轮胎自动称重管理系统设计

张浩琳，徐世许，张志勇

（1.青岛大学 自动化学院，青岛 266071；2.山东中烟工业有限责任公司青岛卷烟厂，青岛 266071）

0 引言

随着社会的发展，轮胎的需求量不断增大，为满足不断扩大的社会需求，各大工厂普遍将条码技术和自动化技术应用于工业生产管理中，用于提高生产效率和生产管理水平。轮胎重量是轮胎检测中的一项指标，轮胎超重或欠重会影响轮胎的质量和使用寿命。为检测轮胎是否达到重量指标，并将轮胎信息进行统计和存储，便于日后数据的查询和追溯，设计了轮胎自动称重管理系统。通过比较轮胎的实际重量值与设定的标称重量值判断轮胎是否合格。轮胎信息通过以太网通信发送至上位机，在上位机监控界面实时显示，并存入SQL Server数据库。此系统实现了轮胎重量自动检测和信息自动记录的功能，代替了以往轮胎重量检测过程中人工称重和数据记录等工作，解决了以往轮胎重量检测中费时费力、生产效率低的问题。

1 硬件结构

轮胎自动称重管理系统由控制器、称重设备、扫码器、上位机和光电开关组成。选用西门子S7-1200PLC作为控制器，CPU型号为1215C DC/DC/DC。该型号PLC集成2个PROFINET端口，分别用于与上位机和称重变送器的通信。选用METTLER TOLEDO ACT350称重变送器，ACT350变送器集成PROFINET端口，内置1200HZ的A/D-D/A转换器，为控制器提供600HZ的更新速率。扫码器选用霍尼韦尔扫码器，型号为Honeywell 3310G，是一种带开关量控制的高清扫码器，触发方式为信号触发。

轮胎自动称重管理系统是由TIA Portal V15.1软件开发而来，根据系统日常数据存储要求，平衡其性能等各种因素，采用SQL Server数据库存储轮胎信息。西门子S7-1200PLC作为控制器，用于传送和处理称重数据。上位机作为可控可观工具，用于显示和存储称重数据。机械手将轮胎放于称台上，光电开关触发扫码器扫码，扫码器扫描读取轮胎上的条码信息，通过串行通信将条码信息传送至S7-1200PLC[1]。ACT350变送器将轮胎的实际重量值基于PROFINET通信协议传送至S7-1200PLC。在上位机设定轮胎的标称重量值和误差值。根据标称重量值和误差值计算出轮胎合格重量范围。S7-1200PLC比较轮胎的实际重量值与标称重量值。若轮胎重量在合格重量范围内，则轮胎合格，机械手将轮胎放入1号立体仓库。若轮胎重量超出合格重量范围，则轮胎不合格，机械手将轮胎放入2号立体仓库。S7-1200PLC比较轮胎实际重量值与设定的标称重量值后通过以太网通信发送至上位机，在上位机监控界面实时显示，并存入SQL Server数据库，以供日后的查询和追溯。轮胎自动称重管理系统解决了以往轮胎重量检测过程中效率低下的问题，具有良好的经济效益。系统硬件结构如图1所示。

图1 系统硬件结构图

2 通信设置

通信设置包括S7-1200PLC和ACT350变送器之间基于PROFINET协议的通信、S7-1200PLC与上位机之间的以太网通信、S7-1200PLC与扫码器之间的串行通信[2]。在TIA Portal V15.1中选择相应的PLC、PC系统和导入的ACT350变送器模块进行组态，建立系统通信网络。系统网络中S7-1200PLC、PC系统、称重变送器都会分配IP地址和设备名称。

2.1 S7-1200PLC与扫码器的通信连接

在TIA Portal V15.1中添加S7-1200PLC模块组态，PLC的IP地址为192.168.0.2，子网掩码为255.255.255.0，建立系统通信网络。S7-1200PLC没有集成的RS232端口，在PLC模块左侧组态CM1241 RS232通信模块。添加PLC后，在硬件目录里找到通信模块，选择CM1241 RS232添加到硬件配置里，接下来配置RS232模块端口参数。模块端口参数配置如图2所示。Honeywell 3310G扫码器根据手册设置通信端口参数信息，扫码器的参数配置要与ACT350变送器模块端口参数配置相匹配。

图2 模块端口参数配置

硬件组态完成后，接下来完成PLC与扫码器的通信程序。扫码枪采用无协议通信方式发送条码数据，PLC端接收条码数据。调用RCV_PTP，手动创建RCV_PTP的接收缓冲数据块，接下来对RCV_PTP指令的每个管脚赋值，完成通信程序的编写。接收缓冲区的数据存放地址从第二个字节开始，不是从零字节开始，即P#DB2.DBX2.0 Byte10，这是由于S7-1200PLC对字符串存放格式决定的。RCV_PTP指令块如图3所示。

图3 RCV_PTP指令块

2.2 S7-1200PLC与ACT350变送器的通信连接

轮胎的称重数据以模拟量信号的形式传送至ACT350变送器。根据变送器模块地址分配，S7-1200PLC通过命令字向ACT350变送器发送称重指令。ACT350变送器将称重数据发送至S7-1200PLC的ID100地址内。称重设备选用的是METTLER TOLEDO ACT350变送器，为了使变送器能够符合系统的使用要求，需要设置多项参数。根据用户手册设置ACT350变送器的通信参数，设置量程为50，精度为0.01。为保证数据传输的实时性与准确性，设置变送器为连续输出模式[3]。在TIA Portal V15.1菜单栏选择选项，点击管理通用站描述文件（GSD），选择要导入的GSD文件，将ACT350变送器的GSD文件导入到TIA Portal V15.1进行组态。ACT350变送器的IP地址设置为192.168.0.3，子网掩码为255.255.255.0。ACT350变送器模块中的读数据块对应PLC的输入ID100，ACT350变送器模块中的写数据块对应PLC的输出QD100。ACT350模块地址分配如图4所示。

图4 ACT350模块地址分配

2.3 S7-1200PLC与WinCC RT Professional通信连接

在TIA Portal V15.1中添加PC系统进行组态，选择SIMATIC HMI应用程序里的WinCC RT professional，添加常规IE模块，建立以太网通信连接，以绝对地址访问作为数据访问方式。本机IP地址与此模块相同，IP地址为192.168.0.1，子网掩码为255.255.255.0。系统网络拓扑视图如图5所示。

图5 系统网络拓扑视图

3 程序设计

轮胎自动称重管理系统是由TIA Portal V15.1软件开发而来。该软件集成了STEP7和WinCC，可以对控制器、HMI、PC系统进行组态和通信配置。TIA Portal V15.1不仅可以使用梯形图语言进行开发，而且还可以使用内部封装的大量指令和指令块，在编写PLC程序时调用相应的指令和指令块即可。此外，该软件还支持FBD、SCL、STL语法指令。在这一个软件中可以编写下位机S7-1200PLC程序和上位机系统界面，便于数据的传送、处理和保存。程序流程图如图6所示。

图6 程序流程图

3.1 PLC程序设计

轮胎自动称重管理系统的工艺流程主要是对条码信息和称重信息的采集和处理，实时发送至上位机并存入SQL Server数据库，以供日后的查询和追溯。在定义下位机PLC的变量时，将变量分类写入DB数据块内，便于程序的调试和数据的统一监控。在编写PLC程序时，调用FC函数块，对公用程序统一管理，节省编程时间，实现程序的解耦，防止程序的冗余。FC函数块可以在编写PLC程序时反复调用。比如有相同功能的程序，在FC函数块里只需编写一次，PLC程序里就可以反复调用编写好的FC函数块。系统工作时，S7-1200PLC使用OB100来确保初始化程序在系统启动时执行一次。使用OB100执行初始化程序，完成称重数据的初始化。S7-1200PLC通过QW106向ACT350变送器发送称重指令。根据接收到的称重指令，ACT350变送器向S7-1200PLC传输相应的称重数据[4]。去皮指令和请求毛重指令如图7所示。S7-1200PLC根据标准数据计算公式，对称重数据进行截取和分析，得到轮胎实际重量值。S7-1200PLC将实际重量值与在上位机设定的标称重量值相比较，判断轮胎重量是否合格。合格则启动1号机械手将轮胎放入1号立体仓库，不合格则启动2号机械手将轮胎放入2号立体仓库。重量比较指令如图8所示。

图7 去皮和请求毛重指令

图8 重量比较指令

3.2 上位机程序设计

上位机软件设计包括主页、管理、工作、数据查询、状态监视等界面和相关的处理程序和程序公用模块。设计合理的数据库表结构和实现方式，保证轮胎信息的录入查询等功能。同时为确保数据的安全和完整，需要定期对数据库数据进行归档，设计的程序提供自动归档程序和手动归档程序两种方式，数据可选择归档到本地硬盘或者外接的移动存储设备上，当计算机数据面临数据丢失和损坏时，可以避免因数据的丢失而造成的损失。

上位机执行SQL语句访问数据库，对数据库进行增加、删除、查询、修改等操作[5]。上位机通过以太网通信接收S7-1200PLC发送的轮胎条码信息和称重数据。上位机监控界面实时显示轮胎信息并有指示灯显示轮胎是否合格，绿灯为合格轮胎，红灯为不合格轮胎。系统可以根据条码查询轮胎具体信息并导出关于轮胎信息的EXCEL表格，存放到指定位置。也可以按日、月或者某个时间段查询录入数据库的轮胎信息并导出EXCEL表格，便于日后对轮胎信息的查询和追溯。系统工作界面如图9所示。

图9 系统工作界面

在TIA Portal V15.1中通过脚本访问数据库，需要ADODB.Connection、ADODB.Command和ADODB.Recordset。

Server.CreateObject(“ADODB.Connection”)用于创建新的数据库连接

Server.CreateObject(“ADODB.Recordset”)用于创建新的数据库记录

Server.CreateObject(“ADODB Command”)用于面向数据库的操作

导出EXCEL表格的部分程序如下：

4 结语

根据青岛某轮胎企业的实际需求，以S7-1200PLC、METTLER TOLEDO ACT350变送器、Honeywell 3310G扫码器作为硬件基础，结合TIA Portal V15.1和SQL Server 2008R2，设计了轮胎自动称重管理系统。该系统具有自动称重、条码识别、实时监控、数据存储等功能，相比于传统的人工称重节省了大量的人力物力，极大地提高了生产效率。目前，该系统已被企业应用，能够自动完成轮胎的扫码识别和重量检测，具有很高的应用价值。后期将沿着RFID技术的方向继续研究。