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。

2.2工作原理

称重式自动定量包装机的工作原理流程，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。

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CPU226AC/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EM235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。

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影响。

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。

4.2PLC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。

4.3POP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。

论文创新点:利用PLC和触摸屏组成控制系统,代替传统的称重仪表控制,便于有效控制系统的开关量输入输出以及方便设定和修改系统参数,提高包装机速度和精度的同时,节约成本。

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