摘要：本文介紹了PLC在稱重式自動(dòng)定量包裝機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用，控制系統(tǒng)采用SIMATIC S7-200PLC 和文本顯示器構(gòu)成。論述了包裝機(jī)的系統(tǒng)組成及工作原理，并對(duì)控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。
關(guān)鍵詞：可編程序控制器；稱重；定量包裝

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。稱量包裝技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了手工稱量、繼電器控制、稱重儀表控制、PLC 控制等幾個(gè)階段。相對(duì)于傳統(tǒng)的稱重儀表控制，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

稱重式自動(dòng)定量包裝機(jī)由供料部分、稱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(cè)量物料重量。卸料部分用來完成標(biāo)準(zhǔn)重量物料的卸料裝袋過程。如圖1 所示，為包裝機(jī)的組成圖。

2.2 工作原理

稱重式自動(dòng)定量包裝機(jī)的工作原理流程圖如圖2 所示。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，完全打開料門進(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，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，經(jīng)過一定的空中落料，稱量斗穩(wěn)定，并且卡袋機(jī)構(gòu)卡緊時(shí)，卸料門打開，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)主要為開關(guān)量控制，料門的全部動(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。控制系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

根據(jù)稱重式自動(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CPU 226 AC／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)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行過程監(jiān)控顯示以及參數(shù)設(shè)定等功能，可以通過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。如圖4 所示為軟件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。

4.1 稱重信號(hào)處理

由于稱量信號(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)誤差帶來的響。

所求的平均值為

標(biāo)準(zhǔn)差為

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。

4．2 PLC 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)稱重式自動(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，畫出程序流程圖，再由PLC 輸入輸出的邏輯關(guān)系編寫出梯形圖。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、卡袋開關(guān)等，輸出端口定義為稱量斗穩(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。輸出采用西門子公司STEP7-Micro/WIN32 軟件進(jìn)行編寫，程序流程圖如圖5 所示。

4.3 POP 文本畫面設(shè)計(jì)

POP-HMI 除 LCD 顯示窗之外，還有22 個(gè)薄膜開關(guān)按鍵，其中16 個(gè)按鍵能被設(shè)定成特殊的功能鍵，用來完成畫面跳轉(zhuǎn)，開關(guān)量、位狀態(tài)設(shè)定等功能。本系統(tǒng)中通過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)控稱量重量，并且查看灌裝數(shù)據(jù)。

5.結(jié)束語

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)。

參考文獻(xiàn)：
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作者簡(jiǎn)介：
郭湘君，女，1982 年出生，天津人。天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。
李振亮，男，1953 年出生，天津人。天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向是自動(dòng)機(jī)械與測(cè)控技術(shù)(end)