基于PLC的雙向地磅無人值守稱重系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

為提高石油化工品在定量裝卸過程中稱重計量的精準(zhǔn)度、作業(yè)效率和優(yōu)化人力資源，避免人工計量的各種 弊端，提出了雙向地磅無人值守稱重系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方法。該系統(tǒng)主要由地磅、紅外光柵、IC讀卡器、攝像頭及 道閘等設(shè)備組成，根據(jù)雙向地衡稱重系統(tǒng)的特點，詳細闡述了其自動控制流程，利用Micro850控制器對現(xiàn)場I/O 數(shù)據(jù)、IC卡號和稱重數(shù)據(jù)進行采集，采用對質(zhì)量信號進行2次濾波的方法解決稱量過程中數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、計量誤差大 的問題。設(shè)計開發(fā)了地磅無人值守稱重系統(tǒng)管理界面，加強了對現(xiàn)場操作的監(jiān)管。通過驗證可知，該濾波算法能 將計量誤差控制在3%d以內(nèi)，符合工業(yè)計量要求。該系統(tǒng)己投入實際應(yīng)用，在構(gòu)建儲運系統(tǒng)自動化、信息化和管控 一體化的過程中，地衡無人值守稱重系統(tǒng)作為其不可或缺的子環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了分散過磅、集中管理的設(shè)計目標(biāo)，具有 極大的應(yīng)用價值。

過去，許多石化企業(yè)的車輛過磅稱重釆用有人 值守系統(tǒng)，即：通過現(xiàn)場人工計量的方式，多個地磅 需要安排多個司磅員，司磅員手工記錄車輛皮重和 毛重，再根據(jù)計算得出的石油化工品的凈重來結(jié)算 業(yè)務(wù)。而傳統(tǒng)的單機無人值守系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單一，未對 外提供數(shù)據(jù)接口，無法實現(xiàn)與第三方系統(tǒng)的無縫對 接，且操作流程復(fù)雜、耗時長、參與人員過多，易造成 計量管理混亂、執(zhí)行效率低下，各種作弊現(xiàn)象也時有 發(fā)生。因此，隨著通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展， 越來越多的企業(yè)希望裝卸車地磅本地業(yè)務(wù)處理釆用 無人值守型遠程監(jiān)控方式，包括自動識別車號、自動 檢測車位、自動引導(dǎo)、自動保存稱重數(shù)據(jù)及生成各類 報表等，從而增強工業(yè)園區(qū)裝卸車的管理執(zhí)行力，提 高工作效率，高效地實現(xiàn)與MIS/ERP系統(tǒng)的數(shù)據(jù) 共享與溝通，有效防止夾帶作弊、車輛不完全上磅、 遙控作弊等多種作弊行為，堵塞各種管理漏洞，實現(xiàn) 管控一體化。

近幾年來，無人值守稱重系統(tǒng)在煤礦、冶金、化 工等行業(yè)均有廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)通常配合定量 裝車系統(tǒng)、SCADA ( supervisory control and data acquisition，監(jiān)控與數(shù)據(jù)釆集）系統(tǒng)、排隊叫號系統(tǒng) 等有序地實現(xiàn)整個庫區(qū)的儲運管理，其安全性、可靠 性、穩(wěn)定性保證了企業(yè)物流安全和人力財產(chǎn)安全。 在工程應(yīng)用中，可利用研華科技亞當(dāng)模塊來控制現(xiàn) 場道閘信號和紅外信號，并和地衡信號一起通過 Prolinx網(wǎng)關(guān)傳送給上位機。該方法簡單易行，在大 型的多磅稱重需求中相對能降低成本，但是所需實 現(xiàn)的功能過于分散，對于稱重信號的計算與處理必 須通過上位機來完成，在項目管理中不利于分工合 作，而且該模塊的穩(wěn)定性依賴于計算機，信號釆樣速 度較低。因此，本文根據(jù)某石化企業(yè)的項目需求， 針對地磅數(shù)目較少的小型稱重系統(tǒng)，利用Aliens Bradley Micro850控制器，通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實現(xiàn)了地衡 稱重的無人值守管理。

1.地磅無人值守稱重系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

地磅無人值守稱重系統(tǒng)主要由地磅、紅外光柵、 道閘、C讀卡器攝像頭等構(gòu)成，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該系統(tǒng)將釆集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸 與中央控制室的稱重管理軟件進行數(shù)據(jù)交換和管 理，從而實現(xiàn)車輛過地衡時數(shù)據(jù)自動監(jiān)測和遠程管 理的功能。

地衡釆用傳感式地磅，用于車輛裝卸稱 重;紅外光柵利用多束紅外光對射來判斷車輛停放 位置是否正確；道閘的開啟與關(guān)閉均由地感線圈觸 發(fā)控制，用于限制車輛的通行，達到提示與安全保障 的目的；基于 RFID技術(shù)的 IC(in!:egral:ed circuit， 集成電路）卡通過無線電波與讀卡器進行數(shù)據(jù)傳輸， 自動識別業(yè)務(wù)信息，保證每筆業(yè)務(wù)的唯一性；聶像頭 一般有3個，為車前攝像、車后攝像和全景攝像，用 于稱重過程圖像釆集和視頻動態(tài)錄像；LED (light emitting diode，發(fā)光二極管）顯示屏通過Prolinx通 訊網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸格式由Modbus RTU轉(zhuǎn)換成 Ethernet/IP格式，用于顯示提示信息，引導(dǎo)司機完成整個稱重過程。

2.雙向地磅無人值守稱重系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 PLC選型

根據(jù)無人值守系統(tǒng)的功能要求與特性，PLC(programmable logic controller，可編程邏輯控制 器）米用Allen-Bradley Micro850控制器。該控制 器價格低廉，但具有高靈活性、高I/O性能、低空間 占用、高穩(wěn)定性的特點。它內(nèi)置24 V直流輸出電 源，配置48點的數(shù)字量I/O模塊，且可至多擴展4 個I/O模塊，同時配備串行通信plug-in功能性插 件及嵌入式10/100Base-丁以太網(wǎng)端口，支持 Modbus TCP, Ethernet/IP, Modbus RTU 等協(xié)議， 并釆用可拆卸端子設(shè)計。

2.2 I/O配置與地址映射

地衡系統(tǒng)分為單向和雙向兩種類型。根據(jù)實際 需求，本文研究雙向地磅無人值守稱重系統(tǒng)，如圖2 所示，其中，地感線圈、紅外光柵、C讀卡器、道閘各 為2個。用到的數(shù)字量輸入為地感線圈信號和紅外 信號，共計4個輸入點；數(shù)字量輸出為道閘信號，共 計4個輸出點。道閘的開啟與關(guān)閉由不同的輸出點 控制，稱重系統(tǒng)I/O配置如表1所示。

本系統(tǒng)用到的2080-serialisor Plug-in串口模塊 共有2個，分別使用MSGJModbus功能塊和ARD (ASCE read)功能塊來讀取IC讀卡器和地衡數(shù) 據(jù)。由于2種數(shù)據(jù)傳輸方式不同，需要分別對它們 組態(tài)，將串行傳輸方式分別設(shè)定為Modbus RTU和 Modbus ASC E。同時，為了響應(yīng)Modbus主站的 讀寫命令，必須將變量映射到Modbus地址中。讀/ 寫保持寄存器初始地址為400001H，本系統(tǒng)共用到 22個變量，部分變量標(biāo)簽的Modbus地址映射如表 2 所示 。

根據(jù)實際工況，PLC控制模式設(shè)計為“自動控 制”“手動控制”和“維護”三種。一般情況下，稱量過 程按照正常程序和步驟，以“自動控制”方式進行。

司機在業(yè)務(wù)大廳根據(jù)ERP ( enterprise resource planning，企業(yè)資源計劃）系統(tǒng)生成的發(fā)貨 單開票制卡后，等待叫號，依次過磅稱重。車輛駛向 地磅時，地感線圈感應(yīng)到車輪振蕩，從而控制道閘開 啟，延時幾秒后觸發(fā)紅外光柵。需要注意的是，本文 設(shè)置的地磅被感應(yīng)的最低限值為20 kg，防止因人 為、天氣或其它因素的干擾導(dǎo)致紅外光柵被意外觸 發(fā)。司機將車停穩(wěn)后進行刷卡，上位機查詢數(shù)據(jù)庫,對卡內(nèi)信息進行比對，以確定業(yè)務(wù)是否存在，如果連 刷3次一直提示不存在，則道閘自動打開，提醒司機 下磅重新開票辦理業(yè)務(wù)。為了便于區(qū)分，本文規(guī)定 以“1”開頭的為正向行駛，以“2”開頭的為反向行駛， 當(dāng)業(yè)務(wù)不存在時，定義為以“3”開頭，兩側(cè)道閘同時 打開，車輛可從任意一側(cè)下磅。雙向地衡自動控制 流程如圖3所示。當(dāng)出現(xiàn)意外或緊急情況時，可通 過上位機將控制方式改為“手動控制”模式，PLC程 序?qū)⒈慌酝ǎF(xiàn)場所有設(shè)備直接由上位機控制。出 于安全考慮，當(dāng)進行設(shè)備維修和養(yǎng)護時，可將控制方 式改為“維護”模式，此時PLC程序和上位機被鎖 定，不允許執(zhí)行任何操作。

2.4數(shù)據(jù)采集

本系統(tǒng)基于 CCW ( connected components workbench)組態(tài)軟件進行設(shè)計編程。IC卡號的讀 取是通過Modbus RTU串行傳輸模式，釆用MSG— Modbus功能塊，以非連續(xù)觸發(fā)的方式，Modbus RTU主站讀寫從站保持寄存器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存 放于緩存區(qū)LocalAddr中。若MSG指令執(zhí)行成 功，則輸出Q置為“True”。

地磅稱重信號無法直接獲得，必須通過二次表 將數(shù)據(jù)提供給PLC。本文釆用的二次表為Mettler Toledo 丁800稱重儀表，它提供了 2個串行口 (COM1和COM2)，通過COM1將數(shù)據(jù)輸出到 PLC，波特率設(shè)為9 600 b/s，8位無校驗，輸出方式 為Toledo連續(xù)輸出。二次表的數(shù)據(jù)是以18個字節(jié) 的ASCn碼形式輸出的，起始符為02H，第5?10 位用于存儲毛重，為6位不帶小數(shù)點和符號的數(shù)字； 第17位為回車符0DH，只有讀到回車符，才被認為 數(shù)據(jù)獲取完整。因此，在PLC編程時，需要對第5? 10位進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，然后由上位機來判斷所獲 得的當(dāng)前值是皮重還是毛重。首先通過軟件內(nèi)置的 AWA功能塊，將數(shù)據(jù)以十六進制ASCn的格式存 入緩存區(qū)Source中；接著利用ARD功能塊讀取 ASCn字符，并將它轉(zhuǎn)換成Dint類型，然后需要分 別判斷第5?10位的字節(jié)是否為空格，即是否為 “32”，若是，則將“0”賦值給該位，若不是則減去 “48”，將差值賦給該位；最后，將每一位數(shù)值乘以它的數(shù)量級再求和，得到實際質(zhì)量為：

10

A real = ^ (1010-! X A_out[i]) (1)

i — 5

式中^ A_real為實際稱重有效值，A_out[]表示第 5?10位十進制字符，字符范圍為0?9。

2.5質(zhì)量信號的濾波處理

稱重車輛載重一般是成噸計的，而地衡二次表 的測量精度是20 kg，車輛上鎊停穩(wěn)后，會因人為、 天氣等各種因素的干擾，導(dǎo)致稱重值不斷跳變，因 此，在程序中加入了 250 ms的定時器來不斷更新稱 重值，LED顯示屏、二次表和上位機信息管理系統(tǒng) 中可顯示實時質(zhì)量變化。同時，為了獲得較準(zhǔn)確的 皮重和毛重，必須將質(zhì)量信號進行濾波處理，取一個 穩(wěn)定的有效值提供給業(yè)務(wù)站，以便開票出單。傳統(tǒng) 的濾波算法有平均值濾波、限幅濾波、中位值濾波、 滑動平均值濾波等，本文采用的是對稱重數(shù)據(jù) 進行2次過濾的方法。

第1步，采用限幅平均濾波法來粗步篩選數(shù)值 A_real，由于每隔250 ms刷新一次，取10個Buffer 數(shù)據(jù)緩存區(qū)，將當(dāng)前時刻獲取的A_real替換前一時 刻的值，依次存儲到 A_weight [1]，A_weight， …，A_weight[10]中，通過式（2)求得平均稱重值 A_weightAverage，然后與第11次取得的當(dāng)前值進 行比較，根據(jù)其偏差是否小于等于閾值100 kg為標(biāo) 準(zhǔn)來剔除無效的A_real，并將滿足條件的當(dāng)前值賦 給 A weightCurrent。

1 10

A_weightAverage — — ^ A weightf [[ (2)

丄 0 [ — 1

第2步，通過上面的方法可每250 ms得到一個 A jeightCurrent數(shù)值，然后定義一個1 s的延時 器，每隔4個數(shù)據(jù)進行一次采樣，即每隔1 s將采樣 值賦給變量A^eightBuffer，再次利用限幅濾波法 進行細過濾。當(dāng)然，為了進一步減小誤差，只有當(dāng) 5 s內(nèi)所取的20個數(shù)據(jù)全都滿足偏差值小于等于 20 kg,才能將當(dāng)前時刻的A jeightCurrent作為真 正穩(wěn)定的稱重值賦給A^eightFinal，最后，業(yè)務(wù)站 根據(jù)A jeightFinal值統(tǒng)計車輛過鎊信息和結(jié)算 業(yè)務(wù)。

3.系統(tǒng)操作管理

本系統(tǒng)基于Server SQL數(shù)據(jù)庫進行后臺業(yè)務(wù) 處理，包括制卡、打印提貨單和車裝出庫單等，并 通過Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境將對數(shù)據(jù)庫操作 的具體方法發(fā)布為WebSerace服務(wù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠 程訪問。同時，利用C#編程語言，開發(fā)了 一套具 備地磅稱重及查詢裝車業(yè)務(wù)功能的地磅無人值守 稱重管理系統(tǒng)[16—19]。圖4為稱重管理系統(tǒng)客戶端 界面，計量操作中心的操作員只需輸入相應(yīng)網(wǎng)址， 就可通過瀏覽器登陸系統(tǒng)，查看地磅的過鎊信息 和業(yè)務(wù)信息、正在進行的裝卸車業(yè)務(wù)、當(dāng)前車輛最 近30條歷史數(shù)據(jù)等。圖中的“實裝量”由批量控 制儀提供，批量控制儀在裝車系統(tǒng)中通過控制傳 輸管道閥門的開度來控制化工品的流量。受到諸 如丙烯等化工品的氣相回流、空氣浮力、批量控制 儀所采取的控制策略等因素的影響，檢測到的實 裝量會存在一定誤差，所以目前各石化企業(yè)的稱 裝量仍以過鎊信息為準(zhǔn)。

現(xiàn)分析某石化企業(yè)現(xiàn)場的地衡系統(tǒng)稱重0井 柴油的計量誤差。選用Endress + Hauser公司的 NXF581批量控制儀，通過連接Promass 83F質(zhì)量 流量計來控制調(diào)節(jié)閥的開度?，F(xiàn)場通過不同的定 量，將車輛過磅的凈重與批量控制儀顯示的實裝 量進行比較，如表3，分析得出通過該濾波算法能 夠?qū)⒂嬃空`差控制在3%。以內(nèi)，符合實際的工業(yè) 要求.

4.結(jié)論

本文利用Micro850設(shè)計了雙向地磅無人值守 稱重系統(tǒng)，可實現(xiàn)現(xiàn)場無人值守、司機自助稱重以及 遠程集中計量。整個系統(tǒng)采用了集中監(jiān)控管理的設(shè) 計模式和分布式監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能設(shè)備，并設(shè)計開發(fā) 了良好的可視化用戶管理界面，促進企業(yè)物流、管理 等的一體化發(fā)展。該系統(tǒng)己正式投入企業(yè)的實際應(yīng) 用，并取得了良好的效果.