0.   引言

质量为国际单位制中7个基本量之一，是力学计量最基本的量，质量计量的准确可靠对整个力学计量至关重要。砝码是复现质量量值的实物量具，其量值准确直接关系到力学计量量值传递系统的准确和可靠^[1-2]。目前国内的砝码检定大多采用人工加卸载的方式，需要准确操作砝码，费时、重复性高、易出错^[3-4]。为了减少人为误差、提高工作效率、缩短溯源所需的时间、实现砝码的自动化检定，需要研制一套结构简单、可靠性高的砝码自动化检定装置控制系统。

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）因其积木式的硬件结构和模块化的软件设计广泛应用于自动控制领域，依靠强大的指令系统实现包括逻辑运算、中断控制、脉冲输出等多种功能^[5]，具有较高的自动化控制水平。伺服系统通过接收和发送脉冲能够实现高精度的定位控制，响应快、负载能力强、稳定性好^[6]。本文结合人机交互界面将PLC控制技术用于研制砝码自动化检定装置控制系统，旨在实现砝码质量的全自动检测，提高砝码自动化检定装置的准确度。

1.   检定原理

1.1   砝码自动化检定装置工作原理和结构

分别将被测砝码B和标准砝码A加载到质量比较仪上，得到两者的差值，将差值与标准砝码A质量相加或相减得到被测砝码的质量。

砝码自动化检定装置由砝码库（放置标准砝码及被测砝码）、三维运动机构、底座板、运动机构支架、大理石平台、待检工位、开关门检测开关、质量比较仪AX206 、机械手、控制柜等部分组成，如图1所示。

图  1  砝码自动化检定装置示意图

Figure  1.  Schematic diagram of weight automatic verification device

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该装置工作原理是由机械手根据控制软件设计好的流程和指令，分别到砝码库中的相应工位将标准砝码和被检砝码拿出到待检工位，系统自动检测质量比较仪的状态，并发布开关门指令给质量比较仪，机械手分别放置标准砝码和被检砝码到质量比较仪的秤量盘上，待质量比较仪数据稳定后读取测量值，检定完成后，机械手将砝码放回砝码库中相应工位，系统生成数据表。本套装置可连续对3组共33个被检砝码进行多次测量，这种方式提高了检定效率，避免了砝码混淆及人为误差^[7]，确保了质量追踪，缩短了溯源所需时间。

1.2   伺服系统原理

伺服系统由三个伺服电机（配减速装置）与伺服驱动器组成，可准确、快速地控制机械手的姿态，运动至目标位置并进行相应操作。

伺服系统将位置检测信号反馈给控制线路板，其产生相应脉冲定位信号驱动电机转动，使齿轮组的输出位置值与设定值一致，从而达到精确定位。

伺服电机每旋转一周所需脉冲数如式(1)。

式中，n为每转脉冲数；a为电子齿轮分子数；b为电子齿轮分母数。

因此，伺服电机旋转一周的脉冲数，可通过设置电子齿轮分子数与分母数确定^[8]。

1.3   PLC控制原理

PLC通过发送一定数量脉冲信号控制伺服电机旋转。在有原点的绝对坐标系下，脉冲数相当于“坐标轴”，每个脉冲都对应固定的位置，系统能从当前位置（脉冲输出当前值）及目标位置，自动算出移动脉冲量及方向。定义原点情况下的绝对脉冲原理图如图2所示。

图  2  定义原点情况下的绝对脉冲原理图

Figure  2.  Schematic diagram of absolute pulse with defined origin

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图2中当前位置脉冲值为+200，将脉冲量设定值设为+100，则伺服电机将会向反方向移动100个脉冲数到达+100的位置，即移动脉冲量=脉冲量设定值−指令执行时的脉冲输出当前值，装置移动的位移可由脉冲数来记录，方向会根据当前位置脉冲量多少进行自动选择。设脉冲当量为y（单位：mm），系统位移为x（单位：mm），则所需脉冲总数N如式(2)。

PLC控制流程图如图3所示。PLC通过控制机械手的三维位置进而实现砝码的取放。设置原点位置、每个砝码对应的砝码库位置、待检位置和质量比较仪的称量位置，这些位置均由对应的脉冲数决定。系统运行速度由控制软件设定，在设定初始值时，将计算出的各个砝码运动至准备位、停止位和称量位置所需的脉冲数置入PLC的数据寄存器D中，并设置安全密码。在选择好需检定的砝码后，PLC按照设定程序控制伺服电机旋转相应的脉冲数后自动停止^[9]，以此来实现砝码放置位置的精准定位。

图  3  PLC控制流程图

Figure  3.  PLC control flow chart

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2.   系统硬件设计

系统硬件部分主要由上位机PC、开关、主控制器、伺服电机、伺服控制器等组成，如图4所示。

图  4  系统硬件部分组成图

Figure  4.  Hardware components of the system

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PLC不能直接控制伺服电机，因此需要伺服控制器作为“中介”，通过发送一定数量的脉冲控制伺服放大器进而控制各轴伺服电机的旋转。极限检测开关是一种确保机械手的运动不会超出应有行程范围的电气开关。零点检测开关用于定位整个系统的原点位置。接触感应开关安装在质量比较仪侧门开合的位置，以确保在质量比较仪侧门打开的状态下，机械手移动至质量比较仪称量位置，接触感应开关用于防止机械手与称量盘接触。急停开关用于在发生碰撞时停止机械手动作并报警提示。人机交互界面的作用：1）采集质量比较仪的检测数据，发送控制命令到PLC；2）当遇到急停或断电重启时，手动控制机械手动作；3）手动输入各部件运行参数。

3.   系统软件设计

系统软件部分包括PLC程序设计和人机交互界面设计，如图5所示。

图  5  系统软件部分组成图

Figure  5.  Software components of the system

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3.1   PLC程序设计

PLC程序设计主要通过脉冲输出类指令与定时器指令、传送指令、比较指令等配合使用，实现脉冲定位、限位保护、位置检测和接触保护等功能。

脉冲定位功能主要通过PLC间接控制伺服电机旋转实现。

限位保护功能主要依靠安装在机械手X、Y、Z轴两端的六个限位开关实现，通过机械碰撞使开关触点吸合或断开从而控制电路的通断，达到限位保护的目的。将这六个限位开关接入PLC的输入端，当机械手移动碰到X、Y或Z轴任意一个上限位或者下限位时，限位开关触点吸合，触发停止脉冲输出指令，伺服电机停止旋转。

位置检测功能主要依靠安装在质量比较仪侧门的位置感应器实现。通过位置感应器测量侧门的位置，并将测量值与设定值比较，以确定质量比较仪侧门是否打开，保护质量比较仪不受损坏^[10]。

接触保护功能主要依靠在机械手安装接触感应线，机械手取放砝码时，若位置不准确，机械手与称量盘发生接触，则机械手立即停止，防止其进一步前进，损坏质量比较仪^[11]。若发生碰撞，则报警提示，操作界面及警示灯均有提醒，有效避免因误操作而造成仪器损坏。

根据JJG 99-2006《砝码》的要求^[1]，砝码质量的检定采用被检砝码B与标准砝码A比对的方法，为降低或消除质量比较仪线性漂移对测量结果的影响，通常采用ABBA或ABA闭环循环测量的方式^[12]。PLC程序设计的主要思路如下：在人机交互界面上选择需要检定的砝码后，伺服电机驱动机械手按照预设的位置分别将被检砝码B与标准砝码A从砝码库中取出，放到待检工位，再按照ABBA的顺序在质量比较仪上测量被检砝码B与标准砝码A的质量。测量时，待质量比较仪数据稳定后，触发定时器指令，倒计时10 s（可选择）后读取质量比较仪数据并发出返回指令。最后，机械手将被检砝码B与标准砝码A分别放回砝码库，整个测量过程完成。

在PLC程序设计中还增加了设定运行速度和读数时间的功能，可根据环境条件和质量比较仪的稳定状况，设定合适的运行速度和读数时间，使操作更加简便。

3.2   人机交互界面设计

人机交互界面（触摸屏）主要用来控制PLC的指令语言并检测系统运行状态。其界面设计主要分为五部分：开始界面、控制面板、被检砝码设定界面、检定报告参数设定界面和位置标定界面，如图6所示。

图  6  人机交互界面示意图

Figure  6.  Schematic diagram of human-computer interaction interface

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开始界面是系统的初始界面，点击界面进入控制面板；控制面板是人机交互界面设计的核心环节，也是主要工作界面，一般测量均在此界面下进行。参数选择、系统状态、运行主步状态等在控制面板显示或从控制面板进入。选择好需要检定的砝码参数后，按开始按钮开始测量，能够实时获取系统状态信息；在被检砝码设定界面可以从砝码库中选择需要检定的砝码、检定循环方式和检定次数；在检定报告参数设定界面可以设定生成的检定报告，检定完成后，系统自动生成检定报告；在位置标定界面（也是手动控制界面），可以手动设定伺服电机X、Y、Z轴的目标位置，由于在确定好目标位置之后，不能随意更改，因此在此界面增加了“输入密码”项，只有输入密码才能进入设定界面。

人机交互界面的设计充分考虑了实用性和可靠性，操作人员在控制面板上选择好被检砝码后，控制系统就能自动实现选定的多个砝码的检定，并自动生成符合要求的检定报告，大大简化了操作流程；若遇到跳闸、过限位、碰撞等紧急情况，系统自动急停，需人员手动操作，使伺服电机回到初始位置后再重新开始砝码检定工作。

4.   实际应用

利用上述砝码自动化检定装置，对一组11个E₂等级的砝码进行4次折算质量值的检定，控制系统运行稳定性数据如表1所示。

表  1  控制系统运行稳定性数据

Table  1.  Stability verification data for system operation

标称值/g	4次偏差绝对值/mg	允许偏差/mg	结论
200	0.02	0.08	符合要求
*200	0.03	0.08	符合要求
100	0.02	0.04	符合要求
50	0.01	0.025	符合要求
20	0.006	0.020	符合要求
*20	0.008	0.020	符合要求
10	0.003	0.015	符合要求
5	0.003	0.013	符合要求
2	0.004	0.010	符合要求
*2	0.003	0.010	符合要求
1	0.001	0.008	符合要求

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根据表1数据，控制系统的稳定性符合JJF 1033-2016 ^[13]的要求。

为了验证控制系统检定结果的准确性，选取一组11个E₂等级的砝码，将控制系统检定结果与人工读数检定结果进行对比，如表2所示。

表  2  控制系统检定与人工读数检定结果对比

Table  2.  Comparison between the verification data from the system and manual detection results

标称值/g	控制系统检 定结果/mg	人工读数检 定结果/mg	两者差 值/mg
200	−0.02	0.00	0.02
*200	−0.05	−0.12	0.03
100	−0.03	−0.01	0.02
50	−0.09	−0.10	0.01
20	−0.003	0.005	0.008
*20	0.014	0.004	0.010
10	0.012	0.006	0.006
5	0.028	0.030	0.002
2	0.004	0.002	0.002
*2	0.006	0.004	0.002
1	0.003	0.002	0.001

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根据表2，控制系统的检定结果与人工读数的检定结果之差不超过该砝码相应最大允许偏差的四分之一^[14]，因此控制系统的结果准确、有效。

实验结果表明控制系统运行良好，性能可靠，同时检定效率得到提高。

5.   结论

在设计研制砝码自动化检定装置控制系统过程中，硬件部分应用PLC控制伺服系统，实现精准的定位控制，运用人机交互界面使控制过程更加友好便捷；软件部分通过PLC编程实现了砝码加卸载的全自动过程，此过程安全、可靠，同时控制系统界面的设计简单明了、操作性强。

测试实验表明：该控制系统能够高质量、高效率地完成砝码的自动检定工作，被测砝码的折算质量值符合国家相关标准，对砝码检定的自动化有实际指导意义，具有工程应用价值。