多功能物料科學(xué)配比稱重裝置設(shè)計(jì)

許曉燕　賈俊峰

【摘 要】在化工、飼料、建材、食品、醫(yī)藥等眾多領(lǐng)域，都需要對(duì)原料進(jìn)行配比制成產(chǎn)品，配料工段也成為生產(chǎn)工藝過程中至關(guān)重要的一環(huán)，配料水平與產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率密切相關(guān)。本設(shè)計(jì)針對(duì)配料過程中的精度和自動(dòng)化問題，設(shè)計(jì)了一種基于可編程控制器（PLC）的多功能物料科學(xué)配比稱重裝置，通過壓力傳感器采集壓力信號(hào)，利用PLC對(duì)電磁閥、氣缸、變頻器、伺服電機(jī)等設(shè)備進(jìn)行控制，達(dá)到精確配比的目的。本文介紹了多功能物料科學(xué)配比稱重裝置的組成、工作原理、控制系統(tǒng)及稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。

【關(guān)鍵詞】配料 稱重系統(tǒng) PLC

1 設(shè)計(jì)任務(wù)

設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)配料裝置，能夠在生產(chǎn)線上完成各原料按設(shè)定重量準(zhǔn)確落料，傳送到攪拌系統(tǒng)混合制成產(chǎn)品。并且可以改變各原料的配料比例，便于配方的調(diào)換、更改。

2 裝置組成及基本原理

該多功能物料科學(xué)配比稱重裝置由控制部分、稱重部分和硬件部分組成，其中，控制部分由電磁閥、氣缸、空氣壓縮機(jī)、配氣件、三相異步型交流伺服電動(dòng)機(jī)、變頻器、光電編碼器、直流穩(wěn)壓電源組成；稱重部分由壓力傳感器、運(yùn)算放大器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、PLC組成；硬件部分由傳送帶、料斗、傳送帶支架、料斗支架、底座、電機(jī)支架等部件組成。該裝置采用臺(tái)式立體結(jié)構(gòu)，落料時(shí)，由PLC控制氣缸活塞桿收縮，帶動(dòng)料斗底部擋板開關(guān)打開，原料落到傳送帶上，安裝在傳送帶下的壓力傳感器將檢測(cè)到的重量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器放大處理，傳入A/D轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由PLC對(duì)信號(hào)進(jìn)行比較處理，當(dāng)信號(hào)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的參數(shù)時(shí)，PLC控制氣缸活塞桿伸長，使料斗底部擋板開關(guān)關(guān)閉，停止落料。系統(tǒng)示意圖1如下。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 傳送部分的實(shí)現(xiàn)

（1）電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。為在較高的工作效率下保證稱量精確度，傳送帶設(shè)計(jì)為先快后慢的雙速運(yùn)轉(zhuǎn)形式，即原料下落后先快速傳送，到達(dá)設(shè)定重量的90%后慢速傳送，這就需要變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。變頻調(diào)速是根據(jù)三相異步電機(jī)的工作原理而采用的一種調(diào)速形式，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)，改變電動(dòng)機(jī)的供電頻率即改變了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，電源頻率增加，同步轉(zhuǎn)速n增加，實(shí)際轉(zhuǎn)速也增加；電源頻率下降，電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速也下降，這種通過改變電機(jī)電壓頻率的調(diào)速方式即為變頻調(diào)速。變頻器的工作原理為：利用整流電路，將接入的三相電進(jìn)行整流成直流電，并且濾波，再經(jīng)過逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換成所需頻率的三相交流電。（2）測(cè)速裝置。測(cè)速環(huán)節(jié)主要由光電編碼器來完成速度掃描，通過PLC中的高速計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。由下式可算出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

式中：n——電機(jī)轉(zhuǎn)速；r——圓盤電機(jī)的半徑； ——高速計(jì)數(shù)器HSC0的掃描時(shí)間。

3.2 氣動(dòng)部分的實(shí)現(xiàn)

（1）氣源開關(guān)——二位五通電磁閥。電磁閥受PLC的控制，主要工作原理是利用電磁線圈產(chǎn)生的電磁力，推動(dòng)閥芯切換，實(shí)現(xiàn)氣流的換向，可以對(duì)氣缸進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)氣缸的伸縮動(dòng)作。（2）料斗開關(guān)——雙作用氣缸。雙作用氣缸內(nèi)部被活塞分成兩個(gè)腔，兩腔可以分別通入壓縮空氣，當(dāng)從有桿腔輸入壓縮空氣時(shí)，無桿腔排氣，使活塞桿收縮；當(dāng)無桿腔進(jìn)氣，有桿腔排氣時(shí)，活塞桿伸出。活塞桿的伸縮帶動(dòng)料斗擋板的開關(guān)。

4 稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 稱重系統(tǒng)的工作原理

該稱重系統(tǒng)中，將壓力傳感器置于傳送帶兩個(gè)固定托輥的中點(diǎn)，當(dāng)原料下落時(shí)，它可測(cè)出該區(qū)段每單位長度的載荷值q，該值乘傳送帶速度v即為原料的流量。則在時(shí)間T內(nèi)的原料累積量可以用積分式 表示，式中：W——時(shí)間T內(nèi)的原料累積量，kg；T——原料壓力傳感器的時(shí)間，s；q（t）——單位長度的傳送帶上原料重量，kg/m ； v（t）——傳送帶的速度，m/s 。

4.2 稱重電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓力傳感器采集的信號(hào)是mV級(jí)小信號(hào)，設(shè)計(jì)選用的壓力傳感器傳來的動(dòng)態(tài)稱重信號(hào)是0～30mV范圍，不能直接被PLC讀取，需要經(jīng)過外加放大電路處理，將其轉(zhuǎn)化為0～10V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)電壓放大，采用LM324系列器件帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器，其轉(zhuǎn)化后的0～10V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器（EM235模擬量輸入模塊）將模擬量（電信號(hào)）轉(zhuǎn)換成可以直接輸入PLC模塊的數(shù)字信號(hào)，最后將這些數(shù)字信號(hào)傳入PLC計(jì)算分析比較，如果輸入量達(dá)到預(yù)先設(shè)定值，則控制氣缸動(dòng)作，關(guān)閉落料口。

4.3 PLC與軟件

本設(shè)計(jì)采用的PLC為SIEMENS S7-200系列中的CPU224，外掛EM235。CPU224集成14輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)。其編程軟件為STEP7-Micro/Dos，在PC上位機(jī)安裝此軟件，與PLC進(jìn)行傳輸，可方便改變PLC的動(dòng)作指令，例如更改配料比例和配方，均可通過調(diào)整編程，快速改變裝置的落料方式。

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