基于PLC的散料包装称重控制系统设计正文.docx

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基于PLC的散料包装称重控制系统设计正文

哈尔滨理工大学

毕业设计

题目：

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年月日

基于PLC的散料包装称重控制系统设计

摘要

现代科学技术的发展快速，使社会的生产能力不断提高，人们生活水平也不断提高，开始追求更高的标准，所以对产品提出了更严苛的要求。

企业需要在设备上提高自动化，这样可以节省生产劳动力，可以提高工作效率，也可以提高和控制产品的质量，维护企业的信誉。

散料称重包装控制设备大量应用于粮食行业、化工行业、水泥行业等，企业对产品包装称重的要求很严格，准确度必须提高。

散料包装称重技术经历了手工称重方式、继电器控制方式、仪表称重控制方式、可编程控制器控制方式。

现代散料包装称重系统都是用可编程控制器和人际界面共同组成系统，这样可以提高设备自动化程度和设备控制的精度。

本设计详细介绍了称重传感器以及散料包装称重控制系统的工作原理，并对控制系统的硬、软件设计进行了详细的分析。

通过PLC控制称重仪再对称重过程进行控制。

关键词：

称重仪，S7-200PLC，触摸屏

Abstract

Withtherapiddevelopmentofmodernscienceandtechnology,theproductioncapacityofthesocietyhasbeenimproved,people'slivingstandardshavebeenimproved,thepursuitofhigherstandards,sotheproducthasputforwardmorestringentrequirements.Enterprisesneedtoimprovetheautomationoftheequipment,whichcansavelabor,improveworkefficiency,butalsocanimproveandcontrolthequalityofproducts,maintainingthecredibilityofenterprises.Bulkmaterialweighingandpackagingequipmentiswidelyusedinfoodindustry,chemicalindustry,cementindustry,andsoon.Theweighingtechnologyofbulkmaterialpackaginghasexperiencedthemanualweighingmethod,therelaycontrolmode,theinstrumentweighingcontrolmodeandtheprogrammablecontrollercontrolmode.Modernbulkmaterialpackagingandweighingsystemisasystemwhichiscomposedofaprogrammablecontrollerandahumaninterface,whichcanimprovetheautomationdegreeofequipmentandtheprecisionofequipmentcontrol.

Thispaperintroducesthedesignoftheweighingsensorandtheweighingcontrolsystemofbulkmaterials,andanalyzesthehardwareandsoftwaredesignofthecontrolsystemindetail.ControlofresymmetricweightofweighinginstrumentbyPLCcontrol.

Keywords:

weighinginstrument,SiemensS7-200PLC,touchscreen

第1章绪论

1.1散料包装称重系统研究的目的和意义

微型计算机和电子技术的迅猛发展，促进了控制技术和微型计算机测量的广泛应用。

在国家建设重大项目上，航空航天项目一直到民用的电梯，工厂生产系统等都用到微机测控技术。

在工厂生产中的散料包装称重控制系统控制就是典型的微机测控技术的应用。

散料包装称重控制系统包括称重和逻辑控制两个部分设计。

散料计量称重是贸易流通和工业生产中的重要环节。

称重是工业生产中不可缺少的应用功能，也是不可缺少的计量工具。

随着社会日益发展和商品流通的发展，称重仪的作用越来越重要，而且需求量也越来越大。

在以前使用的杠杆式秤明显不能满足现代社会的需要，随着六十年代后的电力电子技术和传感器技术的发展，电子秤越来越重要，技术发展也越来越成熟。

到了七十年代后，微机处理器的出现和发展让电子秤重的技术得到进一步的发展。

现代称重系统中测量精确，人为误差的消除，使用方便快速和功能丰富多样成了主要的特点。

现代称重仪是提供物品重量的重要工具，而且作为商业管理系统和工业控制系统的一个重要组成部分，让工业生产现代化和自动化发展快速，对操作环境进行改善，以人为本，提高了产品的效率和质量，改善了企业经营管理，降低了各种成本和能源消耗。

如图1-1所示，为散料包装称重设备的示意图。

图1-1散料包装称重设备示意图

1.2国内外研究现状及发展趋势

国外研究大致情况：

电子称重技术是集材料、管理、信息、机械、电子、为一个整体的技术，是一项系统的工程。

在相当长的时间，发到国家比较重视电子秤重技术的应用，已经把电子秤重技术提高到设备制造的高度来重视。

所仪将研究的重点转移到生产过程的称重控制系统和自动化控制领域，让计量功能不断发展，从单项的计量扩展到控制系统的应用。

世界上重要的包装机械出口国，如法国、意大利、美国等，他们也是称重控制设备的主要出口国家，每年的出口总额也我国的工业工业年产值差不多。

主要原因是在电子称重系统和电子秤重控制器的产品生产研究和设计，在不断吸取现代最新科技。

特别是先进的工艺和制造技术。

从60年代初的机电结合式电子秤重控制器出现以来，不断改善和创新。

国内的研究在50年代中期就开始发展，应用电子技术，在六十年代结合型机电发展到现在的数字智能型电子秤重控制器，我国的称重控制器研究和检测方法基本达到了国际的水平，电子称重控制器的制造和应用也得到了发展。

电子秤重技术重点向动态称重发展，计量方法也从开始的模拟量发展到现在的数字量，测量的特点从单参数测量向多参数测量发展，特殊设备是对快速称重和动态称重的方法研究。

总体上说，我国的电子秤重控制产品数量和质量都还有明显的差距，主要的差距是技术和工艺有待提高，工业设备和测试设备开发不足，品种较少，功能也不完善。

1.3散料包装称重控制系统的控制要求

散料包装称重控制系统在运行过程中，散料包装称重控制系统由可编程控制器进行信号采集和控制输出，散料给料方式采用二级给料方式，在粗给料时，给料流量大，用短时间加入额定重量的90％～95％，在细给料时，给料流量小,为额定重量的5%至10%，由于细进料门有机械动作过程，为保证给料精度，在给料量达到98%时开始关闭细进料门，而不是等到达到100%才关闭细进料门，这样这样即可保证速度,又可保证精度。

控制系统每次称量工作前，都测试称斗的净重，以消除由于物料粘附在料斗内壁而引起的误差，停机时设置相应的处理功能，保证停机排空称斗内物料。

要保证在下次运行的时候料斗内没有散料，要尽量避免散料在长时间的停留下凝结在料斗壁上。

在细加料的结束后，等待散料稳定后才能进行检测称重，这样得到的误差可以循环进行补偿。

散料包装称重系统的电机转速可以进行单闭环控制，达到散料包装称重的准确目的。

1.4散料包装称重控制系统的设计任务

为了做好散料包装称重控制系统设计任务，在大量阅读资料的基础上，对资料进行整理，得出散料包装称重控制系统的总体设计思路，沿着总体设计思路画出主电路，控制系统图；设计好可编程控制器的I/O地址，并设计系统控制的程序流程框图；根据程序流程框图设计该系统的控制梯形图。

并对系统进行实验调试和修改，顺利完成本论文所有设计工作。

第2章散料包装称重控制系统总体设计

2.1散料包装称重控制系统的工艺流程

散料包装称重控制系统由可编程控制器进行信号采集和控制输出，散料给料方式采用二级给料方式，在粗给料时，给料流量大，用短时间加入额定重量的90％～95％，在细给料时，给料流量小,为额定重量的5%至10%，由于细进料门有机械动作过程，为保证给料精度，在给料量达到98%时开始关闭细进料门，而不是等到达到100%才关闭细进料门，这样这样即可保证速度,又可保证精度。

散料包装称重控制系统在称重的工作之前，都要测试料斗的重量，这样就可以消除散料粘在料斗上壁，引起的称重误差，在设备停车时，就要对此误差造成的因素进行相应的处理，要保证料斗内没有物料。

细加料信号完毕后，待其稳定进行实测，以便得到误差，以使下一个循环进行补偿校正。

工艺流程图如图2-2所示。

图2-2散料包装称重系统工艺流程图

由工艺流程图可知系统功能为：

（1）、对物料重量实现自动控制，其设定值在触摸屏上；

（2）、放料工作完成后，要进行称斗的净重检测修正；（3）、对称量误差进行自动补偿；（4）、自动包装和系统应该设置有相应的故障检测、报警信号。

系统工作原理：

称量工作开始，当储料斗中物料足够，在重力的作用下进入重力供料装置，PLC控制器控制储料斗大、小进料阀均完全打开料门进入大（粗）给料状态。

当到达给定大给料重量（设定阈值如90%要求重量）时，关闭大进料阀，进入小（细）给料状态，达设置重量时，关闭小进料阀门，达称量斗稳定（可以设置比较环节程序或延时来实现），称量工作完成。

并且卡袋机构卡紧时，卸料门打开，物料进入放料斗，再落入袋内，延时（设定一时间根据料来确定，通过程序来处理，可灵活实现）关闭，释放夹袋并关闭卸料阀，并打开皮带传送系统，完成一个包装循环，并传送到下一环节。

2.2散料包装称重系统用称重仪控制原理

图2-3散料包装称重系统图

本控制系统采用托利多B8520称重仪，此称重仪有四种称重模式分别是：

无斗模式、PLC模式、有斗模式、散粮模式。

根据工厂需要本系统采用有斗模式，该模式的称重过程将在称量斗中完成，当称量完毕后，在夹袋信号到位后，控制器将完成包装过程。

在放料后，可由控制器进行拍打振实等功能。

图2-4有斗称重模式时序图

从时序图中可以看出只要IN8口采集到斗门关闭产生的一个上升沿信号，称重控制器依次发出慢进料、中进料、快进料，同时设置延时时间，当IN3口收到夹带请求，称重控制仪依次发出放料、拍打、夹带输出控制。

PLC部分要实现的控制很少，只有启动、关闭、急停、读取毛重净重、写入目标值等，这无疑给编程带来极大方便，自动化程度得到提升。

该工作流程图如图2-4，方案采用三速加料，一般称重仪市场价格差不多，所以本方案采用PLC控制托利多B8520再通过托利多B8520控制执行机构。

图2-5控制流程图

2.3散料包装称重控制系统的总体设计思路

散料包装称重控制系统主要由配料称重仪、仪表控制柜、低压开关柜、现场操作盘以及工业控制的计算系统及设备监控系统软件几部分组成。

1）配料称重仪

称重仪器对经过散料的料斗物料进行连续称量和自动累计，此配料称重仪具有运输、计量功能。

称重部分的工作原理是采用电阻应变式，多托辊杠杆式结构。

在实际工作时，控制放料电磁阀，通过调节电磁阀来改变散料流量。

2）仪表控制柜

仪表控制柜主要包括各种各样的仪表，重点是称重仪表。

仪表重点接受称重传感器的模拟量信号，根据信号通过系统计算出流量和累计量，并将流量信号以0～10伏模拟电压的形式送给PLC，PLC将重量信号与机内设定值比较后，根据一定的控制规则输出0～10伏调节信号，控制现场放料电磁阀，从而构成单机闭环系统，达到控制某种物料流量的目的。

3）低压开关柜

低压开关柜配置有断路器、电流互感器、电压表、刀开关、电流表、隔离变压器等器件为各控制柜和配煤系统动力部分提供电源，同时检测动力电源部分的相间电压和线电流。

4）现场操作盘

配煤系统电机的现场控制部件，装有控制按钮、指示灯，可在机旁对现场皮带机和给料设备的启停进行控制、指示PLC对电机的命令状态。

第3章散料包装称重控制系统硬件设计

 该系统主要为开关量控制，料门的全部动作由气缸驱动，而气缸又由相应的电磁阀控制。

通过对托利多B8520IN1口输入电平的控制来实现手动控制和自动控制切换，当IN1口为高电平时系统启动工作，当为低电平时系统停止工作并进入手动控制状态。

手动操作要求用按钮对机器的每一步运动单独进行操作控制。

自动操作要求按一下自动/手动选择开关，机器自动地、连续不断地周期性循环。

在工作中若按下停止按钮，则机器继续完成一个周期的动作，回到初始状态后自动停止。

控制系统框图如图3-1所示。

图3-1控制系统框图

 3.1S7-200PLC原理及选型

3.1.1PLC的概况

随着科技的不断进步，PLC的性能也飞速增强，其应用和研究现状主要在以下方面体现:

1.控制规模的扩大，控制大型机的规模越变越大，开关量高的达到了几万。

2.组成模块的增多，现在PLC己经新增了很多模块，如PDI控制、温度以及运动模块等等。

3.在PLC的发展过程中，制造商为了垄断和扩大各自市场，都各自发展自己的标准，开放性和互操作性大大发展，各厂商都意识到开放是发展的一个趋势，，并形成了长时期的妥协与竞争。

4.工作速度的提高可以对系统实现实时控制。

5.联网的能力增强，由于通信、信息及控制技术的大力发展，联网也得到了的发展，己经可以实现的远程控制。

3.1.2PLC的特点

1）可靠性高，抗干扰能力强

　　高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

2）配套齐全，功能完善，适用性强

3）体积小，重量轻，能耗低

以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。

由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

3.1.3PLC的应用

1）PLC开关量的逻辑控制

　　这是PLC开关量的逻辑控制是基本的控制方法。

它可以实现各种逻辑控制工艺，顺序控制工艺以及其他自动化生产线控制工艺等。

PLC的开关量逻辑控制基本取代了接触器-继电器电路，广泛应用于各行各业，如注塑机、订书机械、机床、仓库生产线、灌装流水线等。

2）PLC模拟量控制

　　由于自然界存在许多连续变化的物理量，比如压力、温度、流量、液位等都是模拟量。

要将模拟量转换为数字量，才能在程序中进行计算和处理，将处理的结果转换为模拟量。

3）PLC数据处理

可编程控制器具有各种各样的计算方法，便于完成实际数据处理，数据传送和转换等，可以对数据进行采集和分析处理，具有很明显优势。

4）PLC过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。

作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。

PID调节是模拟量闭环控制系统中，使用很频繁的调节方法。

可编程控制器具有专用的PID子程序。

5）PLC通信及联网

　　PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。

随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。

新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

PLC由三个基本部分组成：

外部输入采样单元、内部逻辑计算处理单元、处理结果输出执行单元。

可编程控制器的结构框图如图3-2可知。

可编程控制器的I/O输入单元包含主令按钮、限位开关、检测器等外部输入主令接口，

可编程控制器在对外部I/O输入单元收集的各种逻辑信号和模拟量采样数据，以及主令台的各种命令等信息进行储存和处理。

可编程控制器根据所设计的程序对这些输入信号进行处理计算，并将结果通过输出单元进行输出。

通常下都是输出给继电器，继电器通过动作来控制外面的执行单元。

可编程控制器可根据外部工程需要建立通讯控制，通过通讯可以将某执行机构的具体数据进行采样和监控，并计算和输出。

如图2-2所示，可编程控制器的原理框图。

由图可知，外部输入变量都有开关量，模拟量，通讯接口传送的变量数据，以及编程执行器等。

编程工具一般就是电脑设计的编程软件，我门可以根据编程软件对可编程控制器进行硬件组态设计，输入输出点的分配设计，程序编写设计，可以通过在线连接进行监控，通过监控可以调试程序，并修改程序。

当可编程控制器启动运行后，我们可以根据外部动作情况来判断程序的错误和需要完善的地方。

这也是现场调试工程师必须具备的技能。

可编程控制器编程软件都是各自厂家自主研发的，对这些软件必须学习，了解指令含义和编程原则，技巧等。

我们在编程时，一般要对系统进行总体设计，总体设计可以保证编程的思路清晰，明朗。

总体设计完后进行分布设计，对各种功能实现进行单独编程，有必要的时候对程序进行模块化设计，节省编程空间和时间。

分布设计完毕后，就进行系统的调试阶段，在调试时，首先必须对系统调试步骤进行了解，对系统工艺进行了解，以免调试时出现差错。

1．简易编程器

简易编程器就是很简单的编程工具，在编程工具上我们可以看到功能输入键，各种指令输入键，各种指令地址数字输入键，还有显示屏显示当前编程的具体情况。

在编程时首先简易编程器就可以直接接在可编程控制器的端口上，用专用的通讯电缆与可编程控制器进行连接，通过设置可以对可编程控制器进行程序设计调试工作。

在编程时，首先对各种按键进行熟悉，在编程过程中必须进行记录，以便后面的调试修改。

在编程的时候必须对输入输出点的地址分配进行详细说明，以免编写程序过程中，思路混乱。

在编写程序结束后，就要对系统进行调试，调试的时候，必须判断系统功能实现是否准确，如果不准确，对相应部分进行修改。

使其准确。

如果修改完毕，程序运行正常，就可以将简易编程器拔下，保存。

2．图形编程器

常用的图形编程器是液晶显示图形编程器（手持式的），它有一个大型的点阵式液晶显示屏。

除具有简易型的功能外，还具有可以直接打入和编辑梯形图程序，使用起来更方便，直观。

但它的价格较高，操作也较复杂。

也有用CRT作显示器的台式图形编程器，它实质是一台专用计算机，它的功能更强，使用更方便，但价格也十分昂贵。

3．用专用编程软件在个人计算机（PC）上实现编程功能

随着PC的日益普及，最新发展趋势是使用专用的编程软件，在通用的PC上实现图形编程器的功能。

这一编程方法的最大特点是：

充分利用PC机的软、硬件资源（如：

硬盘、打印及各种功能软件），大大降低了编程器的成本，同时也大大增强了编程器的功能，使用十分方便。

一般的PC添置一套专用的“编程软件”后就可进行编制、修改PLC的梯形图程序，存贮、打印程序文件（清单），与PLC联机调试及系统仿真等。

并且用户程序可在PC、PLC之间互传。

具有以上功能后，PLC的程序（特别是大型程序）编程、调试就显得十分方便和轻松。

输入输出

数字输入6~24数字输出4~16

模拟输入16~32模拟输出8~28

输入输出映像（可扩展）

128输入128输出

硬件扩展

最多7台扩展模块

中断输入

4

脉冲数出

2（20k~100k）

CPU特性

8个PID控制器最多2个串行端口

实时时钟运行中编辑

浮点运算状态LED指示

CPU处理时间

位处理：

0.22us

程序存储器

4~25k

数据存储器

2~10k

定时器

256

温度模块

16位分辨率

网络扩展

串行通讯AS-interface

MPIProfibus-DP从站

Modbus主站/从站

通讯速率

PPI/MPI：

187.5kbps

自由口：

115.2kbps

编程软件

Step7-MicroWIN

安装方式

IEC导轨

工作电压

DC24V/AC220V

根据本系统控制要求，选用S7-200CPU226CN可编程控制器。

24个DC输入点，16个DC晶体管输出点。

订货号：

6ES7216-2AD23-0XB0。

3.1.4PLC的选用

我国市场上流行的有如下几家PLC产品：

施耐德公司，目前有Quantum、Momentum、Premium等产品；罗克韦尔公司PLC产品，目前有SLC、Control Logix、Micro Logix等产品；西门子公司的产品，目前有SIMATIC S7-400/300/200系列产品；GE公司的产品；日本欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品。

本次设计选用西门子S7-200型PLC。

车床电气控制系统只需要逻辑运算等简单功能，西门子S7-200系列PLC非常适用于单机自动化控制系统。

现选择西门子S7-200CPU226型PLC控制，AC220V供电，DC24V6点输入，继电器型交流3点输出。

图3-4西门子S7-200型PLC

S7-200可编程控制器是小型化的PLC，对于社会各种行业，各种场合的逻辑控制，自动检测和运算功能都适用。

S7-200可编程控制器具有强大的运算功能和通讯功能，能使用在比较复杂的自动化控制场合。

S7-200可编程控制器提供了4个不同的型号，8中CPU类型可以选择使用。

本次设计选择的是采用CPU226类型可编程控制器。

CPU226类型的可编程控制器可以集成24输入和16输出共计40个I/O点。

可以扩展7个模块，最大扩展至248路数字量I/O或者35路模拟量I/O点。

26K字节程序和数据存储空间，6个独立的30KHz高速计数器，具有PID控制器，具有2路独立的20KHz高速计数器输出。

RS485通讯编程口共有两个，具有PPI和MPI通讯协议，I/O端子很容易地整体拆卸。

用于较高要求的控制系统。

共有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能的更强的内部集成特殊功能，可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。

3.2称重仪功能介绍及选型

图3-5B520仪表内部框图

3.2.1称重仪的功能介绍

*10V驱动电压，可驱动最多4个350欧姆的模拟式传感器

*高精度、高分辨率Σ-Δ型A/D转换，内部A/D转换速率大于300次/秒

*2个高亮白色LED显示器：

可分别显示实际称重值、累计重量及累计次数

等信息

*17个键盘，包括数字和功能键

*显示分度为1,000～10,000d可选，分度值：

0.001～10可选

*2个串行口（RS232/RS485，数据格式为连续/命令可选）

*实时时钟电路，带断电保护

*带光电隔离的8个输入/12个输出接口

*全球通用电源，从87VAC～264VAC

*全金属结构，前面板防护等级为IP65

*使用高可靠性和方便现场联线的接插件

*可随时通过RS-232对内部的软件进行升级或更新

*SMT技术，高可靠性及稳定性，通过EMC、RFI等方面的测试

3.2.2称重仪的系统软件特点

*高速软件滤波模型，极大的提高包装速度和精度

*内置多种固定包装模式，无须PLC支持可直接驱动继电器完成功能

*可进行一般的定值包装、带拍打振实包装、散粮秤等功能

*可存储10种配方，每个