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1引言

隨著機(jī)械自動(dòng)化水平的不斷提高,自動(dòng)控制技術(shù)在定量包裝生產(chǎn)中應(yīng)用越來(lái)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(chēng)量包裝技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了手工稱(chēng)量、繼電器控制、稱(chēng)重儀表控制、PLC控制等幾個(gè)階段。相對(duì)于傳統(tǒng)的稱(chēng)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(kāi)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(jī)的結(jié)合,提高機(jī)器速度和精度。

2包裝機(jī)的工作原理

2.1包裝機(jī)的組成

稱(chēng)重式自動(dòng)定量包裝機(jī)由供料部分、稱(chēng)重部分與卸料部分組成。

供料部分分為儲(chǔ)料斗和重力供料裝置。儲(chǔ)料斗用于存儲(chǔ)需要灌裝的物料,重力供料裝置主要是向稱(chēng)量料斗中提供物料。稱(chēng)重部分即稱(chēng)量斗,它通過(guò)和稱(chēng)重傳感器相連,測(cè)量物料重量。卸料部分用來(lái)完成標(biāo)準(zhǔn)重量物料的卸料裝袋過(guò)程。

2.2工作原理

稱(chēng)重式自動(dòng)定量包裝機(jī)的工作原理流程，當(dāng)儲(chǔ)料斗中物料足夠,在重力的作用下進(jìn)入重力供料裝置,完全打開(kāi)料門(mén)進(jìn)入大給料狀態(tài)。當(dāng)?shù)竭_(dá)給定大給料重量時(shí),關(guān)閉給料門(mén),留一條狹縫,進(jìn)入小給料狀態(tài)。當(dāng)?shù)竭_(dá)給定小給料重量時(shí),完全關(guān)閉給料門(mén),經(jīng)過(guò)一定的空中落料,稱(chēng)量斗穩(wěn)定,并且卡袋機(jī)構(gòu)卡緊時(shí),卸料門(mén)打開(kāi),物料進(jìn)入放料斗,再落入袋內(nèi),完成一個(gè)包裝循環(huán)。

3控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要為開(kāi)關(guān)量控制,料門(mén)的全部動(dòng)作由氣缸驅(qū)動(dòng),而氣缸又由相應(yīng)的電磁閥控制。設(shè)備即可以手動(dòng)操作也可以自動(dòng)操作。手動(dòng)操作要求用按鈕對(duì)機(jī)器的每一步運(yùn)動(dòng)單獨(dú)進(jìn)行操作控制。自動(dòng)操作要求按一下自動(dòng)/手動(dòng)選擇開(kāi)關(guān),機(jī)器自動(dòng)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(jī)器繼續(xù)完成一個(gè)周期的動(dòng)作,回到初始狀態(tài)后自動(dòng)停止。

根據(jù)稱(chēng)重式自動(dòng)定量包裝機(jī)的操作和控制要求,控制系統(tǒng)選用西門(mén)子公司的SIMATICS7-200系列PLC,此系列的PLC具有結(jié)構(gòu)緊湊、模塊化、可擴(kuò)展性強(qiáng)、指令集豐富等特點(diǎn)。所選CPU的型號(hào)為CPU226AC/DC/REL,它提供24個(gè)數(shù)字量輸入和16個(gè)數(shù)字量輸出,輸入/輸出接口電路均采用了光耦合電路,對(duì)外界接口具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。并且2個(gè)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(hào),所以擴(kuò)展了一個(gè)EM235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(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)程監(jiān)控顯示以及參數(shù)設(shè)定等功能,可以通過(guò)PPI協(xié)議和s7-200系列PLC的編程口或擴(kuò)展通訊口直接通訊。

4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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

4.1稱(chēng)重信號(hào)處理

由于稱(chēng)量信號(hào)存在干擾,需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理,并判斷信號(hào)是否穩(wěn)定,讀數(shù)是否準(zhǔn)確。所謂數(shù)字濾波,就是通過(guò)一定的計(jì)算或判斷程序減少干擾在有用信號(hào)的比重,是一種程序?yàn)V波即軟件濾波。常見(jiàn)的濾波方法有限幅濾波、限速濾波、中值濾波、滑動(dòng)平均濾波等。

本系統(tǒng)采用滑動(dòng)平均濾波方法,系統(tǒng)采集的信號(hào)是與重量成正比的電壓信號(hào)。這類(lèi)信號(hào)的特點(diǎn)是存在一個(gè)平均值,信號(hào)在某一數(shù)值范圍附近作上下波動(dòng),在這種情況下僅取一個(gè)采樣值作為判斷依據(jù)顯然是不準(zhǔn)確的。采用滑動(dòng)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(gè)數(shù)據(jù)替換n個(gè)暫存數(shù)據(jù)中的最早的一個(gè)數(shù)據(jù),使得n個(gè)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(jī)誤差帶來(lái)的影響。

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)差σ小于設(shè)定值時(shí),則系統(tǒng)穩(wěn)定,當(dāng)前值即為稱(chēng)量值。根據(jù)系統(tǒng)要求的精度不同,可以設(shè)定不同的值。

4.2PLC程序設(shè)計(jì)

根據(jù)稱(chēng)重式自動(dòng)定量包裝機(jī)的操作要求,確定各動(dòng)作的順序和相互之間的關(guān)系,畫(huà)出程序流程圖,再由PLC輸入輸出的邏輯關(guān)系編寫(xiě)出梯形圖。本系統(tǒng)輸入端口定義為自動(dòng)手動(dòng)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(kāi)關(guān)等,輸出端口定義為稱(chēng)量斗穩(wěn)定指示、大給料氣缸動(dòng)作、小給料氣缸動(dòng)作、卸料氣缸動(dòng)作、卡袋氣缸動(dòng)作、系統(tǒng)報(bào)警等。輸出采用西門(mén)子公司STEP7-Micro/WIN32軟件進(jìn)行編寫(xiě)。

4.3POP文本畫(huà)面設(shè)計(jì)

POP-HMI除LCD顯示窗之外,還有22個(gè)薄膜開(kāi)關(guān)按鍵,其中16個(gè)按鍵能被設(shè)定成特殊的功能鍵,用來(lái)完成畫(huà)面跳轉(zhuǎn),開(kāi)關(guān)量、位狀態(tài)設(shè)定等功能。本系統(tǒng)中通過(guò)POP-HMI可以設(shè)定灌裝目標(biāo)重量、大給料量、小給料量,同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控稱(chēng)量重量,并且查看灌裝數(shù)據(jù)。

5結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后,進(jìn)行了多次模擬實(shí)驗(yàn),并且根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的情況進(jìn)行修改。系統(tǒng)在投入運(yùn)行后,性能穩(wěn)定可靠,滿(mǎn)足各項(xiàng)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(jī)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(diǎn):利用PLC和觸摸屏組成控制系統(tǒng),代替?zhèn)鹘y(tǒng)的稱(chēng)重儀表控制,便于有效控制系統(tǒng)的開(kāi)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(jī)速度和精度的同時(shí),節(jié)約成本。

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