基于台达自动化产品的天平自动计量系统方案设计

1 引言

　　天平广泛应用于科研、国防、金融、建材、计量、公路、工矿等企业进行计量检测。天平做为重要的称量仪器，种类繁多，按使用范围大体上可分为工业天平、分析天平、专用天平。按结构可分为等臂双盘阻尼天平、机械加码天平、半自动机械加码电光天平、全自动机械加码电光天平、单臂天平和电子天平。按精密度可分为精密天平、普通天平。各类天平结构各异，但其基本原理是一样的，都是根据杠杆原理制成的。

　　天平是一种专业计量设备，根据量程范围和计量物体不同，天平的主体框架和机械结构也有所不同，砝码系统也不尽相同，天平系统核心机械部件决定天平计量精度。本文介绍的自动计量天平专门用于计量气体质量的非标准天平计量设备，计量飞机发动机各项气体指标是否满足要求，以及提供参考数据用于发动机研发人员提高发动机性能，对于我国飞机核心部件的研发和提升性能具有积极意义。

　　2 系统设计

　　2.1 系统分析

　　国内专业制造工业天平的研究机构研发的天平设备加减码系统均为人工或者机械加减码，操作缺乏灵活，计量效率和质量不利于提升设备经济价值和产品档次。本项目天平自动计量系统研发成功填补了国内天平计量设备自动化控制的空白，设备具有完全自主知识产权，控制系统采用台达PLC作为主控器，同时驱动4轴独立交流伺服系统，上位机人机界面监控天平运行状态，输入加码质量，系统实现精准自动加减码，无论从核心部件还是控制系统都可以和国外同类设备相媲美。

　　2.2 天平自动计量系统组成结构

　　(1)天平开关：  采用4千瓦三相异步电动机，由接近开关控制停止位置。

　　(2)秤盘升降：   采用2.2千瓦三相异步电动机，由接近开关控制停止位置。

　　(3)自动加码：  左右盘对称各一套，分为公斤组（400W伺服电机驱动）；十公斤组（400W伺服电机驱动）；百公斤组（120W异步电机驱动）。三组砝码应能实现0kg～199kg任意质量的自动组合。

　　2.3 系统设计

　　（1）控制系统原理：天平自动计量控制系统采用双主站控制方式，人机界面和工控PC机同时作为主站监控从站PLC动作，HMI通过COM1通讯口与PLC COM1（RS232）通讯口连接，工控PC机通过COM1通讯口与PLC COM2（RS485）通讯口，从而实现命令下达和动作反馈等监控功能，实现设备自动化控制要求。主控器台达PLC同时连接4颗独立伺服驱动系统，高速脉冲控制伺服行进距离和行进速度，达到精确加减砝码控制要求，同时PLC模拟量采集模块实时采集压力传感器信号，转换为压力数值供上位机显示和程序处理使用，天平其他部件动作条件检测和动作驱动完成均由PLC数字量输入输出接口按照程序逻辑输出实现控制功能，如图1所示。
 

　　图1 系统原理框图

（2）配置设计：控制系统技术方案配置如表1所示。表1仅列举出控制系统主要元器件，此外还包括低压电器（低压断路器、电磁接触器、电磁继电器、按钮、指示灯等）、检测传感器（压力传感器、接近开关、行程开关等），模拟信号变送器等元器件，此处均不予赘述。

　　表1系统配置设计

（3）台达DVP28SV11T  PLC功能描述：DVP28SV11T提供并列形式高速扩展接口，可以扩展应用多样的网络接口，如以太网、DeviceNet、ProfiBus以及模拟量、温度模块等，从而实现实时控制的要求，最多可以扩展16台模块（左侧扩充8台＋右侧扩充8台），包括模拟量、温度、轴控、通讯等特殊扩展模块。DVP28SV11T主机内建200KHz四轴独立和二组直线/圆弧插补功能的运动控制指令，使得位置控制方面的应用灵活而且方便。DVP28SV11T  PLC应用于4轴伺服定位控制；裁料机（高速伺服控制）；X-Y伺服机械手臂；伺服控制夹取物料应用；光电、半导体、纺织、节能与楼宇自动化等产业设备应用。台达DVP28SV11T  PLC产品规格：主机点数：28 ；最大I/O点数：512 ；用户程序容量：16K Steps ；指令执行速度：0.24μS（基本指令） ；通讯接口：內建RS232、RS485，兼容MODBUS ASCII/RTU通讯协议；资料存储器：10,000 Word ；档案存储器：10,000 Word ；高速脉冲输出：支持4点 （Y0, Y2, Y4, Y6）高速脉冲输出、2组（Y0, Y1）（Y2, Y3）AB相脉冲信号输出及2组（Y0-Y3 & Y4-Y7）双轴插补功能，最高均可达200KHz，內建4组硬件高速计数器。

　　2.4 控制系统电气设计

　　PLC主控器控制回路接线如图2所示。需要指出的是，伺服能够精准寻找到上述不同公斤数对应的不同角度，伺服电机拖动减速机带动旋转轴上面的若干的机械凸轮系统实现自动加码动作，对于电气控制系统只要能够精确找寻到预设要求的角度就可以满足要求了。

 

　　图2 PLC电原理图

2.5天平计量自动化工艺

　　系统上电系统程序自动运行以下一系列操作：检测天平是否关闭，如果处于关位（SQ2+）则无动作，如果未处于关位（SQ2-），将天平关闭（KM2+）；检测盘是否处于降位、罐是否处于退位：如果是盘处于降位（SQ4+、SQ6+）与罐处于退位（SQ19+、SQ21+）无动作，如果不是盘处于降位（SQ4-或SQ6-）或罐处于退位（SQ19-或SQ21-），将盘升起（KM3+、KM5+），将罐退回（SB2+、SB4+），将盘降下（KM4+、KM6+）；加码系统回零；提示天平系统正常、允许进行手动控制操作；天平开(KM1+)[前提：左右罐处于退位（SQ19+、SQ21+），左右盘处于降位（SQ4+、SQ6+）]；平关(KM2+)；天平开关停止；[增加的一个触摸屏上的功能按钮，在开关天平过程中能够在任意位置停止]；左盘升（KM3+）[前提：天平处于关位（SQ2+）]；左盘降（KM4+）[前提：天平处于关位（SQ2+）]；左罐进（SB1+）[前提：天平处于关位（SQ2+）、左盘处于升位（SQ3+）]；同时有触摸屏按钮和外部按钮；左罐退（SB2+）[前提：天平处于关位（SQ2+）、左盘处于升位（SQ3+）]；同时有触摸屏按钮和外部按钮；右盘升（KM5+）[前提：天平处于关位（SQ2+）]；右盘降（KM6+）[前提：天平处于关位（SQ2+）]；右罐进（SB3+）[前提：天平处于关位（SQ2+）、右盘处于升位（SQ5+）]；同时有触摸屏按钮和外部按钮；右罐退（SB4+）[前提：天平处于关位（SQ2+）、右盘处于升位（SQ5+）]；同时有触摸屏按钮和外部按钮；按给定数值加码[前提：天平处于关位（SQ2+）]；系统急停：系统中所有动作全部停止[包括手动和自动的所有动作]。同时有触摸屏按钮和外部按钮。

　　3 主控器程序设计

　　PLC控制程序难点和复杂的地方在于从0～199Kg砝码质量的任意组合，还要考虑到加码质量数值变化后，伺服要寻找原点，然后再运行到预设角度，左右加码系统各一套，所以程序量十分庞大。PLC核心控制程序分别如图3图4图所示。
 

　　图3 左盘加码原点回归梯形图

　　图4 左盘伺服加码梯形图

　　4 结束语

　　为客户提供具有良好性价比完美整合方案是中达电通的营销策略，提供稳定可靠的系统集成解决方案是服务客户的保证，此次天平自动计量系统项目结合台达HMI、PLC、伺服驱动器等自动化产品，为客户开发了一套稳定可靠的系统，不但能够满足客户气体称重检测工艺要求，而且更提高了天平自动计量系统的科技含量和工作效率，收到了客户和使用单位极大认可，客户称后续还会有类似的天平自动计量系统采用这个成熟的技术方案，再次证明中达电通是客户值得信赖的合作伙伴。