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用PLC与自制的组件构成电子皮带秤的方案设计

2014-11-27  丁东方

PLC与自制的组件构成电子皮带秤的方案设计

     本文介绍用自制的PLC外围组件与PLC组合构成电子皮带秤的装置。该装置由于不选用上位机或触摸屏及较贵的专用模快,仅用自制组件与PLC配合,使设备不仅抗干扰好,而且造价也大为降低。该装置可实现瞬时流量及累计流量的时时显示,并有键盘置数和打印功能。其硬件结构见下图一:

                   图一、PLC构成皮带秤原理图

                   一、硬件组成

1、              PLC:选用S7-200,型号为:CPU224 DC,输入点14个,即I0.0~I0.7I1.0~I1.5    输出点10个,即 Q0.0~Q0.7Q1.0~Q1.1。输出点选用晶体管输出。

2、              传感器变送组件:传感器选用电阻应变式,精度为0.05 ‰称重传感器,输出为:010 mV。变送器自制:选用LM324集成块的3个运放器构成,输出为420ma电流信号,可远距离传送。为确保温漂极小,用LM324的第4个运放器做恒温控制器,该变送器放在一恒温盒里,放置在传感器附近。

3、              I / F转换组件:自制,其作用是将传感变送器传送来的420ma电流信号转换为02.77KHz 的脉冲信号,输入给PLC的高速计数器的加计数输入端(I0.0)。

4、              二路数字显示且带有打印功能组件(见下面“44位数码显示及微打输出组件”照片),该组件对外有4个插座接口:

1)、J2插座:去PLCI / O口,有5条线去PLC输出口:其J2-1脚为(SCL)时钟线, PLCQ0.0J2-2脚为(STA1)数据线,接PLCQ0.1J2-3脚为(STA2)数据线,接PLCQ0.2J2-4脚为复位同步线,接PLCQ0.3J2-7脚为控制线,PLCQ0.4,J2-5脚为打印握手线,接PLC输入口I0.7

2)、J1插座:去8位数字显示板,显示累计流量值。

3)、J3插座:去4位数字显示板,显示瞬时流量值。

4)、J4插座:去微型打印机,可打印当班计量记录。

5、键盘组件:由一块控制电路板和16位薄膜式键盘组成(见下面键盘组件照片),控制板的J1为输入插座,其J1-1SCL线(时钟线),接PLCI0.3,其J1-2STA(数据线),接PLCI0.4

键盘共有16个键,09 为置数用的数字键,第一次按一下数字键,瞬时流量显示器的最低位显示按键数,其它各位数清零,再按数字键,显示值左移一位,最低位显示刚刚按下的数字键的对应值…。ABF 6键为命令键,本设计规定:

A键为置“年”的命令键,如显示器已置好的数为“2012,按一下A键,PLC将此值转换为ASCII码,送入“年的存数区”,以备打印时用。

B键为置“月、日”的命令键,如显示器已置好的数为“0212,按一下B键,PLC02”与“12分别转换为ASCII码,且送入“月”和“日”的存数区”,以备打印时用。

C键为置班次与圈数的命令键,,如显示器已置好的数为“0203,按一下C键,PLC02” 转换为ASCII码,再与“03分别送入“班”和“圈数”的存数区”。

D键为置“系列系数”的命令键,皮带秤按一般规定有:12357系列,按此键将设置的系列数存入“系列系数”存数区,以备计量运算使用。(本设计暂未用)

E键为打印命令键,按下此键,PLC将按规定的格式打印数据。

F键为清零键,如置入的显示值有误,按此键可将数据请0.

有关显示、打印及键盘组件的介绍请见“自制的PLC外围组件及应用”一文,本文只介绍传感器变送器与I / F转换组件的硬件组成及PLC如何与显示组件、键盘组件的连接及编程。

 

         二、电子皮带秤称重数学模型分析

             图二、用测速发电机供电传感器输出信号与瞬时流量成比例关系

 

         三、信号处理

由图二右侧公式推导可知,用测速发电机供源的称重传感器,其输出信号Ug与瞬时流量q成正比。故可直接用Ug 值代表皮带秤的瞬时流量q,而不必分别求出 p、v 二个量,再求瞬时流量值q。这样处理不仅节省测速传感器及变送器,也简化了运算程序。

1、  q的处理:在额定最大转速下,传感器承受0~额定压力,其输出信号Ug=010mV,通过V / I 转换变为420ma的电流信号,可远距离传送而不会使信号失真。该装置再将420ma转换为对应的频率脉冲信号输入给PLC高速计数输入口进行计数。高速计数器的计数值就是对应时刻的累计流量值,再用读取计数值减去前一秒读取的计数值(即1秒时间内的计数值)就是瞬时流量。

           q 值如何转换为对应的频率脉冲呢,我们以 100T /H 皮带秤为例:

              100 T/H = 100000 Kg/3600S = 27.77 Kg/S

即要求累计脉冲频率为27.77 Hz,其测量精度为一个脉冲为1Kg,为了提高测量精度,转换频率选为2.77KHz,这样一个脉冲为0.01 Kg测量精度。

下面介绍一下传感器变送器组件和 I / F 转换组件的电路原理:

图三为传感器变送器电路原理图,粉色虚线框内为称重传感器电路图,它是由4个等值电阻应变片构成,RxRW2支路为传感器调零电路,调节RW2可调节传感器的输出=0VRW1R与测速发电机串联,调节RW1 可改变供桥电压,在最大额定转速下发电机输出电压为Eo,在额定负荷下,调节RW1,使传感器输出电压Uab=10mV

                    图三、传感器变送器原理图

运放器U1B 组成放大倍数 K=400的反向放大器,输入为0~-10mV,输出为:04V。晶体管G1其发射极与集电极电阻相等皆为2K,由于Ic=Ie,故这二个电阻的电压降总是相等的,当输入信号=0时,G1的发射极对地电压=0G1的集电极对+23V电压的电压也等于0,对地电压=23V,该电压输出给G2,使G2发射极对地电压=23V,此时G2发射极电阻承受1V电压,其阻值=250Ω,故使G2集电极输出4ma电流。当输入信号=10mV时,G1的发射极对地电压=4VG1的集电极对+23V电压的电压也等于4V,对地电压=19V,该电压输出给G2,使G2发射极对地电压=19 V,此时G2发射极电阻承受5V电压,其阻值=250Ω,故使G2集电极 输出20ma电流。

该电路放置在一个恒温盒里,其控制电路见下图。

图五 I / F转换电路,是由LM358LM331二个集成电路组成,LM358 为电压跟随器,调节RW2使其输出(1脚)电压=-0.69V。当输入4ma电流时,电阻(173Ω)的电压=0.69V,使该电阻上端对地电压=0V,当输入20ma电流时,电阻(173Ω)的电压=3.46V,使该电阻上端对地电压=2.77VLM331V / F 转换器,输入010 电压信号,可产生010KHz脉冲信号,由于前级输入电压为02.77V,故转换输出脉冲信号为02.77KHz

                图五、I / F 转换电路原理图

从图三、图五的选用元件可知,自制的变送器组件与I / F 转换组件成本造价是非常低的,几十元钱就可搞定。这就是选用自制组件的原因。

四、显示、打印组件与键盘组建的简介

   (一)、44位数码显示及微打输出组件:

该组件是由主控板、4块显示板组成,主控板(图右侧电路板)其板右侧插座连接PLCI/O口,左侧中插座接打印机,其余4个插座接44位显示板。本设备由于累计流量显示为8位数字,故将12路显示板并为一起,改成一块8位显示板,第3路为瞬时流量显示(4位数)。

(二)、键盘组件:

   上图为键盘组件,它是由控制板和薄膜式键盘组成。控制板左下侧插座与PLC的输入口连接(占2个输入口),右侧插座连接键盘。键盘为16个键,0~9 为数字键,余下6个键为命令键,可填写为ABCDEF字母,也可按其命令功能改写汉字,使之一目了然。

显示、打印组件与键盘组件为使用多年的定型产品,其硬件电路及运行程序已做加密处理,故以实物照片供大家参考,它们与PLC连接,前面已述,如何编程及使用请见后面说明。

五、采集称重信号的设计构思及PLC编程

目前使用的皮带秤的设计,多采用模拟量转换为数字量的转换模块,将称重传感器输出的模拟信号转换为数字量,再对数字量按数学模型进行运算求出瞬时流量,再进行累加。本设计采用的是将称重传感器输出的模拟信号转换为频率脉冲,用PLC的高速计数器对其累加计数,其计数器的计数值即为累计流量。

皮带运输机的皮带很难做的均称,有厚有薄,故对皮带秤的动态调零很难调准,一般均采用这样处理:皮带空载运转时,调节秤框给传感器施加略小与1/10的量程的予压力,皮带机空跑几整圈,记下累计值和运行时间,用其累计值除以时间,其商就是单位时间皮带的平均皮重,将此皮重转换为固定频率的脉冲,再进行称重测量时,计数器在进行对称重脉冲加计数的同时,对皮重脉冲进行减计数。这样累计计数的结果,才为物料的真实重量。而这种计数叫做可逆计数。

S7-200PLC内含的高速计数器,有这种功能,选用PLCHSC0计数器,设工作模式为7,其高速计数器将执行加、减可逆的计数方式:其I0.0为加计数脉冲输入端,I0.1为减计数脉冲输入端,I0.2为复位端,I0.21时复位有效,计数器清零。其I0.0输入的加脉冲来自I / F转换组件输出的F+脉冲,脉冲频率为02.77KHz(具体电路请见图五、I / F 转换电路原理图)。I0.1输入的减脉冲来自PLC输出口Q0.7,脉冲频率=250Hz,它是由PLC4mS 时间中断形成的:每发生一次时间中断,使MB41,这样M4.0将输出F=125Hz的时钟频率,再用M4.0的前、后沿输出给Q0.7,使Q0.7输出的脉冲频率 F-=250 Hz

     (一)、皮带秤调零、校准的设计考虑:

1、安放接近开关及其作用:

皮带秤调零、校准都是在皮带机运行中进行的,考虑皮带的不均匀性,调零与校准的测试时间应为皮带机运行N整圈的时间,为此选用一个接近开关作为判断皮带运行一整圈的检测原件:在皮带侧边的某点固定一块铁片,在其下方安装一接近开关,皮带每旋转一周,其铁片将通过一次接近开关,使其输出一个脉冲。任意二个脉冲的间距时间就是皮带运行一整圈的时间。

2、皮带秤调零:闭合K2(工作/校准)开关(I0.6=1),使皮带秤处于校整方式,皮带机空载运行,按一下调零按钮(K3),皮带秤进入调零工作状态,当皮带上的铁片运行到接近开关的上方,接近开关输出第一个脉冲信号时,PLC使 Q0.6=0,即使I0.2=0,高速计数器由0开始计数,在调零方式下无F-脉冲输入,故高速计数器只作加计数,同时用秒脉冲SM0.5开始计时。当接近开关发出第N个脉冲时,PLC立刻进行如下运算:将皮带机运行N整圈所累计的重量值除以运行时间,其商即为平均皮重,此值立刻送瞬时流量显示区显示,随后,使Q0.6=1,I0.2=1,高速计数器复位。此时显示值=250为准,如大于250,应减小秤框的予压力,如小于250,应加大秤框的予压力,再按调零按钮重新运行,直至调整到=250为止。  

3、皮带秤校准:闭合 K2(工作/校准)开关,皮带秤处于校整方式,皮带机运行,其秤框上方的皮带上放置标准校准链码,按一下校准按钮(K4),皮带秤进入校准工作状态,当接近开关输出第一个脉冲信号时,PLC使 Q0.6=0,即使I0.2=0,高速计数器由0开始计数,此时I0.0 输入F+脉冲,I0.1输入F-脉冲,高速计数器处于加减可逆计数状态。同时用秒脉冲SM0.5开始计时。当接近开关发出发出第N个脉冲时,PLC立刻进行如下运算:将皮带机运行N整圈所累计的重量值除以运行时间,其商即为链码重量值,此值立刻送瞬时流量显示区显示,随后,Q0.6=1,高速计数器复位。如此显示值不等于链码标称重量值,应调整图三中的RW3电阻器,再按校准按钮重新运行校整,直至调整到显示值=链码标称重量值为止。

下面为SBR_1子程序,即为皮带秤动态调零、校准的子程序:

(二)、皮带秤称重测量的设计考虑

1、皮带秤调零、校准后,可进入实物计量,即使“工作/校准”开关K2断开(I0.6=0),将“工作/停止”开关K1闭合(I0.5=1),皮带秤进入计量工作状态。PLC的高速计数器进入可逆计数的计数状态,此时如皮带机停止运行,必然使F+=0,为使计数器不计数,F-也必须=0,故应选用控制皮带机运行的接触器的常开触点加在PLC的一个输入点上(I1.4),当皮带机停止时触点断开(I1.4=0),使Q0.7F-脉冲输出,当皮带机运行时触点闭合(I1.4=1),使Q0.7输出F-脉冲.

2、累计流量与瞬时流量的采集与运算:

1)、累计流量的采集与运算:

本装置在实物计量中,可逆计数器的计数值即为此时刻的累计流量,计数单位为0.01Kg,而累计显示值为8位数,显示单位为Kg,故计数器的计数值(HC0)应除以100,其商才为累计显示值。

显示组件要求显示的数据为BCD码,为使显示数字稳定清晰,显示送数的周期取0.5秒,即每隔0.5秒取一次HC0,再进行除100的运算,其商(MD28)再进行BCD码转换后,方可送入显示区显示。

累计显示为8为数字显示,S7-200只有4位的 I_BCD转换指令,如自行编写8位的BCD吗转换程序,程序运行时间太长,会影响整机的运算速度,为此采用如下的处理手段进行编程:先判断MD28,如其值小于10000,直接用I-BCD指令将其低字(MW30)转换为BCD,其高字(MW28=0。如MD28位于1000020000之间,将MD2810000,其差值的低字I-BCD指令转换为BCD,其高字=1 ……具体编程清见自动工作子程序。

2)瞬时流量的采集与运算:

瞬时流量的采集时间也选用0.5秒,采集数据的方法是,每隔05秒,将此时的MD28值减去前一次的MD28值,其差值乘20,即为此时刻的瞬时流量(单位为0.1Kg / S),再用I-BCD指令将其低字直接转换为BCD码,再送入瞬时流量显示区显示。详见自动工作子程序。

     3SBR-0 自动工作子程序:

    3、皮带秤主程序及其它子程序展示其解析:

    1)、皮带秤主程序:

   2)、SBR-3 子程序

3)、SBR-5 子程序

4INT_0 中断服务程序

    上面列出的主程序与3个子程序均有较详细注解说明,这里对此不再解析。下面对SBR-2(键盘组件的运行程序)与SBR-4 (显示与打印组件的运行程序)作以说明,这二个子程序均编成功能块,编程时直接调用功能块就可以,而且编程简单:只要将有关数据输入给功能块上的对应输入点,或由功能块输出的数据、位信号传递给对应的数据区、位变量就行了。下面就这二个功能块的编程、使用作以介绍:

1、  SBR-2子程序的使用与编程:

    SBR-2子程序为键盘组件的运行程序,它以功能块的形式出现。使用时只需调用它的功能块,再填写该功能能块所需要的输入与输出条件,就完成对它的编程,见下图:

该功能块的输入信号有3个:

1)、EN 为使能输入点,当它=1,该功能程序运行,本程序选用SM0.0 连接,故使该功能程序时时都在运行。

   2)、SCL:为时钟脉冲输入点,它来自键盘组件的时钟线,本设备将它接在PLCI0.3输入点,故用I0.3 接入功能块的SCL输入点。

   3)、STA:为数据脉冲输入点,它来自键盘组件的数据线,本设备将它接在PLCI0.4输入点,故用I0.4 接入功能块的STA输入点。

 该功能块的输出信号有7个:

 1)、OUT3:为数据(字)输出,它来自键盘组件,由数字键置入的数值:每按一下数字键,OUT3值左移一位,新置入的数进入OUT3值的最低位。本设备用VW20字连接OUT3输出。

 2)、OUTA:为按A键发出的脉宽=0.2秒的脉冲信号,本设备用它输出给V313.0,做置“年”命令信号。见主程序的网络15程序。

 3)、OUTB:为按B键发出的脉宽=0.2秒的脉冲信号,本设备用它输出给V313.1,做置“月、日”命令信号。见主程序的网络16程序。

4)、OUTC:为按C键发出的脉宽=0.2秒的脉冲信号,本设备用它输出给V313.2,做置“班、圈数”命令信号。见主程序的网络17程序。

   5)、OUTE:为按E键发出的脉宽=0.2秒的脉冲信号,本设备用它输出给V313.4,作为打印命令信号。见主程序的网络8程序:用V313.4的前沿沿将V311.0=1V311.0=1输送给SBR-4,使SBR-4执行打印程序。

    6)、OUTF:为按F键发出的脉宽=0.2秒的脉冲信号,本设备用它作清零用,即使OUT3=0

2SBR-4子程序的使用与编程:

SBR-4子程序为显示与打印组件的运行程序,它以功能块的形式出现。使用时只需调用它的功能块,再填写该功能能块所需要的输入与输出条件,就完成对它的编程,见下图:

该程序中应填写的数据有:

MD24:为已转换为BCD码的累计流量值,送入此块,在未按键盘时,此数据时时在累计流量显示器显示。  

MD4:为已转换为BCD码的瞬时流量值,送入此块,在未按键盘时,此数据时时在瞬时流量显示器显示。  

&VB100:为打印数据首址

VD90:存放打印数据的指针地址

VB81:打印数据字节数

V310.1:接显示、打印组件的时钟线(SCL

       V310.4:接显示、打印组件的累计流量数据线(STA1)

       V310.6:接显示、打印组件的瞬时流量数据线(STA2)

V311.2:接显示、打印组件的同步控制线。

六、打印数据表的编写

本程序对打印数据的编程非常简单:在主程序编写一条传送指令(见网络8),在网络5SBR-2块的OUTE输出端填写 V313.4,再在中断程序里的SBR-4块的输入点(Sin1)填写V310.0位变量,即完成打印的编程。程序动作是这样进行的:

按一下键盘组建的E键,其SBR-2功能块的OUTE立刻输出一个打印命令脉冲,输送给V313.4V313.4使V310.0=1,再传送给SBR-4Sin1输入点,SBR-4的程序立刻按规定的格式进行打印输出。

本程序的打印数据格式是这样编写的,数据首址定为VB100,指针地址存储区为VD90,打印数据所占字节数为VB81,对打印编程只填写这3个数据就行。打印输出的格式为:

         测试记录

   2012 02 15

瞬时流量: 0121.0  Kg / S

累计流量: 01325798  K g

    测试: 3

打印数据表见下表:

 用PLC做成的皮带秤比用单片机做成的皮带秤抗干扰性好,而且PLC同时还可做其它控制用。在既作设备的程序控制又作皮带秤计量时, 可选用继电器触点输出的 PLC作设备程序控制,增加一个晶体管输出的扩展输出模块,用它替换图一的Q0.0~Q0.4及Q0.7的输出,将使皮带秤的设计成本变的更低,而且皮带秤的计量数据就在PLC内,不需通讯传递。

PLC与自制的组件构成电子皮带秤的方案设计

     本文介绍用自制的PLC外围组件与PLC组合构成电子皮带秤的装置。该装置由于不选用上位机或触摸屏及较贵的专用模快,仅用自制组件与PLC配合,使设备不仅抗干扰好,而且造价也大为降低。该装置可实现瞬时流量及累计流量的时时显示,并有键盘置数和打印功能。其硬件结构见下图一:

                   图一、PLC构成皮带秤原理图

                   一、硬件组成

1、              PLC:选用S7-200,型号为:CPU224 DC,输入点14个,即I0.0~I0.7I1.0~I1.5    输出点10个,即 Q0.0~Q0.7Q1.0~Q1.1。输出点选用晶体管输出。

2、              传感器变送组件:传感器选用电阻应变式,精度为0.05 ‰称重传感器,输出为:010 mV。变送器自制:选用LM324集成块的3个运放器构成,输出为420ma电流信号,可远距离传送。为确保温漂极小,用LM324的第4个运放器做恒温控制器,该变送器放在一恒温盒里,放置在传感器附近。

3、              I / F转换组件:自制,其作用是将传感变送器传送来的420ma电流信号转换为02.77KHz 的脉冲信号,输入给PLC的高速计数器的加计数输入端(I0.0)。

4、              二路数字显示且带有打印功能组件(见下面“44位数码显示及微打输出组件”照片),该组件对外有4个插座接口:

1)、J2插座:去PLCI / O口,有5条线去PLC输出口:其J2-1脚为(SCL)时钟线, PLCQ0.0J2-2脚为(STA1)数据线,接PLCQ0.1J2-3脚为(STA2)数据线,接PLCQ0.2J2-4脚为复位同步线,接PLCQ0.3J2-7脚为控制线,PLCQ0.4,J2-5脚为打印握手线,接PLC输入口I0.7

2)、J1插座:去8位数字显示板,显示累计流量值。

3)、J3插座:去4位数字显示板,显示瞬时流量值。

4)、J4插座:去微型打印机,可打印当班计量记录。

5、键盘组件:由一块控制电路板和16位薄膜式键盘组成(见下面键盘组件照片),控制板的J1为输入插座,其J1-1SCL线(时钟线),接PLCI0.3,其J1-2STA(数据线),接PLCI0.4

键盘共有16个键,09 为置数用的数字键,第一次按一下数字键,瞬时流量显示器的最低位显示按键数,其它各位数清零,再按数字键,显示值左移一位,最低位显示刚刚按下的数字键的对应值…。ABF 6键为命令键,本设计规定:

A键为置“年”的命令键,如显示器已置好的数为“2012,按一下A键,PLC将此值转换为ASCII码,送入“年的存数区”,以备打印时用。

B键为置“月、日”的命令键,如显示器已置好的数为“0212,按一下B键,PLC02”与“12分别转换为ASCII码,且送入“月”和“日”的存数区”,以备打印时用。

C键为置班次与圈数的命令键,,如显示器已置好的数为“0203,按一下C键,PLC02” 转换为ASCII码,再与“03分别送入“班”和“圈数”的存数区”。

D键为置“系列系数”的命令键,皮带秤按一般规定有:12357系列,按此键将设置的系列数存入“系列系数”存数区,以备计量运算使用。(本设计暂未用)

E键为打印命令键,按下此键,PLC将按规定的格式打印数据。

F键为清零键,如置入的显示值有误,按此键可将数据请0.

有关显示、打印及键盘组件的介绍请见“自制的PLC外围组件及应用”一文,本文只介绍传感器变送器与I / F转换组件的硬件组成及PLC如何与显示组件、键盘组件的连接及编程。

 

         二、电子皮带秤称重数学模型分析

             图二、用测速发电机供电传感器输出信号与瞬时流量成比例关系

 

         三、信号处理

由图二右侧公式推导可知,用测速发电机供源的称重传感器,其输出信号Ug与瞬时流量q成正比。故可直接用Ug 值代表皮带秤的瞬时流量q,而不必分别求出 p、v 二个量,再求瞬时流量值q。这样处理不仅节省测速传感器及变送器,也简化了运算程序。

1、  q的处理:在额定最大转速下,传感器承受0~额定压力,其输出信号Ug=010mV,通过V / I 转换变为420ma的电流信号,可远距离传送而不会使信号失真。该装置再将420ma转换为对应的频率脉冲信号输入给PLC高速计数输入口进行计数。高速计数器的计数值就是对应时刻的累计流量值,再用读取计数值减去前一秒读取的计数值(即1秒时间内的计数值)就是瞬时流量。

           q 值如何转换为对应的频率脉冲呢,我们以 100T /H 皮带秤为例:

              100 T/H = 100000 Kg/3600S = 27.77 Kg/S

即要求累计脉冲频率为27.77 Hz,其测量精度为一个脉冲为1Kg,为了提高测量精度,转换频率选为2.77KHz,这样一个脉冲为0.01 Kg测量精度。

下面介绍一下传感器变送器组件和 I / F 转换组件的电路原理:

图三为传感器变送器电路原理图,粉色虚线框内为称重传感器电路图,它是由4个等值电阻应变片构成,RxRW2支路为传感器调零电路,调节RW2可调节传感器的输出=0VRW1R与测速发电机串联,调节RW1 可改变供桥电压,在最大额定转速下发电机输出电压为Eo,在额定负荷下,调节RW1,使传感器输出电压Uab=10mV

                    图三、传感器变送器原理图

运放器U1B 组成放大倍数 K=400的反向放大器,输入为0~-10mV,输出为:04V。晶体管G1其发射极与集电极电阻相等皆为2K,由于Ic=Ie,故这二个电阻的电压降总是相等的,当输入信号=0时,G1的发射极对地电压=0G1的集电极对+23V电压的电压也等于0,对地电压=23V,该电压输出给G2,使G2发射极对地电压=23V,此时G2发射极电阻承受1V电压,其阻值=250Ω,故使G2集电极输出4ma电流。当输入信号=10mV时,G1的发射极对地电压=4VG1的集电极对+23V电压的电压也等于4V,对地电压=19V,该电压输出给G2,使G2发射极对地电压=19 V,此时G2发射极电阻承受5V电压,其阻值=250Ω,故使G2集电极 输出20ma电流。

该电路放置在一个恒温盒里,其控制电路见下图。

图五 I / F转换电路,是由LM358LM331二个集成电路组成,LM358 为电压跟随器,调节RW2使其输出(1脚)电压=-0.69V。当输入4ma电流时,电阻(173Ω)的电压=0.69V,使该电阻上端对地电压=0V,当输入20ma电流时,电阻(173Ω)的电压=3.46V,使该电阻上端对地电压=2.77VLM331V / F 转换器,输入010 电压信号,可产生010KHz脉冲信号,由于前级输入电压为02.77V,故转换输出脉冲信号为02.77KHz

                图五、I / F 转换电路原理图

从图三、图五的选用元件可知,自制的变送器组件与I / F 转换组件成本造价是非常低的,几十元钱就可搞定。这就是选用自制组件的原因。

四、显示、打印组件与键盘组建的简介

   (一)、44位数码显示及微打输出组件:

该组件是由主控板、4块显示板组成,主控板(图右侧电路板)其板右侧插座连接PLCI/O口,左侧中插座接打印机,其余4个插座接44位显示板。本设备由于累计流量显示为8位数字,故将12路显示板并为一起,改成一块8位显示板,第3路为瞬时流量显示(4位数)。

(二)、键盘组件:

   上图为键盘组件,它是由控制板和薄膜式键盘组成。控制板左下侧插座与PLC的输入口连接(占2个输入口),右侧插座连接键盘。键盘为16个键,0~9 为数字键,余下6个键为命令键,可填写为ABCDEF字母,也可按其命令功能改写汉字,使之一目了然。

显示、打印组件与键盘组件为使用多年的定型产品,其硬件电路及运行程序已做加密处理,故以实物照片供大家参考,它们与PLC连接,前面已述,如何编程及使用请见后面说明。

五、采集称重信号的设计构思及PLC编程

目前使用的皮带秤的设计,多采用模拟量转换为数字量的转换模块,将称重传感器输出的模拟信号转换为数字量,再对数字量按数学模型进行运算求出瞬时流量,再进行累加。本设计采用的是将称重传感器输出的模拟信号转换为频率脉冲,用PLC的高速计数器对其累加计数,其计数器的计数值即为累计流量。

皮带运输机的皮带很难做的均称,有厚有薄,故对皮带秤的动态调零很难调准,一般均采用这样处理:皮带空载运转时,调节秤框给传感器施加略小与1/10的量程的予压力,皮带机空跑几整圈,记下累计值和运行时间,用其累计值除以时间,其商就是单位时间皮带的平均皮重,将此皮重转换为固定频率的脉冲,再进行称重测量时,计数器在进行对称重脉冲加计数的同时,对皮重脉冲进行减计数。这样累计计数的结果,才为物料的真实重量。而这种计数叫做可逆计数。

S7-200PLC内含的高速计数器,有这种功能,选用PLCHSC0计数器,设工作模式为7,其高速计数器将执行加、减可逆的计数方式:其I0.0为加计数脉冲输入端,I0.1为减计数脉冲输入端,I0.2为复位端,I0.21时复位有效,计数器清零。其I0.0输入的加脉冲来自I / F转换组件输出的F+脉冲,脉冲频率为02.77KHz(具体电路请见图五、I / F 转换电路原理图)。I0.1输入的减脉冲来自PLC输出口Q0.7,脉冲频率=250Hz,它是由PLC4mS 时间中断形成的:每发生一次时间中断,使MB41,这样M4.0将输出F=125Hz的时钟频率,再用M4.0的前、后沿输出给Q0.7,使Q0.7输出的脉冲频率 F-=250 Hz

     (一)、皮带秤调零、校准的设计考虑:

1、安放接近开关及其作用:

皮带秤调零、校准都是在皮带机运行中进行的,考虑皮带的不均匀性,调零与校准的测试时间应为皮带机运行N整圈的时间,为此选用一个接近开关作为判断皮带运行一整圈的检测原件:在皮带侧边的某点固定一块铁片,在其下方安装一接近开关,皮带每旋转一周,其铁片将通过一次接近开关,使其输出一个脉冲。任意二个脉冲的间距时间就是皮带运行一整圈的时间。

2、皮带秤调零:闭合K2(工作/校准)开关(I0.6=1),使皮带秤处于校整方式,皮带机空载运行,按一下调零按钮(K3),皮带秤进入调零工作状态,当皮带上的铁片运行到接近开关的上方,接近开关输出第一个脉冲信号时,PLC使 Q0.6=0,即使I0.2=0,高速计数器由0开始计数,在调零方式下无F-脉冲输入,故高速计数器只作加计数,同时用秒脉冲SM0.5开始计时。当接近开关发出第N个脉冲时,PLC立刻进行如下运算:将皮带机运行N整圈所累计的重量值除以运行时间,其商即为平均皮重,此值立刻送瞬时流量显示区显示,随后,使Q0.6=1,I0.2=1,高速计数器复位。此时显示值=250为准,如大于250,应减小秤框的予压力,如小于250,应加大秤框的予压力,再按调零按钮重新运行,直至调整到=250为止。  

3、皮带秤校准:闭合 K2(工作/校准)开关,皮带秤处于校整方式,皮带机运行,其秤框上方的皮带上放置标准校准链码,按一下校准按钮(K4),皮带秤进入校准工作状态,当接近开关输出第一个脉冲信号时,PLC使 Q0.6=0,即使I0.2=0,高速计数器由0开始计数,此时I0.0 输入F+脉冲,I0.1输入F-脉冲,高速计数器处于加减可逆计数状态。同时用秒脉冲SM0.5开始计时。当接近开关发出发出第N个脉冲时,PLC立刻进行如下运算:将皮带机运行N整圈所累计的重量值除以运行时间,其商即为链码重量值,此值立刻送瞬时流量显示区显示,随后,Q0.6=1,高速计数器复位。如此显示值不等于链码标称重量值,应调整图三中的RW3电阻器,再按校准按钮重新运行校整,直至调整到显示值=链码标称重量值为止。

下面为SBR_1子程序,即为皮带秤动态调零、校准的子程序:

(二)、皮带秤称重测量的设计考虑

1、皮带秤调零、校准后,可进入实物计量,即使“工作/校准”开关K2断开(I0.6=0),将“工作/停止”开关K1闭合(I0.5=1),皮带秤进入计量工作状态。PLC的高速计数器进入可逆计数的计数状态,此时如皮带机停止运行,必然使F+=0,为使计数器不计数,F-也必须=0,故应选用控制皮带机运行的接触器的常开触点加在PLC的一个输入点上(I1.4),当皮带机停止时触点断开(I1.4=0),使Q0.7F-脉冲输出,当皮带机运行时触点闭合(I1.4=1),使Q0.7输出F-脉冲.

2、累计流量与瞬时流量的采集与运算:

1)、累计流量的采集与运算:

本装置在实物计量中,可逆计数器的计数值即为此时刻的累计流量,计数单位为0.01Kg,而累计显示值为8位数,显示单位为Kg,故计数器的计数值(HC0)应除以100,其商才为累计显示值。

显示组件要求显示的数据为BCD码,为使显示数字稳定清晰,显示送数的周期取0.5秒,即每隔0.5秒取一次HC0,再进行除100的运算,其商(MD28)再进行BCD码转换后,方可送入显示区显示。

累计显示为8为数字显示,S7-200只有4位的 I_BCD转换指令,如自行编写8位的BCD吗转换程序,程序运行时间太长,会影响整机的运算速度,为此采用如下的处理手段进行编程:先判断MD28,如其值小于10000,直接用I-BCD指令将其低字(MW30)转换为BCD,其高字(MW28=0。如MD28位于1000020000之间,将MD2810000,其差值的低字I-BCD指令转换为BCD,其高字=1 ……具体编程清见自动工作子程序。

2)瞬时流量的采集与运算:

瞬时流量的采集时间也选用0.5秒,采集数据的方法是,每隔05秒,将此时的MD28值减去前一次的MD28值,其差值乘20,即为此时刻的瞬时流量(单位为0.1Kg / S),再用I-BCD指令将其低字直接转换为BCD码,再送入瞬时流量显示区显示。详见自动工作子程序。

     3SBR-0 自动工作子程序:

    3、皮带秤主程序及其它子程序展示其解析:

    1)、皮带秤主程序:

   2)、SBR-3 子程序

3)、SBR-5 子程序

4INT_0 中断服务程序

    上面列出的主程序与3个子程序均有较详细注解说明,这里对此不再解析。下面对SBR-2(键盘组件的运行程序)与SBR-4 (显示与打印组件的运行程序)作以说明,这二个子程序均编成功能块,编程时直接调用功能块就可以,而且编程简单:只要将有关数据输入给功能块上的对应输入点,或由功能块输出的数据、位信号传递给对应的数据区、位变量就行了。下面就这二个功能块的编程、使用作以介绍:

1、  SBR-2子程序的使用与编程:

    SBR-2子程序为键盘组件的运行程序,它以功能块的形式出现。使用时只需调用它的功能块,再填写该功能能块所需要的输入与输出条件,就完成对它的编程,见下图:

该功能块的输入信号有3个:

1)、EN 为使能输入点,当它=1,该功能程序运行,本程序选用SM0.0 连接,故使该功能程序时时都在运行。

   2)、SCL:为时钟脉冲输入点,它来自键盘组件的时钟线,本设备将它接在PLCI0.3输入点,故用I0.3 接入功能块的SCL输入点。

   3)、STA:为数据脉冲输入点,它来自键盘组件的数据线,本设备将它接在PLCI0.4输入点,故用I0.4 接入功能块的STA输入点。

 该功能块的输出信号有7个:

 1)、OUT3:为数据(字)输出,它来自键盘组件,由数字键置入的数值:每按一下数字键,OUT3值左移一位,新置入的数进入OUT3值的最低位。本设备用VW20字连接OUT3输出。

 2)、OUTA:为按A键发出的脉宽=0.2秒的脉冲信号,本设备用它输出给V313.0,做置“年”命令信号。见主程序的网络15程序。

 3)、OUTB:为按B键发出的脉宽=0.2秒的脉冲信号,本设备用它输出给V313.1,做置“月、日”命令信号。见主程序的网络16程序。

4)、OUTC:为按C键发出的脉宽=0.2秒的脉冲信号,本设备用它输出给V313.2,做置“班、圈数”命令信号。见主程序的网络17程序。

   5)、OUTE:为按E键发出的脉宽=0.2秒的脉冲信号,本设备用它输出给V313.4,作为打印命令信号。见主程序的网络8程序:用V313.4的前沿沿将V311.0=1V311.0=1输送给SBR-4,使SBR-4执行打印程序。

    6)、OUTF:为按F键发出的脉宽=0.2秒的脉冲信号,本设备用它作清零用,即使OUT3=0

2SBR-4子程序的使用与编程:

SBR-4子程序为显示与打印组件的运行程序,它以功能块的形式出现。使用时只需调用它的功能块,再填写该功能能块所需要的输入与输出条件,就完成对它的编程,见下图:

该程序中应填写的数据有:

MD24:为已转换为BCD码的累计流量值,送入此块,在未按键盘时,此数据时时在累计流量显示器显示。  

MD4:为已转换为BCD码的瞬时流量值,送入此块,在未按键盘时,此数据时时在瞬时流量显示器显示。  

&VB100:为打印数据首址

VD90:存放打印数据的指针地址

VB81:打印数据字节数

V310.1:接显示、打印组件的时钟线(SCL

       V310.4:接显示、打印组件的累计流量数据线(STA1)

       V310.6:接显示、打印组件的瞬时流量数据线(STA2)

V311.2:接显示、打印组件的同步控制线。

六、打印数据表的编写

本程序对打印数据的编程非常简单:在主程序编写一条传送指令(见网络8),在网络5SBR-2块的OUTE输出端填写 V313.4,再在中断程序里的SBR-4块的输入点(Sin1)填写V310.0位变量,即完成打印的编程。程序动作是这样进行的:

按一下键盘组建的E键,其SBR-2功能块的OUTE立刻输出一个打印命令脉冲,输送给V313.4V313.4使V310.0=1,再传送给SBR-4Sin1输入点,SBR-4的程序立刻按规定的格式进行打印输出。

本程序的打印数据格式是这样编写的,数据首址定为VB100,指针地址存储区为VD90,打印数据所占字节数为VB81,对打印编程只填写这3个数据就行。打印输出的格式为:

         测试记录

   2012 02 15

瞬时流量: 0121.0  Kg / S

累计流量: 01325798  K g

    测试: 3

打印数据表见下表:

 用PLC做成的皮带秤比用单片机做成的皮带秤抗干扰性好,而且PLC同时还可做其它控制用。在既作设备的程序控制又作皮带秤计量时, 可选用继电器触点输出的 PLC作设备程序控制,增加一个晶体管输出的扩展输出模块,用它替换图一的Q0.0~Q0.4及Q0.7的输出,将使皮带秤的设计成本变的更低,而且皮带秤的计量数据就在PLC内,不需通讯传递。

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