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1、精选优质文档-倾情为你奉上河南机电高等专科学校毕业设计论文论文题目：基于PLC的电子称重及定量包装控制系统设计 系 部 自动控制系 专 业 生产过程自动化 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 2011年 05月21日专心-专注-专业摘 要 在现代化很多产品生产中包装量的准确度是产品的重要质量指标之一，它直接影响生产厂家的经济效益和消费者的利益。由于机械城有灵敏度低、存在接卸死区、精确度差、控制动作慢的缺点所造成的机械误差比较大。随着机械自动化水平的不断提高，自动控制技术在定量包装生产中应用越来越多，在粮食、化肥、饲料和轻工业等行业中都有广泛应用。称量包装技术的发展大致经历了手工称重、继电器控制

2、、称重仪表控制、PLC控制等几个阶段。相对于传统的称重仪表控制，应用PLC和触摸屏组成的控制系统便于将开关设置，复位操作以及设定和修改系统参数功能有机的结合，提高机器速度和精度。本文主要介绍了PLC在称重式自动定量包装机系统中的应用，控制系统采用SIMATIC

8、1.2 内外有关的研究和发展趋势1 1.3 定量包装秤的发展前景2第2章 定量包装秤的工作原理及系统结构3 2.1 方案选择3 2.2 工作原理32.3 系统的结构与控制要求5第3章 定量包装秤的硬件设计103.1 硬件系统总体设计103.2 PLC选型及I/0口分配11123.3 扩展单元 133.4 扩展单元的主要技术特性15第4章 定量包装秤的软件设计与调试20 4.1 称重信号处理214.2 PLC程序设计21 4.3 POP文本画面设计25 4.4 软件提高精度的方案25第5章 总结27致谢28参考文献29第1章 绪论1.1 定量包装秤的市场分析和趋势 中国加入WTO后，市场经济得到

9、飞速发展，粮油、食品、化工药品等行业都得到飞速的发展。为了能提高声场效能，降低生产成本，计量、定量包装、重量检测的龚古尔自动化需求越来越迫切。目前，各种称重设备倒在向自动化、通用型、高精度型、个性化方向发展，以满足客户需求。电子称重技术是集机械、电子、材料、信息、管理为一体的综合技术，是一项系统工程。长期以来，各工业发达国家都把电子城中技术的研究及应用提高到电子称重设备制造工程的高度来认识。他们不约而同地将研究开发的重点从单纯的称重转移到生产过程的称重系统和自动控制领域，使称重计量的内涵不断扩展，由狭义到广义，由单项到系统，新型的现代称重计量概念已脱颖而出，一跃成为当今世界瞩目的技术与行业。定

10、量包装控制器是电子衡器的重要基础部件，它直接影响电子衡器及电子称重系统的功能和性能，反应了称重计量的技术水平。可以说称重显示控制器是基于称重计量自动化和电子称重控制器快速发展的促进和牵引，随着电子技术和计算机技术的进步而发展起来的。随着科学技术的发展，许多高新技术如微电子技术的普及，新机理、新结构的接触式和非接触式高精度位移、速度、加速度传感器的问世，为在称重理论的研究中，用工程力学来代替工程静力学解决动态自量测量问题创造了条件。称重显示控制器是研究承购转化为商品的重要桥梁，是企业强化竞争力，提高经济效益的主要手段。特别是目前市场日趋国际化的情况下，采用高薪急速正起着越来越重要的作用。内外有关

11、的研究和发展趋势国外研究概况：电子称重技术是集机械、电子、材料、信息、管理为一体的综合技术，是一项系统工程。长期以来，各工业发达国家都把电子称重技术的研究及应用提高到电子称重设备制造工程的高度来认识。他们不约而同地将研究开发的重点从单纯的称重转移到生产过程的称重系统和自动控制领域，使称重计量的内涵不断扩展，由狭义到广义，由单项到系统，新型的现代称重计量概念已脱颖而出，一跃成为当今世界瞩目的技术与行业。美国、法国、日本和意大利是世界上包装机械四大出口国，同时也是电子称重设备的主要出口国，他们各自的年出口额与我国衡量工业的年产值差不多。其原因主要是这些国家在这些电子称重系统和电子称重控制器产品的研

12、究、设计、生产和检测中，不断纳入现代新技术，特别是现代制造技术和工艺技术。国内研究动态：50年代中期电子技术的渗入推动了衡量制造业的发展。60年代初期出现机电结合式电子称重控制器以来，经过40多年的不断改进与完善，我国电子称重控制器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。我国电子称重控制器的技术设备和检测实验手段基本运达到国际90年代中期的水平。电子称重控制器制造技术及应用得到了新发展。电子称重技术从静态称重向动态称重发展；计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从但参数测量向多参数测量发展，特备是对快速称重和动态称重的研究与发展。但就总体而言，我国电子称重控制器产品的数量和质量

13、与发达国家相比还有较大差距，其主要差距是技术与工艺不够先进、工艺设备与测试普遍老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不全、稳定性结合可靠性比较差等。我国的动态称重仪表与国外同类产品有一定的差距，尤其在动态稳定性和可靠性上差距还很大，需要我国企业努力改变这一现状。1.3 定量包装秤的发展前景定量称重包装控制器是电子衡器的重要基础部件，它直接影响电子衡器及电子称重系统的功能和性能，反应了称重计量的技术水平。可以说称重定量包装控制器是居于称重计量自动化和电子称重控制器快速发展的促进和牵引，随着电子技术和计算机的进步而发展起来的。随着科学技术的发展，许多高新科技如微电子技术、计算机技术。传感器技

14、术和信息技术等渗入到称重计量领域，特别是在未处理技术的普及，新机理新结构的接触适合非接触式高进度位移、速度、加速度传感器的问世，为在称重理论的研究中，用工程力学来代替工程静力学解决动态质量测量问题创造了条件。称重定量包装控制器好似科研成果转化为商品的重要桥梁，是企业强化竞争力，提高经济效益的重要手段。特别是当前市场日趋国际化的情况下面采用高新科技正起着越来越重要的作用。在国家粮食局组织的国家直属粮食储备库设备的招标中，许多单位都订购了定量包装秤，它的性能好坏和使用的熟练程度直接影响到国家粮食储备库的经济效益。在这种背景下，熟练掌握必要的调试知识对于粮食储备库来说是十分迫切和必要的。第2章

15、包装秤的工作原理及系统结构2.1 定量包装秤简介定量包装秤由称重单元、小车、缝包输送装置、气动系统、除尘系统，定量包装控制仪表等组成。其中影响打包速度和准确度的关键部件是称重单元，它包括储料仓、闸门、截料装置、秤体、夹袋装置、支架、电气控制装置等。储料仓为缓冲式料仓，用于物料储备并提供一个接近均匀的物料流；闸门位于储料仓底部，当设备检修或出现故障时，用于将物料封阻在储料仓内；截料装置由截料斗、截料门、气动元件、补气门等组成，在称重过程中提供快、慢两级给料，其快、慢给料的物料流均可单独进行调整，从而保证定量包装秤满足计量的准确度要求和速度要求；补气门的作用为平衡称重时系统内的空气压差；秤体主要由

16、称量斗、承重支架和称重传感器组成，完成重量到电信号的转变并传输给控制单元；夹袋装置主要由夹袋机构、气动元件等组成，作用为夹紧包装袋，让称重完毕的物料全部落入包装袋；电气控制装置由称重显示控制器、电气元器件、控制柜组成，作用为控制系统工作，使整个系统按预先设定的程序，有序工作。自动定量包装秤应用于工农业自动化生产自动定量包装，整个称量过程由电脑控制，自动完成。具有称量速度快；称量精度高，省力，省人，操作简单，维护方便的特点。针对某些企业原有称重设备技术水平落后、控制精度和生产效率低的实际情况，对出料装置、称重传感器配置及电气、称重控制过程实施了技术改造。改造后的控制系统以PLC为核心，称重传感器

17、为检测元件，变频电机为执行元件，人机界面为监控手段，提高了系统的控制精度和稳定性。2.2 工作原理当定量包装秤进入自动运行状态后，称重控制系统打开给料门开始加料，该给料装置为快、慢两级给料方式；当物料重量达到快给料设定值时，停止快给料，此时系统检测夹袋装置是否处于预定状态，当包装袋已夹紧后，系统发出控制信号打开称量斗卸料门，物料进入包装袋中，物料放完后自动关闭称量斗的卸料门；卸空物料后松开夹袋装置，包装袋自动落下；包装袋落下后进行缝包并输送到下一工位。如此循环往复自动运行。称重式自动定量包装机的工作原理流程图如图2.1所示。当储料斗中物料足够，在重力的作用下进入重力供料装置，完全打开料门进入大

18、给料状态。当到达给定大给料重量时，关闭给料门，留一条狭缝，进入小给料状态。当到达给定小给料重量时，完全关闭给料门，经过一定的空中落料，称量斗稳定，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，完成一个包装循环。相对传统的称重仪表节制，现代的包装应用PLC和触摸屏组成的节制体系便于将开关量设置、复位操纵以及设定和改削体系参数成果有机的联络，进步呆板速率和精度。 1-储料斗 2-插板 3-给料门 4-称重传感器 5-称重斗 6-卸料门 7-放料斗 8-卡带机构图2.1 包装机组图图2.2 工作原理流程图2.3 系统的结构与控制要求 定量包装秤主要是由电子称重和包装技术组成。模块通过接

19、线盒并联接入SIWAREX MS电子称重模块。 配料系统的组成结构及工艺流程：如图2.3所示，每台控制模块对应一台称斗的一组传感器，实现一个称量单元。综合考虑结构、料性、配料速度等诸多因素，每个称量单元对应14个料仓，即：每个单元称量14种物料。共计1520种物料（如：石英砂、纯碱、方解石、砒霜等），这也就对配料系统提出了“多物料”自动配料的要求。图2.3 玻璃配料系统流程图 2.3.1 电子称重 “电子称重”的诞生，使电子秤产品得到广泛普及，特别是PLC技术和电子应变原理的称重传感器在称重领域的应用，使电子衡器更加稳定、准确，显示直观快速，并且突破了传统衡器单一称重概念，发展成为动态称重、过

20、程称重、数据存储/输出、大大提高了工作效率。进入新世纪，电子科技迅猛发展，电子秤电子天平价格明显下降。现在的高精度电子天平可以分辨到微克级，而且提高了环境的适应能力。电子衡器产品分类：计重秤，计数秤，条码打印秤，电子台秤，电子吊秤，检重电子秤，大型衡器等。电子秤使用方便、显示快速直观（避免人为的视觉判断误差）、操作简单、计量准确度精度高。 电子称重产品类别：按工作方式可分为机械秤（磅秤），电子显示秤，自动计量系统。按使用方式可分为案秤，台秤，小地秤，电子汽车衡，直示吊秤，无线数传吊秤，定量包装系统。按功能可分为，计重秤，计数秤，计价秤。 电子称重系统组成：传感器电路；PLC控制电路；显示电路；

21、键盘电路；输出接口电路；电源电路；以及各种智能电路。当物体放在秤盘上时，压力施给传感器，该传感器发生形变，从而使阻抗发生变化，同时使用激励电压发生变化，输出一个变化的模拟信号。该信号经放大电路放大输出到模数转换器。转换成便于处理的数字信号输出到CPU运算控。CPU根据键盘命令以及程序将这种结果输出到显示器。直至显示这种结果。2.3.2 包装自16世纪以来，由于工业生产的迅速发展，特别是19世纪的欧洲产业革命，极大地推动了包装工业的发展，从而为现代包装工业和包装科技的产生和建立奠定了基础。 18世纪末，科学家发明了灭菌法包装储存食品，导致19世纪初出现了玻璃食品罐头和马口铁食品罐头，使食品包装学

22、得到迅速发展。进入19世纪，包装工业开始全面发展，1800年机制木箱出现，1814年英国出现了第一台长网造纸机，1818年镀锡出现，1856年，美国发明了瓦楞纸，1860年欧洲制成制袋机，1868年美国发明了第一种合成塑料袋，1890年美国铁路货场运输委员会开始承认瓦楞纸箱正式作为运输包装容器。进入20世纪，科技的发展日新月异，新材料、新技术不断出现，聚乙烯、纸、玻璃、铝箔、各种塑料、复合材料等被广泛应用，无菌包装、防震包装、防盗包装、保险包装、组合包装、复合包装等技术日益成熟，从多方面强化了包装的功能。 20世纪中后期开始，飞速发展，包装已为世界各国所重视，大约90%的商品需经过不同程度、不

23、同类型的包装，包装已成为和流通过程中不可缺少的重要环节。目前，电子技术、激光技术、微波技术广泛应用于包装工业，包装设计实现了（CAD），包装生产也实现机械化与自动化生产。 包装工业和技术的发展，推动了包装科学研究和包装学的形成。包装学科涵概物理、化学、生物、人文、艺术等多方面知识，属于交叉学科群中的综合科学，它有机地吸收、整合了不同学科的新理论、新材料、新技术和新工艺，从的观点来解决商品保护、储存、运输及促进销售等流通过程中的综合问题。包装学科的分类比较多样，通常将其分类为包装材料学、包装运输学、包装工艺学、包装设计学、包装管理学、包装装饰学、包装测试学、包装机械学等分学科。目前，我国已有40

24、多所高校开办了，包装人才队伍日益壮大。本次设计是根据称重式自动定量的操作和控制要求，控制系统选用西门子公司的SIMATICS7-200系列PLC，此系列的PLC具有结构紧凑、模块化、可扩展性强、指令集丰富等特点。所选CPU的型号为CPU 226 ACDCREL，它提供24个数字量输入和16个数字量输出，输入输出接口电路均采用了光耦合电路，对外界接口具有很强的适应性。并且2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。由于要处理传感器的模拟量输入信号，所以扩展了一个EM 235模拟量处理模块，该模块具有4路模拟量输入。POP文本显示器对整个系统进行过程监控显示以

25、及参数设定等功能，可以通过PPI协议和S7-200系列PLC的编程口或扩展通讯口直接通讯。2.3.3 控制要求当对计量罐标定好后，设备运行首先用增量法对离心机从计量罐上方加料进行计量跟踪。离心机四次加料后或罐内物料大于一定重量时。计量设备向离心机发出禁止出料信号，同时处于放料等待状态随时可以接受指令进行放料。开始放料又用减量法计量，并且要均速在30分钟内放完料。放完料后可将该次称重数据与时间进行保存。第3章 定量包装秤的硬件设计3.1 硬件系统总体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。设备即可以手动操作也可以自动操作。手动操作要求用按钮对机器的每一步

26、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。 3.1.1 硬件配置系统硬件配置结构包括中央处理单元及I/O扩展单元、检测元件(光电开关和接近开关等)、操作面板(触摸屏,按钮开关和指示灯)、控制元件(交流接触器和电磁阀)以及执行元件(电动机和气缸)等几部分。触摸屏作为设备控制的操作界面,接受来自操作人员的操作指令并指示设备的运行状态，并以菜单形式显示机器启停、功能切换、工况检测、数据输入与修改、运行状态、故障报警等,使参数组态变得更为方便；检测元件检测料计量、投料结束信

27、号，以及各部分的动作完成情况；PLC自动循环扫描各个输入输出点的当前状态,并根据梯形图程序所确定的逻辑关系更新输出点的状态,通过通断交流接触器和换向电磁阀来控制电动机的启停和气缸的动作,从而完成从自动进料到称重.包装接受全过程的自动控制。3.1.2 传感器的选择 称重传感器从受力方式上可分为压式和拉式传感器，拉式传感器在包装机上安装简便，积灰少，维护方便，本方案选用全密封拉式传感器，型号为SHK4型，主要技术性能为：  (1)非线性度，不重复度及滞后误差：0.05%F·S；(2)输出灵敏系数：满量程时2.6毫伏/伏；(3)激励电压：612伏直流。传感器的安装数量根

28、据G4201型包装机托袋架安装位置确定。原机托袋架是由两个支点与定重支架相连接，本方案每个托袋架采用两个拉式传感器，分别安装在支点上方。当电子称重装置故障后，能迅速恢复原机计量功能。传感器容量的选择原则为： 式中：C单个传感器容量；Wnm净重最大值；K冲击系数(一般取1.2)；W托袋架自重；N传感器个数。 由现有设备和生产工艺，已知：Wnm=50千克，N=2，W=48千克，K=1.2。将已知数代入上式得：C=58.8千克。选容量75千克传感器可以满足要求。3.1.3 显示仪表的选配本方案选用MD型数字表作为称重显示仪表，数字显示仪表准确度高，读数方便，抗干扰性强。其主要技术

29、性能为： （1）显示范围：0±1999 (2)精度：0.1%(±1个字)； (3)设定值误差：0.2%F·S； (4)工作环境温度：-1050；湿度<85%。该仪表显示范围为“500”，精度在±1个字时，误差值为±0.1千克，且具有信号输出，满足生产工艺要求。3.1.4 安装及调校1 .安装 传感器安装在托袋架上方，上用螺杆吊挂在机体上，下用调整螺杆与托袋架连接。将机内定重砣用铁板垫高，使定重支架前端下移，刀子与刀承脱离接触，传感器承受托袋架全部重量。安装时要注意调整托袋架的平衡、垂直，使作用力的方向与传感器的受力轴线

30、相吻合。 显示仪表和控制元件安装在控制箱内，控制箱置于距包装机2米以外的支架上，既可防止机械振动对仪表产生影响，又便于操作人员观察。控制部分采用双向可控硅元件，目的是避免电磁干扰。传感器与显示仪之间的联接，采用多芯屏蔽电线，防止交流电磁干扰。2.调校 (1)空载校正:空载校正是在传感器只承受托袋架重量时进行，用数字电压表测量传感器输入、输出电压。调整稳压使传感器输入电压一致，调整传感器受力尽可能使输出电压相接近，凋整显示表使数字显示为零。 (2)加载调整:定重包装(50千克)，对定重点以外准确度要求并不严格，在实际调试中，仅对50±2千克的量值范围进行校

31、正，当加载50千克砝码时，调整显示仪使数字显示为“500”，然后反复进行增量、减量和零值调整，使显示值与砝码值之差在误差范围内。本方案称重装置不是成套产品，显示器也无量纲标志，调整时若发现显示值与砝码值相差较大，可通过零值迁移和调整放大倍数等方法，使显示值与砝码值保持不变的比例关系。 (3)定值设定:放料的冲力和控制机构滞后性的影响，实际设定值要小于定重值，提前量多少，要在实际运行中确定，一般在0.3千克左右。3.精度计算 电子称重装置的称重误差主要来自四个方面，即：称重传感器误差、测量仪表误差、机械传力误差和动态称重误差。在设计本系统时，我们仅对传感器和测量仪表引起的称重

32、误差进行了计算，然后对照包装机允许差值进行分析确定，其计算式为：  式中：|称重误差(绝对值)；Q0砝码重量值；传感器和测量仪器的综合误差；T传感器误差；A1测量仪表误差；A2定值误差。 包装机允许称重误差±1千克，由传感器和电测仪表引起的称重误差仅占允许误差的11%，给机械传力和动态称重留有充分的允许误差余地。3.2 PLC选型及I/0的分配  根据称重式自动定量的操作和控制要求，控制系统选用西门子公司的SIMATICS7-200 系列PLC，此系列的PLC 具有结构紧凑、模块化、可扩展性强、指令集丰富等特点。所选CPU 的型号为CPU 226 ACD

33、CREL，它提供24个数字量输入和16 个数字量输出，输入输出接口电路均采用了光耦合电路，对外界接口具有很强的适应性。并且2 个RS485 通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。由于要处理传感器的模拟量输入信号，所以扩展了一个EM 235 模拟量处理模块，该模块具有4 路模拟量输入。POP 文本显示器对整个系统进行过程监控显示以及参数设定等功能，可以通过PPI 协议和S7-200 系列PLC 的编程口或扩展通讯口直接通讯。 自动包装机工艺过程由进料、充填、称重、检测、包装几部分组成，包装机控制系统输入信号有：启动、停止及急停信号，安全门开关检测，缺袋检测，定量

34、充填部分信号，动盘到位检测，包装检测。输出信号有：传送带的启动，袋的加紧与松开，防止加料外漏，定量称重，传送带的运行状态，报警控制，转位电机控制，电机启停控制信号等。综合上述控制要求，并基于整个控制系统总成本及备用点考虑，本设计选用输入24点、输出24点的PLC基本单元。I/O点分配如表3.1所示。表3.1 I/0点分配表I0.1开 始Q0.1甲不放料I0.2甲称松袋Q0.2放 料

226本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/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。西门子S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、

36、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。(1)S7-200系列出色表现在以下几个方面：极高的可靠性极丰富的指令集易于掌握丰富的内置集成功能实时特性强劲的通讯能力丰富的扩展模块S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。(2)

37、S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU供您使用。  CPU单元设计集成的24V负载电源：可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU 221，222具有180mA输出，CPU 224，CPU 224XP，CPU 226分别输出280，400mA。可用作负载电源。不同的设备类型CPU 221226各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。 本机数字量输入/输出点CPU 221具有6个输入点和4个输出点，CPU 222具有8个输入点和6个输出点，CPU 224具有14个输入点和10个输出点，CPU 224XP具有14个输入点和10个输出点，CPU 226具有2

38、4个输入点和16个输出点。 本机模拟输入/输出点CPU 224XP具有2个输入点，1个输出点。中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。 高速计数器CPU 221/222:4个高速计数器（30KHz），可编程并具有复位输入，2个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接两个相位差为90°的A/B相增量编码器CPU224/224XP/226: 6个高速计数器（30KHz），具有CPU221/222相同的功能。CPU 222/224/224XP/226:可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。可使用仿真器（选件）对本机输入信号进行仿真，用于调试用户程序。 脉冲输出2路高频率脉冲输

39、出（最大20KHz），用于控制步进电机或伺服电机实现定位任务。 实时时钟例如为信息加注时间标记，记录机器运行时间或对过程进行时间控制。块电池模用于长时间数据后备。用户数据（如标志位状态，数据块，定时器，计数器）可通过内部的超级电容存贮大约5天。选用电池模块能延长存贮时间到200天（10年寿命）。电池模块插在存储器模块的卡槽中。  编程：CPU

5611编程。在这种情况下，通讯速率可高达187.5kbi。 （3）扩展模块和PLC及传感器的链接：因为传感器的信号时模拟信号。进入扩展模块之后把模拟信号转换成数字信号，这样接可以被PLC识别了。就能完成PLC对传感器的控制。如下图3.2所示：图3.2扩

42、）为扩展模块提供的输出电流660mA 程序存储器8K字节/典型值为2.6K条指令数据存储器2.5K字存储器子模块1个可插入的存储器子模块数据后备整个BD1在EEPROM中无需维护编程语言LAD，FBD，STL程序结构一个主程序块（可以包括子程序）程序执行自由循环。中断控制，定时控制（1255ms）子程序级8级用户程序保护3级口令保护指令集逻辑运算、应用功能位操作执行时间0.37s 扫描时间监控300ms（可重启动）内部标志位256，可保持：EEPROM中0112计数器0256，可保持：256，6个高速计数器定时器可保持：256，

II,PC(AT)本机I/O数字量输入：14，其中4个可用作硬件中断，14个用于高速功能数字量输出：10，其中2个可用作本机功能模拟电位器2个可连接的I/O数字量输入/输出：最多94/74模拟量输入/输出：最多28/7（或14）AS接口输入/输出：496 最多可接扩展模块7个3.4.2 输入特性S7-200 CPU224的输入特性如表3.3所示：表3.3 输入特性类型源型或汇型输入电压DC 24V，“1

扩展单元的主要技术特性S7-200系列PLC是模块式结构，可以通过配接各种扩展模块来达到扩展功能、扩大控制能力的目的。目前S7-200主要有三大类扩展模块。 （1）输入/输出扩展模块  S7-200 CPU上已经集成了一定数量的数字量I/O点，但如

46、用户需要多于CPU单元I/O点时，必须对系统做必要的扩展。CPU221无I/O扩展能力，CPU 222最多可连接2个扩展模块（数字量或模拟量），而CPU224和CPU226最多可连接7个扩展模块。S7-200 PLC系列目前总共提供共5大类扩展模块：数字量输入扩展板EM221（8路扩展输入）；数字量输出扩展板EM222（8路扩展输出）；数字量输入和输出混合扩展板EM223（8I/O，16I/O，32I/O）；模拟量输入扩展板EM231，每个EM231可扩展3路模拟量输入通道，A/D转换时间为25s，12位；模拟量输入和输出混合扩展模板EM235，每个EM235可同时扩展3路

47、模拟输入和1路模拟量输出通道，其中A/D转换时间为25s，D/A转换时间100s，位数均为12位。基本单元通过其右侧的扩展接口用总线连接器（插件）与扩展单元左侧的扩展接口相连接。扩展单元正常工作需要+5VDC工作电源，此电源由基本单元通过总线连接器提供，扩展单元的24VDC输入点和输出点电源，可由基本单元的24VDC电源供电，但要注意基本单元所提供的最大电流能力。 （2）热电偶/热电阻扩展模块   热电偶、热电阻模块（EM231）是为CPU222，CPU224，CPU226设计的，西门子PLC与多种热电偶、热电阻的连接备有隔离接口。用户通过模块上的DIP开关来选择

48、热电偶或热电阻的类型，接线方式，测量单位和开路故障的方向。 （3）通讯扩展模块  除了CPU集成通讯口外，S7-200还可以通过通讯扩展模块连接成更大的网络。S7-200系列目前有两种通讯扩展模块：PROFIBUS-DP扩展从站模块（EM277）和AS-i接口扩展模块（CP243-2）。

50、第4章 定量包装秤的软件设计与调试控制系统软件设计为各功能软件设计，包括显示功能、参数设定功能、自动修正给料量功能、通讯功能等。如图4.1所示为软件系统的总体结构。图4.1 软件系统的总体结构图针对系统要求，综合考虑可靠性、先进性、系统成本以及通讯能力要求，该控制系统采用西门子S7-200 PLC作为主要逻辑控制器，上位机为一台DELL PC和一台10英寸西门子TP270触摸屏。称量控制核心部件是SIWAREX FTA电子称重模的称重过程由FTA分解完成（包括物料的快慢加转换）。而多配方的存储与调用、块，称重传感器给出重量信号(mV模拟量信号)直接进入到SIWAREX FTA，其余多物料加料顺

51、序的控制、报表、报警的生成与管理等等则依赖于S7-200 的CPU来完成的。SIWAREX FTA给出确定的动作信号到PLC的I/O卡进而由PLC的I/O来控制电气、设备。同样，上位机PC或TP270触摸屏也可以对SIWAREX FTA的称重过程系统进行监视与干预，实现功能兼容互为备用的作用。见下图4.2所示：图4.2 配料控制系统方案4.1 称重信号处理由于称量信号存在干扰，需要对信号进行滤波处理，并判断信号是否稳定，读数是否准确。所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号的比重，是一种程序滤波即软件滤波。常见的滤波方法有限幅滤波、限速滤波、中值滤波、滑动平均滤波等。本系统

52、采用滑动平均滤波方法，系统采集的信号是与重量成正比的电压信号。这类信号的特点是存在一个平均值，信号在某一数值范围附近作上下波动，在这种情况下仅取一个采样值作为判断依据显然是不准确的。采用滑动滤波方法可以得到较好的效果。该方法采用最新采集的一个数据替换n 个暂存数据中的最早的一个数据，使得n 个暂存数据始终是最近的数据。求平均后所得数据既反映了最近的数据变化，又克服了随机误差带来的响。所求的平均值为标准差为当标准差 小于设定值时，则系统稳定，当前值即为称量值。根据系统要求的精度不同，可以设定不同的值。42 PLC 程序设计4.2.1 可编程程序控制器可编程控制器简称PC（英文全称：Program

Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和

54、输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。” PLC具有可靠性高，抗干扰能力强，硬件配套齐全，功能完善，适用性强，易学易用，容易改造，体积小，重量轻，能耗低的特点。4.2.2 PLC的部分程序及功能说明如下图4.3和图4.4所示：双秤自动运行时，有些地方需要实现互锁，有些地方需要设定最佳的定时时间。放料两秤互锁：甲秤放料，则乙秤不放料，乙秤放料，则甲秤不放料。放料到一定地位，称量包装秤慢加和快加会自动复位，这时如果自动打开加料门，造成不停的加料放料，因此放料一段时间内不能给加料筒加料，料筒没有关到位就加料。会

55、造成加料过量。图4.3甲秤放料定时程序图图4.4乙秤放料定时程序图如下图4.5所示：松袋放料互锁，放料时按松袋按钮不起作用，防止放料途中有人误按按钮将料撒在地上，松袋动作则不允许放料，因为松袋意味着没有包装袋，没有包装带不允许放料，放料会撒在地上，套袋动作需要自锁，这样只要夹袋按钮接通一下，包装袋就会夹牢。图4.5松袋放料互锁程序图如下图4.6所示：定时时间需要按照设备的特点来设置，比如夹袋式，最快时间是料落袋口时，刚好夹紧，这个时间就是放料时间，放料时间多长要根据实际情况来设置和优化；放料完成一定时间内不得放料，直到料筒门关上才能放料，这个时间必须加到程序中，并按照实际情况来进行调整。对包装

56、次数进行计数，一种是PLC按每包一个脉冲输出，由电子计数器计数。操作人员可以按电子计数器读数记录来计算包数。图4.6包装计数程序图 根据称重式自动定量包装机的操作要求，确定各动作的顺序和相互之间的关系，画出程序流程图，再由PLC 输入输出的逻辑关系编写出梯形图。本系统输入端口定义为自动手动按钮、卡袋复位按钮、单步执行按钮、总复位按钮、停止按钮、卡袋开关等，输出端口定义为称量斗稳定指示、大给料气缸动作、小给料气缸动作、卸料气缸动作、卡袋气缸动作、系统报警等。输出采用西门子公司STEP7-Micro/WIN32 软件进行编写，程序流程图如图4.7 所示:图4.7 程序流程图4.3 POP文本画面设计POP-HMI 除 LCD 显示窗之外，还有22 个薄膜开关按键，其中16 个按键能被设定成特殊的功能键，用来完成画面跳转，开关量、位状态设定等功能。本系统中通过POP-HMI 可以设定灌装目标重量、大给料量、

在工业生产过程中有很多的环节都涉及到定量称重问题，比如食品的包装过程，医药化工的配料过程，饲料的配料包装过程等等。传统的模式都是采用先进行静态的机械称重，然后再进行人工包装或者配料。这样往往会导致效率极低，工人的劳动强度极大，而且精度不高。电子秤的出现改善了静态机械称重的精度，但是在快速生产过程中，动态称重精度却是一个问题。于是如何解决高速称重过程中的动态精度问题成为了当前研究的热点。

就目前来看，国内在动态称重的技术上比国外还有不小的差距。虽然在过去的一二十年内我国的定量称重包装设备的自动化程度有了大幅的提高，但是由于国内的技术储备不够，而在最近的一二十年内，国外在动态称重技术上不断应用了先进技术，如人工神经网络（ANN）技术，非线性回归（NLR）理论，以及基于线性高斯法（LOG），卡尔曼滤波（Kalmanfilter），模糊逻辑估计（Fuzzylogicestimator）的新数字滤波器的设计[1]等。然而国内也在吸收和消化引进技术的基础上自主开发了一批定量称重系统，比如由某公司所研究开发的应用于煤粉定量控制系统中的SKPLC，其稳定性比较可靠，功能也比较完善，价格比较实惠[2]。但是总的来说，由于国内在技术储备、研发水平、制造水平与国外的差距，导致了现今国内的定量称重设备的技术含量、功能，特别是在称重精度和速度这对矛盾的解决上并不是很成功，此外包装设备与生产线上的其它控制设备的数据通信等方面与国外的产品还是有很大的差距。

在参考当前国内外动态称重研究成果的基础上，结合农用化肥生产对定量称重包装设备的具体要求，设计了一种适用于农用化肥生产过程的电子定量包装动态称重系统。

根据国家对农用化肥包装重量精度的要求并结合农用化肥企业的生产实际需求，提出以下的系统设计技术指标：（1）称重计量精度：<（±0.5）%；（2）称重范围：（20~50）Kg；（3）称重包装速度：20包/min。

2.2电子定量包装秤动态称重系统的数学模型

影响系统性能的关键因素有：由喂料系统带来的冲击力大小的影响，传感器数量与布置方式对系统等效刚度的影响，系统各组件连接方式对系统等效阻尼系数的影响[3]等。其中下落物料的冲击力对称重的精度影响较大，该物理量不仅与物料的流速有关，还与储料仓的储料数量、称料仓的留空体积等众多因素相关，是一个典型的时变参量，因此上述数学模型所表达的系统是一个时变系统，这就导致了传统的控制理论难于对它进行控制，目前也没有成熟而且实用的新处理方法。所以我们只能尝试在大量实验的基础上通过对实验数据的分析，寻找系统中存在的规律，从而达到准确定量称重控制的目的。

2.3电子定量包装秤动态称重系统机械结构设计电子定量包装秤动态称重系统主要由进料系统、定量称重系统、包装系统所组成。由于单纯的包装机械国内和国外的差别不大，研究的重点都放在了进料部分和定量称重部分。

进料系统从结构形式上又可划分为绞龙输送供料、皮带输送供料、直流式供料[4]、柱塞供料、螺旋供料、振动供料[5]等等，各种方式都是优缺并存。其中直流式喂料的机构简单，速度快，但是会使得称重的精度与料位高度及物料流动的均匀性与平衡性有密切的关系。由于农用化肥包装属较重物料的包装，为了兼顾效率和精度，我们的进料系统采用了直流式供料方式，同时为达到生产线快速称重的实际需要，在称重结构上采用双秤结构（分A，B秤）。整个电子定量包装秤动态称重系统先是通过皮带传输供料装置送料到直流式供料装置的储料斗，然后由直流式供料装置供料。

动态称重过程中物料流量大小直接决定物料对称重系统的冲击力大小，物料下料流量大时，称重速度快，但称重的计量精度将难于保证，反之下料流量小时，称重的计量精度可获得提高，但称重效率很低。为满足系统称重的计量精度，并兼顾称重速度，我们在给料的速率上采用多级流量控制方式。实验结果表明，采用三级给料控制方式已经可以较好的解决速度和精度这对矛盾。

2.4电子定量包装秤动态称重系统控制部分设计

电子定量包装秤动态称重系统中的控制部分是协调整个系统有序工作的大脑。控制器CPU采集来自称重传感器的信号，接收人工键盘或异地远程指令，监视整个系统的状态，产生气动阀门的控制信号，在显示器上输出系统的状态信息。

在控制器的设计中，应关注的主要问题有以下几个方面：（1）输入输出信号间的时序关系，这主要由控制器软件来体现；（2）在恶劣的工业现场环境下工作的可靠性问题。在化肥厂空气中存有大量的腐蚀性气体，对控制器电路板需要进行密封与散热；（3）硬件电路参数对动态称重计量精度的影响。控制器中传感器及其后的放大调理电路、A/D的参数、CPU的性能对系统精度影响较大。控制器设计中我们首先选定的是高性能的ATmega128单片机，其带有丰富的I/O接口以及内部资源，工作于16MHz时性能高达16MIPS，特别的是ATmega128带有性价比很高的A/D转换器，它具有10位精度，转换时间为（13~260）μs，0.5LSB的非线性度，（±2）LSB的绝对精度，最高分辨率时采样率高达15kSPS[6]。对于10位的A/D，在最大量程为50Kg的情况下，其最小分度值为48.8g，远小于系统的精度要求，可见是满足系统设计要求。

另外A/D转换速度是否能满足连续的高速转换，这里我们在参考ATmega128手册下知道：在最高精度的要求下，ADC的工作频率可以最高达200kHz，而正常单端连续转换的一次时间是14.5个ADC周期，那么可以计算出来一次的转换时间是：14.5/200kHz=75μs，可见转换速度是够的。对AD的采样速率来说，通过试验可以知道物料动态称重中信号的频谱成份主要集中在小于10Hz的低频范围，而ATmega128的ADC最高分辨率时采样率高达15Ksps，可见也是完全满足要求的。

传感器我们选择梅特勒-托利多的单点弯曲梁式传感器IL-250，最大量程重量是250Kg，在12V激励电源下输出范围是：（0.2~27）mV。使用中，为降低传感器自身非线性的影响，采用精密砝码进行标定，并将标定值存于控制器中。定量包装秤的工作范围为（20~50）Kg，那么最好的情况是满量程的情况下进入ADC的电压值可以逼近参考电压但是小于参考电压，而在零点时候的电压最好就是传感器在无料状态下的输出电压。通过测试得到传感器在50Kg下的输出电压为14mV左右为此必须对传感器输出的信号进行放大，为了使系统可以达到我们的设计目标，这里我们的放大倍数选择为350倍。

软件设计部分的主要工作是对信号噪声滤除的数字滤波设与实现，对双秤结构下的三级流速控制流程的设计与实现。工业控制中对信号噪声进行简单滤除的主要方法有：算术平均值滤波，加权平均值滤波，滑动平均值滤波，中值滤波，程序判断滤波（包括限幅和限速滤波），复合数字滤波等等。每种滤波方法特色各异，在动态称重的系统中，经试验反复对比，中值滤波和滑动平均值对本系统现场信号噪声的滤波作用比较明显，在最终系统的实现中，我们采用了N=8的中值滤波器设计。

在三级流速控制部分，主要完成的是对大投喂料开关，中投喂料开关，小投喂料开关的控制。控制的实现是通过对A/D采集的数据进行处理后与系统中预先设定的各临界值进行比较，只要当前值大于等于所设定值就关闭相应的喂料开关。对于双秤结构，可以设定多种工作模式（A、B秤同时独立工作；A、B联动工作；A、B秤只选择其一工作）。卸料控制应针对不同的工作模式进行相应的处理。以双秤同时独立工作模式为例，在这种工作模式下，双秤卸料必须满足不能互相干扰的问题。也就是说当A秤在卸料则B秤不能卸料，而且都必须是在定值以后当夹带开关打开，表示物料带已经准备好的时候才可以卸料。在程序中我们采用的是A秤优先的模式。另外卸料的时间控制比较重要，过长虽然可以使物料一次卸料干净但是影响效率，过短则会使得计量斗内的物料卸料不完全导致误差的引入。在工厂生产的实际过程中，存在多种不同的包装规格。为减少由于需要重复对不同包装规格进行标定而带来的很多问题，系统采用对不同包装规格预先保存不同标定配方数据的方法来应对。为便于调试，系统还添加了全手动的工作控制模式。为便于工厂的管理，在程序中增加了与上位机的通信接口，可通过上位机实时对称重设备进行参数的查询、控制管理等工作。系统采用DMF50174液晶显示屏，一次可显示的信息量丰富。在软件部分的一项重要工作就是通过大量的显示内容来增强人机间的交互，使得对设备的使用和管理更加的便捷。

由于定量包装秤动态称重系统是一个时变非线性系统，只能通过大量的实验来寻求一些控制规律。所以系统的调试对定量包装秤动态称重系统来说是很重要的一环。在调试中我们主要是通过调整系统的不同参数（例如各延时参数和三级流速控制的各临界值）来使系统可以精确快速运行。在实际生产中有很多的因素影响着系统的精度，比如储料斗中的料位，化肥颗粒的状态（有些化肥容易结块）等。

通过现场的运行情况来看，本系统基本可以满足设计要求。但是在控制精度方面依然有可改善的空间，比如可以通过采用高性能的AD，使用放大倍数更高、性能更好的放大器，使用工作频率更高的处理器如DSP，改进算法等等。如果可以改进进料系统使得进料速度可以严格的控制，那么对动态称重系统的控制部分的要求将会大大降低，就可以采用一些传统而十分有效的控制方式。

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