輪胎自動稱重管理系統(tǒng)設計

張浩琳，徐世許，張志勇

（1.青島大學 自動化學院，青島 266071；2.山東中煙工業(yè)有限責任公司青島卷煙廠，青島 266071）

0 引言

隨著社會的發(fā)展，輪胎的需求量不斷增大，為滿足不斷擴大的社會需求，各大工廠普遍將條碼技術和自動化技術應用于工業(yè)生產管理中，用于提高生產效率和生產管理水平。輪胎重量是輪胎檢測中的一項指標，輪胎超重或欠重會影響輪胎的質量和使用壽命。為檢測輪胎是否達到重量指標，并將輪胎信息進行統(tǒng)計和存儲，便于日后數(shù)據(jù)的查詢和追溯，設計了輪胎自動稱重管理系統(tǒng)。通過比較輪胎的實際重量值與設定的標稱重量值判斷輪胎是否合格。輪胎信息通過以太網通信發(fā)送至上位機，在上位機監(jiān)控界面實時顯示，并存入SQL Server數(shù)據(jù)庫。此系統(tǒng)實現(xiàn)了輪胎重量自動檢測和信息自動記錄的功能，代替了以往輪胎重量檢測過程中人工稱重和數(shù)據(jù)記錄等工作，解決了以往輪胎重量檢測中費時費力、生產效率低的問題。

1 硬件結構

輪胎自動稱重管理系統(tǒng)由控制器、稱重設備、掃碼器、上位機和光電開關組成。選用西門子S7-1200PLC作為控制器，CPU型號為1215C DC/DC/DC。該型號PLC集成2個PROFINET端口，分別用于與上位機和稱重變送器的通信。選用METTLER TOLEDO ACT350稱重變送器，ACT350變送器集成PROFINET端口，內置1200HZ的A/D-D/A轉換器，為控制器提供600HZ的更新速率。掃碼器選用霍尼韋爾掃碼器，型號為Honeywell 3310G，是一種帶開關量控制的高清掃碼器，觸發(fā)方式為信號觸發(fā)。

輪胎自動稱重管理系統(tǒng)是由TIA Portal V15.1軟件開發(fā)而來，根據(jù)系統(tǒng)日常數(shù)據(jù)存儲要求，平衡其性能等各種因素，采用SQL Server數(shù)據(jù)庫存儲輪胎信息。西門子S7-1200PLC作為控制器，用于傳送和處理稱重數(shù)據(jù)。上位機作為可控可觀工具，用于顯示和存儲稱重數(shù)據(jù)。機械手將輪胎放于稱臺上，光電開關觸發(fā)掃碼器掃碼，掃碼器掃描讀取輪胎上的條碼信息，通過串行通信將條碼信息傳送至S7-1200PLC[1]。ACT350變送器將輪胎的實際重量值基于PROFINET通信協(xié)議傳送至S7-1200PLC。在上位機設定輪胎的標稱重量值和誤差值。根據(jù)標稱重量值和誤差值計算出輪胎合格重量范圍。S7-1200PLC比較輪胎的實際重量值與標稱重量值。若輪胎重量在合格重量范圍內，則輪胎合格，機械手將輪胎放入1號立體倉庫。若輪胎重量超出合格重量范圍，則輪胎不合格，機械手將輪胎放入2號立體倉庫。S7-1200PLC比較輪胎實際重量值與設定的標稱重量值后通過以太網通信發(fā)送至上位機，在上位機監(jiān)控界面實時顯示，并存入SQL Server數(shù)據(jù)庫，以供日后的查詢和追溯。輪胎自動稱重管理系統(tǒng)解決了以往輪胎重量檢測過程中效率低下的問題，具有良好的經濟效益。系統(tǒng)硬件結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結構圖

2 通信設置

通信設置包括S7-1200PLC和ACT350變送器之間基于PROFINET協(xié)議的通信、S7-1200PLC與上位機之間的以太網通信、S7-1200PLC與掃碼器之間的串行通信[2]。在TIA Portal V15.1中選擇相應的PLC、PC系統(tǒng)和導入的ACT350變送器模塊進行組態(tài)，建立系統(tǒng)通信網絡。系統(tǒng)網絡中S7-1200PLC、PC系統(tǒng)、稱重變送器都會分配IP地址和設備名稱。

2.1 S7-1200PLC與掃碼器的通信連接

在TIA Portal V15.1中添加S7-1200PLC模塊組態(tài)，PLC的IP地址為192.168.0.2，子網掩碼為255.255.255.0，建立系統(tǒng)通信網絡。S7-1200PLC沒有集成的RS232端口，在PLC模塊左側組態(tài)CM1241 RS232通信模塊。添加PLC后，在硬件目錄里找到通信模塊，選擇CM1241 RS232添加到硬件配置里，接下來配置RS232模塊端口參數(shù)。模塊端口參數(shù)配置如圖2所示。Honeywell 3310G掃碼器根據(jù)手冊設置通信端口參數(shù)信息，掃碼器的參數(shù)配置要與ACT350變送器模塊端口參數(shù)配置相匹配。

圖2 模塊端口參數(shù)配置

硬件組態(tài)完成后，接下來完成PLC與掃碼器的通信程序。掃碼槍采用無協(xié)議通信方式發(fā)送條碼數(shù)據(jù)，PLC端接收條碼數(shù)據(jù)。調用RCV_PTP，手動創(chuàng)建RCV_PTP的接收緩沖數(shù)據(jù)塊，接下來對RCV_PTP指令的每個管腳賦值，完成通信程序的編寫。接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)存放地址從第二個字節(jié)開始，不是從零字節(jié)開始，即P#DB2.DBX2.0 Byte10，這是由于S7-1200PLC對字符串存放格式決定的。RCV_PTP指令塊如圖3所示。

圖3 RCV_PTP指令塊

2.2 S7-1200PLC與ACT350變送器的通信連接

輪胎的稱重數(shù)據(jù)以模擬量信號的形式傳送至ACT350變送器。根據(jù)變送器模塊地址分配，S7-1200PLC通過命令字向ACT350變送器發(fā)送稱重指令。ACT350變送器將稱重數(shù)據(jù)發(fā)送至S7-1200PLC的ID100地址內。稱重設備選用的是METTLER TOLEDO ACT350變送器，為了使變送器能夠符合系統(tǒng)的使用要求，需要設置多項參數(shù)。根據(jù)用戶手冊設置ACT350變送器的通信參數(shù)，設置量程為50，精度為0.01。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性與準確性，設置變送器為連續(xù)輸出模式[3]。在TIA Portal V15.1菜單欄選擇選項，點擊管理通用站描述文件（GSD），選擇要導入的GSD文件，將ACT350變送器的GSD文件導入到TIA Portal V15.1進行組態(tài)。ACT350變送器的IP地址設置為192.168.0.3，子網掩碼為255.255.255.0。ACT350變送器模塊中的讀數(shù)據(jù)塊對應PLC的輸入ID100，ACT350變送器模塊中的寫數(shù)據(jù)塊對應PLC的輸出QD100。ACT350模塊地址分配如圖4所示。

圖4 ACT350模塊地址分配

2.3 S7-1200PLC與WinCC RT Professional通信連接

在TIA Portal V15.1中添加PC系統(tǒng)進行組態(tài)，選擇SIMATIC HMI應用程序里的WinCC RT professional，添加常規(guī)IE模塊，建立以太網通信連接，以絕對地址訪問作為數(shù)據(jù)訪問方式。本機IP地址與此模塊相同，IP地址為192.168.0.1，子網掩碼為255.255.255.0。系統(tǒng)網絡拓撲視圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)網絡拓撲視圖

3 程序設計

輪胎自動稱重管理系統(tǒng)是由TIA Portal V15.1軟件開發(fā)而來。該軟件集成了STEP7和WinCC，可以對控制器、HMI、PC系統(tǒng)進行組態(tài)和通信配置。TIA Portal V15.1不僅可以使用梯形圖語言進行開發(fā)，而且還可以使用內部封裝的大量指令和指令塊，在編寫PLC程序時調用相應的指令和指令塊即可。此外，該軟件還支持FBD、SCL、STL語法指令。在這一個軟件中可以編寫下位機S7-1200PLC程序和上位機系統(tǒng)界面，便于數(shù)據(jù)的傳送、處理和保存。程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

3.1 PLC程序設計

輪胎自動稱重管理系統(tǒng)的工藝流程主要是對條碼信息和稱重信息的采集和處理，實時發(fā)送至上位機并存入SQL Server數(shù)據(jù)庫，以供日后的查詢和追溯。在定義下位機PLC的變量時，將變量分類寫入DB數(shù)據(jù)塊內，便于程序的調試和數(shù)據(jù)的統(tǒng)一監(jiān)控。在編寫PLC程序時，調用FC函數(shù)塊，對公用程序統(tǒng)一管理，節(jié)省編程時間，實現(xiàn)程序的解耦，防止程序的冗余。FC函數(shù)塊可以在編寫PLC程序時反復調用。比如有相同功能的程序，在FC函數(shù)塊里只需編寫一次，PLC程序里就可以反復調用編寫好的FC函數(shù)塊。系統(tǒng)工作時，S7-1200PLC使用OB100來確保初始化程序在系統(tǒng)啟動時執(zhí)行一次。使用OB100執(zhí)行初始化程序，完成稱重數(shù)據(jù)的初始化。S7-1200PLC通過QW106向ACT350變送器發(fā)送稱重指令。根據(jù)接收到的稱重指令，ACT350變送器向S7-1200PLC傳輸相應的稱重數(shù)據(jù)[4]。去皮指令和請求毛重指令如圖7所示。S7-1200PLC根據(jù)標準數(shù)據(jù)計算公式，對稱重數(shù)據(jù)進行截取和分析，得到輪胎實際重量值。S7-1200PLC將實際重量值與在上位機設定的標稱重量值相比較，判斷輪胎重量是否合格。合格則啟動1號機械手將輪胎放入1號立體倉庫，不合格則啟動2號機械手將輪胎放入2號立體倉庫。重量比較指令如圖8所示。

圖7 去皮和請求毛重指令

圖8 重量比較指令

3.2 上位機程序設計

上位機軟件設計包括主頁、管理、工作、數(shù)據(jù)查詢、狀態(tài)監(jiān)視等界面和相關的處理程序和程序公用模塊。設計合理的數(shù)據(jù)庫表結構和實現(xiàn)方式，保證輪胎信息的錄入查詢等功能。同時為確保數(shù)據(jù)的安全和完整，需要定期對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行歸檔，設計的程序提供自動歸檔程序和手動歸檔程序兩種方式，數(shù)據(jù)可選擇歸檔到本地硬盤或者外接的移動存儲設備上，當計算機數(shù)據(jù)面臨數(shù)據(jù)丟失和損壞時，可以避免因數(shù)據(jù)的丟失而造成的損失。

上位機執(zhí)行SQL語句訪問數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)庫進行增加、刪除、查詢、修改等操作[5]。上位機通過以太網通信接收S7-1200PLC發(fā)送的輪胎條碼信息和稱重數(shù)據(jù)。上位機監(jiān)控界面實時顯示輪胎信息并有指示燈顯示輪胎是否合格，綠燈為合格輪胎，紅燈為不合格輪胎。系統(tǒng)可以根據(jù)條碼查詢輪胎具體信息并導出關于輪胎信息的EXCEL表格，存放到指定位置。也可以按日、月或者某個時間段查詢錄入數(shù)據(jù)庫的輪胎信息并導出EXCEL表格，便于日后對輪胎信息的查詢和追溯。系統(tǒng)工作界面如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)工作界面

在TIA Portal V15.1中通過腳本訪問數(shù)據(jù)庫，需要ADODB.Connection、ADODB.Command和ADODB.Recordset。

Server.CreateObject(“ADODB.Connection”)用于創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)庫連接

Server.CreateObject(“ADODB.Recordset”)用于創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)庫記錄

Server.CreateObject(“ADODB Command”)用于面向數(shù)據(jù)庫的操作

導出EXCEL表格的部分程序如下：

4 結語

根據(jù)青島某輪胎企業(yè)的實際需求，以S7-1200PLC、METTLER TOLEDO ACT350變送器、Honeywell 3310G掃碼器作為硬件基礎，結合TIA Portal V15.1和SQL Server 2008R2，設計了輪胎自動稱重管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有自動稱重、條碼識別、實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲等功能，相比于傳統(tǒng)的人工稱重節(jié)省了大量的人力物力，極大地提高了生產效率。目前，該系統(tǒng)已被企業(yè)應用，能夠自動完成輪胎的掃碼識別和重量檢測，具有很高的應用價值。后期將沿著RFID技術的方向繼續(xù)研究。