基于PLC的顆粒狀填充物自動稱量及裝入系統設計

吉林工業職業技術學院自動化系 孫學智

1.前言

在工業生產中對顆粒狀填充物進行稱重及裝入，是一種常見的生產過程。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。因此實現散裝物料自動稱量及填充，可以提高生產效率，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線上關鍵而又復雜的工序。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中的應用，設備可以實現諸如石灰、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、建材等行業散裝物料的自動稱重與包裝。

2.稱量裝入系統組成和工作原理

對顆粒狀填充物的自動稱量分為粗稱和細稱兩步。首先設置好要稱量的重量。當載有填充筒的輸送車在PLC控制下準確運至該工位后，鎖緊填充筒。②號蝶閥關閉，①號蝶閥完全打開，斗內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，空間下面裝有電子稱重天平。當天平指示重量為設置重量的90%時①號蝶閥關閉80%完成粗稱。①號蝶閥打開20%，繼續漏料當電子天平所指示的值與設置值吻合時，完成細稱。PLC會控制氣動開關動作，使①號蝶閥關閉。①號蝶閥關閉后系統進行自動檢測（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后，②號蝶閥關閉，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。其機械結構原理如圖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變為電壓輸出。當有散裝物料稱重時，電路中電阻應變片阻值R1R2R3R4發生變化使重量信號轉變成電橋輸出的電壓信號，然后通過A/D轉換，轉變為二進制數字量，通過數字量輸入模塊送入PLC中。整個系統電氣控制結構圖如圖2所示。

表1 輸入/輸出接口分配表

表2 模塊功能表

3.稱量裝入系統硬件設計

稱重裝入系統控制采用半自動和手動控制兩種方式。本系統采用西門子S7-300型PLC進行控制。S7-300型PLC在工控領域應用廣泛，具有高電磁兼容性、強抗震性、抗沖擊性。可以適應許多的生產環境。S7-300型PLC最大的特點是其模塊化功能，方便用戶掌握。本控制系統主要模塊組成如下：電源模塊PS307；CPU模塊CPU315；數字量輸入模塊SM321；數字量輸出模塊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。預留輸入點5個，輸出點5個。系統硬件組成如圖3所示。

輸入/輸出地址分配情況如表1所示。

4.稱量裝入系統軟件設計

稱量裝入系統軟件設計流程圖所示。該軟件是基于西門子PLC的開發平臺STEP7開發完成的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的應用軟件，功能強大，主要用于開發程序，也可用于適時監控用戶程序的執行狀態。加上漢化后的程序，可在全漢化的界面下進行操作。本系統采用語句表（STL）開發方式，可以實現梯形圖不能實現的功能。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。本系統中應用模塊功能如表2所示。

在模塊FC220中存放有本系統的主要應用程序，實現夾緊，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、高效的組態工具，以及直觀、友好的系統。WINCC再一次指明了這一道路。WINCC組態軟件為實現動畫，以及將一個畫面對象和一個內部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，就會出現一個易于編輯的對話框。WINCC圖形設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定，并且進行預覽。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構原理

圖2 電氣控制圖

圖3 系統硬件構成

圖4 FC220模塊流程圖

圖5 稱量裝入系統控制界面

首先在界面設置稱量重量。在自動控制下，操作者可以在控制界面對稱量裝入系統進行監控。觀察指示燈的顏色。①號蝶閥有三種狀態：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稱；紅色為蝶閥關閉狀態。②號蝶閥有兩種狀態：紅色為關閉；綠色為打開。填充筒也有兩種狀態：紅色亮起為鎖緊；綠色亮起為釋放。在界面中還設置有人工操作按鈕，在特殊情況下實現人工的手動控制。

5.結論

自動稱量裝入系統，是自動化生產線中一個重要工位。采用PLC控制散裝物料稱量與裝入，對工業生產具有重要意義。可以推廣到彈藥裝配（裝入火藥），奶粉的生產，尿素包裝等工業場合，可以提高生產效率，降低勞動強度，保證人身安全等優點。

[1]何玉安.基于PLC的散裝粒子自動稱量包裝系統[J].電氣自動化,2006,28(2):72-74.

[2]周雪會.基于PLC和工控機的玻璃配料控制系統設計[J].企業科技與發展.2010,290(20):37-39.

[3]路林吉.可編程序控制器原理及應用[M].北京:清華大學出版社,2002:68-69.

[4]劉喆.自動控制PLC技術述要[J].科技創業月刊.2004(12):l37-138.

[5]何華.深入淺出西門子Step 7[M].北京:北京航空航天大學,2004.