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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)運行辦主任，主要研究方向為機(jī)電一體化。
基金項目：北京市職業(yè)院校教師素質(zhì)提高工程經(jīng)費資助項目





摘要：動態(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)下的動態(tài)稱量技術(shù)應(yīng)用，具體論述了動態(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。

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

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


    動態(tài)稱量系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)動態(tài)計量稱重、物料定量包裝、物料流量配比等，通過實施動態(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、保健品等各個生產(chǎn)領(lǐng)域。

1  系統(tǒng)概述

1.1 動態(tài)稱量系統(tǒng)現(xiàn)狀  

    稱量系統(tǒng)通常分為靜態(tài)和動態(tài)兩種。靜態(tài)稱量系統(tǒng)包括汽車衡、地上衡、地中衡、計價秤、稱重儀、測力計等；動態(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、動態(tài)汽車衡等。目前動態(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 本課題研究內(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)計開發(fā)了以西門子小型PLC-S7-216PLC為控制核心的動態(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)研究內(nèi)容涉及到計量方法、數(shù)學(xué)建模、控制程序除可用于動態(tài)皮帶秤以外，還可以用于動態(tài)復(fù)檢秤、計數(shù)秤、配料秤、核子秤等。

2  煙機(jī)動態(tài)計量控制

    所謂煙機(jī)動態(tài)計量就是指在物料搬運過程中實現(xiàn)物料計量、定量包裝、恒流控制等功能，保證系統(tǒng)在高精度狀態(tài)下運行。

    物料計量功能是動態(tài)計量的最基本功能之一，可以計量通過皮帶的物料總量，并進(jìn)行實時顯示；定量包裝功能是指系統(tǒng)在進(jìn)行物料計量的同時，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的“包重”目標(biāo)值自動完成定量包裝；恒流功能是指系統(tǒng)在完成計量的同時，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的流量數(shù)值自動調(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)計的工作節(jié)拍下。

3  煙機(jī)皮帶秤的特點

    煙機(jī)皮帶秤計量精度要求非常高，目前國家標(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)計了利用工作趨勢進(jìn)行校正的方式，具體方法是利用PID調(diào)節(jié)運算方式。

4  煙機(jī)皮帶秤動態(tài)計量數(shù)學(xué)建模

4.1 動態(tài)計量原理分析 

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

4.2 動態(tài)計量模型構(gòu)建　

    皮帶秤動態(tài)計量模型構(gòu)建需預(yù)先設(shè)置幾個重要參數(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)在長期工作狀態(tài)下的精度，系統(tǒng)能夠在工作過程中自動校驗計量結(jié)果。筆者在秤體的一側(cè)掛上可以自動掛卸的砝碼，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，旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)盤的周長為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，具體計算如式（3）所示。

    Kp = （3）

    L0  - L0  為皮帶秤稱量段皮帶長度的一半。

4.3  動態(tài)計量模型功能實現(xiàn)方法　

    皮帶秤動態(tài)計量模型采用每周期計算的方法，每個周期設(shè)定時間為100ms，在PLC編程過程中采用中斷程序設(shè)計。

    每個周期（100ms）的累計計算量計算如式（4）所示。

     = （4）

    100ms脈沖數(shù)- 旋轉(zhuǎn)編碼器每100ms測量的計數(shù)值。

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

    總累積量計算Q如式（5）所示。

    Q =  （5）

    瞬時流量計算 =×1000×10×60×60

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

4.4 流量控制實現(xiàn)方法　

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

                                     圖2   流量控制實現(xiàn)方法

4.5 定量打包實現(xiàn)方法　

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

                                          圖3   定量打包實現(xiàn)方法

5  實踐與經(jīng)驗

    本課題實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系統(tǒng)影響，在設(shè)計中斷服務(wù)程序時，由于用到存儲器VD200，而主程序中組成VD200的VW200和VW202分別是兩個不同的計算結(jié)果，如果中斷發(fā)生在兩個計算的中間，有可能錯誤選擇結(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，無法達(dá)到0.1%的精度，由于專用衡器價格高，最后通過設(shè)計專用變送器的方法解決。

    實踐中還遇到變頻器對模擬量的干擾問題，由于變頻器的啟動數(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)通過實施小型PLC在動態(tài)稱重系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計，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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