一種動態檢重秤的設計

王寧，丁冬梅

(1.中國石油大連潤滑油分公司，遼寧 大連 116031；2.中國石油大連潤滑油研究開發中心，遼寧 大連 116031)

0 引言

動態檢重秤是在全自動生產線實時運行條件下對產品動態稱重，并根據稱重結果對產品進行自動分類的設備。本文以潤滑油200 L灌裝線在線動態檢重秤為題進行規劃設計，指標要求如下：

(1)成品潤滑油200 L桶重量為185.3 kg,企業允許的偏差范圍為(185.3±0.3) kg，本文設計的動態檢重秤的偏差要控制在±0.1 kg范圍內。

(2)可對灌裝線上的成品200 L桶進行實時檢重，當重量超過允許的上限值和下限值時，能自動將其從生產線上篩選或剔除出去同時發出聲光報警信號。

(3)動態檢重秤的檢重速度要達到120桶/小時。

(4)可將稱重數據及時地反饋給灌裝機控制器，進而調整灌裝量，節省原材料，為企業的成本控制和精細化管理提供技術保障[1]。

1 動態檢重秤組成及工作原理

動態檢重秤由輸送機、稱重傳感器、稱重顯示控制器、控制系統、剔除裝置組成。輸送機放置在稱重傳感器的秤臺上，輸送機由電動機、減速器和輸送輥三部分構成[2]。動態檢重秤配置如圖1所示，控制系統結構如圖2所示。

圖1 動態檢重秤配置示意

圖2 動態檢重秤控制系統結構

2 動態檢重秤硬件設計

本文硬件設計包括硬件選型、電氣主回路設計、控制回路設計、PLC的I/O點分配。

2.1 硬件選型

本文根據滿足生產需要、性價比高、可靠性強、留有一定裕量的原則對設備硬件進行選擇，如表1所示。

表1 硬件設備

表1(續)

2.2 電氣主回路設計

動態檢重秤主回路如圖3所示，主要包括：斷路器、接觸器、浪涌保護器(SPD)、隔離變壓器、開關電源、PLC、皮帶輸送機、稱重顯示控制器等。系統通過QF1開關接通，主電路各設備接通得電。由于是交流三相供電，供電電壓為380 V，但系統的PLC輸入控制回路、觸摸屏、中間繼電器需要提供直流24 V電壓供電，因此需通過開關電源提供24 V直流電源供電。PLC電源管理由隔離變壓器后220 V交流和開關電源供電。

圖3 電氣主回路

2.3 控制回路及PLC的I/O點分配

根據控制原理，合理地分配輸入、輸出(I/O)點及中間寄存器地址，如表2～表4所示。控制回路由PLC主機、中間繼電器等組成。整個控制系統可依靠切換開關實現對動態檢重秤的自動及手動控制，兩種控制方式互為備份，保障了控制系統的安全。PLC主機控制回路接線，如圖4所示。

表2 數字量輸入地址分配

表2(續)

表3 數字量輸出地址分配

圖4 PLC主機控制回路接線

表4 中間寄存器地址分配

表4(續)

3 動態檢重秤軟件設計

3.1 觸摸屏程序設計

首先借助Vijeo Designer編程軟件對觸摸屏畫面組態設計，編輯工藝界面、手動界面、報警界面等，如圖5～圖7所示。然后通過筆記本電腦與施耐德GXU3512觸摸屏通訊接口將編制完成的“文件”下載至觸摸屏處理器中，并建立觸摸屏與PLC之間的通信[2]。組態畫面包括當前重量、系統的啟停、累計桶數、累計重量、皮帶運行時間等參數設定。

圖5 編輯“工藝界面”

圖6 編輯“手動界面”

圖7 編輯“報警界面”

3.2 PLC程序設計

3.2.1 硬件組態、主程序設計

施耐德 TM218LDA16DRN PLC作為本文控制系統的中樞，依據圖2所示控制流程，利用So Machine M218 v2.0.31.45編程軟件進行硬件組態和稱重顯示控制器組態設定，如圖8、圖9所示。編寫控制梯形圖，如圖10～圖12所示，實現：皮帶輸送機啟停及相應的邏輯控制；實時檢重、超偏差剔除、故障提示及報警；設置必要的保護控制[3]。

圖8 控制系統硬件組態

圖9 Ind131稱重顯示控制器組態設定

圖10 主程序

圖11 控制程序1

圖12 控制程序2

3.2.2 程序的上傳下載及系統調試

(1)設定變量。變量是觸摸屏功能區與施耐德PLC的I/O點聯系的橋梁，借助變量觸摸屏可實現對PLC的參數輸入、功能控制和輸出PLC當前值等功能，如圖13所示。

圖13 變量設定

(2)程序下載至PLC。設置通信端口，建立PLC與電腦之間的通信，將編程完成的PLC程序下載至PLC中，通過程序狀態功能和仿真軟件進行程序測試，發現問題及時修改程序。Modbus主站、從站配置如圖14、圖15所示，串行線路設置如圖16所示。

圖14 Modbus主站配置

圖15 Modbus從站配置

圖16 串行線路設置

(3)在PLC軟件調試正常和觸摸屏組態軟件編制結束后，整個系統進行聯合調試。對現場稱重信號、位置檢測信號、反饋信號和所有電機按實際控制要求進行模擬運行，檢測整個系統的運行和性能能否滿足設計要求。當一切測試正常后，還要進行模擬故障報警情況的測試，所有測試數據鏈均正常后，系統調試完成。

4 抗干擾分析提高檢重秤的精度

4.1 影響動態檢重秤精度的主要要素

(1)所稱量產品的體積、目標重量及輸送速度等。本文稱重的為200 L桶潤滑油晃動較小，輸送速度為120桶/小時，與灌裝線速度及稱重控制儀表速度匹配。

(2)所選擇的稱重傳感器及稱重控制儀表精度。本文選擇的是梅特勒托利多的稱重傳感器及控制儀表，精度達到0.1 kg。

(3)所處環境的溫度、濕度、地面振動及空氣流通度。動態檢重秤安裝于車間一層，地面平整，環境溫度、濕度穩定，地面振動較小。

4.2 抗干擾分析

本文硬件上在設備選型和線路設計充分考慮抗干擾，主要采取的措施：

(1)電磁屏蔽。本文通過三項措施進行電磁屏蔽：控制電纜采用帶屏蔽的雙絞電纜；敷設在帶蓋的鍍鋅碳鋼匯線橋架內且橋架間有良好的電氣連接；控制電纜保持與電力電纜的平行鋪設距離大于600 mm以防止外界電磁干擾。

(2)接地抗干擾。本文采用將所有信號回路通過導線引至一個公共接地點接地。信號地與電源交流地必須分開，信號電纜的屏蔽地與PLC系統設備地共用，縮短接地線長度，按照標準規范使用接地線及端子。

(3)防雷抗干擾。本文通過電纜外層屏蔽、合理布線、安裝浪涌保護器(SPD)這三種保護措施進行防雷抗干擾[4]。

5 動態檢重秤測試與性能評價

動態檢重秤調試完成后，依據《JJG539-2016年數字指示秤檢定規程》使用檢定合格的200 kg標準砝碼進行了兩周的運行測試，采集了10組、40個測量數據進行統計分析，如表5所示。動態檢重秤測量精確，運行速度與灌裝線匹配，抗干擾能力強，完全符合工藝技術要求且設定操作簡便。

表5 動態檢重秤測試數據分析

本文從動態稱重設計入手，通過施耐德PLC在動態檢重秤中的應用，實現了潤滑油200 L成品桶的100%在線稱重，比傳統定時人工抽檢效率提高10倍，節省了人工成本，特別是大桶重，人工很難搬運，在線實時稱重優勢明顯；可將測量數據反饋至灌裝機，實現自動調整灌裝量，大大節省成本；借助網絡可實現對生產線產品重量實施遠程監控，提高企業的信息化水平，值得普遍推廣。