【正文】 企業(yè)的生產(chǎn)線稱重環(huán)節(jié)多采用磅秤、臺秤和通用的電子秤。生產(chǎn)線上的物料質(zhì)量都由工人師傅手動控制。這種稱重系統(tǒng)存在很多缺陷。 缺陷一：生產(chǎn)線的稱重設(shè)備自動化程度較低，稱重質(zhì)量完全取決于人，稱重精度低，并且操作復(fù)雜。 缺陷二：在這樣的稱重系統(tǒng)中，若要提高稱重精度，就要降低生產(chǎn)速度，大大阻礙了高速生產(chǎn)的實現(xiàn)。 缺陷三：缺少對生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控，使得整個工作過程都需要操作人員在現(xiàn)場監(jiān)督。這樣既浪費了人力，提高了企業(yè)的費用，又無法實現(xiàn)自動化生產(chǎn)管理。 根據(jù)以上 內(nèi)容，就兩方面設(shè)計自動稱重控制系統(tǒng)：一是根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)線的稱重現(xiàn)狀，相對提高生產(chǎn)線稱重的自動化程度、稱重速度和稱重精度；二是建立組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，使其能監(jiān)控現(xiàn)場事實情況。 這樣的生產(chǎn)線自動稱重控制系統(tǒng)，可以降低原料消耗，控制產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)速度，降低工人勞動強度，方便監(jiān)控人員更好的了解工作現(xiàn)場情況，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的科學(xué)現(xiàn)代化管理。 2． 稱重技術(shù)的發(fā)展概況和 趨勢 隨著第二次世界大戰(zhàn)后的經(jīng)濟繁榮，為了把稱重技術(shù)引入到生產(chǎn)工藝過程中去，對稱重技術(shù)提出了新的要求，希望稱重過程自動化，為此電子技術(shù)滲入衡器制造業(yè)，產(chǎn)生了電子 稱。 電子稱的發(fā)展過程與其他事物一樣，也經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜 ，由 粗糙 2 到精密 ， 由機械到機電結(jié)合再到全電子化 ， 由單一功能到多功能的過程。特別是近 30 年以來，工藝流程中的現(xiàn)場稱重、配料定量稱重 以及產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)測等工作，都離不開能輸出信號的電子衡器。這是由于電子衡器不僅給出質(zhì)量或重量信號，而且也能作為總系統(tǒng)中的一個單元承擔(dān)著控制和檢驗功能，從而推進工業(yè)生產(chǎn)的自動化和合理化。 近年來電子稱已愈來愈多地參與到數(shù)據(jù)的處理和控制過程中。現(xiàn)代稱重技術(shù)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)已經(jīng)成為工藝技術(shù)、儲運技術(shù)、預(yù)包裝技術(shù)、收貨業(yè)務(wù)及商業(yè)銷售領(lǐng)域中不可 或缺的組成部分。隨著稱重傳感器各項性能的不斷突破，為電子稱的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，國外如美國、西歐等一些國家在 20世紀(jì) 60 年代就出現(xiàn)了 %稱量準(zhǔn)確度的電子稱，并在 70 年代中期約對75%的機械稱進行了機電結(jié)合式改造。 我國的衡器在 20 世紀(jì) 40 年代以前還全是機械式的， 40 年代開始發(fā)展了機電結(jié)合式的衡器。 50 年代開始出現(xiàn)了以稱重傳感器為主的電子衡器。80 年代以來，我國通過自行研究 、 引進消化吸收和技術(shù)改造 ， 已由傳統(tǒng)的機械式衡器步入集傳感器、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)與一體化的電子衡器發(fā)展階段。目前，由于電子衡器具有稱量快 ， 讀數(shù)方便 ， 能在惡劣條件下工作 ， 便于與計算機技術(shù)相結(jié)合而實現(xiàn)稱重技術(shù)和過程控制的自動化特點，已被廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)、能源交通、商業(yè)貿(mào)易和科學(xué)技術(shù)等各個部門 。隨著稱重傳感器技術(shù)以及超大規(guī)模集成電路和微處理器的進一步發(fā)展，電子稱重技術(shù)及其應(yīng)用范圍將更進一步的發(fā)展，并被人們越來越重視。電子衡器產(chǎn)品量大面廣、種類繁多，從通用的各種規(guī)格的電子稱到大型的電子稱重系統(tǒng)，從單純的稱重、計價到生產(chǎn)過程檢測系統(tǒng)的一個測量控制單元，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷地擴大。 根據(jù)近些年來電子稱重技術(shù)和電子衡器的發(fā)展情況及電子衡器市場的需求，稱重技術(shù) 的發(fā)展動向為：小型化、模塊化、智能化、集成化；其技術(shù)性能趨向于速率高、準(zhǔn)確度高、可靠性高；其應(yīng)用性趨向綜合性、組合性。 3 第 1 章 生產(chǎn)線自動稱重系統(tǒng)總體設(shè)計 控制方案的選擇 系統(tǒng)方案選擇的原則是在滿足生產(chǎn)要求，確保產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，力求投資少，效益高和操作方便。根據(jù)課題的要求，本課題的控制系統(tǒng)方案有兩種方案可供選擇：單片機控制方案、 PLC 控制方案。 （ 1）單片機控制方案。單片機是將計算機的基本部件微型化并集成到一塊芯片上的微型計算機，通常片內(nèi)都含有 CPU、 ROM、 RAM、并行 I/O、串行 I/O、定時器 /計數(shù)器、中斷控制、系統(tǒng)時鐘及系統(tǒng)總線等。單片機是隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展而誕生的。隨著技術(shù)的發(fā)展，單片機片內(nèi)集成的功能越來越強大，并朝著 SOC（片上系統(tǒng)）方向發(fā)展。單片機有著體積小、功耗低、功能強、性能價格比高、易于推廣應(yīng)用等顯著優(yōu)點，所以廣泛應(yīng)用于電子儀表、家用電器、節(jié)能裝置、機器人、工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域，使產(chǎn)品小型化、 智能化，既提高了產(chǎn)品的功能和質(zhì)量，又降低了成本，簡化了設(shè)計。 但是單片機對環(huán)境要求較高，一般要在干擾小的場地使用，指令復(fù)雜，對編程能力要求較高，可讀性差。 （ 2） PLC 控制方案?？删幊炭刂破魇且环N數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。同時可編程序控制器具有可靠性高、抗干擾能力強，適應(yīng)性強、應(yīng)用靈活，編程方便、易于使用，控制系統(tǒng)設(shè)計、安裝、調(diào)試方便，維修方便、維修工作量小，功能完善等特點。 相對于單片機來說 ,PLC 本 身固有的穩(wěn)定性和可靠性特點決定了它在自動化行業(yè)內(nèi)不可取代的地位。 PLC 相比單片機具有高可靠性，易于開發(fā)，擴展性好，通訊簡單的，這些優(yōu)點促使很多的設(shè)備生產(chǎn)廠家在設(shè)計時選用 4 PLC 作為設(shè)備的控制器。 總之，現(xiàn)代的工業(yè)自動化生產(chǎn)線中 ,多數(shù)產(chǎn)家都采用 PLC 作為自動化生產(chǎn)線的控制。在未來的工業(yè)生產(chǎn)中， PLC 仍然能夠引導(dǎo)自動化行業(yè)的發(fā)展。 綜上所述，該控制系統(tǒng)的控制方案應(yīng)選 PLC 控制方案為宜。 系統(tǒng)的組成 系統(tǒng)由進料電動機、出料電動機、 PLC、稱重傳感器、稱重變送器、電磁鐵、舵機、指示燈、報警器、光電開關(guān)等組 成。圖 11 為系統(tǒng)框圖 。 進 料 電 動 機出 料 電 動 機電 磁 鐵指 示 燈舵 機 閥 門稱 重 變 送 器上 位 機稱 重 傳 感 器報 警 器P L C光 電 開 關(guān) 圖 11 系統(tǒng)框圖 稱重系統(tǒng)的功能和工作過程 1．系統(tǒng)的功能 （ 1）自動運行功能 5 點擊自動運行按鈕后，系統(tǒng)自動運行。 （ 2）手動運行功能 在手動運行情況下，各功能的實現(xiàn)有對應(yīng)的按鈕控制。 （ 3）報警功能 若實際重量大于稱重誤差最大值，則報警器開始報警，系統(tǒng)自動停止運行。報警器需要按動停止按鈕將其復(fù)位。若輔助斗中物料溢出，則安裝在輔助斗上的光電開關(guān)會發(fā)出信號，系統(tǒng)自動報警。 （ 4）遠程監(jiān)控功能 使用組態(tài)軟件，構(gòu)建 組態(tài)畫面，使現(xiàn)場真實運行情況事實顯示，并且能夠在遠程操作現(xiàn)場設(shè)備。 2．系統(tǒng)的工作過程 （ 1）大流量進料階段 按下相應(yīng)按鈕后，進料電動機啟動，電磁鐵得電使稱重斗下料門閉合。PLC 發(fā)出指令使舵機 閥門 始終保持在 0 度，輔助斗下料門全部開啟，大流量指示燈亮。實現(xiàn)大流量進給。大流量進料用于提高整體速度。 （ 2）小流量進料階段 當(dāng)數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換的實際重量等于提前重量值時， PLC 發(fā)出指令使舵機 閥門 迅速旋轉(zhuǎn)到 90 度，并始終保持在這個角度，小流量指示燈亮，開始小流量進給階段。慢速進料用于保障稱重的精度。 （ 3）放料階段 當(dāng) 實際重量等于目標(biāo)重量時， PLC 發(fā)出指令使舵機 閥門 迅速旋轉(zhuǎn)到180 度，并始終保持在這個角度，停止進料。同時， PLC 發(fā)出指令使電磁鐵失電，稱重斗下料門打開，放料指示燈亮，進入放料階段。在自動狀態(tài)下，達到定時時間后，電磁鐵自動得電，稱重斗下料門關(guān)閉，輔助斗下料門完全開啟。開始進入下次稱重。在手動狀態(tài)下，是否進入放料階段由按鈕控制稱重斗下料門實現(xiàn)。是否進行下次稱重由手動啟動開關(guān)控制。 6 第 2 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 根據(jù)對生產(chǎn)線自動稱重功能的分析，可以設(shè)計系統(tǒng)的硬件框圖，如圖21 所示。 P L C手 動 運 行 按 鈕電 磁 鐵 失 電 按 鈕M 1 啟 動 按 鈕M 1 停 止 按 鈕電 磁 鐵 得 電 按 鈕停 止 按 鈕取 消 報 警 按 鈕自 動 運 行 按 鈕2 啟 動 按 鈕停 止 按 鈕M 2 停 止 按 鈕M 1 啟 動 按 鈕出 料 電 動 機 M 2小 流 量 進 料 指 示 燈M 1 啟 動 按 鈕M 1 停 止 按 鈕大 流 量 進 料 指 示 燈放 料 指 示 燈報 警 器進 料 電 動 機 M 1自 動 運 行 指 示 燈電 磁 鐵手 動 運 行 指 示 燈舵 機去 皮 按 鈕 圖 21 硬件框圖 PLC 的選擇 可編程邏輯控制器（ Programmable Logic Controller， PLC），它采用一 7 類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入 /輸出控制各種類型的生產(chǎn)過程。 PLC 選型的基本原則 PLC 產(chǎn)品的種類也越來越多。不同型號的 PLC，其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價格等也各有不同，適用的場合也各有側(cè)重。合理選用 PLC，對于提高 PLC 控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)有著重要意義。在PLC 系統(tǒng)設(shè)計時，確定控制方案后，下一步工作就是 PLC 工程設(shè)計選型。 工程設(shè)計選型時，應(yīng)詳細(xì)分析控制要求，明確控制任務(wù)所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點數(shù) ， 所需存儲器容量 ， 確定 PLC的功能 ， 外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價格比的 PLC 和設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 任何一種控制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)被控對象的控制要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在設(shè)計 PLC 控制系統(tǒng)時，應(yīng)遵循以下基本原則： （ 1）最大限度地滿足被控對象的控制要求 （ 2）保證 PLC 控制系統(tǒng)安全可靠 （ 3）力求簡單、經(jīng)濟、使用及維修方便 （ 4）適應(yīng)發(fā)展的需要 我國市場上流行的 PLC 有如下幾家產(chǎn)品 : （ 1）施耐德公司，目前有 Quantum、 Premium、 Momentum 等產(chǎn)品 。 （ 2）羅克韋爾公司 (包括 AB 公司 )PL 產(chǎn)品，目前有 SLC、 Micro Logix、Control Logix 等產(chǎn)品 。 （ 3）西門子公司的產(chǎn)品，目前有 SIMATIC S7400/300/200 系列產(chǎn)品 。 （ 4）日本歐姆龍、三菱、富士、松下等公司產(chǎn)品，其中使用較多的是三菱公司 FX FX Q 等系列產(chǎn)品。 在 此，考慮到西門子 (Siemens)PLC 在中國市場的占有率較高，到系統(tǒng)本身規(guī)模不大，本課題選擇西門子 S7200 系列可編程序控制器作為控制器。 8 西門子 S7200 相關(guān)模塊的確定 S7200PLC 是西門子公司的一種小型 PLC。它以緊湊的結(jié)構(gòu)、良好的擴展性、強大的指令功能、低廉的價格、已經(jīng)成為當(dāng)代各種小型控制工程的理想控制器。 S7200PLC 包含了一個單獨的 S7200CPU 和各種可選擇的擴展模塊，可以十分方便地組成不同規(guī)模的控制器。 根據(jù) 對生產(chǎn)線自動稱重功能的分析 ，統(tǒng)計系統(tǒng)所需要的輸入輸出 點數(shù)。 1．?dāng)?shù)字量輸入輸出 統(tǒng)計 （ 1） 手動、自動、停止需要 3 路輸入。 （ 2） 進料電動機、出料電動機啟動、停止需要 4 路輸入 ,2 路輸出。 （ 3） 電磁鐵得電、失電，需 2 路輸入， 1 路輸出。 （ 4） 光電開關(guān)信號需要 1 路輸入。 （ 5） 舵機閥門信號需要 1 路輸出。 （ 6） 報警器需要 1 路輸出。 （ 7） 取消報警需要 1 路輸入。 （ 8） 手動去皮需要 1 路輸入。 （ 9） 自動指示燈、手動指示燈、放料指示燈、大流量指示燈、小流量指示燈需要 5 路輸出。 系統(tǒng)所需 共 12 路 數(shù)字量 輸入， 10 路 數(shù)字量 輸出。 2．模擬量輸入輸出 統(tǒng)計 系統(tǒng)需要將重量信號 輸入到 PLC 中，需要 1 路模擬量輸入。 3．確定相關(guān)模塊 根據(jù)輸入輸出點數(shù)，以及考慮到今后對系統(tǒng)的維護和擴充使用，要保留 1/8 的裕量， 并且要求具備輸出 PWM 脈沖功能， 因此我們選用 S7200系列的 CPU 模塊為： CPU224XP DC/DC/DC（輸入點 14 點，輸出點 10 點）。選用一個模擬量輸入模塊： EM235（ 4 路模擬量輸入 ,1 路模擬量輸出）。 稱重傳感器的選擇 9 稱重傳感器 類型的選擇 稱重傳感器是力傳感器當(dāng)中一個重要的品種 ,實際應(yīng)用及其廣泛。稱重傳感器中最多的是電阻應(yīng)變式稱重，應(yīng)變片 是稱重傳感器的核心單元，彈性體是基礎(chǔ)組成部分。稱重傳感器按結(jié)構(gòu)類型分主要有 S 型雙連孔式傳感器，柱式傳感器，輪輻式與橋式傳感，柱環(huán)式傳感器，剪切梁式傳感器和單 S 梁式傳感器 . S 型雙連孔式傳感器量程范圍一般在 2Kg 到 500Kg，這種類型稱重傳感器抗偏， 抗側(cè)能力較強。 柱式傳感器的測量范圍都很大，一般最大可以達到幾百噸，它剛性好，抗過載能力強，加工也簡單，重量也比較輕。 輪輻式傳感器由于結(jié)構(gòu)的對稱性，所以能夠承受大的側(cè)向力，由于它有較大的滯后誤差，很多場合都被橋式傳感器所取代。 橋式傳感器的彈性體形狀像橋，因此 得得名。橋式傳感器精度高，標(biāo)定方便，普遍應(yīng)用于汽車秤跟平臺秤等多個場合。