基于PLC的颗粒状填充物自动称量及装入系统设计

2013-04-16吉林工业职业技术学院自动化系孙学智

电子世界 2013年1期

吉林工业职业技术学院自动化系孙学智

1.前言

在工业生产中对颗粒状填充物进行称重及装入，是一种常见的生产过程。有些散装物料比如说火药，人工填充具有高危险性。还有石灰，会产生很大的粉尘，采用人工填充时，操作人员会把粉尘吸入肺部，对人体伤害很大。因此实现散装物料自动称量及填充，可以提高生产效率，降低工人劳动强度，保证操作人员的人身安全。自动称量及装入工序是整条生产线上关键而又复杂的工序。本文介绍了西门子S7-300型PLC在颗粒状填充物自动称量及装入系统中的应用，设备可以实现诸如石灰、尿素、火药等颗粒状填充物自动称量与装入，可以广泛用于石油化工、化肥、饲料、建材等行业散装物料的自动称重与包装。

2.称量装入系统组成和工作原理

对颗粒状填充物的自动称量分为粗称和细称两步。首先设置好要称量的重量。当载有填充筒的输送车在PLC控制下准确运至该工位后，锁紧填充筒。②号蝶阀关闭，①号蝶阀完全打开，斗内的颗粒状填充物开始从①号蝶阀上面漏到②号蝶阀上面的空间内，空间下面装有电子称重天平。当天平指示重量为设置重量的90%时①号蝶阀关闭80%完成粗称。①号蝶阀打开20%，继续漏料当电子天平所指示的值与设置值吻合时，完成细称。PLC会控制气动开关动作，使①号蝶阀关闭。①号蝶阀关闭后系统进行自动检测（比如判断填充筒是否夹紧），如果满足排料条件，②号蝶阀打开，开始向填充筒填充，直到将称量的颗粒状填充物装入填充筒内后，②号蝶阀关闭，称量与包装工位工作完毕。

颗粒状填充物称量工位由填充斗、蝶阀、天平、支撑架、步进电机、汽缸、填充筒、夹具、机械手、和承接平板等组成。其机械结构原理如图1所示。

称重天平电路为惠更斯电路。电路的功能是把电阻阻值变换量转变为电压输出。当有散装物料称重时，电路中电阻应变片阻值R1R2R3R4发生变化使重量信号转变成电桥输出的电压信号，然后通过A/D转换，转变为二进制数字量，通过数字量输入模块送入PLC中。整个系统电气控制结构图如图2所示。

表1 输入/输出接口分配表

表2 模块功能表

3.称量装入系统硬件设计

称重装入系统控制采用半自动和手动控制两种方式。本系统采用西门子S7-300型PLC进行控制。S7-300型PLC在工控领域应用广泛，具有高电磁兼容性、强抗震性、抗冲击性。可以适应许多的生产环境。S7-300型PLC最大的特点是其模块化功能，方便用户掌握。本控制系统主要模块组成如下：电源模块PS307；CPU模块CPU315；数字量输入模块SM321；数字量输出模块SM322；模拟量输入模块SM331；模拟量输输出模块SM332。为了与工控机实现通信，还有接口模块IM365；通信处理模块CP341其中输入点13个。输出点13个。预留输入点5个，输出点5个。系统硬件组成如图3所示。

输入/输出地址分配情况如表1所示。

4.称量装入系统软件设计

称量装入系统软件设计流程图所示。该软件是基于西门子PLC的开发平台STEP7开发完成的S7-300可编程控制器使用STEP7-Micro/WIN32编程软件进行编程。STEP7-Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，功能强大，主要用于开发程序，也可用于适时监控用户程序的执行状态。加上汉化后的程序，可在全汉化的界面下进行操作。本系统采用语句表（STL）开发方式，可以实现梯形图不能实现的功能。类似于汇编语言，由各条语句组成程序。S7-300型PLC的最大特点是模块化编程。本系统中应用模块功能如表2所示。

在模块FC220中存放有本系统的主要应用程序，实现夹紧，释放，称重，填充手动，自动，报警等功能，如图4所示为模块FC220的流程图。

本系统中工控机的控制软件采用的是WINCC语言，通过该软件的编程，实现对人机界面的控制，比较和分析等功能。如要显著地降低这种成本，就必须使用简单、高效的组态工具，以及直观、友好的系统。WINCC再一次指明了这一道路。WINCC组态软件为实现动画，以及将一个画面对象和一个内部PLC变量相连接是十分简便的。一旦将一个新的对象放置在画面内，就会出现一个易于编辑的对话框。WINCC图形设计器能够使用户非常简单地对自己所需要的任何对象属性进行动画设定，并且进行预览。为了保证总体的灵活性，甚至可以用脚本来增强一个对象的功能。如图5所示为中控机控制界面。

图1 颗粒状填充物称量及装入工位结构原理

图2 电气控制图

图3 系统硬件构成

图4 FC220模块流程图

图5 称量装入系统控制界面

首先在界面设置称量重量。在自动控制下，操作者可以在控制界面对称量装入系统进行监控。观察指示灯的颜色。①号蝶阀有三种状态：绿色为蝶阀全打开进行粗称；半红半绿为蝶阀不完全打开进行细称；红色为蝶阀关闭状态。②号蝶阀有两种状态：红色为关闭；绿色为打开。填充筒也有两种状态：红色亮起为锁紧；绿色亮起为释放。在界面中还设置有人工操作按钮，在特殊情况下实现人工的手动控制。