S7-200在动态质量计量领域的应用

前言：本应用是利用S7-200系列中CPU216(或者CPU226)为核心，完成皮带秤的动态计量与控制。
系统组成: 包括CPU216(或者CPU226)计算控制核心；EM235数据采集单元；触摸屏人机接口；西门子变频器（MMV）执行单元。主要利用了S7-200系列PLC的浮点运算、高速计数、PID计算、自由通讯、时间中断等功能。
市场情况：在动态计量领域，专用仪表一直占有主导地位，随着自动化水平的提高，在烟草行业，传统的计量仪表已经不能满足多变的需求，随着自动化程度的提高，各个单体设备之间的协调动作、数据的交换等需求越来越多， 特别是在烟厂多数设备都采用PLC进行控制,从前未采用PLC的时候每次针对不同的用户的不同要求，都需要改变单片机的程序，这样十分不方便，而且单片机的可靠性明显不好。
    为了方便用户的要求我们决定用PLC替代单片机完成计量控制任务，从前我们认为只有中型PLC才能完成，经过认真阅读S7-200的资料，通过实验证明S7-200系列PLC完全可以满足要求，自从98年初我们开始采用S7-200完成第一台到现在已经有近50台秤工作在不同的烟厂，在实际应用过程中收到了非常明显的效果，维护量几乎为零，节省了大量的资金，我们在两年前就已经彻底停止使用单片机。
    目前烟草行业对皮带秤的年需求在200台左右新秤，还有近100台的改造任务，替换单片机的控制系统（多数为早年进口产品）。
    在其它领域皮带秤等动态计量设备每年的市场销售近万台。
    目前PLC在衡器领域的应用不是很普遍，主要应用在烟草行业。
    PLC解决计量问题的主要矛盾是PLC的AD的精度太低，无法满足0.1%的精度要求,我们解决的办法是根据衡器仪表的专用技术开发专用的变送器,通过PLC的开关量入采集数据。这样即满足了计量精度的要求，又充分发挥了PLC的稳定快速灵活的特性。  
适用范围：虽然本应用是在烟草行业，但是计量方法、和程序完全适用于所有动态计量任务。
经过修改还可以适用于包装秤、动态复检秤、计数秤、配料秤。
 
                        动态计量控制
    本文所提供的程序及其算法可以应用于包括动态皮带秤、螺旋秤、核子秤等工业计量秤。
    为了适应烟草行业的需求，本应用的程序通过触摸屏改变其计量功能，完成了动态计量领域可能的几种方式，在动态计量领域基本包括如下内容：
1．纯计量型：完成计量流过皮带的物料的总累计量，实时显示流量
2．计量打包型：完成计量的同时根据设置的“包重值”自动完成定量包装
3．恒流型：完成计量的同时根据设置的流量值自动调整皮带的速度，已达到流过皮带的物料流量受控
   恒流型又可以细分为：主动型和从动型
   通过两年的现场实践，已经有近50台皮带秤成功地服务于多家烟厂；今天愿意把它推荐给动态计量领域里受单片机困扰的同仁们。
 
                  电子皮带秤基本计量原理
    在皮带秤类动态计量过程中，最基本的原理是根据称重传感器的荷重值计算出“单位长度”上的物料平均重量，再测出“单位时间”皮带所经过的长度，这样既可以计算出“单位时间”内通过的物料重量，如果把“单位时间”细分到很短的时间段（我们选择100ms）那么各段的总累加值即可以近似于真实的累计值。
    分解动态计量模型，为了方便计算，我们作如下定义：
1．砝码重量：Wm为了在长期试用过程中校验计量结果，在秤体的一侧所挂的重量不变的可以自动挂上和卸下的铁块，它的重量作为一个对比值修正称重传感器的时飘。单位：克
2．速度系数：（脉冲数/毫米）用K1表示
          K1=2500 /158（脉冲/毫米）旋转编码器的转盘的周长是158毫米，每周的脉冲数是2500个
3．整圈脉冲数：MCP皮带转过一圈所发出的脉冲数，在校验的时候考虑到皮带的不均匀性计量鉴定规程中规定必须在整数圈内完成各种测试。
4．当量重量：Kz=Wm/(N1-N0)
          Wm为砝码的重量(克)
          N1 为挂码后用校量的方法得到的码值（重量传感器的AD数）
          N2 为皮重码值
5．称量系数：[(码值x脉冲数)/克] 用Kp表示
          Kp=K1xL0/Kz   
          对于单辊皮带秤其中L0为称量段的皮带长度的一半（mm）
          为了减少每个周期的计算量，事先计算出Kp以供100ms中断程序使用
通过输入、计算如上参数，可以简化出可以方便地利用PLC实现的如下结论：
 ◆ 这样每个周期的累计量=（100ms的脉冲数x 重量的AD码值）/Kp
      100ms的脉冲数：测速编码器每100ms的计数值
      重量的AD码值：重量传感器的AD数
 ◆ 将每个100ms的量累加即得到总的累计量
 ◆ 每一秒的累计量就是瞬时流量，经过单位变化将（克/秒）换算为（公斤/小时）
 ◆ 通过变频器调整皮带机的速度实现流量控制
 ◆ 如果定量发出信号可以完成定量打包
 ◆ 如果多台设备相互控制即可以实现配比
结论：应用PLC方案成功地通过了国家计量鉴定，得到了用户的好评。
 
                       烟机皮带秤的特点：
1．精度要求高（国家标准是1%，0.5%；而烟草行业要求0.5%,0.25%）
2．联网能力，因为其它烟机已经普遍采用PLC,所以设备之间的数据交换要求具备各种网络通讯能力
3．机械结构复杂：由于计量要求高，所以皮带要求恒张力等机械结构。
4．自动调偏：由于皮带保持恒张力，所以皮带很容易“跑偏”，由此带来的是皮带要具备自动调偏功能，为了减低调整的频率，我们采用了“趋势调偏”，充分利用了PID运算能力。
5．自动校量：由于长期连续计量的要求，要完成自动校量功能，具体实现是通过电动推杆自动加码、卸码。

                        体会与经验
    结合具体应用过程中出现的问题有如下经验供参考
一、关于中断程序数据共享问题
    必须考虑中断事件异步特性的影响，例如中断程序中用到VD200,而主程序中组成VD200的VW200和VW202分别是其它两个不同的计算结果，如果中断发生在两个计算的中间时刻，那么中断中的VD200就有可能不是您所希望的。
解决的办法是把可能被中断打断的变化程序放到中断程序里处理即可以解决.
二、关于PID 参数的选取
结合自己的电机转速控制，我采取了首先关闭微分，只是通过改变积分时间的办法来测试，在认为效果比较好的时候再加上微分提高动态效果，试验的办法是通过触摸屏的趋势曲线来观察效果，经过试验我选用了如下参数：Kc=0.25, Ts=0.1 ,Ti=0.01, Td=0.0005
三、变频器对模拟量的抗干扰
    在应用EM235的过程中出现了变频器的启动数据“跳字”的现象，通过试验和西门子的手册建议采用了将235的M端接地，并且将变频器到电机的电源线改为屏蔽线，并且双端接地，问题得到解决。
四、关于数制
    在使用DIGITAL公司的GP370的时候开始的时候出现了双字的高低位定义规则和S7的定义正好相反。在PLC和触摸屏交换数据时如果要用到32位的双字一定在PLC中进行交换。
五、另外定义数据的类型要充分考虑实际可能的数据范围
    在流量的定义的时候为考虑到会出现负数的可能, 结果秤工作在零点的时候负流量的出现是正常现象,而在触摸屏里却把它定义为无符号数, 结果出现了屏幕出现”巨大流量”现象.
六、尽量采用采用新版的编程软件, 可以提高效率, 易于修改便于阅读.

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