| PLC自動灌裝機稱重比值控制系統設計 | 2020-01-22 |
| 1引言 在生產過程中，凡是將兩種或兩種以上的物料量自動地保持一定比例關系的自動灌裝機，就稱為比值自動灌裝機。在化工行業中，稱重控制是非常重要的。本文主要介紹了一種稱重比值自動灌裝機，經實驗和實踐運行，證明該定量灌裝機具有結構簡單、穩態誤差小、控制精度高等優點。 2工作原理 比值控制有開環比值控制、單閉環比值控制和雙閉環比值控制三種類型。開環比值控制是的控制方案。單閉環比值自動灌裝機是為了克服開環比值控制方案的缺點而設計的，這種方案的不足之處是主稱重沒有構成閉環控制。本稱重灌裝機采樣雙閉環比值控制方案。 個閉環自動灌裝機是主稱重本身構成的稱重閉環自動灌裝機，當設置確定后，通過閉環調節作用，消除擾動的影響，使的稱重穩定在設定值上，主稱重閉環自動灌裝機屬于恒值自動灌裝機。第二個閉環自動灌裝機是副稱重硫酸閉環自動灌裝機，其輸入量是經過檢測與變送后的稱重信號q1與比值系數k1的乘積。硫酸副稱重閉環自動灌裝機由副控制器1、硫酸泵變頻器、硫酸泵以及檢測點2/變送器2等組成。副稱重閉環自動灌裝機屬于跟隨定量灌裝機。自動灌裝機對涂料罐裝生產流水線控制自動配料系統的硬件和軟件方面進行了設計。其中硬件設計部分包括FX2N-32MRPLC外部電路的設計與安裝；軟件部分包括程序的設計與調試。根據自動配料系統的實現要求對PLC、電動機、稱重模塊、繼電器等外部設備進行選擇型號。設計完成的涂料灌裝生產流水線能夠實現以下功能：（1）通過開關將自動配料系統設為自動操作模式，一經啟動，則傳送帶的驅動電機啟動并一直持續到停止開關動作或待涂料桶傳送至液體灌裝機下時停止運轉；桶子裝滿涂料并上了蓋后，傳送帶驅動電機必須自動啟動，并保持到下一個涂料桶被傳送至液體灌裝機下或停止開關動作；（2）當桶子傳送并定位在液體灌裝機下時，停1s，液體灌裝機開始工作，對于大桶灌裝8秒鐘，小桶則5秒鐘，灌裝過程完畢后對涂料桶進行上蓋操作，上蓋時間約為2秒鐘。整個灌裝和上蓋過程應設有報警顯示，待上蓋完畢后不再顯示報警；報警方式為紅燈0.5s間隔閃爍；（3）包裝過程，對于小桶：40桶為一大包，30桶為一中包，20桶為一包裝；對于大桶：20桶為一大包，15桶為一中包，10桶為一包裝；（4）能夠實現對生產產品進行自動記數并可以手動對計數器清零。 3稱重比值自動灌裝機設計 3.1 稱重比值自動灌裝機構成 與硫酸稱重比值自動灌裝機是由三菱fx2nc系列plc、耐腐蝕泵、西門子mm440變頻器、計量螺旋、電磁自動灌裝機等組成。 (1)三菱fx2nc系列plc。fx2nc系列plc具有很高的性能體積比和通信功能，可以安裝到比標準的plc小很多的空間內。i/o型連接器可以降低接線成本，節約接線時間。i/o點數可以擴展到256點，最多可以連接4個特殊功能模塊。 (2)耐腐蝕泵。硫酸屬于腐蝕性介質，輸送泵必須采用耐腐蝕泵。本定量灌裝機采用ihf 6550-160型氟塑料離心泵，泵進口直徑65mm;出口直徑50mm;葉輪名義直徑160mm;轉速2900r/nin，稱重25m3/h;揚程32m;電機功率5.5kw。硫酸泵采用變頻調速。對于泵類設備，應選用水泵類專用變頻器。ihf6550-160型氟塑料離心泵的驅動電機功率為5.5kw,選用西門子公司mm430型水泵專用變頻器，該變頻器帶內置濾波器。 (3)西門子mm440變頻器。粉體在螺旋內的流動速度是由電機編碼器輸出脈沖來間接計算的,如果電機轉速穩定性不好,將影響計量螺旋的正常工作。為此,采用德國西門子公司mm440型矢量控制變頻器，電源電壓380vac，額定輸出功率5.5kw，額定輸出電流13.2a。為了穩定螺旋軸的轉速并計算粉體流速，稱重灌裝機采用帶速度編碼器的矢量控制方式。變頻器需要增加脈沖編碼器脈沖處理模板(簡稱編碼器模板)和編碼器。 (4)計量螺旋。是粉粒狀物料(簡稱粉體)。計量螺旋是對粉體進行輸送、動態計量和稱重控制的設備。本設計采用萬息得公司的lsc型計量螺旋(螺旋電子稱)。 粉體進入料倉后，在振動器的作用下進入螺旋輸送機，粉體沿螺旋槽向出料口方向前進。在出料口下方的稱量裝置傳感器將檢測到的重量信號傳送到plc的模擬量輸入單元。同時，安裝在電機非負載軸端的編碼器檢測螺旋軸旋轉的周數和速度，編碼器輸出脈沖傳送到plc的高速計數單元。經cpu單元運算處理后，得到粉體的稱重值和累積重量值，由模擬量輸出單元輸出控制信號，控制變頻器和變頻電機，從而控制粉體的稱重。稱重是稱重比值自動灌裝機的主動量。粉體稱重(給料量)表達式為：q=k?q?v(1) 式中，q―計量螺旋輸出稱重(給料量)，kg/s;k―稱重系數;q―螺旋內粉體的線負荷，kg/m;v―螺旋內粉體流動速度，m/s 。 粉體在計量螺旋內沿螺旋形軌跡運動，不便于直接檢測流動速度v，通常是使用編碼器檢測電機的轉速，再換算出流速v。 (5)電磁自動灌裝機。電磁自動灌裝機廣泛用于測量導電的液體和液固兩相流體的體積稱重，測量結果與流體的溫度、粘度、密度、壓力及液固成分比無關，電導率在較大范圍內變化時也不會影響測量結果。因此，只需經普通水標定后，就可以用來測量其他導電性液體或液固二相流體介質的稱重，而不需附加任何修正，所以電磁自動灌裝機是一種真正的體積自動灌裝定量灌裝機。 3.2 plc自動灌裝機設計 稱重裝置、硫酸電磁自動灌裝機的輸出均為4～20ma信號，分別送到模擬量輸入單元fx2n-4ad的電流輸入1、電流輸入2。模擬量輸入單元fx2n-4ad有4個12位模擬量輸入通道，輸入量程可以是電流信號(4～20ma)或電壓信號(-10～10v)。轉換速率為15ms/通道或者6ms/通道(高速)。計量羅旋和硫酸泵都采用變頻調速定量灌裝機，兩臺變頻器的控制信號來自plc定量灌裝機的模擬量輸出單元fx2n-4da。fx2n-4da有12位4通道，輸出量程可以是電流信號(4～20ma)或這電壓信號(-10～+10v)。轉換速度為4通道2.1ms在程序中占用8個i/o點。 (1)設定參數數據存儲器地址 計量螺旋給料量即稱重設定值：d1 d0，2個字，8位bcd碼。 /硫酸稱重比值系數：d3 d2/d9 d8。 實際稱重值存儲器地址：m500，16位二進制碼。 硫酸實際稱重值存儲器地址：m501，16位二進制碼。 16級增益數據存儲器地址：第1級～第10級：d100～d109,d130～d139。 16級積分時間常數數據存儲器地址：第1級～第10級：d110～d119,d140～d149。 (2)變頻器調節 稱重灌裝機使用mm430變頻器控制泵類負載時，需要注意起始頻率，防止閉環自動灌裝機在突加給定時，稱重出現過大的超調和震蕩。在管道和泵的規格確定之后，相應的稱重起始頻率也就確定了。在本定量灌裝機中，頻率大于19hz之后才有稱重輸出。針對變頻調速泵的這種特性，在定量灌裝機調試時應首行開環試驗，測出泵的頻率-稱重特性曲線。根據測出的起始頻率來制定控制算法。在起始頻率以下，采用開環控制模式，變頻器的輸入信號為斜坡函數，即線形漸增電壓信號。待達到起始頻率建立起稱重之后，再轉入閉環控制模式。對于閉環控制模式，又分為比例(p)控制和比例積分(pi)控制兩種模式。首先運行比例控制，當實際稱重接近設定稱重時，再轉入比例積分控制模式。采用多模態控制后，消除了稱重的大幅度波動，改善了稱重的跟隨性能并消除了穩態誤差。 (3)pid控制 fx2nc系列plc具有pid控制指令， pidd200設定值sv，參數起始字，二進制數據 d201輸入字，稱重反饋數據，二進制數據 d500控制參數 d500 采樣周期t1～32767ms d501動作方向(act) d502 輸入濾波常數a0～99% d503 比例增益kp1～32767% d504 積分時間ti(0～32767- ms)*100d505 微分增益kd0～99% d506 微分時間td(0～32767)*10ms d503(比例增益kp)：8000(bcd碼)左右，p小則超調大，震蕩次數多。 d504(積分時間ti)：根據‘誤差數據’(d50)，將積分ti分為10級，在運行過程中自動地調用相應的積分ti，達到既響應快又抑制超調的目的。在突加給定的情況下，超調量小于5%。 d506(微分時間td)：4000(bcd碼)左右。 液體灌裝機全密閉一體化涂料生產設備自動灌裝系統實現了自動理桶，自動稱重灌裝，自動壓蓋，自動堆垛一系列工序，解放勞動力。跟傳統的灌裝方式相比多了如下優勢： 1）采用全自動理桶、取桶設備，加速了輸送速度。 該設備從涂料桶的取用環節就采用全自動生產，只需要將相同規格和型號的涂料用桶整齊擺放在位置，專業機械手會每次準確取出一個包裝桶，通過動力軌道將包裝桶精確輸送到灌裝嘴下面。 2）雙頭準確灌裝，單線灌裝產量大。 液體灌裝機設有自動計量器，會按照預先設定的標準通過灌裝嘴所設定數量直接將涂料灌裝到傳送過來的包裝桶里。整個過程準確快捷，不會造成材料的浪費，更不會造成環境污染。裝好涂料的包裝桶將經過動力軌道傳輸到下一個環節。 3）自動理蓋、上蓋，逐個封口。 灌裝好標準量涂料的桶，被準確送到自動理蓋機下，理蓋機通過機械手，每次吸取好一個桶蓋，準確放置到灌裝好涂料的桶上面，自動封口機會立即配合動作將桶蓋準確擠壓，對灌裝好的涂料進行密閉封口。此時，一桶涂料的包裝就基本完成。 4）自動堆垛，置入托盤。 灌裝好涂料的包裝桶經過密封包裝，傳遞到自動堆垛機下。自動堆垛機通過專業機械手，將裝滿涂料的包裝桶準確吸取并放置到設定的托盤內。當托盤內涂料桶的個數達到數目，機械手會自動將放置忙涂料桶的托盤運輸到位置。 此項技術不僅能讓涂料的灌裝節省了人工成本80%以上，減少了人為浪費和環境污染，同時極大加快了生產速度，整個灌裝的過程變得更加輕松、精確和專業。 4結束語 任何液體灌裝機在投入使用時，由于操作人員的不熟悉或者由于開發人員在編寫程序時針對具體的用戶要求考慮得不全面，在初始運行的一段時間內要根據用戶的要求對軟件進行修改，但該自動灌裝機的用戶分散在全國各地，如果由開發人員去現場維護，必定在路上浪費時間且要花費較多費用，為了降低成本，我們通過網絡實現了遠程調式與維護，效果非常理想。遠程維護主要通過三種途徑實現：一種是應用遠程控制軟件PcAnywhere來實現；第二種通過Windows的通信功能中的“遠程桌面”來實現；第三種是通過QQ即時通信軟件中的遠程控制來實現。這三種軟件我們在遠程調試中都采用過，感覺的還是QQ即時通信軟件。在本定量灌裝機中，根據稱重閉環自動灌裝機的誤差大小，將比例系數和積分時間常數各分為10級，在運行過程中能夠自動地調用合適的比例系數和積分時間常數，這種控制能實現了響應快又抑制超調的目標，達到了很好的效果。 | |
