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基于PLC的双向地磅无人值守称重系统的设计与实现

时间:2018-09-28 09:43   点击数:

基于PLC的双向地磅无人值守称重系统的设计与实现

为提高石油化工品在定量装卸过程中称重计量的精准度、作业效率和优化人力资源,避免人工计量的各种 弊端,提出了双向地磅无人值守称重系统的设计和实现方法。该系统主要由地磅、红外光栅IC读卡器、摄像头及 道闸等设备组成,根据双向地衡称重系统的特点,详细阐述了其自动控制流程,利用Micro850控制器对现场I/O 数据IC卡号和称重数据进行采集,采用对质量信号进行2次滤波的方法解决称量过程中数据不稳定、计量误差大 的问题。设计开发了地磅无人值守称重系统管理界面,加强了对现场操作的监管。通过验证可知,该滤波算法能 将计量误差控制在3%d以内,符合工业计量要求。该系统己投入实际应用,在构建储运系统自动化、信息化和管控 一体化的过程中,地衡无人值守称重系统作为其不可或缺的子环节,实现了分散过磅、集中管理的设计目标,具有 极大的应用价值。

过去,许多石化企业的车辆过磅称重釆用有人 值守系统,即通过现场人工计量的方式,多个地磅 需要安排多个司磅员,司磅员手工记录车辆皮重和 毛重,再根据计算得出的石油化工品的净重来结算 业务。而传统的单机无人值守系统结构单一,未对 外提供数据接口,无法实现与第三方系统的无缝对 接,且操作流程复杂、耗时长、参与人员过多,易造成 计量管理混乱、执行效率低下,各种作弊现象也时有 发生。因此,随着通信与网络技术的快速发展, 越来越多的企业希望装卸车地磅本地业务处理釆用 无人值守型远程监控方式,包括自动识别车号、自动 检测车位、自动引导、自动保存称重数据及生成各类 报表等,从而增强工业园区装卸车的管理执行力,提 高工作效率,高效地实现与MIS/ERP系统的数据 共享与沟通,有效防止夹带作弊、车辆不完全上磅、 遥控作弊等多种作弊行为,堵塞各种管理漏洞,实现 管控一体化。

近几年来,无人值守称重系统在煤矿、冶金、化 工等行业均有广泛应用。该系统通常配合定量 装车系统SCADA ( supervisory control and data acquisition监控与数据釆集系统、排队叫号系统 等有序地实现整个库区的储运管理,其安全性、可靠 性、稳定性保证了企业物流安全和人力财产安全。 在工程应用中,可利用研华科技亚当模块来控制现 场道闸信号和红外信号,并和地衡信号一起通过 Prolinx网关传送给上位机。该方法简单易行,在大 型的多磅称重需求中相对能降低成本,但是所需实 现的功能过于分散,对于称重信号的计算与处理必 须通过上位机来完成,在项目管理中不利于分工合 作,而且该模块的稳定性依赖于计算机,信号釆样速 度较低。因此,本文根据某石化企业的项目需求, 针对地磅数目较少的小型称重系统,利用Aliens Bradley Micro850控制器,通过网络互联,实现了地衡 称重的无人值守管理。

1.地磅无人值守称重系统总体结构

地磅无人值守称重系统主要由地磅、红外光栅、 道闸C读卡器摄像头等构成,其网络结构如图1 所示。该系统将釆集到的现场数据通过以太网传输 与中央控制室的称重管理软件进行数据交换和管 理,从而实现车辆过地衡时数据自动监测和远程管 理的功能

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地衡釆用传感式地磅,用于车辆装卸称 ;红外光栅利用多束红外光对射来判断车辆停放 位置是否正确;道闸的开启与关闭均由地感线圈触 发控制,用于限制车辆的通行,达到提示与安全保障 的目的;基于 RFID技术的 IC(in!:egral:ed circuit 集成电路卡通过无线电波与读卡器进行数据传输, 自动识别业务信息,保证每笔业务的唯一性;聂像头 一般有3个,为车前摄像、车后摄像和全景摄像,用 于称重过程图像釆集和视频动态录像LED (light emitting diode发光二极管显示屏通过Prolinx 讯网关将数据传输格式由Modbus RTU转换成 Ethernet/IP格式,用于显示提示信息,引导司机完成整个称重过程。

2.双向地磅无人值守称重系统的设计与实现

2.1 PLC选型

根据无人值守系统的功能要求与特性PLC(programmable logic controller,可编程逻辑控制 米用Allen-Bradley Micro850控制器。该控制 器价格低廉,但具有高灵活性、高I/O性能、低空间 占用、高稳定性的特点。它内置24 V直流输出电 源,配置48点的数字量I/O模块,且可至多扩展4 I/O模块,同时配备串行通信plug-in功能性插 件及嵌入式10/100Base-丁以太网端口,支持 Modbus TCP, Ethernet/IP, Modbus RTU 等协议, 并釆用可拆卸端子设计。

2.2 I/O配置与地址映射

地衡系统分为单向和双向两种类型。根据实际 需求,本文研究双向地磅无人值守称重系统,如图2 所示,其中,地感线圈、红外光栅C读卡器、道闸各 2个。用到的数字量输入为地感线圈信号和红外 信号,共计4个输入点;数字量输出为道闸信号,共 4个输出点。道闸的开启与关闭由不同的输出点 控制,称重系统I/O配置如表1所示。

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本系统用到的2080-serialisor Plug-in串口模块 共有2个,分别使用MSGJModbus功能块和ARD (ASCE read)功能块来读取IC读卡器和地衡数 据。由于2种数据传输方式不同,需要分别对它们 组态,将串行传输方式分别设定为Modbus RTU Modbus ASC E。同时,为了响应Modbus主站的 读写命令,必须将变量映射到Modbus地址中。读/ 写保持寄存器初始地址为400001H本系统共用到 22个变量,部分变量标签的Modbus地址映射如表 2 所示 

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根据实际工况PLC控制模式设计为“自动控 制”“手动控制维护三种。一般情况下,称量过 程按照正常程序和步骤,以自动控制方式进行。

司机在业务大厅根据ERP ( enterprise resource planning,企业资源计划系统生成的发货 单开票制卡后,等待叫号,依次过磅称重。车辆驶向 地磅时,地感线圈感应到车轮振荡,从而控制道闸开 启,延时几秒后触发红外光栅。需要注意的是,本文 设置的地磅被感应的最低限值为20 kg防止因人 为、天气或其它因素的干扰导致红外光栅被意外触 发。司机将车停稳后进行刷卡,上位机查询数据库,对卡内信息进行比对,以确定业务是否存在,如果连 3次一直提示不存在,则道闸自动打开,提醒司机 下磅重新开票办理业务。为了便于区分,本文规定 1开头的为正向行驶,以2开头的为反向行驶, 当业务不存在时,定义为以3开头,两侧道闸同时 打开,车辆可从任意一侧下磅。双向地衡自动控制 流程如图3所示。当出现意外或紧急情况时,可通 过上位机将控制方式改为手动控制模式PLC 序将被旁通,现场所有设备直接由上位机控制。出 于安全考虑,当进行设备维修和养护时,可将控制方 式改为维护模式,此时PLC程序和上位机被锁 定,不允许执行任何操作。

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2.4数据采集

本系统基于 CCW ( connected components workbench)组态软件进行设计编程。IC卡号的读 取是通过Modbus RTU串行传输模式,釆用MSG— Modbus功能块,以非连续触发的方式Modbus RTU主站读写从站保持寄存器的数据,并将数据存 放于缓存区LocalAddr中。若MSG指令执行成 功,则输出Q置为“True

地磅称重信号无法直接获得,必须通过二次表 将数据提供给PLC本文釆用的二次表为Mettler Toledo 800称重仪表,它提供了 2个串行口 (COM1COM2),通过COM1将数据输出到 PLC波特率设为9 600 b/s8位无校验,输出方式 Toledo连续输出。二次表的数据是以18个字节 ASCn码形式输出的,起始符为02H510 位用于存储毛重,为6位不带小数点和符号的数字; 17位为回车符0DH只有读到回车符,才被认为 数据获取完整。因此,在PLC编程时,需要对第5 10位进行数据格式转换,然后由上位机来判断所获 得的当前值是皮重还是毛重。首先通过软件内置的 AWA功能块,将数据以十六进制ASCn的格式存 入缓存区Source中;接着利用ARD功能块读取 ASCn字符,并将它转换成Dint类型,然后需要分 别判断第510位的字节是否为空格,即是否为 32,若是,则将0赋值给该位,若不是则减去 48,将差值赋给该位;最后,将每一位数值乘以它的数量级再求和,得到实际质量为:

10

A real = ^ (1010-! X A_out[i]) (1)

i — 5

式中^ A_real为实际称重有效值,A_out[]表示第 510位十进制字符,字符范围为09

2.5质量信号的滤波处理

称重车辆载重一般是成吨计的,而地衡二次表 的测量精度是20 kg,车辆上镑停稳后,会因人为、 天气等各种因素的干扰,导致称重值不断跳变,因 此,在程序中加入了 250 ms的定时器来不断更新称 重值LED显示屏、二次表和上位机信息管理系统 中可显示实时质量变化。同时,为了获得较准确的 皮重和毛重,必须将质量信号进行滤波处理,取一个 稳定的有效值提供给业务站,以便开票出单。传统 的滤波算法有平均值滤波、限幅滤波、中位值滤波、 滑动平均值滤波等,本文采用的是对称重数据 进行2次过滤的方法。

1步,采用限幅平均滤波法来粗步筛选数值 A_real,由于每隔250 ms刷新一次,取10Buffer 数据缓存区,将当前时刻获取的A_real替换前一时 刻的值,依次存储到 A_weight [1]A_weight A_weight[10]中,通过式2)求得平均称重值 A_weightAverage然后与第11次取得的当前值进 行比较,根据其偏差是否小于等于阈值100 kg为标 准来剔除无效的A_real并将满足条件的当前值赋  A weightCurrent

1 10

A_weightAverage  ^ A weightf [[ (2)

 0 [ — 1

2步,通过上面的方法可每250 ms得到一个 A jeightCurrent数值,然后定义一个1 s的延时 器,每隔4个数据进行一次采样,即每隔1 s将采样 值赋给变量A^eightBuffer,再次利用限幅滤波法 进行细过滤。当然,为了进一步减小误差,只有当 5 s内所取的20个数据全都满足偏差值小于等于 20 kg,才能将当前时刻的A jeightCurrent作为真 正稳定的称重值赋给A^eightFinal最后,业务站 根据A jeightFinal值统计车辆过镑信息和结算 业务。

3.系统操作管理

本系统基于Server SQL数据库进行后台业务 处理,包括制卡、打印提货单和车装出库单等,并 通过Visual Studio 2010开发环境将对数据库操作 的具体方法发布为WebSerace服务,实现数据远 程访问。同时,利用C#编程语言,开发了 一套具 地磅称重及查询装车业务功能的地磅无人值守 称重管理系统[1619]。图4为称重管理系统客户端 界面,计量操作中心的操作员只需输入相应网址, 就可通过浏览器登陆系统,查看地磅的过镑信息 和业务信息、正在进行的装卸车业务、当前车辆最 30条历史数据等。图中的实装量”由批量控 制仪提供,批量控制仪在装车系统中通过控制传 输管道阀门的开度来控制化工品的流量。受到诸 如丙烯等化工品的气相回流、空气浮力、批量控制 仪所采取的控制策略等因素的影响,检测到的实 装量会存在一定误差,所以目前各石化企业的称 装量仍以过镑信息为准。

现分析某石化企业现场的地衡系统称重0 柴油的计量误差。选用Endress + Hauser公司的 NXF581批量控制仪,通过连接Promass 83F质量 流量计来控制调节阀的开度。现场通过不同的定 量,将车辆过磅的净重与批量控制仪显示的实装 量进行比较,如表3,分析得出通过该滤波算法能 够将计量误差控制在3%。以内,符合实际的工业 要求.

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4.结论

本文利用Micro850设计了双向地磅无人值守 称重系统,可实现现场无人值守、司机自助称重以及 远程集中计量。整个系统采用了集中监控管理的设 计模式和分布式监测数据的智能设备,并设计开发 了良好的可视化用户管理界面,促进企业物流、管理 等的一体化发展。该系统己正式投入企业的实际应 用,并取得了良好的效果.