曾繁玲

ZENG Fan-ling

（羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院，羅定 527200）

0 引言

在糧食、化肥、飼料等行業(yè)中都需要對成品的物料進(jìn)行定量包裝。稱重包裝技術(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。而使用PLC控制的裝置具有高可靠性、可編程、易于擴(kuò)展、具有強(qiáng)大的功能、豐富的的通信方式、適合工業(yè)控制環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，成為工業(yè)自動(dòng)控制的首選產(chǎn)品。本文針對粉狀或顆粒狀物質(zhì)的成品包裝，選用施耐德電氣有限公司的Twido型可編程控制器為控制平臺(tái)，能夠完成自動(dòng)送料、自動(dòng)稱重下料、自動(dòng)裝袋、自動(dòng)計(jì)數(shù)的過程。

1 自動(dòng)雙秤包裝機(jī)的組成及工作原理

1.1 包裝機(jī)的組成

自動(dòng)雙秤包裝機(jī)主要由供料部分、稱重部分、裝料部分和傳送部分組成。供料部分是將成品的物料由傳送設(shè)備輸送過來稱量。稱重部分是采用雙計(jì)量磅秤進(jìn)行成品稱量，由A、B秤振蕩器向A秤和B秤秤斗給料，測量物料重量。裝料部分是將完成標(biāo)準(zhǔn)重量的成品物料的裝袋過程。傳送部分是將成品的物料通過傳送設(shè)備進(jìn)行稱量及將裝袋的物料通過輸送帶運(yùn)走。包裝機(jī)的組成原理圖如圖1所示。

1.2 工作原理

自動(dòng)雙秤包裝機(jī)的工作原理流程圖如圖2所示。當(dāng)傳送設(shè)備將成品的物料送來時(shí)，A秤和B秤振蕩器起蕩，振蕩器擋板打開，當(dāng)?shù)竭_(dá)大給料重量時(shí)，擋板關(guān)閉，進(jìn)行小振給料，達(dá)到預(yù)定重量時(shí)，停止給料，秤斗打開，經(jīng)過渡料斗進(jìn)行放料，再落入袋內(nèi)，完成一個(gè)包裝循環(huán)。

圖1 包裝機(jī)的組成原理圖

圖2 自動(dòng)雙秤包裝機(jī)的工作原理流程圖

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)的要求如下：

1）A、B兩秤的控制方案相同。

2）控制系統(tǒng)設(shè)置了外部計(jì)數(shù)功能，可以對包裝機(jī)完成的袋數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。同時(shí)為了掌握控制器的工作情況，了解其使用壽命，設(shè)置了內(nèi)部計(jì)數(shù)器，最大的計(jì)數(shù)值為5000，且設(shè)置了計(jì)數(shù)復(fù)位功能。

3）當(dāng)A秤發(fā)生故障時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到B秤稱重；當(dāng)B秤發(fā)生故障時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到A秤稱重。

4）在稱斗控制中，為了防止A、B兩秤斗同時(shí)打開，A秤斗和B秤斗之間有有互鎖功能。

2.1 稱重部分設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，物料定量是物料包裝時(shí)的一個(gè)重要工序，定量精確與否將直接影響包裝質(zhì)量。根據(jù)物料的物理化學(xué)性質(zhì)、自然形態(tài)、包裝規(guī)格及銷售、使用習(xí)慣的不同，需選用不同的定量方法。常用的定量方法有計(jì)數(shù)法定量、容積法定量、稱重法定量三種。由于該控制系統(tǒng)是針對粉狀或顆粒狀物質(zhì)，且要求的定量精度較高，所以采用稱量法定量。

稱量法定量法采用杠桿力矩平衡原理的間歇稱量法。秤的基本組成部分為秤梁、配重主砝碼與微調(diào)砝碼、支承座、稱量料斗等，如圖3所示。由力矩平衡原理及m=W/g可得:

W=(W1L1+W2L2+W3L3)/L0-W0

或 m=(m1L1+m2L2+m3L3)/L0-m0

式中：L1表示秤梁重心到支承點(diǎn)O的水平距離；L2表示主砝碼到支承點(diǎn)O的水平距離；L3表示微調(diào)砝碼到支承點(diǎn)O的水平距離；L0表示稱量料斗重心到支承點(diǎn)O的水平距離；W表示稱量物料的重力；m表示所稱量物料的質(zhì)量；W1表示秤梁的重力；m1表示秤梁的質(zhì)量；W2表示主砝碼的重力；m2表示主砝碼的質(zhì)量；W3表示微調(diào)砝碼的質(zhì)量；m3表示微調(diào)砝碼的質(zhì)量；W0表示稱量斗的重力；m0表示稱量斗的質(zhì)量。

對于給定的杠桿來說,稱量料斗質(zhì)量m0、秤梁質(zhì)量m1及長度L0、L1都為定量,而主砝碼質(zhì)量m2、微調(diào)砝碼質(zhì)量m3及L2、L3為參變量,一般稱m2L2為粗調(diào)參量, m3L3為細(xì)調(diào)參量。稱量時(shí)，先按計(jì)量值m調(diào)好m2L2、m3L3，再向稱量料斗加入物料，使秤梁由向右傾料轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)。通常利用秤梁的位置變化實(shí)現(xiàn)稱重定量的檢測控制，從而達(dá)到對稱量過程的自動(dòng)控制的目的。

為了減少慣性力的影響，常要求給稱量料斗加料分為粗加料、細(xì)加料兩個(gè)階段進(jìn)行。這就需要具有高靈敏度的檢測控制裝置加以保證。

圖3 杠桿秤示意圖

2.2 稱量定量檢測控制裝置設(shè)計(jì)

稱量定量檢測控制裝置采用無觸點(diǎn)檢測控制。無觸點(diǎn)檢測控制裝置應(yīng)用差動(dòng)變壓器、光敏元件及電子器件檢測傳感器，對稱量系統(tǒng)的預(yù)定稱量程序進(jìn)行檢測控制，得到相應(yīng)信號(hào)，經(jīng)電子裝置放大后，自動(dòng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)按要求程序進(jìn)行稱量工作。其控制的原理圖如圖4所示。這種檢測控制裝置工作可靠，精度高，速度快。

圖4 稱量定量檢測控制裝置

本控制系統(tǒng)的秤斗A1、B1選擇反射式光電檢測開關(guān)，A2、B2選取普通光電檢測開關(guān)，完全能滿足控制系統(tǒng)的要求。其中反射式光電檢測開關(guān)的原理圖如圖5所示。由振蕩回路產(chǎn)生的調(diào)制脈沖經(jīng)反射電路后，由發(fā)光管GL輻射出光脈沖。當(dāng)被測物體進(jìn)入受光器作用范圍時(shí)，被反射回來的光脈沖進(jìn)入光敏三極管DU；并在接收回路中將光脈沖解調(diào)為電脈沖信號(hào)，再經(jīng)放大器放大和同步選通整形，然后用數(shù)字積分或RC積分方式排除干擾，最后經(jīng)延時(shí)（或不延時(shí)）觸發(fā)驅(qū)動(dòng)輸出光電開關(guān)控制信號(hào)。

圖5反射式光電檢測開關(guān)原理圖

圖6 I/O接線圖

圖7自動(dòng)雙秤包裝機(jī)的梯形圖

2.3 傳送裝置設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的稱量物料和完成裝袋的物料是由傳送帶來進(jìn)行傳送，送料傳送帶和出品傳送帶分別由一臺(tái)電機(jī)來帶動(dòng)，選用施耐德ATV31變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。施耐德電氣公司的ATV31變頻器具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）簡化傳動(dòng)系統(tǒng)，大大降低故障率，2）提高控制功能，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的軟件化。3）使生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，通過補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩，防止再啟動(dòng)和失速等功能，實(shí)現(xiàn)不跳閘運(yùn)行。

2.4 硬件設(shè)計(jì)

2.4.1 PLC選型

根據(jù)上述控制系統(tǒng)的要求和工作原理流程圖分析，該控制系統(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)，而氣缸由電磁閥控制。本控制系統(tǒng)需A、B秤光電開關(guān)A1、A2、B1、B2；夾袋按鈕；內(nèi)部計(jì)數(shù)器復(fù)位按鈕和A、B秤故障開關(guān)8個(gè)開關(guān)輸入量。A、B秤振蕩器；A、B擋板電磁閥；A、B秤斗門電磁閥，夾袋電磁閥8個(gè)開關(guān)輸出量。但從經(jīng)濟(jì)、維修、性價(jià)比和控制系統(tǒng)的擴(kuò)展性等因素考慮，可選用施耐德Twido PLC系列可編程控制器。CPU的型號(hào)為TWDLMDA40DUK（24點(diǎn)輸入、16點(diǎn)輸出），采用24V直流電源供電。

2.4.2 I/O分配表

輸入/輸出（I/O）分配表見表1所示。

表1 I/O分配表

2.4.3 I/O接線圖

I/O接線圖如圖6所示。

2.4.4 軟件設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的自動(dòng)雙秤包裝機(jī)控制系統(tǒng)的梯形圖如圖7所示。%M1～%M7為A秤的輔助繼電器，%TM1～%TM3為A秤控制的時(shí)間繼電器，%M11～%M17為B秤的輔助繼電器，%TM4～%TM6為B秤控制的時(shí)間繼電器，%M0為夾袋控制輔助繼電器。

對內(nèi)部計(jì)數(shù)程序說明如下：

1）%C0、%C1、%C2為雙向計(jì)數(shù)器，采用加計(jì)數(shù)功能，設(shè)置值分別為10、10、50，因此，最大計(jì)數(shù)為10×10×50=5000。

2）計(jì)數(shù)器利用秤斗門作為加1觸發(fā)信號(hào)，%M4、%M14分別為A、B秤斗輔助控制繼電器。

3）%I0.5為外部輸入信號(hào)，作為計(jì)數(shù)器復(fù)位信號(hào)。

3 結(jié)束語

用PLC對自動(dòng)稱重包裝機(jī)進(jìn)行控制，操作簡單快捷，系統(tǒng)啟動(dòng)平穩(wěn)，性能穩(wěn)定可靠，故障率低，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

[1] 張興國.可編程序控制器技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2006.

[2] 曾繁玲.施耐德PLC、變頻器入門與應(yīng)用實(shí)訓(xùn)[M]. 北京：中國電力出版社,2011.

[3] 王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

[4] 郭湘君,李振亮,李亞.PLC在稱重式自動(dòng)定量包裝機(jī)上的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息,2010,(11).