數(shù)值檢測信息結(jié)束，使用SMB90數(shù)據(jù)檢測空閑條件，使用SMB92超出時間段，信息終止，使用SMB94最大接收字符數(shù)”，這些參數(shù)的設(shè)置與上述稱重顯示儀的參數(shù)設(shè)置一致。

3.2? 接收數(shù)據(jù)

使用RCV指令每500 ms接收1次數(shù)據(jù)存于VB1100開始的19個字節(jié)。其中VB1100為接收的字節(jié)數(shù)，正常=17，有校驗碼時=18;VB1101為起始字符，固定=02H（H代表16進(jìn)制）;VB1102-VB1104為IND331的狀態(tài)字SWA、SWB、SWC，共3個字節(jié);VB1105-VB1110為重量顯示值，共6個字節(jié);VB1111-VB1116 為皮重顯示值，共6個字節(jié);VB1117為結(jié)束符，正常=0DH。

3.3? 數(shù)據(jù)處理

將VB1105至VB1110所存的數(shù)據(jù)存至VB1120至VB1125中，然后通過將這些字節(jié)的字符串組轉(zhuǎn)換為雙整型賦值給VD1130，如果通訊中斷，則VB1100=0，將0強(qiáng)制賦值給VD1130;再將VD1130轉(zhuǎn)換成實數(shù)型賦給VD1140，考慮到小數(shù)點為1位，所以VD1140除10給VD1144。VB1103.1為稱重儀表中SW-B中數(shù)位1，代表符號是正還是負(fù)。如果為1則VD1144的值乘-1.0。

3.4? 穩(wěn)定輸出

當(dāng)檢測到有料后，每秒將本次數(shù)據(jù)值與上次數(shù)據(jù)值對比，相等則自動加1，不相等重新計數(shù)，穩(wěn)定10秒后輸出穩(wěn)定信號位 Q1170.0，在計數(shù)期間黃燈提示。穩(wěn)定信號輸出的瞬間，記錄當(dāng)前的主秤重量和副秤重量，以便做差值比較。

3.5? 10秒后主副秤差值對比程序

穩(wěn)定輸出后，進(jìn)行主副秤差值比較，取絕對值，如果主副秤差值大于0.5 kg，則置位“主副秤超差”信號，待人工處理后方可復(fù)位。

3.6? 10秒后根據(jù)板型檢查重量是否達(dá)標(biāo)

薄板鎳摞的重量范圍為1 470～1 530 kg，厚板鎳摞的重量范圍為1 800～2 200 kg，主秤重量根據(jù)上位選擇比較，如果超出對應(yīng)板型的重量范圍，則置位“主秤超范圍”信號，待人工處理后方可復(fù)位。

3.7? 故障輸出及復(fù)位

當(dāng)有料檢測光電開關(guān)沒料時，主秤和副秤重量不為0.0，則提示“秤未清零”，同時蜂鳴器和故障燈輸出。

當(dāng)主秤未清零、副秤未清零、主副秤超差、主秤超范圍四個故障信號有輸出時故障紅燈輸出，同時蜂鳴報警，當(dāng)人工處理時，可關(guān)閉蜂鳴，減少噪音。而沒有故障紅燈和報警黃燈信號，則輸出正常綠燈信號

當(dāng)?shù)?個掃描脈沖SM0.1時，或者人工復(fù)位按鈕閉合時復(fù)位主秤未清零、副秤未清零、主副秤超差、主秤超范圍和蜂鳴。

3.8? Smart200 與1500PLC profinet IO通訊

從STEP 7-Micro/WIN SMART V2.5版本開始，支持作智能IO設(shè)備，因此需要升級固件到 V2.5，然后通過 profinet配置向?qū)?，并?dǎo)出GSD文件給1500PLC。

當(dāng)ST20組態(tài)為PROFINET智能設(shè)備后，如果和上位IO控制器沒有連接或者組態(tài)不匹配時，ERROR指示燈就會以1 Hz的頻率閃爍。

4? 使用效果

現(xiàn)場效果如圖4所示。圖4（a）為復(fù)秤計量鎳摞的生產(chǎn)圖，圖4（b）為ind331儀表，圖4（c）為ST20控制器，圖4（d）為UT201B轉(zhuǎn)換模塊。主副秤的0745A傳感器把鎳摞重量數(shù)量發(fā)送給各自的ind331儀表，ST20控制器通過UT201B轉(zhuǎn)換器與ind331儀表的RS232口通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，ST20控制器通過軟件編程實現(xiàn)控制報警功能和上位機(jī)通信功能。

本系統(tǒng)自2021年1月開始投入使用，一直運行穩(wěn)定可靠，充分成功地驗證了設(shè)計，其實際效果得到了金川公司領(lǐng)導(dǎo)和生產(chǎn)現(xiàn)場人員的認(rèn)可和稱贊，為金川集團(tuán)鎳冶煉廠成品車間成功建設(shè)全國最大智能化成品包裝車間提供了有力支持。

5? 結(jié)? 論

本設(shè)計通過復(fù)秤對比的計量方式解決了鎳摞生產(chǎn)精密計量效率問題，通過Smart200PLC與IND331的自由口通訊實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集，通過軟件編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和穩(wěn)定輸出，以及報警的控制功能。

本文不但介紹了IND331的協(xié)議，還注明了實施中使用的元件型號，并對程序設(shè)計作出了解釋，對于初次使用smart 200PLC與托利多IND331秤通過RS232通訊的朋友可提供借鑒作用，該方案中若IN331選配485通訊板（型號72225757），則可取消 RS232轉(zhuǎn)RS485模塊UT201B，進(jìn)行RS485通訊時，只需變動硬件接線回路，編程可不做改動，可取得同樣效果。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：張伯文（1977—）男，漢族，湖南寧鄉(xiāng)人，電氣工程師，本科，主要研究方向：電氣自動化控制。