基于臺達自動化產(chǎn)品的天平自動計量系統(tǒng)方案設(shè)計

1 引言

　　天平廣泛應用于科研、國防、金融、建材、計量、公路、工礦等企業(yè)進行計量檢測。天平做為重要的稱量儀器，種類繁多，按使用范圍大體上可分為工業(yè)天平、分析天平、專用天平。按結(jié)構(gòu)可分為等臂雙盤阻尼天平、機械加碼天平、半自動機械加碼電光天平、全自動機械加碼電光天平、單臂天平和電子天平。按精密度可分為精密天平、普通天平。各類天平結(jié)構(gòu)各異，但其基本原理是一樣的，都是根據(jù)杠桿原理制成的。

　　天平是一種專業(yè)計量設(shè)備，根據(jù)量程范圍和計量物體不同，天平的主體框架和機械結(jié)構(gòu)也有所不同，砝碼系統(tǒng)也不盡相同，天平系統(tǒng)核心機械部件決定天平計量精度。本文介紹的自動計量天平專門用于計量氣體質(zhì)量的非標準天平計量設(shè)備，計量飛機發(fā)動機各項氣體指標是否滿足要求，以及提供參考數(shù)據(jù)用于發(fā)動機研發(fā)人員提高發(fā)動機性能，對于我國飛機核心部件的研發(fā)和提升性能具有積極意義。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計

　　2.1 系統(tǒng)分析

　　國內(nèi)專業(yè)制造工業(yè)天平的研究機構(gòu)研發(fā)的天平設(shè)備加減碼系統(tǒng)均為人工或者機械加減碼，操作缺乏靈活，計量效率和質(zhì)量不利于提升設(shè)備經(jīng)濟價值和產(chǎn)品檔次。本項目天平自動計量系統(tǒng)研發(fā)成功填補了國內(nèi)天平計量設(shè)備自動化控制的空白，設(shè)備具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，控制系統(tǒng)采用臺達PLC作為主控器，同時驅(qū)動4軸獨立交流伺服系統(tǒng)，上位機人機界面監(jiān)控天平運行狀態(tài)，輸入加碼質(zhì)量，系統(tǒng)實現(xiàn)精準自動加減碼，無論從核心部件還是控制系統(tǒng)都可以和國外同類設(shè)備相媲美。

　　2.2 天平自動計量系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

　　(1)天平開關(guān)：  采用4千瓦三相異步電動機，由接近開關(guān)控制停止位置。

　　(2)秤盤升降：   采用2.2千瓦三相異步電動機，由接近開關(guān)控制停止位置。

　　(3)自動加碼：  左右盤對稱各一套，分為公斤組（400W伺服電機驅(qū)動）；十公斤組（400W伺服電機驅(qū)動）；百公斤組（120W異步電機驅(qū)動）。三組砝碼應能實現(xiàn)0kg～199kg任意質(zhì)量的自動組合。

　　2.3 系統(tǒng)設(shè)計

　　（1）控制系統(tǒng)原理：天平自動計量控制系統(tǒng)采用雙主站控制方式，人機界面和工控PC機同時作為主站監(jiān)控從站PLC動作，HMI通過COM1通訊口與PLC COM1（RS232）通訊口連接，工控PC機通過COM1通訊口與PLC COM2（RS485）通訊口，從而實現(xiàn)命令下達和動作反饋等監(jiān)控功能，實現(xiàn)設(shè)備自動化控制要求。主控器臺達PLC同時連接4顆獨立伺服驅(qū)動系統(tǒng)，高速脈沖控制伺服行進距離和行進速度，達到精確加減砝碼控制要求，同時PLC模擬量采集模塊實時采集壓力傳感器信號，轉(zhuǎn)換為壓力數(shù)值供上位機顯示和程序處理使用，天平其他部件動作條件檢測和動作驅(qū)動完成均由PLC數(shù)字量輸入輸出接口按照程序邏輯輸出實現(xiàn)控制功能，如圖1所示。
 

　　圖1 系統(tǒng)原理框圖

（2）配置設(shè)計：控制系統(tǒng)技術(shù)方案配置如表1所示。表1僅列舉出控制系統(tǒng)主要元器件，此外還包括低壓電器（低壓斷路器、電磁接觸器、電磁繼電器、按鈕、指示燈等）、檢測傳感器（壓力傳感器、接近開關(guān)、行程開關(guān)等），模擬信號變送器等元器件，此處均不予贅述。

　　表1系統(tǒng)配置設(shè)計

（3）臺達DVP28SV11T  PLC功能描述：DVP28SV11T提供并列形式高速擴展接口，可以擴展應用多樣的網(wǎng)絡接口，如以太網(wǎng)、DeviceNet、ProfiBus以及模擬量、溫度模塊等，從而實現(xiàn)實時控制的要求，最多可以擴展16臺模塊（左側(cè)擴充8臺＋右側(cè)擴充8臺），包括模擬量、溫度、軸控、通訊等特殊擴展模塊。DVP28SV11T主機內(nèi)建200KHz四軸獨立和二組直線/圓弧插補功能的運動控制指令，使得位置控制方面的應用靈活而且方便。DVP28SV11T  PLC應用于4軸伺服定位控制；裁料機（高速伺服控制）；X-Y伺服機械手臂；伺服控制夾取物料應用；光電、半導體、紡織、節(jié)能與樓宇自動化等產(chǎn)業(yè)設(shè)備應用。臺達DVP28SV11T  PLC產(chǎn)品規(guī)格：主機點數(shù)：28 ；最大I/O點數(shù)：512 ；用戶程序容量：16K Steps ；指令執(zhí)行速度：0.24μS（基本指令） ；通訊接口：內(nèi)建RS232、RS485，兼容MODBUS ASCII/RTU通訊協(xié)議；資料存儲器：10,000 Word ；檔案存儲器：10,000 Word ；高速脈沖輸出：支持4點 （Y0, Y2, Y4, Y6）高速脈沖輸出、2組（Y0, Y1）（Y2, Y3）AB相脈沖信號輸出及2組（Y0-Y3 & Y4-Y7）雙軸插補功能，最高均可達200KHz，內(nèi)建4組硬件高速計數(shù)器。

　　2.4 控制系統(tǒng)電氣設(shè)計

　　PLC主控器控制回路接線如圖2所示。需要指出的是，伺服能夠精準尋找到上述不同公斤數(shù)對應的不同角度，伺服電機拖動減速機帶動旋轉(zhuǎn)軸上面的若干的機械凸輪系統(tǒng)實現(xiàn)自動加碼動作，對于電氣控制系統(tǒng)只要能夠精確找尋到預設(shè)要求的角度就可以滿足要求了。

 

　　圖2 PLC電原理圖

2.5天平計量自動化工藝

　　系統(tǒng)上電系統(tǒng)程序自動運行以下一系列操作：檢測天平是否關(guān)閉，如果處于關(guān)位（SQ2+）則無動作，如果未處于關(guān)位（SQ2-），將天平關(guān)閉（KM2+）；檢測盤是否處于降位、罐是否處于退位：如果是盤處于降位（SQ4+、SQ6+）與罐處于退位（SQ19+、SQ21+）無動作，如果不是盤處于降位（SQ4-或SQ6-）或罐處于退位（SQ19-或SQ21-），將盤升起（KM3+、KM5+），將罐退回（SB2+、SB4+），將盤降下（KM4+、KM6+）；加碼系統(tǒng)回零；提示天平系統(tǒng)正常、允許進行手動控制操作；天平開(KM1+)[前提：左右罐處于退位（SQ19+、SQ21+），左右盤處于降位（SQ4+、SQ6+）]；平關(guān)(KM2+)；天平開關(guān)停止；[增加的一個觸摸屏上的功能按鈕，在開關(guān)天平過程中能夠在任意位置停止]；左盤升（KM3+）[前提：天平處于關(guān)位（SQ2+）]；左盤降（KM4+）[前提：天平處于關(guān)位（SQ2+）]；左罐進（SB1+）[前提：天平處于關(guān)位（SQ2+）、左盤處于升位（SQ3+）]；同時有觸摸屏按鈕和外部按鈕；左罐退（SB2+）[前提：天平處于關(guān)位（SQ2+）、左盤處于升位（SQ3+）]；同時有觸摸屏按鈕和外部按鈕；右盤升（KM5+）[前提：天平處于關(guān)位（SQ2+）]；右盤降（KM6+）[前提：天平處于關(guān)位（SQ2+）]；右罐進（SB3+）[前提：天平處于關(guān)位（SQ2+）、右盤處于升位（SQ5+）]；同時有觸摸屏按鈕和外部按鈕；右罐退（SB4+）[前提：天平處于關(guān)位（SQ2+）、右盤處于升位（SQ5+）]；同時有觸摸屏按鈕和外部按鈕；按給定數(shù)值加碼[前提：天平處于關(guān)位（SQ2+）]；系統(tǒng)急停：系統(tǒng)中所有動作全部停止[包括手動和自動的所有動作]。同時有觸摸屏按鈕和外部按鈕。

　　3 主控器程序設(shè)計

　　PLC控制程序難點和復雜的地方在于從0～199Kg砝碼質(zhì)量的任意組合，還要考慮到加碼質(zhì)量數(shù)值變化后，伺服要尋找原點，然后再運行到預設(shè)角度，左右加碼系統(tǒng)各一套，所以程序量十分龐大。PLC核心控制程序分別如圖3圖4圖所示。
 

　　圖3 左盤加碼原點回歸梯形圖

　　圖4 左盤伺服加碼梯形圖

　　4 結(jié)束語

　　為客戶提供具有良好性價比完美整合方案是中達電通的營銷策略，提供穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)集成解決方案是服務客戶的保證，此次天平自動計量系統(tǒng)項目結(jié)合臺達HMI、PLC、伺服驅(qū)動器等自動化產(chǎn)品，為客戶開發(fā)了一套穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)，不但能夠滿足客戶氣體稱重檢測工藝要求，而且更提高了天平自動計量系統(tǒng)的科技含量和工作效率，收到了客戶和使用單位極大認可，客戶稱后續(xù)還會有類似的天平自動計量系統(tǒng)采用這個成熟的技術(shù)方案，再次證明中達電通是客戶值得信賴的合作伙伴。