西门子PLC模块6ES7512-1SK01-0AB0型号规格
1 引言
超声波测距作为一种典型的非接触测量方法，与激光测距、红外线测距相比，超声波对外界光线、色彩和电磁场不敏感，更适于黑暗、电磁干扰强、有毒、灰尘或烟雾的恶劣环境，在识别透明及漫反射性差的物体上也更有优势。由于声波在空气中传播速度远远小于光线和无线电波的传播速度，对于时间测量精度的要求远小于激光测距、微波测距等系统，超声波测距系统电路易实现、结构简单和造价低，且超声波在传播过程中不受烟雾、空气能见度等因素的影响，在各种场合均得到广泛应用，如倒车防撞雷达、海洋测量、物体识别、工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别。
2 超声波测距基本原理
超声波测距的基本工作原理是测量超声波在空气中的传播时间，由超声波传播时间和传播速度来确定距离障碍物的距离，即脉冲--回波方式。该方式的基本电路框图如图1所示。由发射传感器、发射电路、接收传感器、接收放大电路、回波信号处理电路和单片机控制电路等几部分组成。
图1 超声波测距基本组成
发射电路是一个工作频率为40khz的多谐振荡器，多谐振荡器受单片机控制，产生一定数量的发射脉冲，用于驱动超声波发射传感器，并激励出超声波在空气中传播，遇障碍物反射而返回。超声波接收传感器通过压电转换的原理，将由障碍物返回的回波信号转换成电信号，由于该信号幅度较小(几到十几毫伏)，须由低噪声放大、40khz带通滤波电路将回波信号放大到一定幅度，且干扰成分较少，并由回波波号处理电路转换成方波信号，送至单片机系统进行时间测量和距离的显示。
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=ct/2。
在启动发射电路的启动单片机内部的定时器t0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在int0端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。
3 超声波测距的误差分析
3.1 环境温度对测量精度的影响
利用超声测距要考虑媒质的弹性模量和密度对声速的影响。在气体中，压强、温度、湿度等因素会引起密度的变化，气体中声速主要受密度影响，超声波在固体中传播速度快，气体中传播速度慢。气体中声速受温度影响大，超声波在空气中传播速度为
式中t为温度，c0=331.4m/s。
由于声速与温度有关，为了**测量精度，设置了温度检测电路，根据实际测量的温度值利用公式计算超声波速度，对终测量结果进行校正。
3.2 回波前沿检测误差对测量精度的影响
超声波从超声传感器发出，在空气中传播，遇到被测物反射后，再传回超声传感器。整个过程，由于吸收衰减和扩散损失，声强随目标距离增大而衰减；衰减系数还与超声波的频率有关。超声波测距在实际应用的局限性，影响了超声波测距的精度。一是超声波在空气中衰减极大，由于测量距离的不同，造成回波信号的起伏，使回波到达时间的测量产生较大的误差。二是超声波脉冲在发射、空气中传播和接收过程中，其回波信号被展宽，影响了测距的分辨率，尤其是对近距离的测量造成较大的影响。由于超声波收、发传感器均由压电陶瓷构成，压电陶瓷片在压电的双向转换过程中，均存在惯性、滞后等现象，导致回波信号被展宽。这些因素造成了回波正确到达时间的不确定性，对测量精度造成较大的影响。正确检测回波到达时间，能使超声波测距精度获得**。
4 系统组成结构
4.1 硬件结构
主要包括at89c51单片机、超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路、测温电路等。
采用数字温度计ds18b20来采集温度信号，ds18b20是美国dalas公司推出的单线串行数字温度计，可直接与单片机连接，测量范围从-55℃～125℃，-10℃～85℃时测量精度为0.5℃。
超声波发射及驱动电路由功率放大电路和超声波发射传感器组成，其原理电路如图2所示。放大器输人端获得一个来自单片机送来工作频率为40khz的脉冲信号。通过功率放大电路放大到足够大的能量(增加超声波的传播距离)，该能量加给超声波发射传感器，驱动超声波发射头，并发射出40khz脉冲波，通过空间向外传播出去。
图2 超声波发射电路
图3 超声波接收电路
超声波接收电路由高速运算放大电路和超声波接收传感器组成，其原理电路如图3所示。超声波在空气中传播时，其能量衰减程度与传播距离成正比，超声波传感器接收信号一般在1mv-iv之间。接收电路采用由lm318高速运算放大器组成两级信号放大电路对其进行放大，以满足增益带宽和转换速率的要求。当超声波接收传感器接收到返回的超声波信号，接收传感器将超声波脉冲变为交变电信号，经放大器放大后进行处理。
测距电路的输入端接单片机p1.0端口，单片机执行程序时，在p1.0端口输出一个40khz的脉冲信号，通过超声波发射电路发射出去，启动单片机内部的定时器t0，定时器开始计数。当反射物将超声波反射回来，超声波接收电路接受处理，输出端产生一个负跳变，在into端产生一个中断请求信号，定时器停止计数。单片机响应外部中断请求，执行外部中断子程序，读取超声波从发射到接收的时间差，后经过换算得出超声波传感器与反射物之间的距离。
4.2 系统软件
系统软件包括主程序、温度采集子程序、发射子程序、计算子程序、数码显示子程序、外部中断子程序和定时器中断子程序。主程序完成初始化后调用发射子程序，由p1.0口发射脉冲，驱动超声波传感器发射超声波，并关外部中断，计数器t0开始计时；为防止虚假回波的干扰，在延时一段时间后，开中断。当有外部中断信号时，单片机就停止t0的计时，计算出渡越时间t并存储到e2prom中；调用测温子程序，采集超声波测距时的环境温度，并换算出准确的声速c，存储到e2prom；单片机再调用计算子程序，计算出传感器到目标物体之间的距离，后把测量结果存储并通过数码管电路显示出来，完成一次测量。
设计中，超声波发射极和接收极距离较近，当发射极发射超声波后，有部分超声波没经过障碍物反射就直接绕射到接收极上，这部分信号是无用的，会引起系统误测。设计中采用延时技术来解决这个问题，并设定延时时间为1ms，即在发射极发射超声波1ms内，通过软件关闭所有中断，接收电路对此期间接收到的任何信号不予理睬，1ms后立即启动t0，这时接收到的信号才有效，并在接收到回波信号的t0停。此时t0所记录的cpu发送脉冲信号的前沿到回波脉冲信号之间的时间才是需要的。系统存在测量盲区。主程序流程图如图4所示。
图4 主程序流程图
5 结束语
本文所设计的超声波测距系统，其结构简单、体积小、抗干扰性能好，若要满足更高的精度要求，还须进行适当改进。在某些特殊场合的应用中，还要考虑超声波的人射角、反射角以及超声波传播介质的密度、表面光滑度等因素。本系统不仅适用于距离的测量，还适用于水文液位测量和汽车间间距的测量，应用范围较广。
1 引言
管控一体化技术是采用计算机、网络、数据库、自动控制和接口通讯等诸多技术，以生产过程控制系统为基础，通过对生产管理、过程控制等信息的处理、分析、整合、存储、发布。典型的管控一体化系统可分为三层：现场控制层、过程监控层和企业管理层。现场控制层是直接控制级，实现对过程的连续控制调节并进行过程数据的采集、转换、诊断；过程监控层用于生产过程的管理，向工艺工程师和自动化工程师提供过程管理、设计工艺流程和控制方案的人机接口；企业管理层用于经营、库存、财务及生产调度，从而自下向上实现企业管控一体化。基于管控一体化的混凝土搅拌站系统集成对于建筑工程具有重要意义。
2 混凝土搅拌站工艺
混凝土搅拌站的工艺由石子、砂子等骨料与水泥、粉煤灰等粉剂配料按照一定的配合比例，称重计量，并控制其在一定的误差范围之内。配料预装在水泥仓中由螺旋输送机输送，水、液体添加剂由水泵与液剂泵配料。各种物料配料完成后，经由**机(或皮带机)将骨料**(或运输)到搅拌机(或待料仓)。待所有物料配完后，将物料依次投入搅拌机搅拌成混凝土。此过程按照配比要求的方量自动循环生产。
3管控一体化凝土搅拌站系统
硬件组成由称重仪表、plc、触摸屏、计算机。控制系统以商用计算机为监测站，完成工艺参数的设定、修改、工艺流程的动态显示，故障监测及报警，关键数据的存储、查询、打印等。选用plc作为控制站，控制现场设备。plc站通过100m的以太网与上位机连接，称重仪表与plc是asi工业级总线通讯。在控制台上，还设有工业级人机界面作为现场操作站。
3.1 监控站
采用联想商用计算机作为plc的上位机，联想计算机具备一键恢复功能，整个系统做好后，将备份做好，以后只要计算机硬件不损坏，操作系统出再大的问题，即便是硬盘格式化，都照样可以一键恢复数据。监控软件对全部设备的运行状况进行监控与管理。上位机与plc通讯应用opc技术，opc(olefor processcontrol)用于过程控制的ole，是系统之间进行数据交换的一种表现形式，主要面向工业自动化控制领域。opc已成为一种开放的工业标准，是许多的自动化公司和软、硬件公司与微软公司合作的结晶。其意义在于为工业控制设备与应用软件之间建立统一的数据存贮规范。这个接口规范不但能够应用于单台计算机上，可以支持网络上各应用程序之间的通讯，以及不同平台上应用程序之间的通讯和数据采集。上层应用可以不考虑底层的硬件特性以及opc服务器与硬件通讯的细节，就可以得到生产过程的数据。
3.2 plc控制站
采用西门子公司的s7-200 plc，系统配置如下：cpu226模块、em223扩展i/o模块、cp243-1以太网模块、cp243-2asi总线模块、asi电源模块。系统框架图如图1所示。
图1 系统框架图
3.3 系统网络通讯
(1)称重仪表ld3与plc的asi总线通讯配置。s7-200系列plc(除cpu221)均支持asi主站模块，主站模块型号为cp243-2，安装时需紧邻cpu安装。在数据格式上cpu243-2所拥有的数据空间为aiw0-14，aqw0-14。在plc的编程软件step7中的系统块中，将模拟输入过滤页下的aiw0-14勾选去掉。在文件加载或移除库中加载ld3功能库，在plc程序中调用功能块，于是称重仪表ld3其地址1-15就相应映射到plc中的vw1900—vw1928中。称重仪表ld3的地址在step7的asi向导中可任意更改地址。
(2)plc与上位机的以太网通讯配置。在step7的以太网向导中可以迅速简单的配置完成，设置plc的ip地址，而后调用以太网功能块。
以太网技术是目前管控一体化理想的构网选择，它能满足如下所有要求：高传输速率、高可靠性、抗干扰能力、实时传输确定性、多种传输介质适应分布要求、可扩展性和可维护性、标准化、开放性、和互操作性、大量应用和面向未来的开发。其采用tcp/ip协议，使得工厂的管理可以直接进入控制现场。
3.4 控制功能设计
系统控制方式有手动、半自动和全自动方式三种，以适用于不同工作要求。手动方式为配料为点动控制，卸料、出料为点动控制；半自动方式为自动配料，手动卸料、出料。系统可自动测试、修正配料误差，保证计量的高准确性。控制系统对水泥仓中的水泥使用情况实行动态管理，水泥仓添加水泥时，将添加的公斤数输入水泥库中，此时模拟水泥仓料位的黄色尺度成比例的增长，当自动与半自动生产时，使用的水泥量会自动从水泥库中减去，黄色尺度会按比例地减少。可随时查询水泥的使用和库存情况。控制系统的各种控制参数可由用户根据实际情况做直接而有效的修改。控制系统可记录下自动、半自动方式下每次出料的情况，并可随时查询、打印。控制系统完善的打印功能可打印出汇总、配比数据、累计用料、派车单、配方表等报表，并可根据用户要求增加新的打印项。
控制系统行业首创一站式故障检测系统，具有回路自动检测功能，通过触摸屏可对出现的各种故障提供时实动态的提示。如：自动生产时，骨料1不配料，此时在故障检测系统中可以清晰地观察骨料1自动配料的条件，哪项不满足，一清二楚。便于操作者方便快捷地检测故障。
控制系统的输入和输出信号全部采用光偶隔离或继电器隔离，有较强的抗外界干扰能力。plc与称重仪表的电源通过变压器隔离，有效避免外界干扰与雷电损坏。控制系统的plc可独立脱机工作，不受计算机是否连机的影响，真正意义上实现集散控制。系统具备补料与扣称功能(独立计量有效)。当对混凝土的精度要求很严格时，可以启用补称与扣称功能。自动配料时，若某种物料配料的误差小于规定时，此物料自动补料；若某种物料配料的误差大于规定时，自动流程暂时中止，执行扣称功能。
4 系统软件设计
4.1plc软件设计
(1)plc程序主要完成对设备配料过程的自动控制、数据采集的处理以及系统出现异常情况下的自动报警功能。本系统的软件是利用step7在bbbbbbsxp平台下开发的，编程灵活、方便。软件采用模块化编程结构，整个软件分为主程序、子程序和几个公共过程。
(2)主程序块主要完成控制系统的控制功能(自动配料与卸料、配料数据的采集、自动润滑、故障报警)及调用子程序。
(3) 数学变量定义。物料的配比 pb；物料落差 lc ；物料的实际配料sp；秤零点 ld；秤关门值 gm1；配料误差 wc。
(4)数学运算过程。物料自动配料计算过程：当物料配料重量达到(pb-lc)+(±ld)时，此时停止配料。此时的lc=lc+((sp-pb)/2)。若启用补称、扣称功能。则当wc>1%时，执行扣称，此时配料数据暂不收集，(pb*wc)+gm1=gm，此时sp=sp-(pb*wc),扣称完毕后，gm=gm1;若wc<1%则执行补称，sp=(pb*wc)+sp。由此可知物料出现配料精度不够，多为落差不稳定的原因造成的，造成落差不稳的因素有多种，如物料潮湿导致**不稳定，称体卸料门问题或称体太轻，配料时晃动等。子程序块：主要完成落差的自动修正功能。即lc=lc+((sp-pb)/2)。
4.2 上位机监控软件
上位机监控软件，具有如下功能：时实监控主画面；配比的设置、修改与传送；落差修改与传送；系统控制参数修改与传送；水泥仓管理；数据采集与数据库冗余、报表查询与打印。监控主画面如图2所示。监控画面中，主画面是工业现场的整个流程图，在画面中可实时显示各种物料的配比值、实配值及误差值。gif格式动画动态显示设备各机构的工作状态，实时显示故障报警。实时控制项选择窗口中，可以随时设置是否打印批量数据，是长票据或短票据；是否启用自动修正落差功能；是否打印发车单功能。监控画面中配置有主减速机换油周期控制项，点击此控制项，则弹出设置与帮助提示窗口，设置完成后只要主减速机工作则系统计时启动，当设置时间到后则在报警窗口中提示主减速机应该换机油。
图2 监控主画面如
4.3 双机冗余
双机冗余是数据库的一个重要组成部分，它可有效地**系统的稳定性和可靠性，其系统构图如3所示。双机冗余概括起来就是：系统正常启动时，主机和从机谁先启动，谁就获得系统的控制权，先启动的机器就是系统的主机；只有系统的主机发生故障时才会发生主从机切换。对于重大工程或不允许数据出现问题的工程，双机冗余对于保证系统的可靠性与数据的可靠性是必要的。
图3 双机冗余系统
5 结束语
基于管控一体化技术的混凝土搅拌站控制系统的设计，其框架清晰，结构合理，性能优越，具备良好的性价比，极具市场竞争力。其快速高效的通讯方式与组网方式，代表了未来自动化控制系统的发展方向。