1.前言

在现代工业生产中，经常需要将多种原料按一定的比例混合，以制造某种产品，这种将一种原料与其它几种原料按事先设定的比例进行混合配料的配料称重系统在工业生产过程中有着广泛的应用，它能根据事先设定的配料单，将各种不同的原料在不同的称重设备中进行称量配料。
炼钢保护渣是现代炼钢冶金中常用的材料之一，它在钢坯的浇铸和凝固过程中，直接影响钢坯质量的好坏。保护渣由石灰石、玻璃粉、石墨、水泥、工业氯化钠、苏打等八种物料按一定比例进行配制的。配料的精度对钢坯质量有着很大的影响。因此，精确、高效的称量设备不仅能提高生产率，而且是生产优质保护渣的保证。
结合冶金行业中炼钢保护渣配料工艺，开发设计出本自动配料系统并可以通过网络实现远程监控。
   2.方案论证
　　2.1 系统工艺流程
　　炼钢保护渣是由石灰石、玻璃粉、石墨、水泥、工业氯化钠、苏打等8种物料按照一定的比例进行配制的,其配料系统的工艺过程如图1所示。贮料仓料门控制8种物料分别放入8个贮料中,8个贮仓料在圆锥形中间漏斗上方围成一圈(图中只画出2个贮料仓),物料依次经中间漏斗放入电子秤中进行称量。贮料仓分为上料仓和下料仓,在8个上料仓中放入8种物料,下料仓的下口接螺旋给料机。为防止螺旋给料机被物料“压死”,在下料仓中设置了上、下阻移式物位计。当物料在下料位时开启上下料仓间的阀门,将物料放入下料仓中;当物料到达下料仓的上料位时,闭此阀门。自动配料过程控制系统首先启动1#螺旋给料机,全速向称重电子秤连续加料,电子秤进行连续称量。当达到称量值的一定值时,螺旋给料机转速开始下降(变频调速),随着物料的增加,螺旋给料机的速度越来越慢;当称重值接近或达到要求的数值时螺旋给料机停车,此时每一种物料称量完毕。打开电子秤放料阀门,将物料放入中间贮料仓中暂存。然后启动2#给料机称量第2种物料,每称完一种即放入中间贮料仓中暂存,待8种物料均称量完毕后一起放入球磨机中,注水混合后送到下道工序。
　　2.2 方案比较

　　当前自动配料解决方案有三种：以单片机为主控制机的自动装置、以PLC为主控制器的自动配料装置、智能自动配料装置。各种方式优缺点如下：

　　(1)以单片机为主控制机的自动装置

　　在当代工业生产中，以单片机为控制机的自动装置层出不穷，广泛应用于工业控制中。单片机以其价格便宜、轻巧占据市场，其功能和开发工具也相对比较完善，其完成的系统后期维护困难。以单片机开发的智能控制设备，成本低，开发方便，功能灵活，有成熟的开发体系，完善的功能。但其抗干扰能力有限，无法胜任于较为恶劣的工业环境。可以与计算机通讯，但需要较复杂的编程。由于单片机技术的限制,系统难以制作更高级的统一控制画面。

　　(2)以PLC为主控制器的自动配料装置

　　PLC组成的控制系统，性能相对稳定，抗干扰能力强，符合工业级标准，适合于恶劣的工业环境。PLC本身输入输出点数可以灵活配置，并能自由选择添加输入输出。

　　其逻辑控制功能强，可长期运行于工业现场，其自身保护能力较高。并可以与上位机建立通讯连接，完成两者的数据交换；也可以通过串口上网模块通过网络交换数据。其完善的功能，灵活的配置，简单的编程，可靠的工作，使其广泛用于工业现场。由于ＰＬＣ技术的成熟，容易制作上一层的监控页面。

　　(3)专用自动配料装置

　　专业自动配料装置简单易用，适合于小型控制中，能够完成简单的控制要求，其精确度较高。但专用仪表价格较贵，不利于系统的扩展。对成型系统扩展、维护相当困难。在工业控制中，难以用于生产数据频繁变动和复杂逻辑算法的控制。工业中常用于作为现场智能IO直接控制现场设备，并通过数据线将简单的数据传递到上层大型智能控制设备。

　　通过上面三种常用工业控制方案中，可以得到以单片机为主控制机的自动装置和智能自动配料装置，难以满足本设计的要求，所以选用以PLC为主控制器的自动配料系统方案。

　　2.3 PLC为主控制器的自动配料方案

　　(1)方案框架与构思

　　现场控制部分：

　　基于炼钢保护渣配料工艺和现场装置（阀门、给料机、物位计、称重传感器等）确定现场需要控制IO点数（具体分为数字量和模拟量），通过选用合适PLC型号，完成配料逻辑的控制。由PLC接受上位机传来的配料的料方，通过开关量输入上位机组态软件数据的接受，PLC自动完成逻辑运算，控制各配料变频器的频率，以带动对应给料机的动作。

　　过程管理部分：

　　上位机采用组态软件完成现场工作状况的实时监控，及时获得现场IO数据，适时下传控制命令。利用上位机组态软件完成数据的存储、实时数据曲线、历史数据曲线的显示。通过组态的WEB发布功能，将数据传送到上一层管理部门，并上层接受传来的控制命令。

　　(2)系统设备的选型

　　该系统需要8个模拟量输出，1个模拟量输入，28个开关量输入，12个开关量输出，故选OMRON CQM1H系列PLC。

　　变频器：台达VFD-A 2.2Kw8台称重传感器：昆仑海岸公司生产BK-5型悬臂梁式测力/称重传感器，压式传感器，称量范围：0-20t。

　　物位计：辽宁中鑫自动化仪表公司生产的UL-3LP系列阻移式物位计，检测原理： 检测板受阻时，输出报警信号，继电器状态改变；物料脱离检测板时，恢复检测状态 ；往返频率：次/分 输出节电容量：普通型AC220V•5A ，水平安装，承受压力<0.3Mpa螺旋给料机：XGL150,功率为1.5Kw，料桶直径为160mm。

　　3.系统设计

　　3.1 PLC程序设计

　　本系统采用的是CQM1H PLC,其程序语言为梯形图。自动称量控制系统的软件分为两部分:一部分为料仓料位控制软件,另一部分为称量系统的控制软件。

　　(1)料仓料位控制软件:

　　料仓料位控制系统本系统中的贮料仓共有8个。当物料在下料位时开启上下料仓间的阀门,将物料放入下料仓中;当物料到达下料仓的上料位时,关闭此阀门。

　　(2)自动称量控制软件

　　本系统由于不允许重量有超调,故不能采用一般的控制方法为了满足称量精度和称量快速性,本系统采用饱和非线性方法来实现。Ｕｋ的限幅值为10Ｖ,由于每一种物料的配料重量不同,故Ｕｐ、Ｋ1的数值亦不同。当配料开始时Ｕｐｆ较小,Ｕｋ=Ｋ△Ｕ=Ｕｋｍax,螺旋给料机全速给料;当Ｕｐｆ达到一定值时,Ｕｋ=Ｋ1△Ｕ<Ｕｋｍax,但Uk>Umin,此时Ｕｋ为低速给定值,随着Ｕｐｆ的逐渐上升,Ｕｋ逐渐下降;当Ｕｋ=Umin时,停止给料,即称量完毕。

　　3.2 组态程序设计

　　组态软件可以简易绘制出现场工作环境，逼真地模拟出现场工作状况，有利于集中方式的工业监控。

　　(1)组态的简介

　　建立新组态工程的一般过程是：

　　设计图形界面（定义画面）;
　　定义设备;构造数据库（定义变量）;
　　建立动画连接;
　　运行调试。

　　需要说明的是，这5个步骤并不是完全独立的，事实上，这4个部分常常是交错进行的。在用组态王画面开发系统编制工程时，要依照此过程考虑三个方面：

　　•图形：用户希望怎样的图形画面？也就是怎样用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。
　　•数据： 怎样用数据来描述工控对象的各种属性？也就是创建一个具体的数据库，此数据库中的变量反映了工控对象的各种属性，比如温度，压力等。
　　•连接： 数据和图形画面中的图素的连接关系是什么？也就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行，以及怎样让操作者输入控制设备的指令。

　　(2)主画面功能

　　主画面是该系统设计的主要监视界面，如图2，它实时显示现场数据。画面实时显示当前配料的实际料方配比和八种配料的给定料方。每次执行完一次循环的配料，实时显示实际的配料值。可以直接将当前配料的实际值显示出来。表格第三行显示的是系统对于每一种配料的误差，根据要求该误差应小于5%。否则，将对炼钢保护渣的质量产生影响，可能影响实际生产。该误差的计算是在应用程序脚本里实现的，脚本语言在组态程序运行时，每3s刷新一次画面，画面的动画随连接变量的不同而改变。

　　控制部分按钮说明：

　　•上电：给系统八台变频器上电，使系统处于备妥状态；
　　•开启：全自动运行按钮，使系统处于自动运行状态，系统八种配料依次运行，如不停止，系统循环按当前配方运行。
　　•停止：系统任何状态下，都可停止；
　　•料种选择：自左至右，从高位到低位，3位二进制数表示八种配料中的一种，以供操作员进行手动和半自动操作。
　　•手动：相当于点动式按钮。
　　•半自动：每次执行该种配料的单步操作。

　　3.3 组态下OMRON PLC串口驱动程序（1）技术背景随着现代控制技术的完善，在线实时监控成为工程中必不可少的一部分。这就需要组态软件与现场设备实时的交换数据，传递生产信息。虽然现在组态软件中PLC的程序已比较完善，基本能够满足用户需要。但现在新型串口设备（PLC、现场仪表、流量计等）层出不穷，有些设备并没有在组态软件下的驱动程序，即暂时无法挂接到组态下。这时，需要工程人员自己根据厂家提供的开发接口和硬件厂商提供的协议标准，自己编写合适的驱动程序。

　　（2）驱动程序概述

　　IO驱动程序（FIOS）负责完成与各种I/O设备进行数据交换。一方面，它把从I/O设备采集到的实时过程数据发送给数据库DB，另一方面，从DB发出的下置数据也通过FIOS发送给I/O设备。FIOS的体系结构是开放式的，它提供开发工具与接口标准，允许用户以力控软件为平台，自行开发各种I/O设备的驱动程序。

　　FIOS SDK主要由4部分组成：设备组态接口（Iodevcfg）、数据连接组态接口（Ioitemui）、I/O监控接口Ioapi和I/O服务器程序Ioserver。
　　Iodevcfg：负责管理设备组态过程。
　　Ioitemui：负责管理数据连接组态过程。
　　Ioapi：负责完成与I/O设备间的数据交换，实现对设备的监控过程。包括：对通信协议的解析、数据格式的转换等。
　　Ioserver：完成对Ioapi 部分动态装载，调用并执行Ioapi 实现的导出函数。同时完成与I/O设备的底层通信（串口通信、网络通信等），以及设备超时处理、设备故障诊断等。Ioserver还完成与数据库DB之间的通信。它把从I/O设备采集到的数据经Ioapi解析转换后提交给DB，或将DB下置给I/O设备的数据经Ioapi解析转换后写入I/O设备。
　　Ioserver由FIOS SDK提供。 程序员仅需要开发Iodevcfg、Ioitemui、Ioapi三部分的代码。

　　4.设计总结

　　4.1 设计创新之处

　　本设计结合现代生产的实际和当前工业控制领域发展的趋势，在常规生产控制的基础上大胆提出了创新。

　　在配料的控制方面，除了能够完成常规的自动配料控制外，大胆地提出了向高层提供生产数据并接受高层管理的功能，使生产控制信息通过有效可行的途径、安全的方式传递到上一层。

　　有效地协调企业内部信息，完成企业资源的统一调度，实现企业的管控一体化策略。在本设计中具体表现：可以通过WEB页面查询某一时段某些相关变量的查询与统计，同时可以根据企业内部完整信息选择合适配方下置到配方存储文件中。

　　 在驱动程序方面，虽然本设计中用到的PLC驱动程序已相对完善，但是在实际工程应用中如设备改造升级，可能会遇到一些新型仪表、PLC无法挂接到本系统组态下，此时可以利用当前驱动设计模板进行简单地修改即可,方便系统的升级与改进。

　　4.2 设计总结

　　通过设计自动配料系统过程中的设计和实践，学到了一些技巧和方法，现总结如下：

　　(1)PLC编程方面

　　•PLC中位与通道的灵活运用，通道中位与通道中数值的对应关系，给编程带来了方便；
　　•PLC编程的顺序编程方法；
　　•PLC中对于复杂状态编程时，先将复杂状态分解为多个小状态，每个小状态分别置位一辅助点，最后利用各小状态辅助点之间逻辑关系产生相应的动作。

　　(2)组态方面

　　•在组态的应用和学习过程中，不但熟练掌握了组态的常用功能：绘制画面、定义IO变量、脚本语言、动画连接、数据报表、实时曲线、历史曲线、历史报警等；而且，还积累了一些应用技巧、方法，对组态有了更深的理解。
　　•组态中IO变量线性转换设置对数据采集与下置命令的影响；•WEB页面快速设置的方法及修改，以及发布页面的配置，发布设置中具体端口号的设置；
　　•页面、应用程序、变量刷新频率在系统中的具体作用；
　　•对图素的修改，可以做到简单修改为我所用等等。

　　(3)驱动程序方面

　　•掌握了驱动开发的必备知识，现在可以迅速地对一个硬件开发组态下的程序。积累了VC编程的经验，可以使用API函数对一些Windows程序设计进行编程。
　　•学会了VC对串口编程的方法，可以利用VC编程串口，编写适合的串口应用程序，完成相应的功能；
　　•能够使用力控接口SDK对相应的硬件进行开发，编写适合于硬件的组态驱动程序；
　　•可以对相应的硬件驱动订制方案，制作适当的驱动程序；
　　•熟悉VC的开发环境。

 

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