对于高粘度密封胶等粘性物料的散装灌装，与普通液体物料相比，称重灌装方式有所不同。比如喷枪结构不同，普通液体物料一般采用带底阀的灌装喷枪，粘性物料一般采用不带底阀的喷枪，喷枪口直径明显增大；进料不同，普通液体物料一般由球阀控制，粘性物料一般由罐式压力机控制；喷枪升降控制不同。对于普通液体物料，一般采用气缸驱动喷枪升降，对于粘性物料，可以采用步进电机驱动滚珠丝杠升降喷枪。介绍了一种用于灌装粘性物料的200升斗式托盘灌装秤。喷枪升降由步进系统控制，称重数据由高精度称重仪采集，灌装过程和步进系统由PLC、触摸屏、传感器等电气元件控制。该系统有效提高了操作人员的工作效率和产品包装质量，明显降低了操作人员的劳动强度，大大提高了企业的生产效率、质量、安全和自动化水平。
1粘性物料大桶灌装秤简介。
1.1结构组成。

灌装秤主要由称重平台、支撑柱、滚珠丝杠、灌装管道、灌装枪、锅压、移动过滤器、通风装置、电气控制箱、步进电机等组成。结构示意图如图1所示。称重平台最大量程为1500kg，分度值为0.5kg，称重数据通过连接称重仪表上传。支撑柱支撑整个灌装机构，包括滚珠丝杠、步进电机、灌装管道等的支撑。步进电机驱动滚珠丝杠带动灌装管道和灌装枪升降。灌装时，压罐机将物料压入后，通过活动过滤器、灌装管道和灌装枪将物料压入包装铁桶。如果正常灌装管道出现故障，可以使用备用灌装管道继续包装，以满足生产需要。有机玻璃压板可有效防止填充物中的杂质落入包装桶内。木质插板可以有效保护秤台表面，减少秤台上包装铁桶的磨损。同时，木插板设计有旋转结构，上面可以同时放置四个包装铁桶。当一个桶装满时，其他空桶可以通过手动旋转木制插入板到喷枪正下方来装满，直到所有四个桶都装满。
1.2工作原理。
灌装秤的工作原理如图2所示。灌装秤的物料是通过可编程控制器间接控制锅压给定的。平压机的启动通常是手动启动，平压机的停止由PLC自动控制。灌装前，喷枪通常会降低到更靠近桶底的位置。灌装后，喷枪应随着灌装重量的增加而自动缓慢提升。PLC根据称重仪采集的重量数据和设定的数据，驱动滚珠丝杠缓慢提升喷枪，使喷枪嘴在整个灌装过程中始终处于物料的平均液位之上，喷枪嘴与物料的平均液位之间的距离能够尽可能保持相对稳定，可以有效保证物料能够完全灌装到包装筒内，并使物料在包装筒内不同位置的密度保持一致。灌装秤通过步进系统驱动滚珠丝杠提升喷枪，控制精度高，控制方式灵活，参数设置方便，能够满足灌装过程中粘稠物料提升喷枪的相关要求。

2控制系统方案设计。
灌装秤控制系统的方案图如图3所示，其中PLC为控制中心，衡器采集称重传感器的数据，PLC与衡器以串行通信方式交换信息。接近传感器是四个感应式接近开关，主要检测喷枪的四个关键位置，即喷枪最高位置、喷枪上升到位、喷枪在筒内、喷枪下降到位。开关按钮主要包括手动/自动/备用选择开关、手动升降喷枪开关、快/慢升降喷枪选择开关、启动/停止加注按钮等。PLC控制步进驱动器，步进驱动器驱动步进电机运行，步进电机驱动滚珠丝杠，从而提升喷枪精确定位。指示灯用于指示灌装状态并输出报警状态，继电器用于间接控制氮气吹扫和压机压板。触摸屏用于设置灌装参数，显示灌装数据、状态和报警。

3.硬件系统设计。
灌装秤的硬件系统设计主要包括PLCI/O分配表、电气原理图设计、部件清单等。下面介绍PLCI/O分配表和PLC主模块原理图设计。
可编程控制器输入输出分配表。
灌装秤控制系统可编程控制器输入输出分配表见表1。该表主要列出了PLC使用的输入/输出地址和信号名称，但备用地址没有完全列出。

3.2PLC主模块原理图设计。
可编程控制器采用西门子S7-200的CPU224XP-DC/DC/DC。主模块有两个端口，端口1与称重仪表串行通信，端口0可以与打印机或主机连接进行通信，通信模块EM277配置为与TP触摸屏通信。PLC主模块接线示意图如图4所示。图中，+E1和-E1是DC24V的正负端子，+E2和-E2是DC5V的正负端子。由于步进电机驱动控制器的脉冲端和方向端要求为DC5V信号，1m和1l+端分别连接到DC5V的负端和正端。PLC的m+和l+电源端子分别连接到dc24v的负极和正极端子。输入部分的开关和按钮基本布置在现场控制箱的面板上，其中SA13选择一个三位自复位选择开关，SA14选择一个三位自锁选择开关，SA14用于选择三种控制模式。输出部分q0.0和q0.2分别接步进驱动器的脉冲信号端和方向信号端，q0.7接氮气吹扫控制的ka11继电器，ka11辅助触点控制氮气吹扫电磁阀，q1.0接压板联锁控制继电器ka12，ka12辅助触点接压板控制电路。

4.软件系统设计。
灌装秤的软件系统设计主要包括控制需求分析、控制流程梳理和可编程控制器编程。
4.1灌装控制要求。
本文将灌装秤的控制要求主要分为三种模式，即自动模式、手动模式和待机模式。
4.1.1自动模式。
自动模式一般用于正常灌装。具体控制要求包括:触摸屏可以设置灌装数据，带配方功能，使用配方功能对常用的灌装物料进行参数设置；喷枪提升速度可通过触摸屏设定和修改。喷枪的提升速度可以分为快和慢两种选择。快挡细分为五挡，慢挡也细分为五挡。总提升速度可设置为10档，有效满足不同物料对喷枪提升速度的要求。印刷机的开启应与喷枪的下降互锁。在开始填充之前，只有在喷枪下降后才能打开压机。触摸屏应有提示信息，操作人员核实数据后手动打开按键。在灌装过程中，压机始终处于工作状态。当填充料的重量达到目标值时，系统会自动停止压制；在整个灌装过程中，喷枪始终处于液面以上，喷枪头不能进入物料进行灌装。喷枪应随着填充材料重量的增加而不断升级，喷枪头与液位的距离应尽可能保持相对稳定；氮气吹扫控制:当开始充装且喷枪到位时，系统自动控制氮气吹扫电磁阀通电，开始氮气吹扫，延时10秒后自动关闭氮气吹扫；四个空桶可以同时放在秤台上。一桶加满后，继续加下一桶。四个桶都装满后，用叉车将重桶从秤台上提起。灌装前可在触摸屏上选择单桶灌装或多桶灌装；在自动模式下，填充秤具有断电记忆功能。通电后，按下启动按钮，灌装秤可以继续在断电前的状态下灌装。
4.1.2手动模式。
灌装桶不空时一般采用手动模式。例如，如果桶里有一些材料，首先通过触摸屏修改填充目标值。目标值应根据桶中现有材料的重量手动计算。此时，也可以修改其他参数。然后手动操作喷枪提升到桶内合适的位置，然后按下启动按钮进行加注。后续填充过程与自动模式基本相同。

4.2灌装控制流程。
自动模式下灌装秤的灌装流程图如图5所示。初始状态下，叉车将四个空桶提升至秤台，在触摸屏上设置好相关参数后，按下控制箱上的开始按钮开始灌装；然后判断毛重状态，如果不是，则向仪器发送去皮命令，如果是，则判断空桶是否称重，通过比较仪器的显示值和毛重状态下空桶的重量来判断空桶是否称重。PLC控制步进系统使喷枪下降，当喷枪下降到接近传感器检测到的位置时停止；Plc向仪器发送去皮命令，去皮判断成功后，开始正式灌装，此时启动压机，开始氮气吹扫；在填充期间，系统总是将当前填充值与目标值进行比较。同时，当填充值达到喷枪单次提升值时，PLC控制步进系统提升喷枪的固定高度。喷枪的单个提升值、提升速度和固定高度可以在触摸屏上设置和修改。当灌装值达到目标值时，停止灌装，关闭压机，延时10秒，关闭氮气吹扫，判断公差；系统将喷枪提升到该位置，该位置由相应的接近传感器检测；此时，一桶材料的填充完全完成。然后，手动将秤上未填充的空桶旋转到喷枪口正下方，按下开始按钮继续填充下一桶。

4.3PLC编程。
灌装秤的PLC程序设计采用主程序调用子程序的结构，包括仪表通讯、灌装流量控制、步进控制、数据记录、上位DP通讯、触摸屏报警和打印等。下面描述步进控制子程序。
本文中步进控制中高速脉冲的输出方法采用西门子S7-200的运动包络形式，通过编程软件的位控制引导产生pto0_ctrl(控制)、pto0_run(运行运动包络)、pto0_man(手动模式)、pto0_ldpos(加载位置)四个PTO(脉冲串输出)指令模块，然后在步进控制子程序中再次调用。引用该论文王志平，王志平.自动化应用，2012(4):55-58。[5]王瑞赵彦伟。200L桶装润滑油生产线技术改造[工业自动化与仪表，2017，44(1):108-110。j】。程序包括:电机运动方向控制在电机速度5档选择的控制部分，0~4分别代表12、36、60、84、99cm/min的速度；pto0_man指令的快慢赋值控制:计算每次提升喷枪时电机移动的距离和脉冲数；包络数从0到4选择时，计算加速、恒速和减速脉冲数；编程调用pto0_run指令；编程调用pto0_ctrl指令；编程调用pto0_man指令；pto0_ldpos指令的编程和调用。pto0_run指令的程序段如下:
总是开启:SM0.0.
ＬＤ Ａｌｗａｙｓ_Ｏｎ：ＳＭ０． ０
＝ Ｌ６０． ０
ＬＤ ｍｏｔｏｒ_ｒｕｎ１：Ｍ2３． ０
Ｏ ｍｏｔｏｒ_ｒｕｎ2：Ｍ2３． １
＝ Ｌ６３． ７
ＬＤ Ｌ６０． ０
ＣＡＬＬ ＰＴＯ０_ＲＵＮ：ＳＢＲ８，Ｌ６３． ７，包络编号：ＶＢ2６０１，喷枪
在桶内开关：Ｉ2． 2，Ｖ2７００． ０，ＶＢ2７０１，ＶＢ2７０2，ＶＢ2７０３，ＶＤ2７０4
此段程序中ＳＭ０． ０ 为ＰＴＯ０_ＲＵＮ 指令的使能信号，Ｍ2３． ０
或Ｍ2３． １ 为ＰＴＯ０ 运行的激活条件，ＶＢ2６０１ 为ＰＴＯ０ 的包络编
号或符号名，Ｉ2． 2 为ＰＴＯ０ 的停止条件。
其中ＰＴＯ０_ＬＤＰＯＳ 指令的程序段如下所示：
ＬＤ Ａｌｗａｙｓ_Ｏｎ：ＳＭ０． ０
＝ Ｌ６０． ０
ＬＤ ｍｏｔｏｒ_ｒｕｎ１：Ｍ2３． ０
ＬＤ 喷枪升到位开关：Ｉ2． １
ＥＵ
ＯＬＤ
＝ Ｌ６３． ７
ＬＤ Ｌ６０． ０
ＣＡＬＬ ＰＴＯ０_ＬＤＰＯＳ：ＳＢＲ１０，Ｌ６３． ７，０，Ｖ2７６０． ０，ＶＢ2７６１，
ＶＤ2７６2
此段程序中ＳＭ０． ０  为ＰＴＯ０ _ ＬＤＰＯＳ  指令的使能信号， Ｍ2３． ０ 或Ｉ2． １ 上升沿为ＰＴＯ０ 脉冲计数清零（即为新的零位置）的条件。
5结束语。
本文介绍的粘性物料增值税专用灌装秤已在一家外资有机硅企业成功应用，运行状况良好，系统运行稳定，大大提高了生产效率和灌装产品的质量，降低了操作人员的劳动强度，提高了灌装秤的自动化水平，为企业取得了良好的经济效益。在使用过程中，也发现了一些不足。比如因为物料粘性很大，每一桶灌装后，喷枪口的物料和桶内的物料粘在一起，需要人工操作才能将物料分开。后续的改造可以考虑这部分的优化设计。
自动化程度高。