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張文濤 （1976-）

男，碩士，北京人，北京電子科技職業(yè)學(xué)院教學(xué)運(yùn)行辦主任，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化。
基金項(xiàng)目：北京市職業(yè)院校教師素質(zhì)提高工程經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目





摘要：動(dòng)態(tài)稱量系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，特別是在煙草、醫(yī)藥、包裝等產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用更為普遍，本文通過以PLC在煙草行業(yè)的應(yīng)用為例，闡述了基于PLC技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、觸摸屏技術(shù)等高新技術(shù)下的動(dòng)態(tài)稱量技術(shù)應(yīng)用，具體論述了動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的組成、應(yīng)用范圍、數(shù)學(xué)模型、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：PLC；動(dòng)態(tài)稱重；數(shù)學(xué)模型；應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

Abstract: Dynamic weighing system was widely applied in industry, especially 
in tobacco、medical、and packing industry. In this paper, by one of its application 
examples in tobacco industry, we discuss application of PLC、PWM、Touch Panel in the dynamic weighing technology, and give the detailed construction 
scheme of the dynamic weighing system、applications domain、mathematic model and 
practical experiences.

Key words: PLC; Dynamic W; Temperature control; Soft capsule machine


    動(dòng)態(tài)稱量系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)計(jì)量稱重、物料定量包裝、物料流量配比等，通過實(shí)施動(dòng)態(tài)稱量可以提高系統(tǒng)精度、系統(tǒng)可靠性、為系統(tǒng)提供復(fù)雜功能支持。動(dòng)態(tài)稱量系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煙草、醫(yī)藥、保健品等各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域。

1  系統(tǒng)概述

1.1 動(dòng)態(tài)稱量系統(tǒng)現(xiàn)狀  

    稱量系統(tǒng)通常分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。靜態(tài)稱量系統(tǒng)包括汽車衡、地上衡、地中衡、計(jì)價(jià)秤、稱重儀、測(cè)力計(jì)等；動(dòng)態(tài)稱量系統(tǒng)包括皮帶秤、斗式配料系統(tǒng)、皮帶配料系列（即定量給料機(jī)）、軌道衡、動(dòng)態(tài)汽車衡等。目前動(dòng)態(tài)稱量領(lǐng)域主要以專用衡器和儀表為主，部分設(shè)備采用專用儀表，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，采用DCS技術(shù)、PLC技術(shù)的動(dòng)態(tài)稱量系統(tǒng)正在不斷發(fā)展，其在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用不斷拓展。

1.2 本課題研究?jī)?nèi)容  

    本課題通過分析，在原有中型PLC控制的皮帶秤基礎(chǔ)上，認(rèn)真研究了小型PLC控制技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了以西門子小型PLC-S7-216PLC為控制核心的動(dòng)態(tài)皮帶秤稱量系統(tǒng)。

1.3 控制系統(tǒng)組成  

    主要由西門子CPU216為控制核心、以EM235為數(shù)據(jù)采集單元、用GP370觸摸屏作為人機(jī)界面。通過西門子MMV變頻器作為系統(tǒng)執(zhí)行單元。

                                  圖1   控制系統(tǒng)框圖

1.4 系統(tǒng)應(yīng)用范圍  

    本控制系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容涉及到計(jì)量方法、數(shù)學(xué)建模、控制程序除可用于動(dòng)態(tài)皮帶秤以外，還可以用于動(dòng)態(tài)復(fù)檢秤、計(jì)數(shù)秤、配料秤、核子秤等。

2  煙機(jī)動(dòng)態(tài)計(jì)量控制

    所謂煙機(jī)動(dòng)態(tài)計(jì)量就是指在物料搬運(yùn)過程中實(shí)現(xiàn)物料計(jì)量、定量包裝、恒流控制等功能，保證系統(tǒng)在高精度狀態(tài)下運(yùn)行。

    物料計(jì)量功能是動(dòng)態(tài)計(jì)量的最基本功能之一，可以計(jì)量通過皮帶的物料總量，并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；定量包裝功能是指系統(tǒng)在進(jìn)行物料計(jì)量的同時(shí)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的“包重”目標(biāo)值自動(dòng)完成定量包裝；恒流功能是指系統(tǒng)在完成計(jì)量的同時(shí)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的流量數(shù)值自動(dòng)調(diào)整皮帶的速度，使流過皮帶的物料流量受控，工作在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作節(jié)拍下。

3  煙機(jī)皮帶秤的特點(diǎn)

    煙機(jī)皮帶秤計(jì)量精度要求非常高，目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是1%，0.5%，而煙草行業(yè)規(guī)定精度為0.5%，0.25%。煙機(jī)皮帶秤的機(jī)械結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，要求具有恒張力等功能的機(jī)械結(jié)構(gòu)，由于皮帶需要保持恒張力，因而很容易“跑偏”，因此并具備自動(dòng)調(diào)偏功能，為了減少調(diào)整的頻率，使工作過程更為平緩，課題設(shè)計(jì)了利用工作趨勢(shì)進(jìn)行校正的方式，具體方法是利用PID調(diào)節(jié)運(yùn)算方式。

4  煙機(jī)皮帶秤動(dòng)態(tài)計(jì)量數(shù)學(xué)建模

4.1 動(dòng)態(tài)計(jì)量原理分析 

    皮帶秤的動(dòng)態(tài)計(jì)量的基本原理是在物料移動(dòng)過程中，根據(jù)稱重傳感器測(cè)量出的載荷值計(jì)算出單位長(zhǎng)度上的物料平均重量G1，然后根據(jù)單位時(shí)間皮帶移動(dòng)的長(zhǎng)度L1，可以計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)通過的物料重量G2，G2=G1×L1。如果將單位時(shí)間細(xì)分到很短的時(shí)間微段，則各段的總累加值即近似于真實(shí)的動(dòng)態(tài)累計(jì)值。

4.2 動(dòng)態(tài)計(jì)量模型構(gòu)建　

    皮帶秤動(dòng)態(tài)計(jì)量模型構(gòu)建需預(yù)先設(shè)置幾個(gè)重要參數(shù)，本課題研究分析后定義參數(shù)如下：

    砝碼重量Wm：為了保證系統(tǒng)在長(zhǎng)期工作狀態(tài)下的精度，系統(tǒng)能夠在工作過程中自動(dòng)校驗(yàn)計(jì)量結(jié)果。筆者在秤體的一側(cè)掛上可以自動(dòng)掛卸的砝碼，用砝碼重量作為標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行稱重傳感器校正，避免時(shí)飄。

    速度控制系數(shù)K1，如式（1）所示。

    K1 =脈沖數(shù)/毫米) （1）

    編碼器脈沖數(shù)為2500個(gè)，旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)盤的周長(zhǎng)為158毫米。具體系數(shù)設(shè)置根據(jù)編碼器參數(shù)定義，不同旋轉(zhuǎn)編碼器參數(shù)設(shè)置不同。

    整圈脈沖數(shù)MCP：指皮帶轉(zhuǎn)過一圈所發(fā)出的脈沖數(shù)。由于皮帶轉(zhuǎn)速不均勻，測(cè)試環(huán)境須規(guī)定在整圈內(nèi)完成。

    當(dāng)量重量KZ，如式（2）所示。

    KZ =  （2）

    Wm  - 砝碼重量 

    N1  - 掛碼后用校量方法得到的碼值，該數(shù)值為通過重量傳感器得到的AD數(shù)值。

    N0  - 皮重碼值

    稱量系數(shù)Kp ：碼值與脈沖數(shù)之積，具體計(jì)算如式（3）所示。

    Kp = （3）

    L0  - L0  為皮帶秤稱量段皮帶長(zhǎng)度的一半。

4.3  動(dòng)態(tài)計(jì)量模型功能實(shí)現(xiàn)方法　

    皮帶秤動(dòng)態(tài)計(jì)量模型采用每周期計(jì)算的方法，每個(gè)周期設(shè)定時(shí)間為100ms，在PLC編程過程中采用中斷程序設(shè)計(jì)。

    每個(gè)周期（100ms）的累計(jì)計(jì)算量計(jì)算如式（4）所示。

     = （4）

    100ms脈沖數(shù)- 旋轉(zhuǎn)編碼器每100ms測(cè)量的計(jì)數(shù)值。

    對(duì)應(yīng)重量AD碼值- 重量傳感器得到的AD數(shù)值。

    總累積量計(jì)算Q如式（5）所示。

    Q =  （5）

    瞬時(shí)流量計(jì)算 =×1000×10×60×60

    瞬時(shí)流量即每秒流量，將100ms流量作為基值通過計(jì)算，由克/秒轉(zhuǎn)換為公斤/小時(shí)。

4.4 流量控制實(shí)現(xiàn)方法　

    本系統(tǒng)通過PLC給定變頻器指定信號(hào)，通過變頻器調(diào)整皮帶機(jī)速度，實(shí)現(xiàn)整體流量控制，如圖2所示。

                                     圖2   流量控制實(shí)現(xiàn)方法

4.5 定量打包實(shí)現(xiàn)方法　

    本系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的包重?cái)?shù)值與動(dòng)態(tài)數(shù)值進(jìn)行比較，當(dāng)達(dá)到預(yù)定值后發(fā)出打包信號(hào)給機(jī)械裝置，從而實(shí)現(xiàn)定量打包功能，如圖3所示。

                                          圖3   定量打包實(shí)現(xiàn)方法

5  實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)

    本課題實(shí)踐中遇到中斷程序數(shù)據(jù)共享問題，由于中斷事件非同步事件，必須考慮異步事件對(duì)系統(tǒng)影響，在設(shè)計(jì)中斷服務(wù)程序時(shí)，由于用到存儲(chǔ)器VD200，而主程序中組成VD200的VW200和VW202分別是兩個(gè)不同的計(jì)算結(jié)果，如果中斷發(fā)生在兩個(gè)計(jì)算的中間，有可能錯(cuò)誤選擇結(jié)果。所以必須把可能被中斷打斷的程序放到中斷服務(wù)程序里處理。

    本課題還遇到了PLC精度不夠的問題，無(wú)法達(dá)到0.1%的精度，由于專用衡器價(jià)格高，最后通過設(shè)計(jì)專用變送器的方法解決。

    實(shí)踐中還遇到變頻器對(duì)模擬量的干擾問題，由于變頻器的啟動(dòng)數(shù)據(jù)跳變現(xiàn)象，通過檢查發(fā)現(xiàn)應(yīng)將EM235的M端接地，將變頻器到電機(jī)的電源線增加屏蔽措施，采取屏蔽線。

6  結(jié)論

    本系統(tǒng)通過實(shí)施小型PLC在動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)，使得產(chǎn)品的精度、可靠性都得到了大幅提高，滿足了工藝要求，并且降低了設(shè)備成本，提高了設(shè)備的可維護(hù)性。對(duì)提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，減少誤差，增加生產(chǎn)率起到了很好的作用。

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