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
 

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 SIMATIC S7- 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 CPU 226 AC/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 EM 235 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。

4.2 PLC 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。
 

4.3 POP 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。

参考文献：

[1]西门子公司.SIEMENS SIMATIC S7- 200 可编程序控制器系统手册,2002

[2]POP- HMI 小型人机界面用户手册,2006

[3]杨维明， 徐萍萍， 陈建新.PLC 在配料称重控制系统中的应用[J].[J]微计算机信息， 2005， 2： 9- 10

[4]张万忠， 刘明芹.电气与 PLC 控制技术[M].北京:化学工业出版社,2003.8

[5]梁晋文， 陈林才， 何贡.误差理论与数据处理[M].北京:中国计量出版社,2001.9
 

 

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