PLC应用在称重式自动定量包装机上
1.引言
随着机械自动化水平的不断提高，自动控制技术在定量包装生产中应用越来越多，在粮食、化肥、饲料和轻工等行业中都有广泛应用。称量包装技术的发展大致经历了手工称量、继电器控制、称重仪表控制、PLC 控制等几个阶段。相对于传统的称重仪表控制，应用PLC 和触摸屏组成的控制系统便于将开关量设置、复位操作以及设定和修改系统参数功能有机的结合，提高机器速度和精度。
2. 包装机的工作原理
2.1 包装机的组成
称重式自动定量包装机由供料部分、称重部分与卸料部分组成。供料部分分为储料斗和重力供料装置。储料斗用于存储需要灌装的物料，重力供料装置主要是向称量料斗中提供物料。称重部分即称量斗，它通过和称重传感器相连，测量物料重量。卸料部分用来完成标准重量物料的卸料装袋过程。
2.2 工作原理
称重式自动定量包装机当储料斗中物料足够，在重力的作用下进入重力供料装置，*打开料门进入大给料状态。当到达给定大给料重量时，关闭给料门，留一条狭缝，进入小给料状态。当到达给定小给料重量时，*关闭给料门，经过一定的空中落料，称量斗稳定，并且卡袋机构卡紧时，卸料门打开，物料进入放料斗，再落入袋内，完成一个包装循环。
3.控制系统硬件设计
该系统主要为开关量控制，料门的全部动作由气缸驱动，而气缸又由相应的电磁阀控制。设备即可以手动操作也可以自动操作。手动操作要求用按钮对机器的每一步运动单独进行操作控制。自动操作要求按一下自动/手动选择开关，机器自动地、连续不断地周期性循环。在工作中若按下停止按钮，则机器继续完成一个周期的动作，回到初始状态后自动停止。
根据称重式自动定量包装机的操作和控制要求，控制系统选用西门子公司的SIMATICS7-200 系列PLC，此系列的PLC 具有结构紧凑、模块化、可扩展性强、指令集丰富等特点。所选CPU 的型号为CPU 226 AC／DC／REL，它提供24 个数字量输入和16 个数字量输出，输入／输出接口电路均采用了光耦合电路，对外界接口具有很强的适应性。并且2 个RS485 通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。由于要处理传感器的模拟量输入信号，所以扩展了一个EM 235 模拟量处理模块，该模块具有4 路模拟量输入。POP 文本显示器对整个系统进行过程监控显示以及参数设定等功能，可以通过PPI 协议和s7-200 系列PLC 的编程口或扩展通讯口直接通讯。
4.控制系统软件设计
控制系统软件设计为各功能软件设计，包括显示功能、参数设定功能、自动修正给料量功能、通讯功能等。
4.1 称重信号处理
由于称量信号存在干扰，需要对信号进行滤波处理，并判断信号是否稳定，读数是否准确。所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号的比重，是一种程序滤波即软件滤波。常见的滤波方法有限幅滤波、限速滤波、中值滤波、滑动平均滤波等。
本系统采用滑动平均滤波方法，系统采集的信号是与重量成正比的电压信号。这类信号的特点是存在一个平均值，信号在某一数值范围附近作上下波动，在这种情况下仅取一个采样值作为判断依据显然是不准确的。采用滑动滤波方法可以得到较好的效果。该方法采用采集的一个数据替换n 个暂存数据中的zui早的一个数据，使得n 个暂存数据始终是zui近的数据。求平均后所得数据既反映了zui近的数据变化，又克服了随机误差带来的响。
所求的平均值为
标准差为
当标准差σ 小于设定值时，则系统稳定，当前值即为称量值。根据系统要求的精度不同，可以设定不同的值。
4．2 PLC 程序设计
根据称重式自动定量包装机的操作要求，确定各动作的顺序和相互之间的关系，画出程序流程图，再由PLC 输入输出的逻辑关系编写出梯形图。本系统输入端口定义为自动手动按钮、卡袋复位按钮、单步执行按钮、总复位按钮、停止按钮、卡袋开关等，输出端口定义为称量斗稳定指示、大给料气缸动作、小给料气缸动作、卸料气缸动作、卡袋气缸动作、系统报警等。
4.3 POP 文本画面设计
POP-HMI 除 LCD 显示窗之外，还有22 个薄膜开关按键，其中16 个按键能被设定成特殊的功能键，用来完成画面跳转，开关量、位状态设定等功能。本系统中通过POP-HMI 可以设定灌装目标重量、大给料量、小给料量，同时实时监控称量重量，并且查看灌装数据。
5.结束语
本系统设计完成后，进行了多次模拟实验，并且根据现场调试的情况进行修改。系统在投入运行后，性能稳定可靠，满足各项工艺要求，生产效率和产品质量均有所提高，完成了机械和电器控制系统的一体化要求，可广泛应用于食品包装等行业。
参考文献：
[1> 西门子公司.SIEMENS SIMATIC S7-200 可编程序控制器系统手册,2002
[2> POP-HMI 小型人机界面用户手册,2006
[3> 杨维明，徐萍萍，陈建新.PLC 在配料称重控制系统中的应用 [J>.微机算计信息，2005，2：9-10
[4> 张万忠，刘明芹.电气与PLC 控制技术[M>.北京:化学工业出版社,2003.8
[5> 梁晋文，陈林才，何贡.误差理论与数据处理[M>.北京:中国计量出版社,2001.9
随着机械自动化水平的不断提高，自动控制技术在定量包装生产中应用越来越多，在粮食、化肥、饲料和轻工等行业中都有广泛应用。称量包装技术的发展大致经历了手工称量、继电器控制、称重仪表控制、PLC 控制等几个阶段。相对于传统的称重仪表控制，应用PLC 和触摸屏组成的控制系统便于将开关量设置、复位操作以及设定和修改系统参数功能有机的结合，提高机器速度和精度。
2. 包装机的工作原理
2.1 包装机的组成
称重式自动定量包装机由供料部分、称重部分与卸料部分组成。供料部分分为储料斗和重力供料装置。储料斗用于存储需要灌装的物料，重力供料装置主要是向称量料斗中提供物料。称重部分即称量斗，它通过和称重传感器相连，测量物料重量。卸料部分用来完成标准重量物料的卸料装袋过程。
2.2 工作原理
称重式自动定量包装机当储料斗中物料足够，在重力的作用下进入重力供料装置，*打开料门进入大给料状态。当到达给定大给料重量时，关闭给料门，留一条狭缝，进入小给料状态。当到达给定小给料重量时，*关闭给料门，经过一定的空中落料，称量斗稳定，并且卡袋机构卡紧时，卸料门打开，物料进入放料斗，再落入袋内，完成一个包装循环。
3.控制系统硬件设计
该系统主要为开关量控制，料门的全部动作由气缸驱动，而气缸又由相应的电磁阀控制。设备即可以手动操作也可以自动操作。手动操作要求用按钮对机器的每一步运动单独进行操作控制。自动操作要求按一下自动/手动选择开关，机器自动地、连续不断地周期性循环。在工作中若按下停止按钮，则机器继续完成一个周期的动作，回到初始状态后自动停止。
根据称重式自动定量包装机的操作和控制要求，控制系统选用西门子公司的SIMATICS7-200 系列PLC，此系列的PLC 具有结构紧凑、模块化、可扩展性强、指令集丰富等特点。所选CPU 的型号为CPU 226 AC／DC／REL，它提供24 个数字量输入和16 个数字量输出，输入／输出接口电路均采用了光耦合电路，对外界接口具有很强的适应性。并且2 个RS485 通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。由于要处理传感器的模拟量输入信号，所以扩展了一个EM 235 模拟量处理模块，该模块具有4 路模拟量输入。POP 文本显示器对整个系统进行过程监控显示以及参数设定等功能，可以通过PPI 协议和s7-200 系列PLC 的编程口或扩展通讯口直接通讯。
4.控制系统软件设计
控制系统软件设计为各功能软件设计，包括显示功能、参数设定功能、自动修正给料量功能、通讯功能等。
4.1 称重信号处理
由于称量信号存在干扰，需要对信号进行滤波处理，并判断信号是否稳定，读数是否准确。所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号的比重，是一种程序滤波即软件滤波。常见的滤波方法有限幅滤波、限速滤波、中值滤波、滑动平均滤波等。
本系统采用滑动平均滤波方法，系统采集的信号是与重量成正比的电压信号。这类信号的特点是存在一个平均值，信号在某一数值范围附近作上下波动，在这种情况下仅取一个采样值作为判断依据显然是不准确的。采用滑动滤波方法可以得到较好的效果。该方法采用采集的一个数据替换n 个暂存数据中的zui早的一个数据，使得n 个暂存数据始终是zui近的数据。求平均后所得数据既反映了zui近的数据变化，又克服了随机误差带来的响。
所求的平均值为
标准差为
当标准差σ 小于设定值时，则系统稳定，当前值即为称量值。根据系统要求的精度不同，可以设定不同的值。
4．2 PLC 程序设计
根据称重式自动定量包装机的操作要求，确定各动作的顺序和相互之间的关系，画出程序流程图，再由PLC 输入输出的逻辑关系编写出梯形图。本系统输入端口定义为自动手动按钮、卡袋复位按钮、单步执行按钮、总复位按钮、停止按钮、卡袋开关等，输出端口定义为称量斗稳定指示、大给料气缸动作、小给料气缸动作、卸料气缸动作、卡袋气缸动作、系统报警等。
4.3 POP 文本画面设计
POP-HMI 除 LCD 显示窗之外，还有22 个薄膜开关按键，其中16 个按键能被设定成特殊的功能键，用来完成画面跳转，开关量、位状态设定等功能。本系统中通过POP-HMI 可以设定灌装目标重量、大给料量、小给料量，同时实时监控称量重量，并且查看灌装数据。
5.结束语
本系统设计完成后，进行了多次模拟实验，并且根据现场调试的情况进行修改。系统在投入运行后，性能稳定可靠，满足各项工艺要求，生产效率和产品质量均有所提高，完成了机械和电器控制系统的一体化要求，可广泛应用于食品包装等行业。
参考文献：
[1> 西门子公司.SIEMENS SIMATIC S7-200 可编程序控制器系统手册,2002
[2> POP-HMI 小型人机界面用户手册,2006
[3> 杨维明，徐萍萍，陈建新.PLC 在配料称重控制系统中的应用 [J>.微机算计信息，2005，2：9-10
[4> 张万忠，刘明芹.电气与PLC 控制技术[M>.北京:化学工业出版社,2003.8
[5> 梁晋文，陈林才，何贡.误差理论与数据处理[M>.北京:中国计量出版社,2001.9
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