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1.引言

随着机械自动化水平的不断提高,自动控制技术在定量包装生产中应用越来越多,在粮食、化肥、饲料和轻工等行业中都有广泛应用。称量包装技术的发展大致经历了手工称量、继电器控制、称重仪表控制、PLC 控制等几个阶段。相对于传统的称重仪表控制,应用PLC 和触摸屏组成的控制系统便于将开关量设置、复位操作以及设定和修改系统参数功能有机的结合,提高机器速度和精度。

2. 包装机的工作原理

2.1 包装机的组成

称重式自动定量包装机由供料部分、称重部分与卸料部分组成。供料部分分为储料斗和重力供料装置。储料斗用于存储需要灌装的物料,重力供料装置主要是向称量料斗中提供物料。称重部分即称量斗,它通过和称重传感器相连,测量物料重量。卸料部分用来完成标准重量物料的卸料装袋过程。如图1 所示,为包装机的组成图。

2.2 工作原理

称重式自动定量包装机的工作原理流程图如图2 所示。当储料斗中物料足够,在重力的作用下进入重力供料装置,完全打开料门进入大给料状态。当到达给定大给料重量时,关闭给料门,留一条狭缝,进入小给料状态。当到达给定小给料重量时,完全关闭给料门,经过一定的空中落料,称量斗稳定,并且卡袋机构卡紧时,卸料门打开,物料进入放料斗,再落入袋内,完成一个包装循环。

3.控制系统硬件设计

该系统主要为开关量控制,料门的全部动作由气缸驱动,而气缸又由相应的电磁阀控制。设备即可以手动操作也可以自动操作。手动操作要求用按钮对机器的每一步运动单独进行操作控制。自动操作要求按一下自动/手动选择开关,机器自动地、连续不断地周期性循环。在工作中若按下停止按钮,则机器继续完成一个周期的动作,回到初始状态后自动停止。控制系统框图如图3 所示。

根据称重式自动定量包装机的操作和控制要求,控制系统选用西门子公司的SIMATICS7-200 系列PLC,此系列的PLC 具有结构紧凑、模块化、可扩展性强、指令集丰富等特点。所选CPU 的型号为CPU 226 AC/DC/REL,它提供24 个数字量输入和16 个数字量输出,输入/输出接口电路均采用了光耦合电路,对外界接口具有很强的适应性。并且2 个RS485 通讯/编程口,具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。由于要处理传感器的模拟量输入信号,所以扩展了一个EM 235 模拟量处理模块,该模块具有4 路模拟量输入。POP 文本显示器对整个系统进行过程监控显示以及参数设定等功能,可以通过PPI 协议和s7-200 系列PLC 的编程口或扩展通讯口直接通讯。

4.控制系统软件设计

控制系统软件设计为各功能软件设计,包括显示功能、参数设定功能、自动修正给料量功能、通讯功能等。如图4 所示为软件系统的总体结构。

4.1 称重信号处理

由于称量信号存在干扰,需要对信号进行滤波处理,并判断信号是否稳定,读数是否准确。所谓数字滤波,就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号的比重,是一种程序滤波即软件滤波。常见的滤波方法有限幅滤波、限速滤波、中值滤波、滑动平均滤波等。

本系统采用滑动平均滤波方法,系统采集的信号是与重量成正比的电压信号。这类信号的特点是存在一个平均值,信号在某一数值范围附近作上下波动,在这种情况下仅取一个采样值作为判断依据显然是不准确的。采用滑动滤波方法可以得到较好的效果。该方法采用最新采集的一个数据替换n 个暂存数据中的最早的一个数据,使得n 个暂存数据始终是最近的数据。求平均后所得数据既反映了最近的数据变化,又克服了随机误差带来的响。

所求的平均值为

标准差为

当标准差σ 小于设定值时,则系统稳定,当前值即为称量值。根据系统要求的精度不同,可以设定不同的值。

4.2 PLC 程序设计

根据称重式自动定量包装机的操作要求,确定各动作的顺序和相互之间的关系,画出程序流程图,再由PLC 输入输出的逻辑关系编写出梯形图。本系统输入端口定义为自动手动按钮、卡袋复位按钮、单步执行按钮、总复位按钮、停止按钮、卡袋开关等,输出端口定义为称量斗稳定指示、大给料气缸动作、小给料气缸动作、卸料气缸动作、卡袋气缸动作、系统报警等。输出采用西门子公司STEP7-Micro/WIN32 软件进行编写,程序流程图如图5 所示。

4.3 POP 文本画面设计

POP-HMI 除 LCD 显示窗之外,还有22 个薄膜开关按键,其中16 个按键能被设定成特殊的功能键,用来完成画面跳转,开关量、位状态设定等功能。本系统中通过POP-HMI 可以设定灌装目标重量、大给料量、小给料量,同时实时监控称量重量,并且查看灌装数据。

5.结束语

本系统设计完成后,进行了多次模拟实验,并且根据现场调试的情况进行修改。系统在投入运行后,性能稳定可靠,满足各项工艺要求,生产效率和产品质量均有所提高,完成了机械和电器控制系统的一体化要求,可广泛应用于食品包装等行业。

参考文献:

[1] 西门子公司.SIEMENS SIMATIC S7-200 可编程序控制器系统手册,2002

[2] POP-HMI 小型人机界面用户手册,2006

[3] 杨维明,徐萍萍,陈建新.PLC 在配料称重控制系统中的应用 [J].微机算计信息,2005,2:9-10

[4] 张万忠,刘明芹.电气与PLC 控制技术[M].北京:化学工业出版社,2003.8

[5] 梁晋文,陈林才,何贡.误差理论与数据处理[M].北京:中国计量出版社,2001.9


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发布时间:   来源:中国测控网  作者:匿名
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