吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化系 孫學(xué)智

1.前言

在工業(yè)生產(chǎn)中對顆粒狀填充物進行稱重及裝入，是一種常見的生產(chǎn)過程。有些散裝物料比如說火藥，人工填充具有高危險性。還有石灰，會產(chǎn)生很大的粉塵，采用人工填充時，操作人員會把粉塵吸入肺部，對人體傷害很大。因此實現(xiàn)散裝物料自動稱量及填充，可以提高生產(chǎn)效率，降低工人勞動強度，保證操作人員的人身安全。自動稱量及裝入工序是整條生產(chǎn)線上關(guān)鍵而又復(fù)雜的工序。本文介紹了西門子S7-300型PLC在顆粒狀填充物自動稱量及裝入系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)備可以實現(xiàn)諸如石灰、尿素、火藥等顆粒狀填充物自動稱量與裝入，可以廣泛用于石油化工、化肥、飼料、建材等行業(yè)散裝物料的自動稱重與包裝。

2.稱量裝入系統(tǒng)組成和工作原理

對顆粒狀填充物的自動稱量分為粗稱和細(xì)稱兩步。首先設(shè)置好要稱量的重量。當(dāng)載有填充筒的輸送車在PLC控制下準(zhǔn)確運至該工位后，鎖緊填充筒。②號蝶閥關(guān)閉，①號蝶閥完全打開，斗內(nèi)的顆粒狀填充物開始從①號蝶閥上面漏到②號蝶閥上面的空間內(nèi)，空間下面裝有電子稱重天平。當(dāng)天平指示重量為設(shè)置重量的90%時①號蝶閥關(guān)閉80%完成粗稱。①號蝶閥打開20%，繼續(xù)漏料當(dāng)電子天平所指示的值與設(shè)置值吻合時，完成細(xì)稱。PLC會控制氣動開關(guān)動作，使①號蝶閥關(guān)閉。①號蝶閥關(guān)閉后系統(tǒng)進行自動檢測（比如判斷填充筒是否夾緊），如果滿足排料條件，②號蝶閥打開，開始向填充筒填充，直到將稱量的顆粒狀填充物裝入填充筒內(nèi)后，②號蝶閥關(guān)閉，稱量與包裝工位工作完畢。

顆粒狀填充物稱量工位由填充斗、蝶閥、天平、支撐架、步進電機、汽缸、填充筒、夾具、機械手、和承接平板等組成。其機械結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

稱重天平電路為惠更斯電路。電路的功能是把電阻阻值變換量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?。?dāng)有散裝物料稱重時，電路中電阻應(yīng)變片阻值R1R2R3R4發(fā)生變化使重量信號轉(zhuǎn)變成電橋輸出的電壓信號，然后通過A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)槎M制數(shù)字量，通過數(shù)字量輸入模塊送入PLC中。整個系統(tǒng)電氣控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

表1 輸入/輸出接口分配表

表2 模塊功能表

3.稱量裝入系統(tǒng)硬件設(shè)計

稱重裝入系統(tǒng)控制采用半自動和手動控制兩種方式。本系統(tǒng)采用西門子S7-300型PLC進行控制。S7-300型PLC在工控領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，具有高電磁兼容性、強抗震性、抗沖擊性?？梢赃m應(yīng)許多的生產(chǎn)環(huán)境。S7-300型PLC最大的特點是其模塊化功能，方便用戶掌握。本控制系統(tǒng)主要模塊組成如下：電源模塊PS307；CPU模塊CPU315；數(shù)字量輸入模塊SM321；數(shù)字量輸出模塊SM322；模擬量輸入模塊SM331；模擬量輸輸出模塊SM332。為了與工控機實現(xiàn)通信，還有接口模塊IM365；通信處理模塊CP341其中輸入點13個。輸出點13個。預(yù)留輸入點5個，輸出點5個。系統(tǒng)硬件組成如圖3所示。

輸入/輸出地址分配情況如表1所示。

4.稱量裝入系統(tǒng)軟件設(shè)計

稱量裝入系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖所示。該軟件是基于西門子PLC的開發(fā)平臺STEP7開發(fā)完成的S7-300可編程控制器使用STEP7-Micro/WIN32編程軟件進行編程。STEP7-Micro/WIN32編程軟件是基于Windows的應(yīng)用軟件，功能強大，主要用于開發(fā)程序，也可用于適時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。加上漢化后的程序，可在全漢化的界面下進行操作。本系統(tǒng)采用語句表（STL）開發(fā)方式，可以實現(xiàn)梯形圖不能實現(xiàn)的功能。類似于匯編語言，由各條語句組成程序。S7-300型PLC的最大特點是模塊化編程。本系統(tǒng)中應(yīng)用模塊功能如表2所示。

在模塊FC220中存放有本系統(tǒng)的主要應(yīng)用程序，實現(xiàn)夾緊，釋放，稱重，填充手動，自動，報警等功能，如圖4所示為模塊FC220的流程圖。

本系統(tǒng)中工控機的控制軟件采用的是WINCC語言，通過該軟件的編程，實現(xiàn)對人機界面的控制，比較和分析等功能。如要顯著地降低這種成本，就必須使用簡單、高效的組態(tài)工具，以及直觀、友好的系統(tǒng)。WINCC再一次指明了這一道路。WINCC組態(tài)軟件為實現(xiàn)動畫，以及將一個畫面對象和一個內(nèi)部PLC變量相連接是十分簡便的。一旦將一個新的對象放置在畫面內(nèi)，就會出現(xiàn)一個易于編輯的對話框。WINCC圖形設(shè)計器能夠使用戶非常簡單地對自己所需要的任何對象屬性進行動畫設(shè)定，并且進行預(yù)覽。為了保證總體的靈活性，甚至可以用腳本來增強一個對象的功能。如圖5所示為中控機控制界面。

圖1 顆粒狀填充物稱量及裝入工位結(jié)構(gòu)原理

圖2 電氣控制圖

圖3 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

圖4 FC220模塊流程圖

圖5 稱量裝入系統(tǒng)控制界面

首先在界面設(shè)置稱量重量。在自動控制下，操作者可以在控制界面對稱量裝入系統(tǒng)進行監(jiān)控。觀察指示燈的顏色。①號蝶閥有三種狀態(tài)：綠色為蝶閥全打開進行粗稱；半紅半綠為蝶閥不完全打開進行細(xì)稱；紅色為蝶閥關(guān)閉狀態(tài)。②號蝶閥有兩種狀態(tài)：紅色為關(guān)閉；綠色為打開。填充筒也有兩種狀態(tài)：紅色亮起為鎖緊；綠色亮起為釋放。在界面中還設(shè)置有人工操作按鈕，在特殊情況下實現(xiàn)人工的手動控制。

5.結(jié)論

自動稱量裝入系統(tǒng)，是自動化生產(chǎn)線中一個重要工位。采用PLC控制散裝物料稱量與裝入，對工業(yè)生產(chǎn)具有重要意義?？梢酝茝V到彈藥裝配（裝入火藥），奶粉的生產(chǎn)，尿素包裝等工業(yè)場合，可以提高生產(chǎn)效率，降低勞動強度，保證人身安全等優(yōu)點。

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