复秤对比镍摞精密计量系统设计

张伯文 吴伟 周向荣

摘  要：针对包装车间镍摞人工计量时效率低、精度差，控制难的问题，采用复秤对比的方式精确计量镍摞重量，利用西门子控制器Smart200PLC通过RS485口的自由口协议及RS232转485模块UT201B与托利多IND331称重仪表自带的RS232口通信实现数据采集，通过PLC软件编程进行数据处理，满足系统控制要求，并提供报警功能;同时通过PLC作profinet IO与主控1500PLC通信，满足车间mes终端数据采集要求。

关键词：复秤对比;镍摞精确计量;Smart200PLC;IND331称重仪表;RS232通信;控制

中图分类号：TP29                   文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）19-0157-04

Design of Repeated Weighing Comparison Nickel Stack Precision Metering System

ZHANG Bowen1，2， WU Wei1，2， ZHOU Xiangrong1，2

（1.Changsha Institute of Mining Research Co.， Ltd.， Changsha  410012， China; 2.National Metal Mining Engineering Technology Research Center， Changsha  410012， China）

Abstract： Aiming at the problems of low efficiency， poor accuracy and difficult control in manual measurement of nickel stack in packaging workshop， the weight of nickel stack is accurately measured by repeated weighing comparison. Using Siemens controller Smart200PLC and the free port protocol of RS485 port， and RS232 to 485 module UT201B communicates with the built-in RS232 port of the Toledo IND331 weighing instrument for data acquisition， and performs data processing through PLC software programming to meet system control requirements and provide alarm functions; at the same time， it communicates with the main control 1500PLC through using the PLC as profinet IO to meet the workshop mes terminal data collection requirements.

Keywords： repeated weighing comparison; precision measurement of nickel stack; Smart200PLC; IND331 weighing instrument; RS232 communication; control

0  引  言

本系統设计为配合金川集团“5G+工业互联网应用”融合创新应用重点项目之镍冶炼厂成品车间建设全国最大智能化成品包装车间而实施的大板镍智能剪切包装生产线中称重计量环节。具体要求为：当自动转运的AGV小车把镍摞放到秤台上，称重系统稳定一段时间后，自动将两台秤称重的结果发送给控制系统，控制系统比较两次结果，满足两次结果差值不超过0.5 kg的重量要求，且重量在对应品类的重量范围内，才允许进行喷码工作，否则报警提示，请求人工介入处理。

因此，新设计的称重计量系统需要满足三个功能[1，2]：

（1）效率问题：原来包装车间采用单独计量，多次称重，采用天车或者叉车的人工转运方法来保证生产要求，原来的生产方式劳动强度高，人员配套多，安全风险大，在操作难度、生产效率上受到很大的限制。车间年生产镍摞由2012年的8万吨到现在的14万吨，而生产人员年减5～6人，因此，提高效率迫在眉睫。

（2）精度问题：车间原来生产配套称重计量设备是针对当时的电解镍薄板计重模式设计，电解镍薄板单块重量在40～45 kg/片，单块镍板厚度为6～8 mm，总镍摞包装重量1 500±30 kg，片数为26～30片不等。新系统除了满足以前的薄板计重要求外，还需满足后续增加厚板计块要求，每摞厚板计块22块，单摞镍板重1 800～2 200 kg。

（3）控制要求：车间以前的测量结果不参与自动控制，由人工判别。而新系统要满足测量结果最少10秒以上结果稳定时间;主副秤差值不得大于0.5 kg，大于输出报警;计量结果不在对应品类（如薄板、厚板）的重量范围内报警;数据结果需要上传主控1 500PLC，以便后期的mes数据采集。

1  系统方案设计及硬件选择

1.1  秤及称重方式选择

为了解决称重系统效率问题，我们仔细咨询秤专业厂家如梅特勒-托利多公司业务人员，网络搜集秤计量的方式，并进行了现场试验，决定采用复秤对比形式，即一台秤叠加于另一台秤上，只需一次就可以实现同时称出两个结果，减少操作，提高效率。考虑到金川公司已大量使用梅特勒-托利多的秤，从减少备件和人员熟悉程度出发，我们选择梅特勒-托利多品牌的PFA584 平台秤，该秤主要由4个0745A传感器和1台IND331仪表组成，精度可做到分度数6 000e[5]。按厚板要求传感器量程3 000 kg来算，为保证最小0.5 kg的精度，最小分辨率需达到0.5/3 000=1/6 000，因此能满足精度要求。

1.2  数据采集方式选择

季男等在《称重系统数据采集的几种方法》中总结了4种称重数据的采集方法，并对每种方法的特点进行了分析和说明：

（1）用模拟量输入模板数据采集方式采集称重数据。

（2）用专用称重模块采集称重数据。

（3）用点对点数据通信方式采集称重数据。

（4）用 PROFIBUS  现场总线方式采集称重数据。

對比上述四种采集方式，模拟量输入方式虽然简单但存在一定的误差;称重模板的方式虽然比较精准，但也存在一定的局限性;而点对点数据通信和用 PROFIBUS 总线采集数据适合具有标准串口的设备，但有一定的技术难度[3]。

查看梅特勒-托利多IND331仪表本身有1个标准RS232串口com1，可选RS232/485串口选件，本着经济实用的原则，我们选用RS232点对点数据通信方式来实现数据采集。考虑到1500CPU 1513-1PN（型号：6ES7 513-1AL02-0AB0）作为主控PLC，既要与5台库卡机器人、视觉主机、AGV主机通信，又要承担整个生产系统的控制协调工作，因此采用新增smart200PLC作为从站，承担称重数据采集任务，减少1500PLC的负担，减少采购成本;Smart 200与1500PLC采用PROFINET通信来保障数据的实时性。smart200只需与2台精秤通信，不需多的控制功能，因此选用ST20（型号：6ES7 288-1ST20-0AA0），串口通信的方式。考虑到秤通过RS232或485通讯时不能分配地址，因此每台秤需要一路串口，而ST20本身自带1路485串口，只能与1台秤进行，所以还需扩展1路485串口，我们选用增加RS232/485通信信号板SB CM01（型号：6ES7 288-5CM01-0AA0）与另一台秤进行自由口通信。smart200支持的RS485网络在波特率为9 600～1 875 00时最长距离为50米[4]。

1.3  计量系统设计方案图

设计方案为西门子Smart200PLC通过Port0及port1的RS485口（自由口协议）编程，及使用RS232转485模块（如深圳宇泰公司的UT201B）与托利多IND331称重仪表自带的RS232口进行通讯，从而在不增加托利多PLC选件板的情况下实现秤数据的采集。方案图如图1所示。

2  IND331仪表参数设置及协议解析

2.1  仪表参数设置

托利多IND331仪表串口有1个标准串口 RS-232（COM1），300～115 200波特率;1个可选串口RS-232/485（COM2），300～115 200波特率，但不支持具有地址识别的多路通信。其支持协议有串口输入：ASCⅡ指令CPTZ（清皮，去皮，打印，清零），SICS（提供1级和2级接口指令）;串口输出：连续输出，扩展连续输出，命令输出（限定格式）[5]。

要想进行RS232串口通信，我们要设置如下参数：

（1）串口1任务：连续输出

（2）检查串口1：波特率=9 600;数据位=8;奇偶校验=无

2.2  通信协议解析

本系统设计采用连续输出方式进行RS232串口通信。IND331能够向远程设备（如PC 或远程显示屏）连续发送重量数据和秤的状态信息。连续输出的数据格式如图2所示。

其中：

（1）数据输出以十六进制02开始，ASCII回车字符（0D hex）。

（2）显示的重量。可以是毛重或净重。六位，没有小数点或符号。不足六位前补空格。

（3）校验和启用时才发送校验位。校验和用于检测数据发送中的错误。

我们使用《大傻串口调试软件 3.0》监测数据，如图3所示。

接收到的数据为：

02 3B 30 20 20 20 31 36 38 3520 20 20 20 30 30 0D

共为17个字符，没有校验。

通过数据读取的重量为1 685，根据SWA定义的1位小数及SWB定义的单位kg和正负属性，可以得出实际重量为：168.5 kg。

3  程序软件设计

3.1  初始化端口

本程序段是设置smart200的Port0端口为自有协议，SMB30的值为09H，说明为“自由口协议，波特率9 600，8个数据位，无校验位”;SMB87的值为BOH，说明“接收信息使能被使能，使用SMB88数值检测信息开始，使用SMB89数值检测信息结束，使用SMB90数据检测空闲条件，使用SMB92超出时间段，信息终止，使用SMB94最大接收字符数”，这些参数的设置与上述称重显示仪的参数设置一致。

3.2  接收数据

使用RCV指令每500 ms接收1次数据存于VB1100开始的19个字节。其中VB1100为接收的字节数，正常=17，有校验码时=18;VB1101为起始字符，固定=02H（H代表16进制）;VB1102-VB1104为IND331的状态字SWA、SWB、SWC，共3个字节;VB1105-VB1110为重量显示值，共6个字节;VB1111-VB1116 为皮重显示值，共6个字节;VB1117为结束符，正常=0DH。

3.3  数据处理

将VB1105至VB1110所存的数据存至VB1120至VB1125中，然后通过将这些字节的字符串组转换为双整型赋值给VD1130，如果通讯中断，则VB1100=0，将0强制赋值给VD1130;再将VD1130转换成实数型赋给VD1140，考虑到小数点为1位，所以VD1140除10给VD1144。VB1103.1为称重仪表中SW-B中数位1，代表符号是正还是负。如果为1则VD1144的值乘-1.0。

3.4  稳定输出

当检测到有料后，每秒将本次数据值与上次数据值对比，相等则自动加1，不相等重新计数，稳定10秒后输出稳定信号位 Q1170.0，在计数期间黄灯提示。稳定信号输出的瞬间，记录当前的主秤重量和副秤重量，以便做差值比较。

3.5  10秒后主副秤差值对比程序

稳定输出后，进行主副秤差值比较，取绝对值，如果主副秤差值大于0.5 kg，则置位“主副秤超差”信号，待人工处理后方可复位。

3.6  10秒后根据板型检查重量是否达标

薄板镍摞的重量范围为1 470～1 530 kg，厚板镍摞的重量范围为1 800～2 200 kg，主秤重量根据上位选择比较，如果超出对应板型的重量范围，则置位“主秤超范围”信号，待人工处理后方可复位。

3.7  故障输出及复位

当有料检测光电开关没料时，主秤和副秤重量不为0.0，则提示“秤未清零”，同时蜂鸣器和故障灯输出。

当主秤未清零、副秤未清零、主副秤超差、主秤超范围四个故障信号有输出时故障红灯输出，同时蜂鸣报警，当人工处理时，可关闭蜂鸣，减少噪音。而没有故障红灯和报警黄灯信号，则输出正常绿灯信号

当第1个扫描脉冲SM0.1时，或者人工复位按钮闭合时复位主秤未清零、副秤未清零、主副秤超差、主秤超范围和蜂鸣。

3.8  Smart200 与1500PLC profinet IO通訊

从STEP 7-Micro/WIN SMART V2.5版本开始，支持作智能IO设备，因此需要升级固件到 V2.5，然后通过 profinet配置向导，并导出GSD文件给1500PLC。

当ST20组态为PROFINET智能设备后，如果和上位IO控制器没有连接或者组态不匹配时，ERROR指示灯就会以1 Hz的频率闪烁。

4  使用效果

现场效果如图4所示。图4（a）为复秤计量镍摞的生产图，图4（b）为ind331仪表，图4（c）为ST20控制器，图4（d）为UT201B转换模块。主副秤的0745A传感器把镍摞重量数量发送给各自的ind331仪表，ST20控制器通过UT201B转换器与ind331仪表的RS232口通信实现数据采集，ST20控制器通过软件编程实现控制报警功能和上位机通信功能。

本系统自2021年1月开始投入使用，一直运行稳定可靠，充分成功地验证了设计，其实际效果得到了金川公司领导和生产现场人员的认可和称赞，为金川集团镍冶炼厂成品车间成功建设全国最大智能化成品包装车间提供了有力支持。

5  结  论

本设计通过复秤对比的计量方式解决了镍摞生产精密计量效率问题，通过Smart200PLC与IND331的自由口通讯实现了数据采集，通过软件编程实现数据转换和稳定输出，以及报警的控制功能。

本文不但介绍了IND331的协议，还注明了实施中使用的元件型号，并对程序设计作出了解释，对于初次使用smart 200PLC与托利多IND331秤通过RS232通讯的朋友可提供借鉴作用，该方案中若IN331选配485通讯板（型号72225757），则可取消 RS232转RS485模块UT201B，进行RS485通讯时，只需变动硬件接线回路，编程可不做改动，可取得同样效果。

参考文献：

[1] 姚辉.全自动电解镍板剪切包装机组的开发与应用 [J].机电产品开发与创新，2015，28（2）：41-43.

[2] 郭锋，王宇翱，闫国梁，等.智能称重系统的设计与实现 [J].中国高新科技，2018（3）：40-42.

[3] 季男，孙军红.称重系统数据采集的几种方法 [J].本钢技术，2009（2）：32-35.

[4] 向晓汉.S7-200SMARTPLC完全精通教程 [M].北京：机械工业出版社，2013.

[5] 梅特勒-托利多.XK3141 IND131/331称重显示控制器使用说明书 [EB/OL].（2021-01-25）.https： //wenku.baidu.com/view/eb12d259beeb19e8b8f67c1cfad6195f302be8f5.html.

作者简介：张伯文（1977—）男，汉族，湖南宁乡人，电气工程师，本科，主要研究方向：电气自动化控制。