基于PLC的顆粒狀填充物自動(dòng)稱量及裝入系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化系 孫學(xué)智

1.前言

在工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)顆粒狀填充物進(jìn)行稱重及裝入，是一種常見(jiàn)的生產(chǎn)過(guò)程。有些散裝物料比如說(shuō)火藥，人工填充具有高危險(xiǎn)性。還有石灰，會(huì)產(chǎn)生很大的粉塵，采用人工填充時(shí)，操作人員會(huì)把粉塵吸入肺部，對(duì)人體傷害很大。因此實(shí)現(xiàn)散裝物料自動(dòng)稱量及填充，可以提高生產(chǎn)效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，保證操作人員的人身安全。自動(dòng)稱量及裝入工序是整條生產(chǎn)線上關(guān)鍵而又復(fù)雜的工序。本文介紹了西門(mén)子S7-300型PLC在顆粒狀填充物自動(dòng)稱量及裝入系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)諸如石灰、尿素、火藥等顆粒狀填充物自動(dòng)稱量與裝入，可以廣泛用于石油化工、化肥、飼料、建材等行業(yè)散裝物料的自動(dòng)稱重與包裝。

2.稱量裝入系統(tǒng)組成和工作原理

對(duì)顆粒狀填充物的自動(dòng)稱量分為粗稱和細(xì)稱兩步。首先設(shè)置好要稱量的重量。當(dāng)載有填充筒的輸送車在PLC控制下準(zhǔn)確運(yùn)至該工位后，鎖緊填充筒。②號(hào)蝶閥關(guān)閉，①號(hào)蝶閥完全打開(kāi)，斗內(nèi)的顆粒狀填充物開(kāi)始從①號(hào)蝶閥上面漏到②號(hào)蝶閥上面的空間內(nèi)，空間下面裝有電子稱重天平。當(dāng)天平指示重量為設(shè)置重量的90%時(shí)①號(hào)蝶閥關(guān)閉80%完成粗稱。①號(hào)蝶閥打開(kāi)20%，繼續(xù)漏料當(dāng)電子天平所指示的值與設(shè)置值吻合時(shí)，完成細(xì)稱。PLC會(huì)控制氣動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，使①號(hào)蝶閥關(guān)閉。①號(hào)蝶閥關(guān)閉后系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)（比如判斷填充筒是否夾緊），如果滿足排料條件，②號(hào)蝶閥打開(kāi)，開(kāi)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(nèi)后，②號(hào)蝶閥關(guān)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(jìn)電機(jī)、汽缸、填充筒、夾具、機(jī)械手、和承接平板等組成。其機(jī)械結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵觥．?dāng)有散裝物料稱重時(shí)，電路中電阻應(yīng)變片阻值R1R2R3R4發(fā)生變化使重量信號(hào)轉(zhuǎn)變成電橋輸出的電壓信號(hào)，然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)字量，通過(guò)數(shù)字量輸入模塊送入PLC中。整個(gè)系統(tǒng)電氣控制結(jié)構(gòu)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(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

稱重裝入系統(tǒng)控制采用半自動(dòng)和手動(dòng)控制兩種方式。本系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-300型PLC進(jìn)行控制。S7-300型PLC在工控領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，具有高電磁兼容性、強(qiáng)抗震性、抗沖擊性。可以適應(yīng)許多的生產(chǎn)環(huán)境。S7-300型PLC最大的特點(diǎn)是其模塊化功能，方便用戶掌握。本控制系統(tǒng)主要模塊組成如下：電源模塊PS307；CPU模塊CPU315；數(shù)字量輸入模塊SM321；數(shù)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(jī)實(shí)現(xiàn)通信，還有接口模塊IM365；通信處理模塊CP341其中輸入點(diǎn)13個(gè)。輸出點(diǎn)13個(gè)。預(yù)留輸入點(diǎn)5個(gè)，輸出點(diǎn)5個(gè)。系統(tǒng)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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

稱量裝入系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖所示。該軟件是基于西門(mén)子PLC的開(kāi)發(fā)平臺(tái)STEP7開(kāi)發(fā)完成的S7-300可編程控制器使用STEP7-Micro/WIN32編程軟件進(jìn)行編程。STEP7-Micro/WIN32編程軟件是基于Windows的應(yīng)用軟件，功能強(qiáng)大，主要用于開(kāi)發(fā)程序，也可用于適時(shí)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。加上漢化后的程序，可在全漢化的界面下進(jìn)行操作。本系統(tǒng)采用語(yǔ)句表（STL）開(kāi)發(fā)方式，可以實(shí)現(xiàn)梯形圖不能實(shí)現(xiàn)的功能。類似于匯編語(yǔ)言，由各條語(yǔ)句組成程序。S7-300型PLC的最大特點(diǎn)是模塊化編程。本系統(tǒng)中應(yīng)用模塊功能如表2所示。

在模塊FC220中存放有本系統(tǒng)的主要應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)夾緊，釋放，稱重，填充手動(dòng)，自動(dòng)，報(bào)警等功能，如圖4所示為模塊FC220的流程圖。

本系統(tǒng)中工控機(jī)的控制軟件采用的是WINCC語(yǔ)言，通過(guò)該軟件的編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)人機(jī)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(jiǎn)單、高效的組態(tài)工具，以及直觀、友好的系統(tǒng)。WINCC再一次指明了這一道路。WINCC組態(tài)軟件為實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)，以及將一個(gè)畫(huà)面對(duì)象和一個(gè)內(nèi)部PLC變量相連接是十分簡(jiǎn)便的。一旦將一個(gè)新的對(duì)象放置在畫(huà)面內(nèi)，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)易于編輯的對(duì)話框。WINCC圖形設(shè)計(jì)器能夠使用戶非常簡(jiǎn)單地對(duì)自己所需要的任何對(duì)象屬性進(jìn)行動(dòng)畫(huà)設(shè)定，并且進(jìn)行預(yù)覽。為了保證總體的靈活性，甚至可以用腳本來(lái)增強(qiáng)一個(gè)對(duì)象的功能。如圖5所示為中控機(jī)控制界面。

圖1 顆粒狀填充物稱量及裝入工位結(jié)構(gòu)原理

圖2 電氣控制圖

圖3 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

圖4 FC220模塊流程圖

圖5 稱量裝入系統(tǒng)控制界面

首先在界面設(shè)置稱量重量。在自動(dòng)控制下，操作者可以在控制界面對(duì)稱量裝入系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。觀察指示燈的顏色。①號(hào)蝶閥有三種狀態(tài)：綠色為蝶閥全打開(kāi)進(jìn)行粗稱；半紅半綠為蝶閥不完全打開(kāi)進(jìn)行細(xì)稱；紅色為蝶閥關(guān)閉狀態(tài)。②號(hào)蝶閥有兩種狀態(tài)：紅色為關(guān)閉；綠色為打開(kāi)。填充筒也有兩種狀態(tài)：紅色亮起為鎖緊；綠色亮起為釋放。在界面中還設(shè)置有人工操作按鈕，在特殊情況下實(shí)現(xiàn)人工的手動(dòng)控制。

5.結(jié)論

自動(dòng)稱量裝入系統(tǒng)，是自動(dòng)化生產(chǎn)線中一個(gè)重要工位。采用PLC控制散裝物料稱量與裝入，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。可以推廣到彈藥裝配（裝入火藥），奶粉的生產(chǎn)，尿素包裝等工業(yè)場(chǎng)合，可以提高生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，保證人身安全等優(yōu)點(diǎn)。

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