【正文】 企業(yè)的生產(chǎn)線稱重環(huán)節(jié)多采用磅秤、臺(tái)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(dòng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)。 缺陷三：缺少對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，使得整個(gè)工作過(guò)程都需要操作人員在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督。這樣既浪費(fèi)了人力，提高了企業(yè)的費(fèi)用，又無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)管理。 根據(jù)以上 內(nèi)容，就兩方面設(shè)計(jì)自動(dòng)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(duì)提高生產(chǎn)線稱重的自動(dòng)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(chǎng)事實(shí)情況。 這樣的生產(chǎn)線自動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度，方便監(jiān)控人員更好的了解工作現(xiàn)場(chǎng)情況，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)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(shì) 隨著第二次世界大戰(zhàn)后的經(jīng)濟(jì)繁榮，為了把稱重技術(shù)引入到生產(chǎn)工藝過(guò)程中去，對(duì)稱重技術(shù)提出了新的要求，希望稱重過(guò)程自動(dòng)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(guò)程與其他事物一樣，也經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜 ，由 粗糙 2 到精密 ， 由機(jī)械到機(jī)電結(jié)合再到全電子化 ， 由單一功能到多功能的過(guò)程。特別是近 30 年以來(lái)，工藝流程中的現(xiàn)場(chǎng)稱重、配料定量稱重 以及產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)測(cè)等工作，都離不開(kāi)能輸出信號(hào)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(hào)，而且也能作為總系統(tǒng)中的一個(gè)單元承擔(dān)著控制和檢驗(yàn)功能，從而推進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化和合理化。 近年來(lái)電子稱已愈來(lái)愈多地參與到數(shù)據(jù)的處理和控制過(guò)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(chǔ)運(yùn)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(xiàng)性能的不斷突破，為電子稱的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，國(guó)外如美國(guó)、西歐等一些國(guó)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(duì)75%的機(jī)械稱進(jìn)行了機(jī)電結(jié)合式改造。 我國(guó)的衡器在 20 世紀(jì) 40 年代以前還全是機(jī)械式的， 40 年代開(kāi)始發(fā)展了機(jī)電結(jié)合式的衡器。 50 年代開(kāi)始出現(xiàn)了以稱重傳感器為主的電子衡器。80 年代以來(lái)，我國(guó)通過(guò)自行研究 、 引進(jìn)消化吸收和技術(shù)改造 ， 已由傳統(tǒng)的機(jī)械式衡器步入集傳感器、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合而實(shí)現(xiàn)稱重技術(shù)和過(guò)程控制的自動(dòng)化特點(diǎn)，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(gè)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(jìn)一步發(fā)展，電子稱重技術(shù)及其應(yīng)用范圍將更進(jìn)一步的發(fā)展，并被人們?cè)絹?lái)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(jì)價(jià)到生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)測(cè)量控制單元，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷地?cái)U(kuò)大。 根據(jù)近些年來(lái)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(chǎng)的需求，稱重技術(shù) 的發(fā)展動(dòng)向?yàn)椋盒⌒突⒛K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(dòng)稱重系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 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：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制方案、 PLC 控制方案。 （ 1）單片機(jī)控制方案。單片機(jī)是將計(jì)算機(jī)的基本部件微型化并集成到一塊芯片上的微型計(jì)算機(jī)，通常片內(nèi)都含有 CPU、 ROM、 RAM、并行 I/O、串行 I/O、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷控制、系統(tǒng)時(shí)鐘及系統(tǒng)總線等。單片機(jī)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(jī)片內(nèi)集成的功能越來(lái)越強(qiáng)大，并朝著 SOC（片上系統(tǒng)）方向發(fā)展。單片機(jī)有著體積小、功耗低、功能強(qiáng)、性能價(jià)格比高、易于推廣應(yīng)用等顯著優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用于電子儀表、家用電器、節(jié)能裝置、機(jī)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(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。 但是單片機(jī)對(duì)環(huán)境要求較高，一般要在干擾小的場(chǎng)地使用，指令復(fù)雜，對(duì)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(yùn)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(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的生產(chǎn)過(guò)程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。同時(shí)可編程序控制器具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用靈活，編程方便、易于使用，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試方便，維修方便、維修工作量小，功能完善等特點(diǎn)。 相對(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō) ,PLC 本 身固有的穩(wěn)定性和可靠性特點(diǎn)決定了它在自動(dòng)化行業(yè)內(nèi)不可取代的地位。 PLC 相比單片機(jī)具有高可靠性，易于開(kāi)發(fā)，擴(kuò)展性好，通訊簡(jiǎn)單的，這些優(yōu)點(diǎn)促使很多的設(shè)備生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)時(shí)選用 4 PLC 作為設(shè)備的控制器。 總之，現(xiàn)代的工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中 ,多數(shù)產(chǎn)家都采用 PLC 作為自動(dòng)化生產(chǎn)線的控制。在未來(lái)的工業(yè)生產(chǎn)中， PLC 仍然能夠引導(dǎo)自動(dòng)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(jìn)料電動(dòng)機(jī)、出料電動(dòng)機(jī)、 PLC、稱重傳感器、稱重變送器、電磁鐵、舵機(jī)、指示燈、報(bào)警器、光電開(kāi)關(guān)等組 成。圖 11 為系統(tǒng)框圖 。 進(jìn) 料 電 動(dòng) 機(jī)出 料 電 動(dòng) 機(jī)電 磁 鐵指 示 燈舵 機(jī) 閥 門稱 重 變 送 器上 位 機(jī)稱 重 傳 感 器報(bào) 警 器P L C光 電 開(kāi) 關(guān) 圖 11 系統(tǒng)框圖 稱重系統(tǒng)的功能和工作過(guò)程 1．系統(tǒng)的功能 （ 1）自動(dòng)運(yùn)行功能 5 點(diǎn)擊自動(dòng)運(yùn)行按鈕后，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。 （ 2）手動(dòng)運(yùn)行功能 在手動(dòng)運(yùn)行情況下，各功能的實(shí)現(xiàn)有對(duì)應(yīng)的按鈕控制。 （ 3）報(bào)警功能 若實(shí)際重量大于稱重誤差最大值，則報(bào)警器開(kāi)始報(bào)警，系統(tǒng)自動(dòng)停止運(yùn)行。報(bào)警器需要按動(dòng)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(kāi)關(guān)會(huì)發(fā)出信號(hào)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。 （ 4）遠(yuǎn)程監(jiān)控功能 使用組態(tài)軟件，構(gòu)建 組態(tài)畫(huà)面，使現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)運(yùn)行情況事實(shí)顯示，并且能夠在遠(yuǎn)程操作現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。 2．系統(tǒng)的工作過(guò)程 （ 1）大流量進(jìn)料階段 按下相應(yīng)按鈕后，進(jìn)料電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，電磁鐵得電使稱重斗下料門閉合。PLC 發(fā)出指令使舵機(jī) 閥門 始終保持在 0 度，輔助斗下料門全部開(kāi)啟，大流量指示燈亮。實(shí)現(xiàn)大流量進(jìn)給。大流量進(jìn)料用于提高整體速度。 （ 2）小流量進(jìn)料階段 當(dāng)數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換的實(shí)際重量等于提前重量值時(shí)， PLC 發(fā)出指令使舵機(jī) 閥門 迅速旋轉(zhuǎn)到 90 度，并始終保持在這個(gè)角度，小流量指示燈亮，開(kāi)始小流量進(jìn)給階段。慢速進(jìn)料用于保障稱重的精度。 （ 3）放料階段 當(dāng) 實(shí)際重量等于目標(biāo)重量時(shí)， PLC 發(fā)出指令使舵機(jī) 閥門 迅速旋轉(zhuǎn)到180 度，并始終保持在這個(gè)角度，停止進(jìn)料。同時(shí)， PLC 發(fā)出指令使電磁鐵失電，稱重斗下料門打開(kāi)，放料指示燈亮，進(jìn)入放料階段。在自動(dòng)狀態(tài)下，達(dá)到定時(shí)時(shí)間后，電磁鐵自動(dòng)得電，稱重斗下料門關(guān)閉，輔助斗下料門完全開(kāi)啟。開(kāi)始進(jìn)入下次稱重。在手動(dòng)狀態(tài)下，是否進(jìn)入放料階段由按鈕控制稱重斗下料門實(shí)現(xiàn)。是否進(jìn)行下次稱重由手動(dòng)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)控制。 6 第 2 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)對(duì)生產(chǎn)線自動(dòng)稱重功能的分析，可以設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件框圖，如圖21 所示。 P L C手 動(dòng) 運(yùn) 行 按 鈕電 磁 鐵 失 電 按 鈕M 1 啟 動(dòng) 按 鈕M 1 停 止 按 鈕電 磁 鐵 得 電 按 鈕停 止 按 鈕取 消 報(bào) 警 按 鈕自 動(dòng) 運(yùn) 行 按 鈕2 啟 動(dòng) 按 鈕停 止 按 鈕M 2 停 止 按 鈕M 1 啟 動(dòng) 按 鈕出 料 電 動(dòng) 機(jī) M 2小 流 量 進(jìn) 料 指 示 燈M 1 啟 動(dòng) 按 鈕M 1 停 止 按 鈕大 流 量 進(jìn) 料 指 示 燈放 料 指 示 燈報(bào) 警 器進(jìn) 料 電 動(dòng) 機(jī) M 1自 動(dòng) 運(yùn) 行 指 示 燈電 磁 鐵手 動(dòng) 運(yùn) 行 指 示 燈舵 機(jī)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(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入 /輸出控制各種類型的生產(chǎn)過(guò)程。 PLC 選型的基本原則 PLC 產(chǎn)品的種類也越來(lái)越多。不同型號(hào)的 PLC，其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價(jià)格等也各有不同，適用的場(chǎng)合也各有側(cè)重。合理選用 PLC，對(duì)于提高 PLC 控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有著重要意義。在PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，確定控制方案后，下一步工作就是 PLC 工程設(shè)計(jì)選型。 工程設(shè)計(jì)選型時(shí)，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(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù) ， 所需存儲(chǔ)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(jià)格比的 PLC 和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 任何一種控制系統(tǒng)都是為了實(shí)現(xiàn)被控對(duì)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(jì) PLC 控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)遵循以下基本原則： （ 1）最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求 （ 2）保證 PLC 控制系統(tǒng)安全可靠 （ 3）力求簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便 （ 4）適應(yīng)發(fā)展的需要 我國(guó)市場(chǎng)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(guó)市場(chǎng)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(kuò)展性、強(qiáng)大的指令功能、低廉的價(jià)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(gè)單獨(dú)的 S7200CPU 和各種可選擇的擴(kuò)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(duì)生產(chǎn)線自動(dòng)稱重功能的分析 ，統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)所需要的輸入輸出 點(diǎn)數(shù)。 1．?dāng)?shù)字量輸入輸出 統(tǒng)計(jì) （ 1） 手動(dòng)、自動(dòng)、停止需要 3 路輸入。 （ 2） 進(jìn)料電動(dòng)機(jī)、出料電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、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(kāi)關(guān)信號(hào)需要 1 路輸入。 （ 5） 舵機(jī)閥門信號(hào)需要 1 路輸出。 （ 6） 報(bào)警器需要 1 路輸出。 （ 7） 取消報(bào)警需要 1 路輸入。 （ 8） 手動(dòng)去皮需要 1 路輸入。 （ 9） 自動(dòng)指示燈、手動(dòng)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(jì) 系統(tǒng)需要將重量信號(hào) 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(diǎn)數(shù)，以及考慮到今后對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)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(diǎn) 14 點(diǎn)，輸出點(diǎn) 10 點(diǎn)）。選用一個(gè)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(gè)重要的品種 ,實(shí)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(qiáng)。 柱式傳感器的測(cè)量范圍都很大，一般最大可以達(dá)到幾百噸，它剛性好，抗過(guò)載能力強(qiáng)，加工也簡(jiǎn)單，重量也比較輕。 輪輻式傳感器由于結(jié)構(gòu)的對(duì)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(chǎng)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(tái)秤等多個(gè)場(chǎng)合。