基于西门子PLC的高度测量系统设计

王坤

（辽宁工程职业学院，辽宁 铁岭 112008）

0 引言

高度测量系统应用于机械、模具、五金等多种行业与多种场合，主要用于测量工件的高度，也可测量形状和位置公差尺寸。汽车座椅采用聚氨酯发泡填充，聚氨酯发泡的硬度、回弹性、隔热性、舒适性、结实耐用性在汽车的销售及使用中都起到重要作用，因此聚氨酯发泡工艺极为重要。本文设计一款智能泡沫起升测量装置，用于测量发泡过程曲线，保存数据并生成报告。

1 系统结构

检测设备的控制系统以西门子S7-1200 PLC 为主控制器，S7-1200 控制器使用灵活，功能强大，具有模块化、结构紧凑以及组态灵活的特点，适用于多种场合[1]。

设备模块本身自带两组模拟量输入，无须新增模块。选择超声波传感器（型号：Microsonic mic+25/D），检测范围30~250 mm；圆柱形反射式传感器，测量分辨率0.025 mm，重复精度±0.15%，用于测量泡沫聚氨酯、玻璃填充的环氧树脂；选用西门子TP700 触摸屏为上位机，实现设备操作、数据读取、曲线监控、数据保存等功能。测量装置结构如图1 所示。

图1 测量装置结构图

2 硬件设计

设备集成14 点输入10 点输出数字量，2路输入模拟量，2 个自动化总线接口，用于编程、HMI(人机界面)、PLC 或其他设备的数据通信，通过开放的以太网协议与第三方设备通信[2]。I/O 分配表如表1 所示。

表1 PLC I/O分配表

超声波传感器（型号：Microsonic mic+25/D）共有5 根引脚，其中黑色为信号线接入PLC 模拟量通道0。将传感器固定在支架上方，底座放置搅拌杯。测量方式有两种，一种以底座为零点，一种以上方为零点。根据装置的使用方法，需用传感器的灰色线进行示教，标定底座为零点，则传感器的测量值即为泡沫的起升高度。PLC 和触摸屏之间采用以太网通信，IP 地址设定为192.168.0.1，触摸屏IP 地址设定为192.168.0.2。

3 软件设计

选用博途V15.1 编写PLC 程序及制作触摸屏画面，博途是西门子全集成自动化门户软件，可减少重复输入，共享数据库。限幅消抖滤波法是一种消除随机干扰的有效方法，可以滤除偶然因素引起的脉冲干扰，但是要求对系统的采样数据范围有准确的判断，如果允许误差值设置不合理，可能会过滤系统中的正常数据[3]。

比较相邻两个时刻的采样值，记录t(n)和t(n-1)时刻所读到的连续两个模拟量的值y(n)和y(n-1)，根据正常值估计并确定两次采样的最大允许误差，如超过最大允许误差，则认为发生了随机干扰，并认为后一次采样值为非法值，该采样不采用。若未超过允许的最大偏差，则认为是有效采样。

测量装置设置手动和自动模式：手动模式下，将手自动开关切换为手动-踩下脚踏开关开始搅拌30 s-时间继电器计时-点击测量按钮-生成测量曲线-发泡结束按下停止测量按钮；自动模式下，将手自动开关切换为自动-踩下脚踏开始搅拌-30 s 后自动停止并开始测量-生成测量曲线-高度不发生变化后停止。

4 ～20 mA 电流信号对应PLC 5 536-27 648 的数字量，对应超声波传感器的测量范围30 ～250 mm。在博途软件中使用标准化NORM_X 和缩放SCALE_X 指令作模数转换,将传感器测量的4 ～20 mA 电流信号转换为距离30 ～250 mm。模数转换程序如图2 所示。

图2 模数转换程序

在PLC 属性中，点击“Web 服务器功能”，勾选“在此设备的所有模块上激活Web服务器”，在监视窗口中选择所要监视的变量“高度”，则可在PLC“192.168.0.1”的主页中远程监控测量高度。

西门子TP700 触摸屏作为上位机，用于监控高度起升曲线。如不设置触摸屏实物，也可选用博途软件HMI 功能进行仿真。仿真前对计算机进行必要设置，在“控制面板”中，双击“Communication Settings”，对“S7Online”进行网卡选择，在相关接口参数分配中选择“Realtek PClE GbE Family Controller TCPIP Auto.1”,即可仿真为上位机。

泡沫起升高度数据可在监控下保存并生成PDF 报告，报告样例如图3 所示。

图3 报告样例

4 结语

智能泡沫起升测量装置选用西门子PLC 读取超声波传感器测量的高度，在上位机显示高度的实时曲线，记录开始时间、最大高度、最终高度、开始时间、混合时间、上升时间、测试时间、高度缩小时间等关键数据，生成数据报告，可在Web 中查看实时数据，实现了设计功能并达到了其他设计要求。