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1引言
隨著人們生活水平不斷提高，人們對各工農(nóng)產(chǎn)品的消費需求也隨之增長，同時這也帶動了我國包裝機械行業(yè)的迅速發(fā)展。未來定量包裝業(yè)配合著產(chǎn)業(yè)自動化的趨勢，在技術上將向著控制數(shù)字化方向發(fā)展[1-2]。定量包裝機產(chǎn)業(yè)落后是我國包裝產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀，并且手工的稱重、封裝依然是許多薄弱企業(yè)所采用的包裝手段。該方法的勞動強度大、工作效率低。對于企業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)、提高勞動生產(chǎn)率來說已成為一種制約。在這樣的背景下，自動定量包裝機應勢而生。包裝系統(tǒng)的精度與速率低，一直是制約包裝機發(fā)展的主要因素。此外由于無法實時監(jiān)控包裝的稱重與卸料環(huán)節(jié)，進一步影響了系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定性。本文從定量包裝系統(tǒng)的整體設計出發(fā)，采用S7-200PLC作為核心控制部件，重點研究了MCGS對系統(tǒng)各個動作的實時監(jiān)控、報警及實時重量的反饋，進而預估稱重倉物料變化實現(xiàn)提前控制并調節(jié)電磁閥的開度，使得系統(tǒng)的效率與精度得到顯著提高。最后通過實驗仿真驗證，該系統(tǒng)控制精度可以達到預期要求，遠高于傳統(tǒng)包裝系統(tǒng)，并且系統(tǒng)的穩(wěn)定性也得到明顯改善，有很好的應用前景。
2系統(tǒng)的整體設計及原理
定量包裝機的稱重系統(tǒng)主要由三大組成部分構成，其分別為稱重檢測部分、現(xiàn)場執(zhí)行部分和系統(tǒng)控制柜部分[2-7]。現(xiàn)場的各個執(zhí)行機構的運行動作均由控制柜中的控制器根據(jù)采集的信息和其他相關信號來控制的。定量包裝機工作過程中的定量下料和稱重到包裝袋等各種動作都是通過控制器控制各執(zhí)行機構協(xié)調運行來完成的。如圖1所本文的定量包裝系統(tǒng)的稱重模塊與稱重傳感器的連線示意圖如圖1所示。本模塊所采用的電子設備均為西門子公司的產(chǎn)品。因為本設計控制系統(tǒng)選用的是S7-200PLC且其與S7-200PLC的兼容性和可靠性都較其他產(chǎn)品高，所以鑒于這兩方面因素選用西門子廠商的稱重電子模塊。因為SIMATIC系統(tǒng)集成了SIWAREX電子稱重模塊所以稱重傳感器的信號可以直接由PLC控制系統(tǒng)接收和處理，并且各種復雜動作的控制都可以PLC控制執(zhí)行無需疊加其他環(huán)節(jié)如A/D轉換或傳輸環(huán)節(jié)。

同時，為了便于根據(jù)客戶需求以及包裝工藝條件的改變及時提供系統(tǒng)升級和擴展服務，稱重系統(tǒng)采用模塊化設計，可編程性、擴展性都很好。S7-200的擴展模塊SIWAREX_MS可以與系統(tǒng)的其他擴展模塊進行聯(lián)機運行。電子稱重模塊擁有2個串行接口，用于連接遠程數(shù)字顯示器的接口是TTY接口；另一個是RS232接口，可以連接一臺PC（個人電腦）。
2.1定量包裝控制系統(tǒng)流程設計
本系統(tǒng)主要通過S7-200PLC進行整體的動作控制。首先對系統(tǒng)進行初始化，包括對系統(tǒng)的儲料倉進行料位的檢測，當儲料倉的料位超過90%時，儲料倉的上限位開始報警，同時送料帶停止物料的輸送。當儲料倉的料位低于10%時，儲料倉的下限為開始報警，送料帶保持物料的輸送，從而保證儲料倉的物料保持在合理范圍內。給料開關為螺旋式控制，通過控制電機，給料電機可以分為三檔，分別為快給料、慢給料和補料三檔。首先開啟快給料，當達到給定重量的90%時，將快給料切換至慢給料，在確定稱重倉已達給定重量時，系統(tǒng)會給出手動上袋信號，完成上袋工作后，卸料閥開啟卸料。卸料完成后進行抖袋工作，最后就是開啟包裝袋傳送帶，進行包裝袋的傳送。整體流程如圖2所示。

3控制系統(tǒng)的總體設計
3.1PLC選型
CPU226CNPLC有24個輸入和16個輸出I/O，均為本地I/O都有固定的地址。如I0.0～I0.7或Q0.0～Q0.7等均為系統(tǒng)預設地址[8]。對于具有復雜控制要求的控制系統(tǒng)所添加的擴展模塊的I/O地址可根據(jù)具體模塊在控制系統(tǒng)中的相對位置來確定。該型號PLC性能穩(wěn)定價格便宜，滿足系統(tǒng)設計要求。
3.2稱重傳感器的選型
最大量程、精度、工作環(huán)境和穩(wěn)定性等是選擇傳感器時必須要考慮因素。從受力方式上稱重傳感器可以分為拉式和壓式傳感器，由于拉式傳感器在包裝機上安裝簡便，維護方便，顧考慮以上因素及結合本設計要求選用全密封拉式傳感器，型號為SHK-4型。
3.3I/O分配
如表1所示，一共調用了10個輸入I/O和10個輸出I/O。PLC上電運行后，首先對對系統(tǒng)進行初始化動作，通過I0.0可實現(xiàn)對定量包裝系統(tǒng)進行手動啟動，I0.1可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的停止。同樣可以通過其他I/O分別實現(xiàn)相應的功能。
3.4電氣控制設計與實現(xiàn)
根據(jù)定量包裝機的設計要求：電機有過載保護和短路保護功能；電源有欠壓保護（當電源電壓（線電壓）小于0.75倍的額定電壓時，要求控制系統(tǒng)產(chǎn)生欠壓保護）和過壓保護（當電源電壓（線電壓）大于1.15倍的額定電壓時，要求電氣控制系統(tǒng)產(chǎn)生過壓保護）功能[9]。從而主電路設計如圖3所示。

4PLC程序設計
該系統(tǒng)可以實現(xiàn)手動自動兩種運行模式的切換以及急停等功能其中重量的判斷與控制是整個程序的關鍵部分。如圖4梯形圖所示。
圖4中MD10中存放的是傳感器的輸入值即為實際重量，MD2中為給定重量，通過雙整數(shù)轉換為實數(shù)指令后存入MD4中，使能實數(shù)減法器SUB_R減去3Kg后存入MD6中，MD6中的重量MD10中的重量進行比較確定慢給料的開啟（如給定重量30Kg，當重量大于27Kg就關閉快給料同時開啟慢給料）。當MD4中的重量與MD10中傳感器的實際讀取重量相等時，稱重工作結束。
5MCGS監(jiān)控系統(tǒng)設計
監(jiān)控界面主要包括：主界面、包裝機界面、控制面板界面、報警數(shù)據(jù)顯示界面和實時重量顯示界面。如圖5所示。圖6為本系統(tǒng)的主要仿真監(jiān)控界面，在該界面通過與PLC的在線連接可以實現(xiàn)對定量包裝系統(tǒng)的各個運動環(huán)節(jié)進行實時監(jiān)控，從而可以動態(tài)觀測稱重倉物料的實時情況和卸料倉卸料狀態(tài)，有效避免了料倉滯料情況的發(fā)生并且通過觀測稱重傳感器的數(shù)值可以提前預測重量的變化情況，進而提前控制提高包裝精度與效率。

圖7為系統(tǒng)的控制面板，在該模塊中可以實現(xiàn)系統(tǒng)的啟動、自動/手動的模式切換以及急停等功能。通過圖8可以實現(xiàn)對系統(tǒng)歷史報警數(shù)據(jù)的檢查，從而可以方便的排查系統(tǒng)故障及歷史包裝重量的變化情況。
6實驗結果與分析
系統(tǒng)實時監(jiān)測界面主要由稱重倉報警數(shù)據(jù)、實時重量曲線、歷史重量表格和歷史重量曲線四大部分組成。如圖9所示。

從稱重倉的報警數(shù)據(jù)中可以得知重量是否位于合理范圍內，進而調整定量包裝機相關參數(shù)的設置。通過報警數(shù)據(jù)瀏覽窗口可以對報警數(shù)據(jù)進行打印報表等操作。從歷史重量表格中可以判定稱重倉的重量是否達到給定以及卸料是否完成。
實時重量曲線用于顯示稱重倉重量的實時變化是重量的動態(tài)變化，歷史重量曲線則用于表達稱重倉重量的歷史變化趨勢是重量的穩(wěn)態(tài)變化。通過圖9可以看出雖然在實時重量曲線中重量在30Kg（系統(tǒng)給定重量）上下波動存在一定的誤差，但從歷史重量曲線上看稱重倉重量總體上趨于30Kg，具有較高的穩(wěn)定性與抗干擾性。因此定量包裝系統(tǒng)可以保證包裝精度在要求范圍內。
7結束語
針對傳統(tǒng)稱重系統(tǒng)稱重過程中的稱重精度較差及包裝過程不可控的問題，設計了基于S7-200PLC的MCGS實時在線監(jiān)控定量包裝系統(tǒng)，給出了相應的硬件結構圖和電路圖，實現(xiàn)MCGS的在線連接及遠程的實時監(jiān)控。通過仿真實驗結果表明：該定量包裝系統(tǒng)，產(chǎn)品包裝重量與標準重量誤差在給定范圍內，稱重精度得到顯著提高，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。
 

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