颗粒物料定量称重灌装控制系统设计方案.docx
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颗粒物料定量称重灌装控制系统设计方案
颗粒物料定量称重、灌装控制系统设计方案
1绪论
1.1包装机械的发展现状及现实意义
现代包装技术日益向着高度机械化和自动化方向发展，最初，在包装领域中所应用的第一代包装机械——DubbedGen1，结构简单，是纯机械性的。
由一台电机带动直线轴转动，并通过凸轮产生动力。
采用可编程控制器（PLC）的控制系统，结构也很简单，由操作人员直接控制机器。
在大部分情况下，还没有采用人-机互动技术（HMI）。
之后，出现了第二代包装机械。
此技术诞生于十年前，包装机械仍采用传动轴驱动，只是结构更复杂一些，因为由伺服电机来控制速度，所以可以向一些特殊的动作发出指令，而且也采用了更为复杂的PLC可编程逻辑控制器。
第二代包装机械的可调性更好，但这一优点却需要付出更高的费用。
这些费用包括更多的线路布置、更多的PLC可编程逻辑控制器输入/输出（I/O）装置，这些装置庞大而复杂，有更多的传感器和程序控制，甚至还包括更多的外围设备,而且对于故障的排除和处理也更加困难。
近年来，国内包装机械从技术、设计和制造等方面发展较快，从前期的由国外引进先进设备和技术并在此基础上进行消化吸收，到自行设计制造生产出较为先进的电子秤称量微机控制的各种型号种类的包装机，基本满足了国内各行业散状物料产品包装的需要。
但开发研制经济实用的颗粒物料称重式包装机也是非常适时和必要的。
随着社会经济、技术的快速发展，产品定量精度要求更加严格，产品规格种类繁多，颗粒物料定量称重、灌装类设备需求量日益增加。
相比之下，农产品的包装机械发展稍有不足，包装速度和精度偏低是阻碍其发展的主要原因。
本课题根据这一要求并结合谷物生产的实际情况,研制了颗粒物料的自动定量灌装控制系统,对如何提高灌装速度和称量精度提出了改进方案。
1.2颗粒物料定量灌装控制系统的研究意义
随着市场经济的完善和发展，商品流通的深度和广度进一步扩大，包装工业在国民经济中的作用和地位越来越高。
商品包装是一个新兴的行业，是在商品经济日益繁荣，市场竞争日趋激烈的新形式下，逐步成长起来的。
在商品流通中,人们对粉状、颗粒状小袋商品的包装要求主要有两个方面,一是要求包装美观,以便吸引顾客,并保证商品在流通环节中包装袋不出现任何形式的破损。
其二是要求包装袋内的商品计量准确,误差小（包装行业标准要求计量误差小于5‰）,以维护商品生产厂商的信誉、形象。
因此商品包装的精确计量,是包装行业时刻关注的一项重要课题。
本设计中采用电子称重仪表进行称重，显示物料的重量值，并以称重传感器的输出信号为判断依据，二者结合完成物料的定量称重,同时用PLC来控制系统灌装动作顺序，并配以相关的执行驱动器件，实现了颗粒物料喂料、定量称重、半自动灌装等环节的电气系统的控制。
设计中阐述了具体的设计方案，并通过控制系统的电气图设计、元器件的选型和PLC整体控制的设计并编写控制程序等几部分，实现自动称重、定量给料等工作过程的自动控制。
在物料灌装过程中，能自动实现夹袋、喂料、称重和松袋的加工操作过程，产品结构简单、操作方便、灌装速度快、精度高、工作稳定可靠，可用于大米等谷物类和化工产品等行业内松散态颗粒物料的连续定量灌装。
1.3包装机械的设计任务
1.3.1包装机械的发展方向
从发达国家生产的包装机械水平来看，当代包装机械的发展动向具有以下几个特点：
a.提高包装机械系列化、标准化和通用化水平，建立组合化、机电一体化的现代包装机械的结构体系仍是今后的一个重要的发展方向。
包装机械发展到今天，其系列化、标准化和通用化水平不断提高。
有些国家生产的包装机，通用件、标准件约占整机零部件的70%，有的高达90%，产品更新的速度很快。
b.包装机械日趋高速化、自动化和联合化。
机械设备的高速化是实现社会高速发展的根本措施，是提高设备生产率的主要途径，故包装机的工作速度是衡量其性能优劣的重要指标。
包装机械的高速化，随之对相应设备的联动化和自动化提出了更高的要求。
c.重视高新技术的应用，使包装机械的功能日趋先进可靠。
而针对本课题而言,定量称量灌装式设备，其发展方向为，发展各种形式的称量灌装设备，着力提高灌装速度和精度以及稳定性和可靠性，并与自动包装设备配套。
1.3.2包装机械设计存在的问题
称重计量包装机由于包装机械动作复杂而频繁，执行元件比较多，若采用传统的继电器控制电路会导致设备的故障率高、动作不准确、包装质量不稳定、灌装精度低、停机维修时间多等弊病。
因此，研制和发展包装机时，重视高新技术的应用，是提高其先进性、可靠性的主要途径。
另外，跟国外包装机械设计水平相比，我国的包装机设计虽然品种繁多，但是其适应面窄，基本上只是针对单一品种单一定量的产品包装，面对品种繁多的商品自动化包装要求，跟不上包装形式，同时，由于其标准化、通用化水平低，其生产成本相对偏高。
这些都是需要在以后的包装机设计中着力解决的。
1.4颗粒物料定量灌装控制系统的设计任务
1.4.1主要构思
简单介绍：
设计中采用称重仪表进行称重，显示物料的重量值，并以称重传感器的输出信号为判断依据，称重仪表和称重传感器配合完成物料的定量称重,同时用PLC来控制系统灌装动作顺序，并配以相关的执行驱动器件，实现了颗粒物料喂料、定量称重、半自动灌装等环节的电气系统的控制。
喂料系统、称重系统、夹袋排料系统由PLC控制喂料电磁阀、排料电磁阀和夹袋电磁阀的通断，从而利用气动系统驱动料斗阀门的打开与关闭和物料袋子的夹紧与松开。
1.4.2主要工作任务及技术参数
一、工作任务
a.确定灌装机电气控制的总体设计方案；
b.完成电气控制系统设计，绘制相关电气图；
c.完成元器件的选型；
d.编写PLC控制系统程序；
e.整理设计资料，撰写毕业设计说明准备答辩工作。
二、灌装机的主要技术参数
·灌装物料：
松散态颗粒物料；
·灌装精度：
±0.2%（动态）；
·灌装速度：
3～4袋/分钟，（灌装10kg和5kg的速度可达4～8袋/分钟）实际灌装速度取决于供料速度及人工的操作速度；
·灌装重量：
5kg～10kg可调和10kg～25kg可调；
·温度湿度：
0～40℃85%；
·电源：
AC220V±10%50Hz；
·气源：
P≥0.6MPaQ≥0.9m3/h；
·外形尺寸：
720×670×1980mm
2总体方案设计
2.1灌装机的工作原理及特点
2.1.1灌装机的工作原理
定量称重灌装机工作原理在于，需要给定灌装规格，根据需要设定的称重值，将灌装重量值与设定称重值作比较，进行灌装。
本系统以称重传感器的输出信号为判断依据，利用PLC实现对颗粒灌装机的控制,实现物料的自动定量灌装。
其基本工作过程分为夹袋-喂料-称重-排料四个阶段。
此类灌装机适用于灌装流动性较好的颗粒状物料，如大米、小麦、尿素、玉米、饲料、白糖等，并且受外界环境影响小，灌装精度高，性能稳定。
其工作原理框图如图2-1所示。
图2-1工作原理框图
2.1.2灌装机的特点
Ø主体结构由供料装置、称重装置、夹袋装置、机架、数控主板和气压传动系统组成。
Ø供料装置采用了多次喂料的供料方式以保证灌装过程的稳定、准确。
Ø计量装置采用了日本AD公司的电子称重式计量装置，确保了灌装的高计量精度。
Ø具有高速A\D转换和优异的数字抗干扰性能。
Ø灵活的功能选择和设置，可随时显示皮重、目标重量、累计袋数和累计重量等。
Ø操作简便。
设备由按钮启动后即可投入自动喂料、称重、卸料操作，操作人员只需做袋套、按夹袋开关、封袋口三种操作。
Ø具有应急功能，可通过“停止”按钮使机器紧急停机。
Ø具有料位检测功能。
当料位低于规定高度时，机器自动停止灌装；待料位达到规定高度时，又自动恢复连续定量灌装。
Ø遇有特殊情况，具有“手动排料”功能。
2.2灌装机的控制系统构成
本系统主要有主控单元、电子称重计量单元两大部分组成。
主控单元是由PLC及其相应的控制执行回路组成，主要实现了定量称重包装系统各个工序的自动控制功能。
电子称重计量单元是由称重仪表和称重传感器及相应的测量构成，实现了颗粒物料的称重分包和单包装质量数字显示。
2.3总体方案设计
在物料灌装过程中，要自动完成夹袋、供料、称重和排料等加工操作，所以由图2-1所示，本设计产品的主体结构由供料装置、称重装置、夹袋装置、机架、气压传动系统组成，由PLC控制整个系统动作顺序。
2.3.1控制系统方案设计
（1）根据灌装机的工作原理确定总体方案的设计，本设计从电气控制及机械结构方面都将称重过程分为两个阶段，即快喂料阶段和细喂料阶段。
快喂料阶段保证称重的速度，细喂料阶段保证称重的精度。
采用两次喂料的供料方式来保证灌装过程的稳定、准确。
系统控制图如图2-2所示：
图2-2系统控制图
（2）设备主控面板上设置运行启动按钮、停止按钮、夹袋按钮和手动排料按钮，由启动按钮启动后即可投入自动喂料、称重、夹袋排料等加工操作过程，操作人员只需按夹袋按钮，如遇到该袋称重不准或其它原因的需要单独排料时，按“手动排料”按钮、停止按钮即可。
（3）灌装机的电气控制主要由PLC来控制，在称量斗两端安装称重传感器，称重传感器输出信号给PLC,PLC控制电磁阀的通断,粗喂料阀门和细喂料阀门由电磁阀控制，通过气动系统在气缸作用下打开为排料，关闭为进料和称量。
另外在供料斗上安装料位传感器，来检测料斗中物料的位置，即当料位低于规定高度时，机器自动停止灌装；待料位达到规定高度时，又自动恢复连续定量灌装。
（4）称重装置采用日本AD公司的电子称重式计量装置，具有设定、置零、去皮、净重/毛重、输入、退出、紧急停止、置零清除、皮重清除、累计清除等显示功能，确保了灌装的高计量精度。
按“运行”按钮键，称重仪表接收该运行信号后开始工作,PLC发出排料启动信号给称重仪表请求排料,称重仪表接收到信号后，发出排料信号，系统进行排料。
称重仪表发出排料完成信号给PLC,PLC接收到该信号后，系统发出松袋信号，同时发出下一袋称重运行信号给称重仪表，开始下一袋的自动称重过程。
PLC接到停止信号后，就中断程序的运行，发出停止运行指令给称重仪表，让称重仪表停止工作。
总之，控制系统的设计具有良好的人机交互界面，通过按钮可选择几种生产线上常见的颗粒物料种类和灌装目标值,并通过修改程序实现其它品种的自动灌装。
本系统通过称重仪表实现了称量结果的动态显示。
2.3.2控制电路图设计
给系统上电：
两相AC380V经过空气开关保护后、经变压器转化为AC220V，给称重仪表、PLC提供电源，同时AC220V经过开关电源转换成DC24V，为传感器、电磁阀等提供电源。
2.3.3PLC整体控制设计
可编程控制器是在机电一体化产品中应用范围极广，发展非常迅速的工业自动化装置，具有工作可靠、可与工作现场信号直接输入输出连接、组合灵活、编程容易、安装简单、维修方便、运行迅速等特点。
在工厂自动化（FA）和计算机集成制造系统（CIMS）内占重要地位。
今天的PLC功能，远不仅是替代传统的继电器逻辑。
目前PLC在各行各业中己得到了广泛的应用，产品有从可以控制几十点小型PLC到上千点的大型PLC，而且其总线与网络能力越来越强，可方便地与上位PC机组成控制系统。
PLC采用了计算机技术，其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中，要改变控制逻辑只需改变程序，因而很容易改变或增加系统功能。
系统连线少、体积少、功耗小，而且PLC所谓“软继电器”实质上是存储单元的状态，所以“软继电器”的触点数量是无限的，PLC系统的灵活性和扩展性好。
而且，PLC采用集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，定时范围宽，用户可根据需要在程序中设定的定时值，修改方便，不受环境的影响，且PLC具有计数功能，而电器控制系统一般不具备计数功能。
另外，PLC还具有自诊断功能，能查出自身的故障，随时显示给操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。
本设计采用PLC控制系统的夹袋-喂料-称重-排料的整个操作过程的动作顺序。
设计中包括PLC的选型、I/O点分配表及外部接线、根据工作流程编写PLC梯形图等。
3电气控制系统设计
3.1元器件的选型
3.1.1称重仪表的选型
称重仪表一般由模拟电路和数字电路两部分组成。
模拟电路包括电源、前置放大器、滤波器、A／D转换等；数字电路包括主处理器、辅助处理器、各种存储器、键盘和显示器等。
根据仪表的功能和灵敏度本设计可以采用日本著名厂商AND公司最新推出的高性能称重仪表AD-4401，它是当今世界上具有优良性能价格比的称重控制器。
该表采用最新技术，它不仅汇聚了同类产品的优点，而且增加了许多重要功能，更加适合用户需要，广泛应用于定量包装秤、失重秤、流量秤及配料控制系统。
其特点和规格参数如下：
一、主要特点
1）每秒100次采样处理速度；
2）A/D内码百万个，显示分辩1/16000；
3）采用内码（外码）比较监控称重配料更准确；
4）自动落差控制、模糊控制补偿；
5）自动累积显示；
6）输入输出控制功能用户可编程定义；
7）10台AD4401通过RS422/485与上位机联网；
8）数字校准功能
二、技术性能参数
（1）模拟与A/D转换部分
输入灵敏度:
0.3uv/d；
最大输入范围:
36mv；
零点调整范围:
0mv～20mv；
传感器供桥电源:
10VDC±5%230MA；
非线性度：
±0.01%FS；
A/D分辨率：
1/1,000,000；
A/D采样次数：
100次/秒
（2）数字部分
主显示器：
7段荧光管，13mm高，重量显示：
17位；
辅助显示器：
7段荧光管，7mm高，8位显示；皮重、定量值、累计值、累计次数、设定值；
显示分辩率：
1/16000；
最小分度：
1，2，5，10，20，50；
最大显示值：
999950；
功能键：
设定、置零、去皮、净重/毛重、输入、退出、F；
F用户定义键：
紧急停止、置零清除、皮重清除、累计清除、打印、保持、启动；
输出输入控制（I/O）用户自定义各端子功能：
输入：
14种功能，选6位；
输出：
16种功能选8位；
设定：
键盘设定或设定器设定；
设定内容：
基本功能：
22项；
输出输入：
14+18项；
接口：
3项
（3）接口
标准串行接口（电流环）；
并行BCD/outOP1；
继电器输出OP2；
串行接口RS－422/485OP3；
串行接口RS－232COP4；
设定单元OP5；
模拟输出（4－20mA）OP7
（4）工作条件：
电源：
200～240V50/60HZ；
工作温度：
－5℃～＋40℃；
存放温度：
－15℃～+70℃；
工作湿度：
不大于85%（无结霜）；
外形尺寸：
144（W）×72（H）×197（D）mm；
安装尺寸：
138×68mm
3.1.2传感器的选型
称重传感器被称为电子衡器中的心脏部件，科学技术的飞速发展，由称重传感器制作的电子衡器也已广泛地应用到各行各业，实现了对物料的快速、准确的称量。
特别是随着微处理机的出现，工业生产过程自动化程度化的不断提高，称重传感器已成为工业控制中的一种必需的装置，从以前不能称重的大型罐、料斗等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制，到混合分配多种原料的配料系统、生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等，都应用了称重传感器。
目前，称重传感器几乎运用到了所有的称重领域。
一、称重传感器的选择
称重传感器是一种将质量信号转换为可测量的电信号的转换输出装置，是电子衡器中最重要的检测元件，只有称重传感器将秤体承受的重力准确地转换成电信号后，称重显示仪表才能正确地计算和显示重量值。
1．要考虑称重传感器的实际工作环境
工作环境对称重传感器造成的影响主要有以下几个方面：
（1）称重传感器是一种电子器件，在易燃、易爆环境下工作，一旦发生问题不仅会造成人身、没备伤害，也会彻底破坏电子衡器。
因此，在易燃、易爆环境下工作的称重传感器必须有很好的防爆性能，必须选用专用的防爆传感器，其密封外罩不仅要考虑密闭性，还要考虑防爆强度。
（2）高温会造成传感器外层防护材料熔化、内部焊点开焊、弹性体变形产生附加应力等，同时高温还会使传感器的输出信号产生温漂，造成称重信号的错误和不稳定。
因此，在熔炼、铸造设备附近等高温环境下，必须选用耐高温传感器，并采用隔热、降温和温度补偿措施。
（3）粉尘、潮湿及腐蚀性环境下，易造成传感器弹性体受损和内部短路。
因此，应选用密闭性、抗腐蚀性能高的称重传感器，且防护等级应至少达JIP67级。
2.要考虑称重传感器的适用范围，正确选择传感器形式，称重传感器有多种分类：
（1）按工作原理分类：
电阻应变式、电容式、压磁式、压电式等;
（2）按物理机构分类：
悬臂梁式、桥式、柱式、板式、S形式等;
（3）按弹性体材质分类：
合金钢式、铝合金式等。
3．称重传感器数量和量程的选择
（1）传感器数量的选择
传感器数量的选择需要根据电子衡器的用途、秤体结构、支撑点数（支撑点数应根据秤体的物理结构、取心确定）来决定。
一般来说，秤体有几个支撑点就应选用几个传感器。
但有些特殊的电子衡器（如电子吊秤、机电结合电子秤），应根据秤体特殊结构确定使用传感器的数量。
（2）传感器的量程选择
传感器量程的选择是依据电子衡器的最大秤量、选用传感器的个数、秤体自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定的。
理论上说，传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。
但在实际使用时，由于加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷，因此选用传感器量程时，要考虑诸多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。
传感器量程的计算经验公式:
在充分考虑到影响秤体的各个因素后，经过大量的验证而确定，公式如下：
C＝K0K1K2K3（Wmax+W）/N（3-1）
C—单个传感器的额定量程；W—秤体自重；Wmax—被称物体净重的最大值；N—秤体所采用支撑点的数量；K0—保险系数，一般取值在1.2～1.3之间；K1—冲击系数；K1值是根据以下使用条件确定的：
a）当N个传感器均匀受载，且在无振动、无冲击条件下工作时，K1=1.1-1.3；b）当偶尔有冲击振动的情况时，K1=1.3-1.5；c）当在有重复性的冲击振动条件下进行动态称重时，K1=1.7；当N个传感器不均匀受载时，则根据偏载可能形成的最大载荷乘以上述系数即可；K2—秤体的重心偏移系数；K3—风压系数。
设计中被称重物料净重的最大值Wmax取10kg，秤体自重W估算为10kg，设计根据称体结构采用两个称重传感器，并根据当时的实际情况，选取保险系数K0＝1.25，冲击系数K1＝1.2，重心偏移系数K2＝1.03，风压系数K3＝1.02，确定传感器的量程。
根据传感器量程计算公式（3-1）：
C＝K0K1K2K3（Wmax＋W）/N
可知：
C＝1.25×1.2×1.03×1.02×（10＋10）／2＝16kg
因此，可选用量程为20kg的S型称重传感器（根据安装方式可选STC型传感器，其量程有5kg、10kg、20kg、30kg、50kg、100kg、200kg、300kg、500kg）。
如图3-1所示为STC型传感器，其特点和应用场合如下：
图3-1S型称重传感器（
型号：
STC）
S型称重传感器产品特点：
1）结构紧凑，安装方便；
2）拉、压力均可；
3）综合精度高，长期稳定性好；
4）优质合金钢，表面镀镍；
适用于吊钩秤、机电结合秤、料斗秤、料罐秤、包装秤、配料称重控制、试验机、力的监控及测量。
（3）传感器准确度等级选择
传感器的准确度等级包括传感器的非线性、温度影响、蠕变、蠕变恢复、滞后、重复性、灵敏度等技术指标。
在选用传感器的时候，不要单纯追求高等级的传感器，而是既要考虑满足电子衡器的准确度要求，又要考虑其成本。
对传感器等级的选择必须满足仪表输入的要求。
称重显示仪表是对传感器的输出信号经过放大、A／D转换等处理之后显示称量结果的。
因此，传感器的输出信号必须大于或等于仪表要求的输入灵敏度值，即将传感器的输出灵敏度代入传感器和仪表的匹配公式，计算结果须大于或等于仪表要求的输入灵敏度。
传感器和仪表的匹配公式：
传感器输出灵敏度×激励电源电压×秤的最大称量÷（秤的分度数×传感器的个数×传感器量程）≥仪表的输入灵敏度（3-2）
本设计中称量10kg的定量称重斗，最大分度数为2000个分度；秤体采用2只型号为STC的S型称重传感器，灵敏度为2.0±0.002mV／V，供桥电压为15V；秤采用AD-4401称重仪表。
检验采用型号STC的S型称重传感器能否与仪表匹配。
AD-4401称重仪表的输入灵敏度为0.3μV／d，因此根据传感器和仪表的匹配公式（3-2）可得仪表的实际输入灵敏度为：
2000μV／V×15×10／（2000×2×20）＝3.75μV／d＞0.3μV／d
所以，采用的STC型称重传感器满足AD-4401称重仪表输入灵敏度的要求，能够与所选AD-4401称重仪表匹配。
所选STC型称重传感器的准确度等级如表3-1所示。
二、料位传感器的选择
LS-DCA型射频电容式物位限位开关（下称限位开关）是一种新型的物位仪表。
可对块状、颗粒状、粉末状及液态物料料仓的料位及液位进行控制或上、下
限位报警，适用于高温、高压、强腐蚀、多粉尘的恶劣环境；在冶金、石油、化
工、轻工、煤炭、水泥、粮食等行业中应用广泛,根据设计需要可采用此类功能
的限位开关。
1.工作原理
当传感器安装于仓体上时，探极和仓壁分别相当于电容器的两个极板,由于
表3-1STC型称重传感器的准确度等级
额定载荷（R.C.）
kg
t
5,10,20,30,50,100,200,300,500
1,2,3,5
额定输出（R.O.）
mV/V
2±0.0050
零点平衡
mV/V
±0.018
综合误差
%R.O.
±0.030
非线性
%R.O.
±0.030
滞后
%R.O.
±0.020
重复性
%R.O.
±0.170
蠕变（30分钟）
%R.O.
±0.024
正常工作温度范围
℃
-10+40
允许工作温度范围
℃
-20+70
温度对灵敏度影响
%R.O./10℃
±0.02
温度对零点影响
%R.O./10℃
±0.02
推荐激励电压
VDC
10
最大激励电压
VDC
15
输入阻抗
Ω
380±5
输出阻抗
Ω
350±3
绝缘阻抗
MΩ
>5000
安全过载
%R.C.
150
极限过载
%R.C.
300
弹性元件材料
--
合金钢
防护等级
--
IP65/IP66
电缆线长度
m
3m（5-50kg），5m（100kg-5t）
接线方式
激励
红：
＋黑：
–
信号
绿：
＋白：
–
被测物料的介电常数与空气不同，所以仓内物位发生变化时会引起探极对仓壁间的电容量发生变化，当该电容量大于用户的设定值时，限位开关内的继电器动作，输出一个开关量达到控制（或报警）的目的。
2.主要技术指标
仪表部分：
1）工作环境：
温度-10—60℃/-30—85℃湿度≤90%
2）电源电压：
AC220V±10%50Hz/DC24V
3）功耗：
≤3W
4）输出信号：
一组继电器接点输出（触点
升级会员 