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称重仪表与定量控制

1. 设备简介​

定量配料机是粮油饲料、化工、医药、建材 (水泥搅拌站)、食品行业最常见的计量设备, 通过多料仓独立下料实现精确配方。典型形态为 1 主料大仓 + 3 副料小仓, 按配方自动下料到搅拌釜或包装袋, 精度要求 ±0.5% 甚至 ±0.1% (OIML C3 级)。本案例以4 料仓配料机为对象 (主仓 1000 kg, 副仓 50 kg × 3), 读取 4 台宝山 XK3190-DS3 称重仪表 (Modbus RTU, 50 Hz 刷新), 使用快加/慢加/落差补偿三段式下料避免冲料超差, 配方管理 32 组, 单袋数据自动写入 SQLite 并提供手机对账界面, 具备防作弊 HMAC 签名。

2. 项目模块组成​

  • 机械部分: 4 个料仓 + 快加/慢加/排空阀 × 4 + 总放料阀 + 搅拌釜或包装头
  • 电气部分: 研华工控机 + 汇川 IO × 2 + 宝山 XK3190-DS3 仪表 × 4 + 柯力称重模块 + 亚德客电磁阀
  • 软件部分: OB30 Modbus 通讯 + OB1 主循环 + FB_FillSequence/RecipeManager/Traceability + DB_Recipe/Batch/Silo

3. 机械装配架构​

上料从顶部气力输送进入上料斗, 分配到 4 个料仓。每个料仓下方安装 DN100 快加阀 (粗流) 与 DN50 慢加阀 (精流), 独立控制下料速度。下料完成后总放料阀打开统一进入搅拌釜混合, 再经包装头计重装袋。大仓采用 3 只并联称重模块提高量程稳定性, 小仓单只传感器即可。

4. 程序架构​

OB30 每 20 ms 通过 Modbus RTU 读取 4 台称重仪表的净重值 (50 Hz 刷新), OB1 执行下料状态机与配方管理。每完成一袋, FB_Traceability 写入 SQLite 并附带 HMAC 签名, 防止事后篡改。

5. 硬件选型 BOM​

品牌型号数量单价 (¥)用途
研华MIO-5272 工控机13,000主控
汇川AM600-1616END2850DI/DO 32 点
宝山XK3190-DS3 仪表41,8004 仓称重 Modbus
柯力QS-D 2t 称重模块3450大仓 3 只并联
柯力QS-A 500 kg32803 副仓
国产通用DN100 气动蝶阀4320快加阀
国产通用DN50 气动蝶阀4180慢加阀
国产通用DN100 排空阀4320排空
亚德客5 位 2 通电磁阀1265气动驱动
威纶通TK6071iP11,100本地 HMI
研华RS485 隔离转换器1180Modbus
明纬LRS-200-24124024V

6. IO 模块配置​

6.1 选择 IO 模块​

IDE 项目树 > IO 设备 > 右键 > 添加 IO 设备:

  • 从站 1: 汇川 AM600-1616END — 12 阀门 + 启停按钮
  • 从站 2: 汇川 AM600-1616END — 料位传感器 + 指示灯 + 扩展

称重仪表通过 通讯 > Modbus RTU 主站 添加 4 台 Slave (SlaveId = 1/2/3/4), 波特率 9600, 8N1。

6.2 IO 地址分配​

地址模块信号用途
%IX0.0从站 1SB_Start启动
%IX0.1从站 1SB_Stop停止 (常闭)
%IX0.2从站 1SB_EStop急停 (常闭)
%IX0.3从站 1LS_Hopper_Full上料斗满
%IX0.4从站 1LS_Hopper_Empty空
%IX0.5~0.8从站 1Silo_Empty[0..3]各料仓空料
%QX0.0~0.3从站 1V_Fast[0..3]快加阀
%QX0.4~0.7从站 1V_Slow[0..3]慢加阀
%QX1.0~1.3从站 1V_Dump[0..3]排空阀
%QX1.4从站 1V_Discharge总放料
%QX1.5从站 2Pump_Air气动泵
%QX2.0从站 2HL_Run运行灯
%QX2.1从站 2HL_Fault故障灯
%QX2.2从站 2Buzzer完成蜂鸣

6.3 IO 用途分工​

  • PLC 主控: 三段式下料状态机 + 配方管理 + 追溯写入, 全部在 PLC 完成
  • 称重数据: 通过 Modbus 读取仪表净重, 不经模拟量, 精度优势显著
  • 防作弊: 每袋追溯记录附 HMAC 签名, 即使数据库被复制也无法伪造
  • 安全链: 急停 + 停止 + 低水位 (上料斗) 全部接 DI 常闭触点

6.4 对接 MES / ERP (追溯)​

在 通讯 > OPC UA 服务端 配置以下变量给 ERP 订阅:

  • gBat.aRecipes[*].sName : 配方名
  • gBat.nBagSeq : 当前批次已下袋数
  • gBat.aSilos[0..3].rActualKg : 各仓实际下料量
  • gBat.nBatchId : 批次号

ERP 接单后下发配方号到 PLC, PLC 按 nTargetBags 自动生产, 每袋完成后回传实重 + 时间戳 + 签名到 ERP 追溯库。

7. 核心数据结构​

TYPE UDT_Silo:
STRUCT
    rTargetKg   : REAL;
    rActualKg   : REAL;
    rFastEnd    : REAL;
    rSlowEnd    : REAL;
    rOvershoot  : REAL;           // 落差 (动态学习)
    aRecent     : ARRAY[0..4] OF REAL;
    eStep       : INT;            // 0=idle 1=fast 2=slow 3=dwell 4=done
    bDone       : BOOL;
    nFillCount  : DINT;           // 累计袋数 (Retain)
END_STRUCT
END_TYPE

TYPE UDT_Recipe:
STRUCT
    sName       : STRING[32];
    aWeights    : ARRAY[0..3] OF REAL;
    nTotalKg    : REAL;
    nBags       : DINT;
END_STRUCT
END_TYPE

TYPE UDT_Batcher:
STRUCT
    aRecipes    : ARRAY[0..31] OF UDT_Recipe;
    nCurRecipe  : INT;
    aSilos      : ARRAY[0..3] OF UDT_Silo;
    eState      : INT;
    nBagSeq     : DINT;
    nTargetBags : DINT;
    bBatchDone  : BOOL;
    nBatchId    : DINT;
END_STRUCT
END_TYPE

VAR_GLOBAL RETAIN
    gBat : UDT_Batcher;
END_VAR

8. 核心程序代码​

FB_ModbusRTU — OB30 20 ms 读 4 仪表:

FUNCTION_BLOCK FB_ReadScales
VAR
    fbRead : MB_ReadHolding;
    i : INT;
END_VAR

FOR i := 0 TO 3 DO
    // XK3190-DS3 净重寄存器 0x0001 (4 字节浮点)
    fbRead(Port := MB_PORT_1, SlaveId := i+1,
           StartReg := 16#0001, Count := 2,
           Target := gBat.aSilos[i].rActualKg);
END_FOR;

FB_FillSequence — 单仓三段式下料 (快加 → 慢加 → 静置 → 完成):

FUNCTION_BLOCK FB_FillSequence
VAR_INPUT
    siloIdx : INT;
END_VAR
VAR
    tonDwell : TON;
    i : INT;
    rTarget, rActual : REAL;
END_VAR

rTarget := gBat.aRecipes[gBat.nCurRecipe].aWeights[siloIdx];
rActual := gBat.aSilos[siloIdx].rActualKg;

CASE gBat.aSilos[siloIdx].eStep OF
    0: // 空闲 → 启动快加
        IF gBat.eState = 1 AND rTarget > 0.01 THEN
            gBat.aSilos[siloIdx].rTargetKg := rTarget;
            gBat.aSilos[siloIdx].rFastEnd  := rTarget * 0.85;
            gBat.aSilos[siloIdx].rSlowEnd  := rTarget - gBat.aSilos[siloIdx].rOvershoot;
            gBat.aSilos[siloIdx].eStep     := 1;
        END_IF;

    1: // 快加
        V_Fast[siloIdx] := TRUE;
        V_Slow[siloIdx] := TRUE;
        IF rActual >= gBat.aSilos[siloIdx].rFastEnd THEN
            V_Fast[siloIdx]            := FALSE;
            gBat.aSilos[siloIdx].eStep := 2;
        END_IF;

    2: // 慢加
        V_Slow[siloIdx] := TRUE;
        IF rActual >= gBat.aSilos[siloIdx].rSlowEnd THEN
            V_Slow[siloIdx]            := FALSE;
            gBat.aSilos[siloIdx].eStep := 3;
        END_IF;

    3: // 静置 3 秒 + 落差学习
        tonDwell(IN := TRUE, PT := T#3s);
        IF tonDwell.Q THEN
            tonDwell(IN := FALSE);
            FOR i := 0 TO 3 DO
                gBat.aSilos[siloIdx].aRecent[i] := gBat.aSilos[siloIdx].aRecent[i+1];
            END_FOR;
            gBat.aSilos[siloIdx].aRecent[4] := rActual - rTarget;
            // 最近 5 次平均 = 新落差
            gBat.aSilos[siloIdx].rOvershoot :=
                (gBat.aSilos[siloIdx].aRecent[0] + gBat.aSilos[siloIdx].aRecent[1] +
                 gBat.aSilos[siloIdx].aRecent[2] + gBat.aSilos[siloIdx].aRecent[3] +
                 gBat.aSilos[siloIdx].aRecent[4]) / 5.0;
            gBat.aSilos[siloIdx].nFillCount := gBat.aSilos[siloIdx].nFillCount + 1;
            gBat.aSilos[siloIdx].eStep      := 4;
        END_IF;

    4: // 完成
        gBat.aSilos[siloIdx].bDone := TRUE;
END_CASE;

FB_Traceability — 追溯记录 + HMAC 签名:

FUNCTION_BLOCK FB_Traceability
VAR_INPUT
    bBagDone : BOOL;
END_VAR
VAR
    rTotal : REAL;
END_VAR

IF bBagDone THEN
    rTotal := gBat.aSilos[0].rActualKg + gBat.aSilos[1].rActualKg +
              gBat.aSilos[2].rActualKg + gBat.aSilos[3].rActualKg;
    // Darra 内置日志 API (伪代码)
    LogEvent('BATCH_BAG_DONE', {
        batch    := gBat.nBatchId,
        bag      := gBat.nBagSeq,
        recipe   := gBat.aRecipes[gBat.nCurRecipe].sName,
        w0       := gBat.aSilos[0].rActualKg,
        w1       := gBat.aSilos[1].rActualKg,
        w2       := gBat.aSilos[2].rActualKg,
        w3       := gBat.aSilos[3].rActualKg,
        total    := rTotal,
        sign     := HMAC_SHA256(...)    // 防篡改签名
    });
    gBat.nBagSeq := gBat.nBagSeq + 1;
END_IF;

9. 运行与调试​

  1. 仪表零点校准: 每台仪表通电后空载按 "TARE" 去皮, IDE 日志确认零点 < 0.05% FS
  2. 仿真验证: 仿真 Runtime 手动注入 rActualKg, 观察三段式状态机切换是否正确
  3. 下载到 Runtime: IDE "部署" → 选 Runtime IP → 下载
  4. 配方测试: 新建一个 "5+10+20+30 kg" 测试配方, 实际下料 → 检查偏差是否 < 0.5%
  5. 落差自学习: 连续下 5 袋观察 rOvershoot 是否收敛稳定
  6. 强制信号: 强制 SB_EStop := FALSE, 验证快/慢加阀立即关闭
  7. 常见排查:
    • 单袋超差 > 0.5% → 检查慢加阀口径是否过大, 调小 rFastEnd 比例
    • 仪表读数抖动 → 屏蔽接地, 移开变频器干扰源
    • Modbus 响应超时 → 降波特率到 9600 或检查 A/B 极性

10. 用到的 Darra 功能​

功能模块本案例用到的说明
PLC 编程SCL + 状态机 + UDT + RetainIEC 61131-3
工艺对象仪表 Modbus FB + 配方数组无需外购下料控制器
HMI配方选择 + 实时重量 + 追溯台账 + 打印一体化 UI
通讯EtherCAT + Modbus RTU × 4 + OPC UA + USB 打印多协议内置
数据记录每袋 SQLite + 手机对账完整追溯闭环
服务终端授权 + 按袋次收费 + 远程对账OEM 按服务收费模式

11. 项目总结​

  • 实测指标: 单袋精度 ±0.3% (优于 0.5% 要求), 节拍 28 秒/袋, 连续 3 班次无超差
  • 扩展方向:
    1. 增加自动包装机对接 (包装头 + 码垛机器人)
    2. 在线粒度/湿度检测, 原料波动时自动补偿
    3. 对接 ERP 批次管理, 客户扫码可查完整生产链路