摘要：本文介紹了PLC在稱重式自動定量包裝機系統中的應用，控制系統采用SIMATIC S7-200PLC 和文本顯示器構成。論述了包裝機的系統組成及工作原理，并對控制系統的軟、硬件設計進行了詳細的分析。
關鍵詞：可編程序控制器；稱重；定量包裝

1.引言

隨著機械自動化水平的不斷提高，自動控制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歷了手工稱量、繼電器控制、稱重儀表控制、PLC 控制等幾個階段。相對于傳統的稱重儀表控制，應用PLC 和觸摸屏組成的控制系統便于將開關量設置、復位操作以及設定和修改系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。供料部分分為儲料斗和重力供料裝置。儲料斗用于存儲需要灌裝的物料，重力供料裝置主要是向稱量料斗中提供物料。稱重部分即稱量斗，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。如圖1 所示，為包裝機的組成圖。

2.2 工作原理

稱重式自動定量包裝機的工作原理流程圖如圖2 所示。當儲料斗中物料足夠，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，稱量斗穩定，并且卡袋機構卡緊時，卸料門打開，物料進入放料斗，再落入袋內，完成一個包裝循環。

3.控制系統硬件設計

該系統主要為開關量控制，料門的全部動作由氣缸驅動，而氣缸又由相應的電磁閥控制。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制。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，回到初始狀態后自動停止。控制系統框圖如圖3 所示。

根據稱重式自動定量包裝機的操作和控制要求，控制系統選用西門子公司的SIMATICS7-200 系列PLC，此系列的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。并且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。由于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 文本顯示器對整個系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 系列PLC 的編程口或擴展通訊口直接通訊。

4.控制系統軟件設計

控制系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。如圖4 所示為軟件系統的總體結構。

4.1 稱重信號處理

由于稱量信號存在干擾，需要對信號進行濾波處理，并判斷信號是否穩定，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干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。

本系統采用滑動平均濾波方法，系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，信號在某一數值范圍附近作上下波動，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。求平均后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響。

所求的平均值為

標準差為

當標準差σ 小于設定值時，則系統穩定，當前值即為稱量值。根據系統要求的精度不同，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系，畫出程序流程圖，再由PLC 輸入輸出的邏輯關系編寫出梯形圖。本系統輸入端口定義為自動手動按鈕、卡袋復位按鈕、單步執行按鈕、總復位按鈕、停止按鈕、卡袋開關等，輸出端口定義為稱量斗穩定指示、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、系統報警等。輸出采用西門子公司STEP7-Micro/WIN32 軟件進行編寫，程序流程圖如圖5 所示。

4.3 POP 文本畫面設計

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，用來完成畫面跳轉，開關量、位狀態設定等功能。本系統中通過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，并且查看灌裝數據。

5.結束語

本系統設計完成后，進行了多次模擬實驗，并且根據現場調試的情況進行修改。系統在投入運行后，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制系統的一體化要求，可廣泛應用于食品包裝等行業。

參考文獻：
[1] 西門子公司.SIEMENS SIMATIC S7-200 可編程序控制器系統手冊,2002
[2] POP-HMI 小型人機界面用戶手冊,2006
[3] 楊維明，徐萍萍，陳建新.PLC 在配料稱重控制系統中的應用 [J].微機算計信息，2005，2：9-10
[4] 張萬忠，劉明芹.電氣與PLC 控制技術[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

作者簡介：
郭湘君，女，1982 年出生，天津人。天津科技大學機械工程學院碩士研究生。
李振亮，男，1953 年出生，天津人。天津科技大學機械工程學院教授，博士生導師，主要研究方向是自動機械與測控技術(end)