【正文】 顆粒物料定量稱重及灌裝控制系統(tǒng)設(shè)計方案 包裝機械的發(fā)展現(xiàn)狀及現(xiàn)實意義現(xiàn)代包裝技術(shù)日益向著高度機械化和自動化方向發(fā)展，最初，在包裝領(lǐng)域中所應用的第一代包裝機械——DubbedGen1，結(jié)構(gòu)簡單，是純機械性的。由一臺電機帶動直線軸轉(zhuǎn)動，并通過凸輪產(chǎn)生動力。采用可編程控制器（PLC）的控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)也很簡單，由操作人員直接控制機器。在大部分情況下，還沒有采用人機互動技術(shù)（HMI）。之后，出現(xiàn)了第二代包裝機械。此技術(shù)誕生于十年前，包裝機械仍采用傳動軸驅(qū)動，只是結(jié)構(gòu)更復雜一些，因為由伺服電機來控制速度，所以可以向一些特殊的動作發(fā)出指令，而且也采用了更為復雜的PLC可編程邏輯控制器。第二代包裝機械的可調(diào)性更好，但這一優(yōu)點卻需要付出更高的費用。這些費用包括更多的線路布置、更多的PLC可編程邏輯控制器輸入/輸出（I/O）裝置，這些裝置龐大而復雜，有更多的傳感器和程序控制，甚至還包括更多的外圍設(shè)備,而且對于故障的排除和處理也更加困難。近年來，國內(nèi)包裝機械從技術(shù)、設(shè)計和制造等方面發(fā)展較快，從前期的由國外引進先進設(shè)備和技術(shù)并在此基礎(chǔ)上進行消化吸收，到自行設(shè)計制造生產(chǎn)出較為先進的電子秤稱量微機控制的各種型號種類的包裝機，基本滿足了國內(nèi)各行業(yè)散狀物料產(chǎn)品包裝的需要。但開發(fā)研制經(jīng)濟實用的顆粒物料稱重式包裝機也是非常適時和必要的。隨著社會經(jīng)濟、技術(shù)的快速發(fā)展，產(chǎn)品定量精度要求更加嚴格，產(chǎn)品規(guī)格種類繁多，顆粒物料定量稱重、灌裝類設(shè)備需求量日益增加。相比之下，農(nóng)產(chǎn)品的包裝機械發(fā)展稍有不足，包裝速度和精度偏低是阻礙其發(fā)展的主要原因。本課題根據(jù)這一要求并結(jié)合谷物生產(chǎn)的實際情況,研制了顆粒物料的自動定量灌裝控制系統(tǒng),對如何提高灌裝速度和稱量精度提出了改進方案。 顆粒物料定量灌裝控制系統(tǒng)的研究意義隨著市場經(jīng)濟的完善和發(fā)展，商品流通的深度和廣度進一步擴大，包裝工業(yè)在國民經(jīng)濟中的作用和地位越來越高。商品包裝是一個新興的行業(yè)，是在商品經(jīng)濟日益繁榮，市場競爭日趨激烈的新形式下，逐步成長起來的。在商品流通中,人們對粉狀、顆粒狀小袋商品的包裝要求主要有兩個方面,一是要求包裝美觀,以便吸引顧客,并保證商品在流通環(huán)節(jié)中包裝袋不出現(xiàn)任何形式的破損。其二是要求包裝袋內(nèi)的商品計量準確,誤差?。òb行業(yè)標準要求計量誤差小于5‰）,以維護商品生產(chǎn)廠商的信譽、形象。因此商品包裝的精確計量,是包裝行業(yè)時刻關(guān)注的一項重要課題。本設(shè)計中采用電子稱重儀表進行稱重，顯示物料的重量值，并以稱重傳感器的輸出信號為判斷依據(jù)，二者結(jié)合完成物料的定量稱重,同時用PLC來控制系統(tǒng)灌裝動作順序，并配以相關(guān)的執(zhí)行驅(qū)動器件，實現(xiàn)了顆粒物料喂料、定量稱重、半自動灌裝等環(huán)節(jié)的電氣系統(tǒng)的控制。設(shè)計中闡述了具體的設(shè)計方案，并通過控制系統(tǒng)的電氣圖設(shè)計、元器件的選型和PLC整體控制的設(shè)計并編寫控制程序等幾部分，實現(xiàn)自動稱重、定量給料等工作過程的自動控制。在物料灌裝過程中，能自動實現(xiàn)夾袋、喂料、稱重和松袋的加工操作過程，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、灌裝速度快、精度高、工作穩(wěn)定可靠，可用于大米等谷物類和化工產(chǎn)品等行業(yè)內(nèi)松散態(tài)顆粒物料的連續(xù)定量灌裝。 包裝機械的設(shè)計任務 包裝機械的發(fā)展方向從發(fā)達國家生產(chǎn)的包裝機械水平來看，當代包裝機械的發(fā)展動向具有以下幾個特點：、標準化和通用化水平，建立組合化、機電一體化的現(xiàn)代包裝機械的結(jié)構(gòu)體系仍是今后的一個重要的發(fā)展方向。包裝機械發(fā)展到今天，其系列化、標準化和通用化水平不斷提高。有些國家生產(chǎn)的包裝機，通用件、標準件約占整機零部件的70%，有的高達90%，產(chǎn)品更新的速度很快。、自動化和聯(lián)合化。機械設(shè)備的高速化是實現(xiàn)社會高速發(fā)展的根本措施，是提高設(shè)備生產(chǎn)率的主要途徑，故包裝機的工作速度是衡量其性能優(yōu)劣的重要指標。包裝機械的高速化，隨之對相應設(shè)備的聯(lián)動化和自動化提出了更高的要求。，使包裝機械的功能日趨先進可靠。而針對本課題而言,定量稱量灌裝式設(shè)備，其發(fā)展方向為，發(fā)展各種形式的稱量灌裝設(shè)備，著力提高灌裝速度和精度以及穩(wěn)定性和可靠性，并與自動包裝設(shè)備配套。 包裝機械設(shè)計存在的問題 稱重計量包裝機由于包裝機械動作復雜而頻繁，執(zhí)行元件比較多，若采用傳統(tǒng)的繼電器控制電路會導致設(shè)備的故障率高、動作不準確、包裝質(zhì)量不穩(wěn)定、灌裝精度低、停機維修時間多等弊病。因此，研制和發(fā)展包裝機時，重視高新技術(shù)的應用，是提高其先進性、可靠性的主要途徑。另外，跟國外包裝機械設(shè)計水平相比，我國的包裝機設(shè)計雖然品種繁多，但是其適應面窄，基本上只是針對單一品種單一定量的產(chǎn)品包裝，面對品種繁多的商品自動化包裝要求，跟不上包裝形式，同時，由于其標準化、通用化水平低，其生產(chǎn)成本相對偏高。這些都是需要在以后的包裝機設(shè)計中著力解決的。 顆粒物料定量灌裝控制系統(tǒng)的設(shè)計任務 主要構(gòu)思簡單介紹：設(shè)計中采用稱重儀表進行稱重，顯示物料的重量值，并以稱重傳感器的輸出信號為判斷依據(jù)，稱重儀表和稱重傳感器配合完成物料的定量稱重,同時用PLC來控制系統(tǒng)灌裝動作順序，并配以相關(guān)的執(zhí)行驅(qū)動器件，實現(xiàn)了顆粒物料喂料、定量稱重、半自動灌裝等環(huán)節(jié)的電氣系統(tǒng)的控制。 喂料系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)、夾袋排料系統(tǒng)由PLC控制喂料電磁閥、排料電磁閥和夾袋電磁閥的通斷，從而利用氣動系統(tǒng)驅(qū)動料斗閥門的打開與關(guān)閉和物料袋子的夾緊與松開。 主要工作任務及技術(shù)參數(shù)一、工作任務a. 確定灌裝機電氣控制的總體設(shè)計方案；b. 完成電氣控制系統(tǒng)設(shè)計，繪制相關(guān)電氣圖；c. 完成元器件的選型；d. 編寫PLC控制系統(tǒng)程序；e. 整理設(shè)計資料，撰寫畢業(yè)設(shè)計說明準備答辯工作。二、灌裝機的主要技術(shù)參數(shù)灌裝物料：松散態(tài)顆粒物料；灌裝精度：177。%（動態(tài)）；灌裝速度：3～4袋/分鐘，（灌裝10kg和5kg的速度可達4～8袋/分鐘）實際灌裝速度取決于供料速度及人工的操作速度；灌裝重量：5kg～10kg可調(diào)和10kg～25kg可調(diào)；溫度濕度：0～40℃ 85%；電 源：AC 220V177。10% 50Hz；氣 源：P≥ Q≥；外形尺寸：7206701980mm2 總體方案設(shè)計 灌裝機的工作原理及特點 灌裝機的工作原理定量稱重灌裝機工作原理在于，需要給定灌裝規(guī)格，根據(jù)需要設(shè)定的稱重值，將灌裝重量值與設(shè)定稱重值作比較，進行灌裝。本系統(tǒng)以稱重傳感器的輸出信號為判斷依據(jù)，利用PLC實現(xiàn)對顆粒灌裝機的控制,實現(xiàn)物料的自動定量灌裝。其基本工作過程分為夾袋喂料稱重排料四個階段。此類灌裝機適用于灌裝流動性較好的顆粒狀物料，如大米、小麥、尿素、玉米、飼料、白糖等，并且受外界環(huán)境影響小，灌裝精度高，性能穩(wěn)定。其工作原理框圖如圖21所示。圖21 工作原理框圖 灌裝機的特點216。 主體結(jié)構(gòu)由供料裝置、稱重裝置、夾袋裝置、機架、數(shù)控主板和氣壓傳動系統(tǒng)組成。216。 供料裝置采用了多次喂料的供料方式以保證灌裝過程的穩(wěn)定、準確。216。 計量裝置采用了日本AD公司的電子稱重式計量裝置，確保了灌裝的高計量精度。216。 具有高速A\D轉(zhuǎn)換和優(yōu)異的數(shù)字抗干擾性能。216。 靈活的功能選擇和設(shè)置，可隨時顯示皮重、目標重量、累計袋數(shù)和累計重量等。216。 操作簡便。設(shè)備由按鈕啟動后即可投入自動喂料、稱重、卸料操作，操作人員只需做袋套、按夾袋開關(guān)、封袋口三種操作。216。 具有應急功能，可通過“停止”按鈕使機器緊急停機。216。 具有料位檢測功能。當料位低于規(guī)定高度時，機器自動停止灌裝；待料位達到規(guī)定高度時，又自動恢復連續(xù)定量灌裝。216。 遇有特殊情況，具有“手動排料”功能。 灌裝機的控制系統(tǒng)構(gòu)成本系統(tǒng)主要有主控單元、電子稱重計量單元兩大部分組成。主控單元是由PLC及其相應的控制執(zhí)行回路組成，主要實現(xiàn)了定量稱重包裝系統(tǒng)各個工序的自動控制功能。電子稱重計量單元是由稱重儀表和稱重傳感器及相應的測量構(gòu)成，實現(xiàn)了顆粒物料的稱重分包和單包裝質(zhì)量數(shù)字顯示。 總體方案設(shè)計在物料灌裝過程中，要自動完成夾袋、供料、稱重和排料等加工操作，所以由圖21所示，本設(shè)計產(chǎn)品的主體結(jié)構(gòu)由供料裝置、稱重裝置、夾袋裝置、機架、氣壓傳動系統(tǒng)組成，由PLC控制整個系統(tǒng)動作順序。 控制系統(tǒng)方案設(shè)計（1）根據(jù)灌裝機的工作原理確定總體方案的設(shè)計，本設(shè)計從電氣控制及機械結(jié)構(gòu)方面都將稱重過程分為兩個階段，即快喂料階段和細喂料階段。快喂料階段保證稱重的速度，細喂料階段保證稱重的精度。采用兩次喂料的供料方式來保證灌裝過程的穩(wěn)定、準確。系統(tǒng)控制圖如圖22所示：圖22 系統(tǒng)控制圖（2）設(shè)備主控面板上設(shè)置運行啟動按鈕、停止按鈕、夾袋按鈕和手動排料按鈕，由啟動按鈕啟動后即可投入自動喂料、稱重、夾袋排料等加工操作過程，操作人員只需按夾袋按鈕，如遇到該袋稱重不準或其它原因的需要單獨排料時，按“手動排料”按鈕、停止按鈕即可。（3）灌裝機的電氣控制主要由PLC來控制，在稱量斗兩端安裝稱重傳感器，稱重傳感器輸出信號給PLC,PLC控制電磁閥的通斷,粗喂料閥門和細喂料閥門由電磁閥控制，通過氣動系統(tǒng)在氣缸作用下打開為排料，關(guān)閉為進料和稱量。另外在供料斗上安裝料位傳感器，來檢測料斗中物料的位置，即當料位低于規(guī)定高度時，機器自動停止灌裝；待料位達到規(guī)定高度時，又自動恢復連續(xù)定量灌裝。（4）稱重裝置采用日本AD公司的電子稱重式計量裝置，具有設(shè)定、置零、去皮、凈重/毛重、輸入、退出、緊急停止、置零清除、皮重清除、累計清除等顯示功能，確保了灌裝的高計量精度。按“運行”按鈕鍵，稱重儀表接收該運行信號后開始工作,PLC發(fā)出排料啟動信號給稱重儀表請求排料,稱重儀表接收到信號后，發(fā)出排料信號，系統(tǒng)進行排料。稱重儀表發(fā)出排料完成信號給PLC,PLC接收到該信號后，系統(tǒng)發(fā)出松袋信號，同時發(fā)出下一袋稱重運行信號給稱重儀表，開始下一袋的自動稱重過程。PLC接到停止信號后，就中斷程序的運行，發(fā)出停止運行指令給稱重儀表，讓稱重儀表停止工作?？傊?，控制系統(tǒng)的設(shè)計具有良好的人機交互界面，通過按鈕可選擇幾種生產(chǎn)線上常見的顆粒物料種類和灌裝目標值,并通過修改程序?qū)崿F(xiàn)其它品種的自動灌裝。本系統(tǒng)通過稱重儀表實現(xiàn)了稱量結(jié)果的動態(tài)顯示。 控制電路圖設(shè)計給系統(tǒng)上電：兩相AC380V經(jīng)過空氣開關(guān)保護后、經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)化為AC220V，給稱重儀表、PLC提供電源，同時AC220V經(jīng)過開關(guān)電源轉(zhuǎn)換成DC24V，為傳感器、電磁閥等提供電源。 PLC整體控制設(shè)計可編程控制器是在機電一體化產(chǎn)品中應用范圍極廣，發(fā)展非常迅速的工業(yè)自動化裝置，具有工作可靠、可與工作現(xiàn)場信號直接輸入輸出連接、組合靈活、編程容易、安裝簡單、維修方便、運行迅速等特點。在工廠自動化(FA)和計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)內(nèi)占重要地位。今天的PLC功能，遠不僅是替代傳統(tǒng)的繼電器邏輯。目前PLC在各行各業(yè)中己得到了廣泛的應用，產(chǎn)品有從可以控制幾十點小型PLC到上千點的大型PLC，而且其總線與網(wǎng)絡能力越來越強，可方便地與上位PC機組成控制系統(tǒng)。PLC采用了計算機技術(shù)，其控制邏輯是以程序的方式存放在存儲器中，要改變控制邏輯只需改變程序，因而很容易改變或增加系統(tǒng)功能。系統(tǒng)連線少、體積少、功耗小，而且PLC所謂“軟繼電器”實質(zhì)上是存儲單元的狀態(tài)，所以“軟繼電器”的觸點數(shù)量是無限的，PLC系統(tǒng)的靈活性和擴展性好。而且，PLC采用集成電路作定時器，時鐘脈沖由晶體振蕩器產(chǎn)生，精度高，定時范圍寬，用戶可根據(jù)需要在程序中設(shè)定的定時值，修改方便，不受環(huán)境的影響，且PLC具有計數(shù)功能，而電器控制系統(tǒng)一般不具備計數(shù)功能。另外，PLC還具有自診斷功能，能查出自身的故障，隨時顯示給操作人員，并能動態(tài)地監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情況，為現(xiàn)場調(diào)試和維護提供了方便。本設(shè)計采用PLC控制系統(tǒng)的夾袋喂料稱重排料的整個操作過程的動作順序。設(shè)計中包括PLC的選型、I/O點分配表及外部接線、根據(jù)工作流程編寫PLC梯形圖等。3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 元器件的選型 稱重儀表的選型稱重儀表一般由模擬電路和數(shù)字電路兩部分組成。模擬電路包括電源、前置放大器、濾波器、A／D轉(zhuǎn)換等；數(shù)字電路包括主處理器、輔助處理器、各種存儲器、鍵盤和顯示器等。根據(jù)儀表的功能和靈敏度本設(shè)計可以采用日本著名廠商AND公司最新推出的高性能稱重儀表AD4401，它是當今世界上具有優(yōu)良性能價格比的稱重控制器。該表采用最新技術(shù)，它不僅匯聚了同類產(chǎn)品的優(yōu)點，而且增加了許多重要功能，更加適合用戶需要，廣泛應用于定量包裝秤、失重秤、流量秤及配料控制系統(tǒng)。其特點和規(guī)格參數(shù)如下：一、主要特點 1）每秒100次采樣處理速度； 2）A/D內(nèi)碼百萬個，顯示分辯1/16000； 3）采用內(nèi)碼（外碼）比較監(jiān)控稱重配料更準確； 4）自動落差控制、模糊控制補償 ；5）自動累積顯示； 6）輸入輸出控制功能用戶可編程定義； 7）10臺AD4401通過RS422/485與上位機聯(lián)網(wǎng)； 8）數(shù)字校準功能 二、技術(shù)性能參數(shù) （1）模擬與A/D轉(zhuǎn)換部分 輸入靈敏度: uv/d；最大輸入范圍: 36mv； 零點調(diào)整范圍: 0mv～20mv； 傳感器供橋電源: 10VDC177。5% 230MA； 非線性度：177。%FS；A/D分辨率：1/1,000,000；A/D采樣次數(shù)：100次/秒 （2）數(shù)字部分 主顯示器：7段熒光管，13mm高，重量顯示：17位； 輔助顯示器：7段熒光管，7mm高，8位顯示；皮重、定量值、累計值、累計次數(shù)、設(shè)定值 ；顯示分辯率：1/16000； 最小分度： 1，2，5，10，20，50； 最大顯示值：999950； 功 能 鍵：設(shè)定、置零、去皮、凈重/毛重、輸入、退出、F； F用戶定義鍵：緊急停止、置零清除、皮重清除、累計清除、打印、保持、啟動； 輸出輸入控制（I/O）用戶自定義各端子功能： 輸入：14種功能，選6位； 輸出：16種功能選8位； 設(shè) 定：鍵盤設(shè)定或設(shè)定器設(shè)定； 設(shè)定內(nèi)容：基本功能：22項； 輸出輸入：14+18項； 接 口：3項 （3）接口 標準串行接口（電流環(huán)）； 并行 BCD/out OP1； 繼電器輸出 OP