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1 引言

隨著機械自動化水平的不斷提高, 自動控制技術(shù)在定量包裝生產(chǎn)中應(yīng)用越來越多, 在糧食、 化肥、 飼料和輕工等行業(yè)中都有廣泛應(yīng)用。稱量包裝技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了手工稱量、繼電器控制、稱重儀表控制、 PLC 控制等幾個階段。相對于傳統(tǒng)的稱重儀表控制, 應(yīng)用 PLC 和觸摸屏組成的控制系統(tǒng)便于將開關(guān)量設(shè)置、復(fù)位操作以及設(shè)定和修改系統(tǒng)參數(shù)功能有機的結(jié)合, 提高機器速度和精度。

2 包裝機的工作原理

2.1 包裝機的組成

稱重式自動定量包裝機由供料部分、稱重部分與卸料部分組成。

供料部分分為儲料斗和重力供料裝置。儲料斗用于存儲需要灌裝的物料, 重力供料裝置主要是向稱量料斗中提供物料。稱重部分即稱量斗, 它通過和稱重傳感器相連, 測量物料重量。 卸料部分用來完成標準重量物料的卸料裝袋過程。
 

2.2 工作原理
 

當儲料斗中物料足夠, 在重力的作用下進入重力供料裝置,完全打開料門進入大給料狀態(tài)。當?shù)竭_給定大給料重量時, 關(guān)閉給料門, 留一條狹縫, 進入小給料狀態(tài)。當?shù)竭_給定小給料重量時, 完全關(guān)閉給料門, 經(jīng)過一定的空中落料, 稱量斗穩(wěn)定, 并且卡袋機構(gòu)卡緊時, 卸料門打開, 物料進入放料斗, 再落入袋內(nèi), 完成一個包裝循環(huán)。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)主要為開關(guān)量控制, 料門的全部動作由氣缸驅(qū)動, 而氣缸又由相應(yīng)的電磁閥控制。設(shè)備即可以手動操作也可以自動操作。手動操作要求用按鈕對機器的每一步運動單獨進行操作控制。自動操作要求按一下自動 / 手動選擇開關(guān), 機器自動地、 連續(xù)不斷地周期性循環(huán)。 在工作中若按下停止按鈕, 則機器繼續(xù)完成一個周期的動作, 回到初始狀態(tài)后自動停止。
 

根據(jù)稱重式自動定量包裝機的操作和控制要求, 控制系統(tǒng)選用西門子公司的 SIMATIC S7- 200 系列 PLC , 此系列的 PLC具有結(jié)構(gòu)緊湊、 模塊化、 可擴展性強、 指令集豐富等特點。所選CPU 的型號為 CPU 226 AC/DC/REL , 它提供 24 個數(shù)字量輸入和 16 個數(shù)字量輸出, 輸入 / 輸出接口電路均采用了光耦合電路,對外界接口具有很強的適應(yīng)性。并且 2 個 RS485 通訊 / 編程口,具有 PPI 通訊協(xié)議、 MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。 由于要處理傳感器的模擬量輸入信號, 所以擴展了一個 EM 235 模擬量處理模塊, 該模塊具有 4 路模擬量輸入。 POP 文本顯示器對整個系統(tǒng)進行過程監(jiān)控顯示以及參數(shù)設(shè)定等功能, 可以通過PPI 協(xié)議和s7- 200 系列 PLC 的編程口或擴展通訊口直接通訊。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計為各功能軟件設(shè)計, 包括顯示功能、 參數(shù)設(shè)定功能、 自動修正給料量功能、 通訊功能等。
 

4.1 稱重信號處理

由于稱量信號存在干擾, 需要對信號進行濾波處理, 并判斷信號是否穩(wěn)定, 讀數(shù)是否準確。所謂數(shù)字濾波, 就是通過一定的計算或判斷程序減少干擾在有用信號的比重, 是一種程序濾波即軟件濾波。常見的濾波方法有限幅濾波、 限速濾波、 中值濾波、 滑動平均濾波等。

本系統(tǒng)采用滑動平均濾波方法, 系統(tǒng)采集的信號是與重量成正比的電壓信號。這類信號的特點是存在一個平均值, 信號在某一數(shù)值范圍附近作上下波動, 在這種情況下僅取一個采樣值作為判斷依據(jù)顯然是不準確的。采用滑動濾波方法可以得到較好的效果。該方法采用最新采集的一個數(shù)據(jù)替換 n 個暫存數(shù)據(jù)中的最早的一個數(shù)據(jù), 使得 n 個暫存數(shù)據(jù)始終是最近的數(shù)據(jù)。求平均后所得數(shù)據(jù)既反映了最近的數(shù)據(jù)變化, 又克服了隨機誤差帶來的影響。
 

當標準差 σ 小于設(shè)定值時, 則系統(tǒng)穩(wěn)定, 當前值即為稱量值。根據(jù)系統(tǒng)要求的精度不同, 可以設(shè)定不同的值。

4.2 PLC 程序設(shè)計

根據(jù)稱重式自動定量包裝機的操作要求, 確定各動作的順序和相互之間的關(guān)系, 畫出程序流程圖, 再由 PLC 輸入輸出的邏輯關(guān)系編寫出梯形圖。本系統(tǒng)輸入端口定義為自動手動按鈕、 卡袋復(fù)位按鈕、 單步執(zhí)行按鈕、 總復(fù)位按鈕、 停止按鈕、 卡袋開關(guān)等, 輸出端口定義為稱量斗穩(wěn)定指示、 大給料氣缸動作、 小給料氣缸動作、 卸料氣缸動作、 卡袋氣缸動作、 系統(tǒng)報警等。輸出采用西門子公司 STEP7- Micro/WIN32 軟件進行編寫。
 

4.3 POP 文本畫面設(shè)計

POP- HMI 除 LCD 顯示窗之外, 還有 22 個薄膜開關(guān)按鍵,其中 16 個按鍵能被設(shè)定成特殊的功能鍵, 用來完成畫面跳轉(zhuǎn),開關(guān)量、 位狀態(tài)設(shè)定等功能。本系統(tǒng)中通過 POP- HMI 可以設(shè)定灌裝目標重量、 大給料量、 小給料量, 同時實時監(jiān)控稱量重量,并且查看灌裝數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)設(shè)計完成后, 進行了多次模擬實驗, 并且根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試的情況進行修改。系統(tǒng)在投入運行后, 性能穩(wěn)定可靠, 滿足各項工藝要求, 生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量均有所提高, 完成了機械和電器控制系統(tǒng)的一體化要求, 可廣泛應(yīng)用于食品包裝等行業(yè)。

論文創(chuàng)新點: 利用 PLC 和觸摸屏組成控制系統(tǒng), 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的稱重儀表控制, 便于有效控制系統(tǒng)的開關(guān)量輸入輸出以及方便設(shè)定和修改系統(tǒng)參數(shù), 提高包裝機速度和精度的同時, 節(jié)約成本。

參考文獻：

[1]西門子公司.SIEMENS SIMATIC S7- 200 可編程序控制器系統(tǒng)手冊,2002

[2]POP- HMI 小型人機界面用戶手冊,2006

[3]楊維明， 徐萍萍， 陳建新.PLC 在配料稱重控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].[J]微計算機信息， 2005， 2： 9- 10

[4]張萬忠， 劉明芹.電氣與 PLC 控制技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.8

[5]梁晉文， 陳林才， 何貢.誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M].北京:中國計量出版社,2001.9
 

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