1 引言

隨著機械自動化水平的不斷提高, 自動控製技術在定量包裝生產中應用越來越多, 在糧食、 化肥、 飼料和輕工等行業中都有廣泛應用。稱量包裝技術的發展大致經曆了手工稱量、繼電器控製、稱重儀表控製、 PLC 控製等幾個階段。相對於傳統的稱重儀表控製, 應用 PLC 和觸摸屏組成的控製係統便於將開關量設置、複位操作以及設定和修改係統參數功能有機的結合, 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。

供料部分分為儲料鬥和重力供料裝置。儲料鬥用於存儲需要灌裝的物料, 重力供料裝置主要是向稱量料鬥中提供物料。稱重部分即稱量鬥, 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
 

當儲料鬥中物料足夠, 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。當到達給定大給料重量時, 關閉給料門, 留一條狹縫, 進入小給料狀態。當到達給定小給料重量時, 完全關閉給料門, 經過一定的空中落料, 稱量鬥穩定, 並且卡袋機構卡緊時, 卸料門打開, 物料進入放料鬥, 再落入袋內, 完成一個包裝循環。

3 控製係統硬件設計

該係統主要為開關量控製, 料門的全部動作由氣缸驅動, 而氣缸又由相應的電磁閥控製。設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製。自動操作要求按一下自動 / 手動選擇開關, 機器自動地、 連續不斷地周期性循環。 在工作中若按下停止按鈕, 則機器繼續完成一個周期的動作, 回到初始狀態後自動停止。
 

根據稱重式自動定量包裝機的操作和控製要求, 控製係統選用西門子公司的 SIMATIC S7- 200 係列 PLC , 此係列的 PLC具有結構緊湊、 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 個數字量輸入和 16 個數字量輸出, 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性。並且 2 個 RS485 通訊 / 編程口,具有 PPI 通訊協議、 MPI 通訊協議和自由方式通訊能力。 由於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 文本顯示器對整個係統進行過程監控顯示以及參數設定等功能, 可以通過PPI 協議和s7- 200 係列 PLC 的編程口或擴展通訊口直接通訊。

4 控製係統軟件設計

控製係統軟件設計為各功能軟件設計, 包括顯示功能、 參數設定功能、 自動修正給料量功能、 通訊功能等。
 

4.1 稱重信號處理

由於稱量信號存在幹擾, 需要對信號進行濾波處理, 並判斷信號是否穩定, 讀數是否準確。所謂數字濾波, 就是通過一定的計算或判斷程序減少幹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。

本係統采用滑動平均濾波方法, 係統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, 信號在某一數值範圍附近作上下波動, 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據替換 n 個暫存數據中的最早的一個數據, 使得 n 個暫存數據始終是最近的數據。求平均後所得數據既反映了最近的數據變化, 又克服了隨機誤差帶來的影響。
 

當標準差 σ 小於設定值時, 則係統穩定, 當前值即為稱量值。根據係統要求的精度不同, 可以設定不同的值。

4.2 PLC 程序設計

根據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係, 畫出程序流程圖, 再由 PLC 輸入輸出的邏輯關係編寫出梯形圖。本係統輸入端口定義為自動手動按鈕、 卡袋複位按鈕、 單步執行按鈕、 總複位按鈕、 停止按鈕、 卡袋開關等, 輸出端口定義為稱量鬥穩定指示、 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、 係統報警等。輸出采用西門子公司 STEP7- Micro/WIN32 軟件進行編寫。
 

4.3 POP 文本畫麵設計

POP- HMI 除 LCD 顯示窗之外, 還有 22 個薄膜開關按鍵,其中 16 個按鍵能被設定成特殊的功能鍵, 用來完成畫麵跳轉,開關量、 位狀態設定等功能。本係統中通過 POP- HMI 可以設定灌裝目標重量、 大給料量、 小給料量, 同時實時監控稱量重量,並且查看灌裝數據。

5 結束語

本係統設計完成後, 進行了多次模擬實驗, 並且根據現場調試的情況進行修改。係統在投入運行後, 性能穩定可靠, 滿足各項工藝要求, 生產效率和產品質量均有所提高, 完成了機械和電器控製係統的一體化要求, 可廣泛應用於食品包裝等行業。

論文創新點: 利用 PLC 和觸摸屏組成控製係統, 代替傳統的稱重儀表控製, 便於有效控製係統的開關量輸入輸出以及方便設定和修改係統參數, 提高包裝機速度和精度的同時, 節約成本。

參考文獻：

[1]西門子公司.SIEMENS SIMATIC S7- 200 可編程序控製器係統手冊,2002

[2]POP- HMI 小型人機界麵用戶手冊,2006

[3]楊維明， 徐萍萍， 陳建新.PLC 在配料稱重控製係統中的應用[J].[J]微計算機信息， 2005， 2： 9- 10

[4]張萬忠， 劉明芹.電氣與 PLC 控製技術[M].北京:化學工業出版社,2003.8

[5]梁晉文， 陳林才， 何貢.誤差理論與數據處理[M].北京:中國計量出版社,2001.9
 

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