基于施耐德Twido PLC的自動稱重包裝機的控制

曾繁玲

ZENG Fan-ling

（羅定職業技術學院，羅定 527200）

0 引言

在糧食、化肥、飼料等行業中都需要對成品的物料進行定量包裝。稱重包裝技術的發展大致經歷了手工稱量、繼電器控制、稱重儀表控制、PLC控制等幾個階段。而使用PLC控制的裝置具有高可靠性、可編程、易于擴展、具有強大的功能、豐富的的通信方式、適合工業控制環境等優點，成為工業自動控制的首選產品。本文針對粉狀或顆粒狀物質的成品包裝，選用施耐德電氣有限公司的Twido型可編程控制器為控制平臺，能夠完成自動送料、自動稱重下料、自動裝袋、自動計數的過程。

1 自動雙秤包裝機的組成及工作原理

1.1 包裝機的組成

自動雙秤包裝機主要由供料部分、稱重部分、裝料部分和傳送部分組成。供料部分是將成品的物料由傳送設備輸送過來稱量。稱重部分是采用雙計量磅秤進行成品稱量，由A、B秤振蕩器向A秤和B秤秤斗給料，測量物料重量。裝料部分是將完成標準重量的成品物料的裝袋過程。傳送部分是將成品的物料通過傳送設備進行稱量及將裝袋的物料通過輸送帶運走。包裝機的組成原理圖如圖1所示。

1.2 工作原理

自動雙秤包裝機的工作原理流程圖如圖2所示。當傳送設備將成品的物料送來時，A秤和B秤振蕩器起蕩，振蕩器擋板打開，當到達大給料重量時，擋板關閉，進行小振給料，達到預定重量時，停止給料，秤斗打開，經過渡料斗進行放料，再落入袋內，完成一個包裝循環。

圖1 包裝機的組成原理圖

圖2 自動雙秤包裝機的工作原理流程圖

2 控制系統的設計

本控制系統的要求如下：

1）A、B兩秤的控制方案相同。

2）控制系統設置了外部計數功能，可以對包裝機完成的袋數進行統計。同時為了掌握控制器的工作情況，了解其使用壽命，設置了內部計數器，最大的計數值為5000，且設置了計數復位功能。

3）當A秤發生故障時，控制系統會自動切換到B秤稱重；當B秤發生故障時，控制系統會自動切換到A秤稱重。

4）在稱斗控制中，為了防止A、B兩秤斗同時打開，A秤斗和B秤斗之間有有互鎖功能。

2.1 稱重部分設計

在控制系統的設計中，物料定量是物料包裝時的一個重要工序，定量精確與否將直接影響包裝質量。根據物料的物理化學性質、自然形態、包裝規格及銷售、使用習慣的不同，需選用不同的定量方法。常用的定量方法有計數法定量、容積法定量、稱重法定量三種。由于該控制系統是針對粉狀或顆粒狀物質，且要求的定量精度較高，所以采用稱量法定量。

稱量法定量法采用杠桿力矩平衡原理的間歇稱量法。秤的基本組成部分為秤梁、配重主砝碼與微調砝碼、支承座、稱量料斗等，如圖3所示。由力矩平衡原理及m=W/g可得:

W=(W1L1+W2L2+W3L3)/L0-W0

或 m=(m1L1+m2L2+m3L3)/L0-m0

式中：L1表示秤梁重心到支承點O的水平距離；L2表示主砝碼到支承點O的水平距離；L3表示微調砝碼到支承點O的水平距離；L0表示稱量料斗重心到支承點O的水平距離；W表示稱量物料的重力；m表示所稱量物料的質量；W1表示秤梁的重力；m1表示秤梁的質量；W2表示主砝碼的重力；m2表示主砝碼的質量；W3表示微調砝碼的質量；m3表示微調砝碼的質量；W0表示稱量斗的重力；m0表示稱量斗的質量。

對于給定的杠桿來說,稱量料斗質量m0、秤梁質量m1及長度L0、L1都為定量,而主砝碼質量m2、微調砝碼質量m3及L2、L3為參變量,一般稱m2L2為粗調參量, m3L3為細調參量。稱量時，先按計量值m調好m2L2、m3L3，再向稱量料斗加入物料，使秤梁由向右傾料轉至水平狀態。通常利用秤梁的位置變化實現稱重定量的檢測控制，從而達到對稱量過程的自動控制的目的。

為了減少慣性力的影響，常要求給稱量料斗加料分為粗加料、細加料兩個階段進行。這就需要具有高靈敏度的檢測控制裝置加以保證。

圖3 杠桿秤示意圖

2.2 稱量定量檢測控制裝置設計

稱量定量檢測控制裝置采用無觸點檢測控制。無觸點檢測控制裝置應用差動變壓器、光敏元件及電子器件檢測傳感器，對稱量系統的預定稱量程序進行檢測控制，得到相應信號，經電子裝置放大后，自動控制執行機構按要求程序進行稱量工作。其控制的原理圖如圖4所示。這種檢測控制裝置工作可靠，精度高，速度快。

圖4 稱量定量檢測控制裝置

本控制系統的秤斗A1、B1選擇反射式光電檢測開關，A2、B2選取普通光電檢測開關，完全能滿足控制系統的要求。其中反射式光電檢測開關的原理圖如圖5所示。由振蕩回路產生的調制脈沖經反射電路后，由發光管GL輻射出光脈沖。當被測物體進入受光器作用范圍時，被反射回來的光脈沖進入光敏三極管DU；并在接收回路中將光脈沖解調為電脈沖信號，再經放大器放大和同步選通整形，然后用數字積分或RC積分方式排除干擾，最后經延時（或不延時）觸發驅動輸出光電開關控制信號。

圖5反射式光電檢測開關原理圖

圖6 I/O接線圖

圖7自動雙秤包裝機的梯形圖

2.3 傳送裝置設計

控制系統的稱量物料和完成裝袋的物料是由傳送帶來進行傳送，送料傳送帶和出品傳送帶分別由一臺電機來帶動，選用施耐德ATV31變頻器實現電機調速。施耐德電氣公司的ATV31變頻器具有以下優點：1）簡化傳動系統，大大降低故障率，2）提高控制功能，實現控制系統的軟件化。3）使生產的產品質量穩定，通過補償轉矩，防止再啟動和失速等功能，實現不跳閘運行。

2.4 硬件設計

2.4.1 PLC選型

根據上述控制系統的要求和工作原理流程圖分析，該控制系統主要為開關量控制，料門的全部動作由氣缸驅動，而氣缸由電磁閥控制。本控制系統需A、B秤光電開關A1、A2、B1、B2；夾袋按鈕；內部計數器復位按鈕和A、B秤故障開關8個開關輸入量。A、B秤振蕩器；A、B擋板電磁閥；A、B秤斗門電磁閥，夾袋電磁閥8個開關輸出量。但從經濟、維修、性價比和控制系統的擴展性等因素考慮，可選用施耐德Twido PLC系列可編程控制器。CPU的型號為TWDLMDA40DUK（24點輸入、16點輸出），采用24V直流電源供電。

2.4.2 I/O分配表

輸入/輸出（I/O）分配表見表1所示。

表1 I/O分配表

2.4.3 I/O接線圖

I/O接線圖如圖6所示。

2.4.4 軟件設計

所設計的自動雙秤包裝機控制系統的梯形圖如圖7所示。%M1～%M7為A秤的輔助繼電器，%TM1～%TM3為A秤控制的時間繼電器，%M11～%M17為B秤的輔助繼電器，%TM4～%TM6為B秤控制的時間繼電器，%M0為夾袋控制輔助繼電器。

對內部計數程序說明如下：

1）%C0、%C1、%C2為雙向計數器，采用加計數功能，設置值分別為10、10、50，因此，最大計數為10×10×50=5000。

2）計數器利用秤斗門作為加1觸發信號，%M4、%M14分別為A、B秤斗輔助控制繼電器。

3）%I0.5為外部輸入信號，作為計數器復位信號。

3 結束語

用PLC對自動稱重包裝機進行控制，操作簡單快捷，系統啟動平穩，性能穩定可靠，故障率低，具有很好的實用價值。

[1] 張興國.可編程序控制器技術及應用[M].北京:中國電力出版社,2006.

[2] 曾繁玲.施耐德PLC、變頻器入門與應用實訓[M]. 北京：中國電力出版社,2011.

[3] 王永華.現代電氣控制及PLC應用技術[M]. 北京:北京航空航天大學出版社,2003.

[4] 郭湘君,李振亮,李亞.PLC在稱重式自動定量包裝機上的應用[J].微計算機信息,2010,(11).