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ENGLISH0755-88840386基于PLC和智能稱(chēng)重儀表的自動(dòng)灌裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間：2020-08-13 11:25:01 |來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載
聚氨酯密封膠是一種高強(qiáng)度室溫濕氣固化的粘合劑，它具有彈性好、粘接性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)玻璃粘接、車(chē)身密封、船舶、機(jī)械、電子、軍工、建筑等眾多的領(lǐng)域。該密封膠在常溫及生產(chǎn)過(guò)程中呈高粘度的軟膏狀，流動(dòng)性差，粘度大，按工藝要求灌裝到包裝大桶中難度很大。多年來(lái)業(yè)內(nèi)采用的傳統(tǒng)灌裝方式大部分工作靠手工完成，灌裝效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，灌裝精度差，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。
基于PLC及智能稱(chēng)重儀表，應(yīng)用PLC與智能儀表的串行通信技術(shù)，采用電液比例控制，解決了密封膠灌裝過(guò)程的控制難點(diǎn)，采用大桶下降式灌裝方式，實(shí)現(xiàn)了灌裝過(guò)程自動(dòng)化。
1密封膠灌裝系統(tǒng)
目前,業(yè)內(nèi)釆用的傳統(tǒng)灌裝方式是一種灌裝桶固定、大桶內(nèi)灌裝壓盤(pán)及灌裝橡膠軟管隨著桶內(nèi)膠量增加而上升的灌裝方式。這種灌裝方式具有橡膠軟管需
頻繁更換、灌裝勞動(dòng)強(qiáng)度大、每桶的灌裝量誤差大于1kg、灌裝一致性差等缺點(diǎn)。
為此，研制了灌裝管和壓盤(pán)固定不動(dòng)、灌裝桶隨桶內(nèi)膠量增加而自上向下移動(dòng)的大桶下降式自動(dòng)灌裝機(jī)，其工作原理如圖1所示。
圖1大桶下降式自動(dòng)灌裝系統(tǒng)工作原理圖
膠泵(MAAG泵)出膠管為倒U形不銹鋼鋼管，固定于灌裝機(jī)的大桶上方。制膠機(jī)出膠口與膠泵之間緊密連接，如同一體。放置大桶的底盤(pán)與兩側(cè)的液壓系統(tǒng)導(dǎo)桿連接，隨兩側(cè)液壓缸內(nèi)導(dǎo)桿的上、下移動(dòng)同步移動(dòng)，通過(guò)電液比例調(diào)節(jié)閥控制液壓導(dǎo)桿的移動(dòng)速度
整個(gè)灌裝過(guò)程在PLC控制下，按照復(fù)雜的控制算法，由電液比例控制系統(tǒng)完成。
灌裝時(shí)將空桶放在處于換桶位（最低位置）的托盤(pán)上，換桶位光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到大桶的存在，如果此時(shí)按下“啟動(dòng)”按鈕，進(jìn)油電磁閥打開(kāi)，同時(shí)油泵運(yùn)轉(zhuǎn)，在油壓作用下活塞桿上升，空桶隨托盤(pán)同步上升。空桶上升至其桶底與壓盤(pán)距離10mm時(shí)，上位光電開(kāi)關(guān)動(dòng)作，關(guān)閉上升電磁閥及油泵，空桶停止上升。然后打開(kāi)膠泵，密封膠自倒U型管緩慢擠入大桶內(nèi)，根據(jù)控制策略，在PLC及比例閥的計(jì)算、控制下，大桶緩慢下降，至膠滿位置時(shí)，膠滿位光電開(kāi)關(guān)得到信號(hào)，關(guān)膠泵，下降一定距離后，進(jìn)行刮膠，刮膠完畢后全速降至最低位置，最后換桶，一個(gè)灌裝循環(huán)完成2。
2控制難點(diǎn)與控制策略
2.1控制難點(diǎn)
由于在整個(gè)灌裝過(guò)程中，膠泵的出膠量是不均勻的，因此，灌裝時(shí)大桶的下降速度不是勻速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)出膠速度快時(shí)，大桶的下降速度就要適當(dāng)加快，否則，過(guò)多的進(jìn)膠量就會(huì)自壓蓋與大桶內(nèi)壁間的排氣縫隙溢出，造成大桶灌裝量難以控制，使灌裝過(guò)程失??；而當(dāng)膠泵出膠速度減慢時(shí)，大桶下降速度亦要適當(dāng)調(diào)慢，否則，空氣就會(huì)自壓蓋與大桶內(nèi)壁間的排氣縫隙進(jìn)入大桶，使桶內(nèi)膠中混有空氣，造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格，甚至成為廢品；同時(shí)，在下降過(guò)程中，托盤(pán)的載重隨著桶內(nèi)膠量的增加越來(lái)越重。因此，灌裝時(shí)，大桶下降速度要在比例閥的控制下，隨膠泵出膠速度的變化進(jìn)行及時(shí)調(diào)節(jié)，這是該灌裝系統(tǒng)的控制難點(diǎn)。
2.2控制策略
密封膠制膠機(jī)為美國(guó)某公司生產(chǎn)的HPB-550型高性能混合攪拌設(shè)備田,制膠機(jī)（含膠泵）的四角分別安裝在某公司（美國(guó)）的4個(gè)7300型稱(chēng)重傳感器上，制膠機(jī)及所生產(chǎn)的密封膠總重量由某公司的Model355I.S.型智能稱(chēng)重儀表精確測(cè)量，出膠量可由稱(chēng)重儀表精確測(cè)出。最初，試圖采用在自動(dòng)灌裝機(jī)大桶托盤(pán)下安裝稱(chēng)重傳感器的辦法測(cè)出灌裝重量，但由于灌裝下降過(guò)程存在沖擊、振動(dòng)等多種干擾因素，實(shí)際測(cè)得的數(shù)值波動(dòng)很大，無(wú)論如何處理都難以精確求得灌裝過(guò)程的灌裝量。為此，采用了通過(guò)智能稱(chēng)重儀表與PLC高速通信的辦法，獲得了大桶灌裝量Q的準(zhǔn)確值。
為了對(duì)灌裝下降過(guò)程進(jìn)行有效控制，并取得一定的灌裝精度，必須使大桶下降速度與膠泵的出膠速度相匹配。
在灌裝過(guò)程中，設(shè)在某時(shí)間間隔&內(nèi)膠泵出膠量為A。,大桶下降的高度為A/i,大桶的底面積為S,密封膠密度為p,在灌裝下降過(guò)程中，應(yīng)保持：
AQ斗SA/i
即：
pS
兩邊除以山，有：
Ah=1.AQ
At~pSAt
左側(cè)華■為在時(shí)間內(nèi)大桶下降的平均速度，右Az
側(cè)中的祟-為膠泵在&時(shí)間內(nèi)的平均出膠速度。當(dāng)Ar
Az—>0時(shí)，有：
dh.dQ
dtpSdt
上式左邊的微分項(xiàng)華為某一時(shí)刻大桶下降的瞬
dt
時(shí)速度，右邊的微分項(xiàng)必為同一H寸刻膠泵的瞬時(shí)出dt
膠速度。
欲在灌裝過(guò)程中既不使空氣進(jìn)入大桶又不致于使密封膠自桶內(nèi)四周縫隙溢出，大桶下降速度與膠泵出膠速度應(yīng)滿足上式。
在控制程序中，只要取&足夠小，就可以保證每桶的灌裝精度。
由于灌裝過(guò)程下降速度很慢（每分鐘2cm左右），根據(jù)灌裝調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，取&=ls,就可以既保證灌裝成功，乂能使灌裝精度達(dá)到要求。At也是PLC對(duì)比例閥進(jìn)行調(diào)節(jié)的時(shí)間間隔。
成功的灌裝過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)大桶下降速度跟隨膠泵出膠量變化的隨動(dòng)過(guò)程。
在灌裝下降過(guò)程中，以膠泵出膠量Q為控制系統(tǒng)的輸入，采用PID調(diào)節(jié)原理七調(diào)節(jié)比例閥流量以控制大桶下降速度V,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，控制框圖如圖2所示。
圖2自動(dòng)灌裝機(jī)控制框圖
圖中％由直線位移傳感器測(cè)得由制膠機(jī)的稱(chēng)重儀表測(cè)得，并通過(guò)稱(chēng)重儀表與PLC的高速串行通信傳送給PLC。大桶的灌裝量為pS/i,實(shí)時(shí)控制保證九的精度，就可以保證灌裝量的精度。
3控制系統(tǒng)硬件
根據(jù)工作原理與控制策略，以PLC為控制核心,組建控制系統(tǒng)。PLC輸入、輸出信號(hào)配置如表1所示。
表1輸入、輸出信號(hào)配置表
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開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)配置 |
信號(hào) |
開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)配置 |
/女口 |
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停止按鈕（工作模式）SB3_1 |
10.0 |
膠泵開(kāi)（J1） |
QO.O |
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點(diǎn)動(dòng)下降（調(diào)試模式）SB3_2 |
10.1 |
油泵電機(jī)（J2） |
Q0.1 |
|
工作開(kāi)始啟動(dòng)（工作模式）/點(diǎn)動(dòng)上升（調(diào)試模式）SB4 |
10.2 |
膠泵關(guān)（J3） |
Q0.2 |
|
ZHK工作模式選擇 |
10.3 |
PLC工作指示燈（J4） |
Q0.3 |
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ZHK調(diào)試模式選擇 |
10.4 |
卸荷電磁閥DF1（J5） |
Q0.4 |
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高位光電開(kāi)關(guān)HK |
10.5 |
膠泵指示燈 |
Q0.5 |
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低位光電開(kāi)關(guān)LK |
10.6 |
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— |
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換桶位光電開(kāi)關(guān)CK |
10.7 |
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— |
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關(guān)膠泵按鈕SB5 |
11.0 |
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- |
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開(kāi)膠泵按鈕SB6 |
11.1 |
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- |
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關(guān)速降閥按鈕SB1 |
11.2 |
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— |
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開(kāi)速降閥按鈕SB2 |
11.3 |
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- |
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模擬量輸入信號(hào)配置 |
信號(hào) |
模擬量輸出信號(hào)配置 |
信號(hào) |
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直線位移傳感器信號(hào) |
A+ |
比例控制閥信號(hào) |
V |
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- |
B+ |
- |
- |
根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模，本著控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊的原則，選用帶兩路模擬量輸入、一路模擬量輸出、2個(gè)RS-485接口的西門(mén)子S7-200系列PLC（CPU224XP）即可滿足系統(tǒng)要求。一路模擬量輸入信號(hào)為直線位移傳感器信號(hào)，是一個(gè)由直線位移傳感器測(cè)得的與灌裝深度入成正比的電壓信號(hào)。一路模擬量輸出信號(hào)為比例控制閥輸入信號(hào)，是一個(gè)與比例閥流量成正比的電壓信號(hào)。由于選用的電液比例控制閥為帶壓力補(bǔ)償?shù)牧髁靠刂崎y，因此可以在負(fù)載變化的工況下，獲得穩(wěn)定的調(diào)節(jié)流量。
PLC硬件配置如圖3所示。
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M|]|V|M|a+|b+ |
1M11U|QO.o|QO.1|qO-2|qo.3|（X）-4|2M|21才|00.北0.頓巾1巾1』 丨/|M|L+ |
|
|
GPU224XPCN |
lM|l0.0|l0.1h0.2|l0.3|l0.4|10.5|10.6|l0.7| M|L+
圖3PLC硬件配置圖
自動(dòng)灌裝過(guò)程電控系統(tǒng)的工作原理：將空桶放在換桶位（最低位）時(shí),如果桶位正常，則換桶位光電開(kāi)關(guān)CK導(dǎo)通，此時(shí)按下工作開(kāi)始按鈕SB4,油泵馬達(dá)起動(dòng)，空桶上升，如果桶位不正常，則按下SB4也無(wú)動(dòng)作，避免了桶位不正上升時(shí)卡桶事故的發(fā)生；當(dāng)上升至最高位時(shí)，高位光電開(kāi)關(guān)HK導(dǎo)通，關(guān)閉油泵，停止上升，PLC進(jìn)行灌裝前的參數(shù)初始化計(jì)算;適當(dāng)延時(shí)后,膠泵打開(kāi),密封膠進(jìn)入空桶底部，此時(shí)PLC采集到灌裝深度信號(hào),通過(guò)串口通信不斷獲得膠泵出膠量，按照控制策略，隨著膠量的增加,大桶緩慢下降，完成整個(gè)灌裝過(guò)程。
4PLC與智能稱(chēng)重儀表串行通信的實(shí)現(xiàn)
4.1PLC通信協(xié)議及參數(shù)設(shè)定⑺
西門(mén)子CPU224XP模塊集成了2個(gè)串行通信的RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口，將其中一個(gè)用于程序開(kāi)發(fā)、調(diào)試，另一個(gè)用于同稱(chēng)重儀表通信。
4.1.1字符數(shù)據(jù)格式
S7-200采用異步串行通信方式，傳送字符數(shù)據(jù)格式有兩種：10位字符和11位字符。此處釆用11位字符數(shù)據(jù)，1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)偶校驗(yàn)位、一個(gè)停止位。傳輸速率為9600bps。
4.1.2通信協(xié)議
S7-200支持多種通信協(xié)議,協(xié)議定義了主站和從站兩類(lèi)通信設(shè)備。主、從站間的通信協(xié)議有PPI、MPI、Profibus3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和一個(gè)自由口協(xié)議。根據(jù)智能稱(chēng)重儀表的通信情況，本控制系統(tǒng)釆用自由口協(xié)議。當(dāng)選擇自由口模式且主機(jī)處于RUN方式下，用戶可通過(guò)發(fā)送/接收中斷、發(fā)送/接收指令編寫(xiě)的程序來(lái)控制串行通信口的運(yùn)作。當(dāng)主機(jī)處于STOP方式時(shí)，自由口通信被終止，通信口切換到正常的PPI協(xié)議操作。通信協(xié)議在通信程序中由SMB30（通信口0）或SMB130（通信口1）設(shè)置為允許自由口通信模式。
4.1.3參數(shù)設(shè)置
CPU224XP自由口通信模式的通信參數(shù)由串口1初始化子程序設(shè)置。設(shè)置內(nèi)容包括通信協(xié)議、波特率、字符數(shù)據(jù)格式等內(nèi)容。
4.2智能稱(chēng)重儀表通信協(xié)議及參數(shù)設(shè)定⑻
Model355I.S.型稱(chēng)重儀表僅有2個(gè)RS-232通信口COM1.COM2,無(wú)RS-485接口。使用COM2口作為與PLC的通信口，通過(guò)一個(gè)有源RS-232/485轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)PLC與稱(chēng)重儀表的串行通信。
4.2.1通信協(xié)議
Model355I.S.型稱(chēng)重儀表可預(yù)置13種標(biāo)準(zhǔn)傳輸格式或根據(jù)需要定制傳輸格式，灌裝過(guò)程僅需要某一時(shí)刻制膠機(jī)的總重量，為減少與PLC之間通信幀的長(zhǎng)度，釆用定制傳輸格式。該儀表通信時(shí)的字符、數(shù)字字母全部采用ASCII碼形式，用到的控制字符很多,使用時(shí)可從儀表手冊(cè)查得。
為了簡(jiǎn)化PLC的通信程序，將Model355I.S.設(shè)置為遠(yuǎn)程主指示器模式。Model355I.S.將按定制傳輸格式連續(xù)地向PLC發(fā)送數(shù)據(jù)，而PLC以中斷方式定時(shí)接收數(shù)據(jù)。釆用最簡(jiǎn)單的傳輸格式，如“口口□□1345.7□kgONet",共17個(gè)ASCII碼，其中有6個(gè)空格、5個(gè)數(shù)字、1個(gè)小數(shù)點(diǎn)、5個(gè)字母。重量數(shù)據(jù)定義為帶一位小數(shù)的5位數(shù),單位為kg。
4.2.2參數(shù)設(shè)置
為實(shí)現(xiàn)Model355I.S.與PLC自由口的通信，通過(guò)儀表鍵盤(pán)對(duì)Model355I.S.相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如表2所示。
其它參數(shù)使用默認(rèn)值，與PLC保持一致。完成設(shè)置后,Model355I.S.就具備了與PLC通信的基本條件。4.3PLC通信程序的設(shè)計(jì)
自由口接收數(shù)據(jù)既可以釆用自由口接收指令，也可以使用接收字符中斷控制來(lái)接收數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)情況，采用中斷方式。端口每接收一個(gè)字符會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，端口1產(chǎn)生中斷事件25。在執(zhí)行連接到接收字符中斷事件上的中斷程序前，接收到的字符存儲(chǔ)在SMB2中，奇偶校驗(yàn)狀態(tài)存在SMB3.0中，通過(guò)中斷訪問(wèn)SMB2和SMB3來(lái)接收數(shù)據(jù)。
PLC通信程序由串口1初始化子程序及自由口接收中斷程序組成。串口初始化子程序主要完成串口1數(shù)據(jù)格式、自由口協(xié)議及波特率等參數(shù)的設(shè)置等功能，通信中斷程序主要功能是將來(lái)自Model355I.S.的數(shù)據(jù)幀循環(huán)存放到緩存區(qū)中。該緩存區(qū)由85個(gè)字節(jié)組成，可以循環(huán)存放5幀數(shù)據(jù)。自由口緩存區(qū)由定時(shí)取數(shù)據(jù)中斷程序提取有效的重量數(shù)據(jù)，并存放到另一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)，由數(shù)據(jù)處理子程序進(jìn)行處理。
5控制系統(tǒng)軟件例
控制主程序完成自空桶位置檢測(cè)到大桶灌裝完畢的整個(gè)自動(dòng)灌裝過(guò)程，其順序控制圖(SFC)如圖4所示。
6結(jié)語(yǔ)
根據(jù)密封膠生產(chǎn)及灌裝工序的特殊性，對(duì)控制硬件、軟件進(jìn)行了大量的調(diào)試工作。該自動(dòng)灌裝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能，每桶灌裝誤差控制在200g以下,且每桶的灌裝量不再受生產(chǎn)工人操作水平影響,大大提高了大桶灌裝量的一致性，解決了密封膠灌裝過(guò)程的控制難點(diǎn),克服傳統(tǒng)灌裝方式的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了灌裝過(guò)程自動(dòng)化，降低了操作工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率,改善了勞動(dòng)環(huán)境。使用一年多證明，該控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。
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