粉末颗粒物料称量分装系统设计

2018-04-09杨旭东赵治强王志磊焦高鹏谭小群

机械设计与制造工程 2018年3期

杨旭东，赵治强，王志磊，李　彪，焦高鹏，谭小群

(西北工业大学机电学院，陕西西安　710072)

现代工业生产日趋自动化,要求称量分装作业依次完成自动称量、输送、检测、贮存等工序。目前，国内大部分粉末颗粒物料称量分装系统采用机械称量、手工装袋。这种方式不仅在质量、速度等方面无法达到要求，而且存在由易爆物料的振动和摩擦、可燃性粉尘的悬浮等引起的诸多安全隐患[1]。

针对以上问题，本文设计了一套基于可编程序控制器(PLC)的粉末颗粒物料称量分装自动控制系统，实现了称量分装生产线的平稳运行及生产过程的远程无人操作，并且提高了称量精度。系统具有较强的适应性，可以推广到其他需要称量的系统和领域，比如配料系统等。

1　设备组成及工艺流程

粉末颗粒物料称量分装系统能实现产品的定量装箱、物料振平、自动输送等功能。系统主要由空箱传送机构、称量装箱机构和成品传送机构等组成。出于防爆等安全考虑，系统核心动力部件均采用气动装置。空箱挡板机构及装箱挡板机构的升降、夹紧挡板机构的进退等都采用气缸驱动，气缸的行程位置则由安装在气缸上的磁开关检测。系统俯视简图如图1所示。

1.1　空箱传送机构

空箱传送机构用于将一定数量的料箱有序地输送至称量装箱机构。操作人员先将料箱按顺序放置于空箱传送机构入口，并使每两个料箱之间保持一定的间距。当触发开始指令，且空箱传送机构入口处光电开关1检测到料箱时，空箱传送带开始运动，输送料箱前进。当空箱传送机构出口处光电开关2检测到料箱时，空箱挡板机构降下，料箱进入称量装箱机构。当称量装箱机构处光电开光3检测到料箱时，空箱挡板机构升起，空箱传送机构停止运转。

图1　系统俯视简图

1.2　称量装箱机构

称量装箱机构分为上下两个部分，上部分是称量下料装置，下部分是振动平台装置。称量下料装置的结构如图2所示。

当称量装箱机构处光电开关4检测到有料箱时，夹紧挡板将料箱夹紧，称量下料装置开始向料箱中下料并开始称量，振动平台装置随之进行振动。当检测到物料达到设定的称量值时，称量下料装置停止下料，振动装置停止振动，随之夹紧挡板缩回，装料挡板放下，称量装箱机构传送带及成品传送机构开始运动。

目前粉末颗粒物料的称量方式可分为增重称量和减重称量。增重称量指对受料容器中的累加物料质量进行直接称量。减重称量指计算给料容器损失的质量，直到损失质量达到设定值时停止给料。减重称量能有效避免物料冲击力产生的称量误差，同时消除称量滞后性的影响，但要求控制系统具有较高的动态性能。综合考虑，本系统采用减重称量。

图2　称量下料装置

系统称量精度要求为100g/50kg，即称量物料质量为50kg时，称量误差在100g以内。出于精度要求及安全性考虑，电子秤选用梅特勒-托利多SCS系列本安型工业称重终端，所选型号为IND131，其检定分度数为30 000，根据GB/T 7724—2008电子称重仪表给出的分级标准，该电子秤达到了Ⅱ级秤标准。

当称量装箱机构处光电开关4检测到料箱时，上夹管松开，物料由储料仓流入称量仓，当称量仓中的物料质量达到预设值时，上夹管夹紧；待电子秤的示数稳定后，下夹管松开，物料进入料箱，并开始减重称量。为保证减重称量精度，同时兼顾下料速度，下夹管选用了FESTO多位置气缸，该气缸有两个行程位置，与导轨滑块、动夹板和静夹板相配合，可以使料管处于全开、半开和全闭3种状态。称量仓初始质量为W1；料管全开负责主要的下料任务，使称量仓质量快速下降到W2；此后料管半开，开始精确下料，直至到达目标质量W3，料管转为全闭，下落质量为W1减去W3。放料示意图如图3所示。

图3　放料示意图

为去除物料的堆积角，以便于后续包装，设计了振动平台装置。由气动马达通过皮带轮带动凸轮旋转，凸轮与辅助机构配合使振动平台以一定的振幅和频率振动，从而去除堆积角。

1.3　成品传送机构

成品传送机构主要由辊子传送带和固定挡板组成。当成品传送机构入口处光电开关5检测到料箱时，称量装箱机构传送带停止运行，装料挡板升起。当成品传送机构出口处光电开关6检测到有料箱时，成品传送机构停止运行。由操作人员完成对产品最后的包装。

1.4　控制流程分析

系统分别在6个位置安装了光电开关，用来检测这6个位置是否有料箱，并根据它们的状态控制各机构协调工作。为实现装置自动称量、分装、输送等功能，设计了控制流程图，如图4所示。

图4　控制流程图

2　自控系统的设计和实现

2.1　系统设计概述

出于安全考虑，系统需远程控制，为实现这一功能，将粉末颗粒物料称量分装控制系统分为现场控制层、集中控制层和远程监控层。3层之间采用现场总线方式进行通讯。现场总线具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点，同时具有一定的时间确定性和较高的实时性，还具有网络负载稳定、多数为短帧传送、信息交换频繁等特点[2]，可满足减重称量对数据采集的要求。图5是自控系统简图，其中现场控制层包括气动马达、称重传感器、振动器、气缸、光电开关和磁开关等；集中控制层包括PLC、称重显示控制器、安全栅、低压断路器等；远程监控层包括触摸屏等。现场控制层直接面向工艺设备和生产过程，负责采集工艺设备的运行状态、仪表的检测信号等执行器的状态，并发送给集中控制层。集中控制层接收现场控制层传送来的信号，对信号进行分析处理，并将处理结果发送到现场控制层对现场设备和执行装置进行控制。同时，集中控制层把现场控制层传送来的信号和一些处理结果传送给远程监控层。下面以对FESTO多位置气缸的控制为例说明其控制过程和3层之间的关系：由光电开关检测料箱位置，磁开关检测气缸活塞位置，并将这些现场信号发送到PLC；PLC处理后，发送状态信号到触摸屏；触摸屏显示料箱及气缸状态。操作员通过触摸屏设置参数，并向PLC发送指令信号；PLC处理指令信号后，发送控制信号给电磁阀，控制电磁阀换向，实现FESTO多位置气缸动作。

图5　自控系统简图

2.2　系统的实现

2.2.1PLC选型及硬件组态

目前，工业上常用的现场总线协议有Modbus和PROFIBUS-DP等。对比各通讯单元支持的通讯协议和通讯接口，确定使用西门子的PROFIBUS-DP协议。根据控制系统输入输出点数及功能要求，确定选用西门子S7-300系列PLC，CPU为315-2DP，外挂2个16点输入模块和2个16点输出模块。

在编程软件中新建工程文件后，要对硬件进行组态。首先要将编程软件中的硬件配置成与实际PLC机架上安装的电源模块、CPU模块和信号模块相一致。此外，本系统中模块参数及地址的修改，网络通讯的设置及分布式外设到主站的连接，都要在硬件组态中完成。图6是硬件组态的截图。

图6　PLC硬件组态

2.2.2PLC程序设计

设计的控制程序除需完成图4所示的动作外，还要能完成精确称量控制。下面着重就减重称量控制的实现进行介绍。出于成本控制和机械结构设计的考虑，设计的称量仓一次能够称量的最大物料量小于成品箱需装入的物料质量，因此称量仓需要多次称量及落料才能完成对成品箱的装料。称量仓多次落料的减重称量过程分为3步：补料称量、快速称量及精确称量。这3步每循环一次完成一个料箱的装料。

1)补料称量：起始时，上夹管与下夹管关闭，下落累计质量为零。上一循环精确称量后在称量仓中留下的余料小于称量仓单次称量值。将上夹管打开对称量仓进行补料，达到单次称量值后，上夹管关闭停止补料，并读取此时称量仓质量。之后，使下夹管全开，称量仓中的物料全部下落至料箱后，关闭下夹管。读取此时称量仓质量，与下夹管打开前的质量相减得到下料质量，计入下落累计质量。

2)快速称量：重复上述对称量仓加料和下料的过程，实时计算下料质量，计入下落累计质量。反复执行此步，直至下落累计质量接近目标质量值时，使下夹管半开。

3)精确称量：加入到料箱中的物料接近称量设定值时，使下夹管半开，慢速下料，并实时计算下料质量。当下落累计质量到达目标质量后，关闭下夹管，之后，装箱机构传送带和成品传送带运行，料箱被运送到下个工位，此时将下落累计质量清零。

2.2.3上位机软件开发

上位机采用步科触摸屏，用于系统监控及参数设置。主要实现以下功能：

1)运行参数的设置、状态显示。在上位机上实时显示传感器状态、气动马达运行状态以及当前质量和成品数量等工艺运行参数，并能对电磁阀通断等进行控制，对称量质量进行设定。

2)配方功能。根据不同的下料质量和参数设置，编辑不同规格的配方。在装料前选择相应的配方，可方便、准确地进行称量。

3)数据查询。在主机画面上有历史数据链接，采集到的数据存放到数据库中，便于了解长时间工作的历史趋势。查询时可保证精确、方便、快捷。

4)报警功能。对超出设定值范围的参数及设备故障进行报警。当某一实时数据超过设定值或设备出现故障时进行报警，并做出相应的处理，报警后将所需参数存入数据库中，供日后查询。

5)报表功能。将需要上报、对比以及长期保存的数据生成报表,显示在触摸屏上或存储在触摸屏内存中。