西门子北京PLC模块代理商

1  引言

粉体物料动态计量目前主要使用皮带秤。皮带秤具有设备简单，占地小、费用低廉、安装便捷、适合长距离快速连续输送、故障率低、检修容易等优点，所以被广泛使用。但是如果粉体物料颗粒较细，压力较大时（如媒粉），使用皮带秤进行称重给料，就会造成物料大量溢出和粉尘污染，从经济性和环保角度来说适应性就很差了。由于粉体物料颗粒较细，一般使用粉体物料专用运输车运输，或使用管道进行气力输送，再将物料通过管道中的高压气体流化后，将物料输送至料仓，所以料仓下料时气压比较大，而粉体物料的流动性跟水液体近似，必须使用带负压的封闭系统进行输送、计量和给料控制——转子秤的应用应运而生。

2  系统设计

作为物料动态计量仪表，目前国内外主要沿用仪表进行计量。本项目在为武钢矿业公司某矿山中配套使用的两套转子秤系统，使用西门子s7-200plc为控制器，完成煤粉颗粒的动态计量与控制。

2.1 系统原理

（1）机械结构。由于煤粉颗粒平均直径约为20~50um，空仓下料时压力接近0.1mpa，所以对给料机的密封有严格的要求。转子秤系统分为三个部分：给料机、环状天平称重系统和螺旋泵输送机。料仓将煤粉颗粒通过闸板阀输送到给料机，给料机分为三层，每层都有刮板而且深度相同，刮板在电动机的带动下旋转，带动煤粉从上层落到中间层，再落到下层，层与层之间的进口和出口相差180度，刮板旋转的同时将块状煤打散，整理均匀，下层的煤粉经过补偿器和软连接输送到环状天平中。环状天平内的转子分为8格，每格容积相同，通过调整转子速度来调整进煤量，从而调整给煤量。由于给料机的深度小于环状天平的深度，所以理想状态下环状天平每格内煤粉量为容积的80%。转子称重完毕后，将煤粉输送到螺旋泵中，然后风机将煤粉流化，送到燃烧器。

（2）称重原理。为了运算简便，我们仍然使用累加法进行流量累计。转子秤区别于皮带秤，主要在于机体结构——环状天平。环状天平是圆柱形的，煤粉从12点钟方向从上方输送到环状天平内部，转子顺时针旋转将煤粉带到6点钟方向，然后煤粉从下部落到螺旋输送机中。煤粉顺时针方向经过环状天平，对右半部分产生一个压力，同时对左半部分产生一个拉力。就像跷跷板一样，所以传感器安装在9点钟方向，可以检测到这个拉力。为了防止没有物料时传感器不受力，所以在称重部分会安装配重块，使传感器始终都会受力。转子速度通过安装在电机尾端的测速齿轮，用接近开关采集速度信号，从而计量累积流量q，即：

q=∑n0（……qn）

将累积流量对时间微分，可求出瞬时流量，即：

q（t）=dq/dt

该数学模型已经很成熟了。通俗的说，就是测量砝码的ad值，先标定出斜率，然后与煤粉的ad值进行比值，计算出负荷率，再与速度相乘得到流量。该算法已经成功的运用到皮带秤上，使用效果良好。

2.2 plc系统

cpu选用224dc/dc/dc，除做电气逻辑处理外，还使用高速计数器、pid运算、中断等。模拟量选用em235和em232，完成称重、变送输出、pid输出等功能。

人机界面使用西门子s7-200“专用”触摸屏——ktp178，操作触摸屏对转子秤plc进行监控，变频器使用富士p11s/g11s通用型变频器。

上位机使用西门子opc软件——s7-200 pc access，在opc服务器中建立与plc通讯的变量，组态软件读取opc服务器中的中间变量，从而完成与plc的通讯。通过一个opc服务器，上位机可以连接多个plc，实行集中监控，而不会增加网络成本。

2.3 程序设计

plc除完成流量计量外，还有很多功能。从plc程序来看，还是比较复杂的。

（1）主程序。主程序中完成逻辑控制。自动运行模式要求系统先开启螺旋泵，然后开启环状天平，后开启给料机；而停机正好相反。定义服务；程序中定义10ms中断服务程序、定义高速计数器、初使值的载入、完成瞬时流量的累加等。

（2）服务程序。例如启动延时警告功能，当开启设备时产生一个3秒钟的输出，可以在现场接一个蜂鸣器，给予安全提示。例如脉冲速度滤波。plc作为电子秤的控制器，速度是比较关键的。像单片机编程比plc要灵活的多。而plc的时基很难做到很jingque，像申克仪表，通过高速脉冲和时基的运算，可以将速度jingque到小数点后第三位，但前提是时基要jingque到微秒级。而plc是很难做到的。为了弥补这一点，我们尽量选择高频率的测速器，s7-200高可以接收30khz的频率。除此之外，为了频率的稳定，还设计了三秒钟的速度滤波，尽量让速度变化过于平缓。对于变频测速，在现场调试设备时经常预到测速器因各种情况损坏而无法使用，而这一点在调速给料系统中往往是致命的。所以为了以防万一，预留了一通道ad，可以将变频器的电流设置成转速信号反蚀给plc。该功能可以在触摸屏上先进选择。除此之外，还设置了一个机内定速，即直接在plc内模拟一个理论速度参与运算。由于tp178触摸屏下方提供六个可组态的按钮，我将其定义为“停止、启动、自动、手动、增量、减量”。如果切换到手动状态下，可以直接通过“增量、减量”铵纽来调结输出电流，手动控制变频器转速，以达到流量调结的目的。

（3）系统标定。分为零点标定和斜率标定。这个程序比较简单，在此不用详细说明，但是我们仍然将滤波做为重点，做了累计滤波和去极值滤波等，尽量让ad值更平滑。

（4）滤波。标定完成后系统在计量运行的时，由于机械加工时肯定会存在相当大的误差，而且环状天平中的转子格板中安装有毛毡，也可能会出现重量不均的现象，终都会导致ad值有很大的波动。为了弥补这一点，专们设计了滤波程序，根据转子当前转速，计算出旋转一周的时间，再把这个时间作为滤波时间参与到程序中进行滤波运算。目的在于尽量让计量趋于平滑。因为假设下料量是均匀的，那么影响ad值波动的主要原因就是机械部分，而这个波动肯定是呈周期性的，所以我们认为该程序会起很有用的作用。使用s7-200的间接寻址指令会简化程序。

（5）输出。输入分为变送输出、pid输出和脉冲输出。变送输出是根据当前称的量程和瞬时流量，以模拟量方式反馈瞬时流量给上位机。pid输出是根据给定流量和当前瞬时流量的对比，利用pi算法，输出一个模拟量给变频器，从而调整转子速度，调整给料流量。pid确实是个很令人头痛的问题。新版编程软件提供一个pid向导，可以自动生成一个pid程序。但经过反复调试、实验和整定，发现输出并不理想。后还是用一个很成熟的算法，通过指令编写了程序。实验结果表明，当前流量为10kg，给定偏差为±5kg时，比例增益为0.5，积分时间为0.5，采样周期为0.05秒，正、反向调节时间为33秒左右。不同的pi整定值，调节时间也有预期的变化，证明pid程序正常，能够满足现场工艺要求。脉冲输出是通过数字量的方式完成累积流量的计量。输出方式是高电平保持100ms，低电平保持100ms，1秒种大输出5个高电平。使用时，可以定义量冈，1个高电平对应一个量冈进行累积。比如定义100kg，那么上位机接收到2个脉冲时，累计200kg，再收到1个脉冲，累计300kg，依此类推。

3  系统调试

3.1 调试和报警

在现场调试了很多设备，对于仪表来说，信号是比较关键的，往往都是使用信号发生器来模拟。所以为了现场调试方便，设计了调试模式。分为数字量和模拟量，模拟量就是在触摸屏上输入一个电流值，然后在中控室上位机中测量。之反，也可以在触摸屏上看到给定的电流值是否正确。报警可以将外接报警事件如变频器过载结点接入输入端子，还有程序计算的流量上下限报警信号等，都可以产生报警事件。当然这些事件等级也都是可以设置的，既可以不管，也可以仅提示，还可以让其停机。

3.2 调试核心技术

plc作电子称的计量，重要的就是时基要准。但plc的时基往往并不是很准。比如100ms脉冲输出，通过示波器看波形时发现脉宽随plc程序的扫描周期的影响，有时多1~2ms，有时少1~2ms。好在总体来说是准的。所以程序的结构优化是非常重要的。另外我设计的程序由于功能较多，对于很多浮点运算是很占cpu的资源的，从编程软件中查看程序扫描周期高时间达到13ms（优化后平均在10ms以内），为确保计量jingque，ad采样在中断程序中完成。在10ms中断程序中，ad值每秒累加100次，然后除以100得到1秒钟平均值。ad模块也出了一些小问题。由于西门子的ad都是差分输入，理论上来说差分的抗干扰性能比单端输入要好，但不知道是接地没做好还是屏蔽没做好，ad值始终有很大的波动，于是把ad的负极与电源负接在一起改成单端输入，ad值就稳定了。

程序中设计的“调试模式”也是非常实用的。我将所有的数字量输出点在该模式下分别做了一个按钮，当接下对应的输出点时，继电器吸合，中控可以通过组态查看状态。模块量也是，中控给个信号，在该模式下也可以看得出来，而我要给出模块量时，也只用在该模式下输出一个电流值。这样一来，调试时基本上就无需使用信号发生器了，从而简化调试过程。

在整个程序中，我将脉冲计数和ad值运算做为重点考虑，因为计量的jingque性是关键。

4  计量精度分析

使用小型plc做称重系统，成本可以得到较好的控制。但大的问题就是plc的ad只支持0-5v/0-10v/0-20ma信号，而称重传感器一般输出mv信号。所以就需要把称重传感器的mv信号转换成ma信号输入plc。虽然西门子前不久推出了适用于s7-200系统专用的称重模块，但是由于价格较高，体现不出性价比的优势。所以我们专门开发了称重变送器，将mv信号线性转换成ma信号。

目前小型plc的ad模块，精度往往只有12位。作为称重系统而言，12位的分度数可以说刚刚够用。但是作为整体来说，机械部分的重量会占用传感器相当一部分的分度数，而且机械部分本身也比较重。并且，有时为了防止传感器过载（如设备停产检修时经常有人会站在称重点上），所以传感器的额定载荷往往需要选择大一个等级。可见ad的有效分辨率远远没有12位。在很多情况下，物料的重量往往还没有机械部分的重量大。在增量较小时，仪表的精度就会大打折扣。针对这样一些问题，我们在变送器上做了些文章。

变送器的主要功能是将传感器的mv信号转换成ma信号。针对增量较小的问题，我们设计了跳线功能，通过调整零值跳线和满值跳线来改变前置仪表放大器的偏置和增益，使有效分辨率尽量接近12位。比如我们在现场，传感器选用100kg，校称时发现零值有3.5mv，加上10kg的砝码时，mv值有5.5mv。这时我们可将零点跳线跳到2.5mv，满值跳线跳到10mv，变送器的输出范围为2.5mv对应0ma，10mv对应20ma。这样当传感器输出3.5mv时，相当于1.0mv，变送器输出3.8ma，有效的将多余的零值给“去掉”；当传感器输出10mv时变送器输出20ma，将用不上的增量也给去掉了，即将物料的增量进行了有效放大，提高了精度。同时，当传感器由于意外受力，输出超过10mv时，变送器输出电流越过20ma后，输出会有一定的限制，不会损坏ad器件。变送器将信号变换成电流以后能适应远距离传输。另外，为了解决脉冲信号远距离传输的衰减问题，我们的变送器设计了脉冲整形功能。通过整形模块，将脉冲进行整型放大，剔除干扰，然后输出方波脉冲给plc。

5  结束语

通过实物标定的结果来看，计量精度达到4.1‰，如果使用理论速度，精度还可以提高一个数量级。另外如果能够保证下料的稳定，无论是手动运行模式还是pid模式，流量给定都能jingque到0.01t/h。该系统本来准备设计成用224xp的通讯口与变频器通讯，这样可以省去da模块，而用cpu的da做流量反馈，从而可以近一步节省成本，但由于某此原因没有这样做。作为配料领域，plc完全可以以低成本、可定制功能和灵活性取代仪表。

简便的布线与组态

来自与 SIMOTION D4x5-2 相连的馈入部分的“控制运行”可极为方便地与 CX32-2 控制器扩展模块的驱动器互连。

CX32-2 控制器扩展模块不需要有自己的 CF 卡。数据是在 SIMOTION D4x5-2 控制单元的 CF 集中的。这样做有以下优势：

模块更换简便（无需在 CX32-2 上进行操作，例如，更换存储卡）

在固件升级期间，CX32-2 控制器扩展模块会自动通过 SIMOTION D4x5-2 控制单元的集成驱动器进行升级。

通过 SIMOTION D4x5-2 进行集中许可证处理

实例:12 轴，配有 SIMOTION D4x5-2 和 SIMOTION CX32-2 控制器扩展模块

SIMOTION CX32-2 控制器扩展模块通过 连接到 SIMOTION D4x5-2。

这样就可实现非常紧凑的多轴，例如，带有 12 个伺服轴。

如果需要，还可在一个 SIMOTION D4x5-2 控制单元上操作多个 SIMOTION CX32-2 控制器扩展模块。

一个 SIMOTION D425-2 上zui多可操作 3 个 CX32-2

一个 SIMOTION D435-2、D445-2 或 D455-2 上zui多可操作 5 个 CX32-2

通信功能

通过系统内集成的块，可以建立与 S7/C7 伙伴之间的通信服务。

这些服务包括：

通过 MPI 和 PROFIBUS S7 进行的 S7 通信。
通过 MPI、C 总线、PROFIBUS 和 PROFINET/工业以太网进行的 S7 通信。
通过可加载的块，可以建立与 S5 通信伙伴和西门子设备之间的通信服务。

这些服务包括：

通过 PROFIBUS 和工业以太网进行的 S5 兼容通信。
通过 PROFIBUS 和工业以太网进行的标准通信（通过 PROFIBUS/工业以太网进行的开放式用户通信）。
与全局数据不同的是，必须建立通信连接才能实现通信功能。

1508）和Cat. 4 （EN 954-1）

可通过集成的PROFINET接口（PROFIsafe） 和/ 或集成的PROFIBUS DP 接口（PROFIsafe） 连接分布式站中的故障安全 I/O 模块

可以与ET 200M 的故障安全型I/O 模块进行集中式连接；标准模块的集中式和分布式使用，可满足于故障安全无关的应用

在PROFINET 上实现基于组件的自动化

PROFINET 代理，用于基于部件的自动化（CBA）中的 PROFIBUS DP 智能设备

CPU 317F-2 DP

可以组态为一个故障安全型自动化系统，可满足安全运行的需要

安全性满足 SIL 3（IEC 61508）、AK6（DIN V 19250）和Cat. 4（EN 954-1）

不需要对故障安全I/O 进行