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配料系统生产线设计与应用2021-02-22

摘要

在现代化很多产品生产中配料准确度是产品的重要质量指标之一,配料系统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,自动控制技术在生产称重中应用越来越多,在粮食、化肥、饲料和轻工业等行业中都有广泛应用。配料技术的发展大致经历了手工称重、继电器控制、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。

1.绪论

1.1 配料研究的目的和意义

配料系统电子技术和微型计算机的迅速发展,促进了微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用,从国防技术、航空航天等到日常生活中的电梯、微波炉等都采用到了微机测控技术。工业生产中的自动称重系统就是微机测控技术的应用。自动配料系统主要包括称重装置和数据的存储两大部分。

物料计量称重是工业生产和贸易流通中的重要环节。称重系统或衡量器是不可缺少的计量工具。随着工农业生产的发展和商品流通的扩大,衡器的需求也日益增多,过去沿用的机械杠杆秤已不能适应上产自动化和管理现代化的要求。自六十年代以后,由于传感器技术和电子技术的迅速发展,电子称重技术日趋成熟,并逐步取代机械秤。尤其是七十年代初期,微处理机的出现使电子称重技术得到了进一步的发展。快速、准确、操作方便、消除人为误差、功能多样化等方面己成为现代称重技术的主要特点。称重系统不仅是提供重量数据的单体仪表,而工作为工业控制系统和商业管理系统的一个组成部分,推进了工业生产的自动化和管理的现代化,它起到了缩短作业时间、改善操作条件、降低能源和材料的消耗、提高产品质量以及加强企业管理、改善经营等多方面的作用。称重系统应用己遍及到国民经济各领域,取得了显著的经济效益。但是,我国在这方面的产品少且功能不齐全,所以改善现有称重装置、开发研究功能齐全的自动称重系统是势在必行的。

1.2 国内外研究现状及发展趋势

国外研究概况:配料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

2.称重系统的工作原理及系统结构

2.1 自动配料系统简介

在生产线配料过程中,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,从而保证料斗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;秤体主要由称量斗、承重支架和称重模块组成,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。

自动化配料系统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,称重模块为检测元件,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

称重配料系统进入自动运行状态后,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,称重配料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。

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。

称量配料系统通过PLC发出信号给气缸1带动插板工作,储料斗的面粉流入称重斗,称重斗上面的称重感应器发出信号给PLC,以此来控制气缸1的运作,在快到所需重量时PCL发出信号给气缸1带东莞插板,使放料速度变慢,当到达称重模块的数值是PLC发出信号给气缸1,插板封住料口,称重模块数值不再变化的信号传给PLCPLC发出信号给气缸2,称重斗被打开,开始卸料到卡带机构上的面粉袋。当称重模块数值不又停留在某一值时,PLC发出信号给卡带机构卡带开始包装,然后发送信号给气缸2,称重斗关闭,PCL再气缸1发出信号带动插板,储料斗又被打开开始卸料

3.配料系统的硬件设计

自动化配料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。称重配料系统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。

称重模块的选择

称重传感器从受力方式上可分为压式和拉式称重模块,拉式称重模块在料斗秤上安装简便,积灰少,维护方便,本方案选用S型称重模块。

称重模块的安装数量根据G4201型料斗秤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称重模块,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。称重模块容量的选择原则为:

显示仪表的选配

选用MD型数字表作为称重仪表,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。

安装及调校

安装:称重模块安装在托袋架上方,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,称重模块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,使作用力的方向与称重模块的受力轴线相吻合。

显示称重仪表和控制元件安装在控制箱内,控制箱置于距料斗秤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。 

调校:(1)空载校正:空载校正是在称重模块只承受托袋架重量时进行,用数字电压表测量称重模块输入、输出电压。调整稳压电源使传感器输入电压一致,调整称重模块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。

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。

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。 配料系统

精度计算:电子称重装置的称重误差主要来自四个方面,即:称重模块误差、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,我们仅对称重模块和测量仪表引起的称重误差进行了计算,然后对照料斗秤允许差值进行分析确定.

承载器

承载器是承载重力并将力传递到称重模块的机械结构。国外已较多的采用CAD进行承载器(秤台或秤架)的设计,在保证一定强度和刚度的前提下优化设计,从而达到节省钢材,降低造价的目的。

据国外资料介绍,在电子称重装置中,称重模块的价格这几年变动不大,仪表价格随着电子器件价格下降而成下降趋势,而占成本比重比较大的承载器由于钢材和加工费用的上涨使成本提高。回此要降低成本提高竞争力,重点是降低秤台造价,所以优化设计,发展薄型结构己是制造厂向的主要目标。

随着工业自动化和管理现代化的进展,自动在线称重、快速在线称重和称重系统有了很大发展。进一步采用新技术,开发各种自动称重系统,提高动态称重的准确度,加强网络功能是当今各国发展的重点。配料系统正是从这一方面出发进行设计的,称重系统既能获取称重信息,又能实现对称重信息的管理,而且其稳定性好,称量速度快、精度高,可连续自动称重,显示、打印称量结果,实现了称重数据的存储,并且该自动称重系统还实现了可视化,从而杜绝不真实计量现象,维护企业和客户的利益。另外,其界面直观,便于使用。

配料软件设置.

1软件的总体结构

配料软件设计为各功能模块设计,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。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,该控制系统采用三菱FX2NPLC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,称重模块给出重量信号(mV模拟量信号)直接进入到SIWAREX FTA,其余多物料加料顺序的控制、报表、报警的生成与管理等等则依赖于FX2NCPU来完成的。SIWAREX FTA给出确定的动作信号到PLCI/O卡进而由PLCI/O来控制电气、设备。同样,上位机PCTP270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。

2 PLC选型及I/0的分配

三菱FXPLC是小形化,高速度,高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置,除输入出1625 点的独立用途外,还可以适用于多个基本组件间的连接,模拟控制,定位控制等特殊用途,是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。它具有系统配置即固定又灵活,编程简单,备有可自由选择,丰富的品种,令人放心的高性能,高速运算,使用于多种特殊用途,外部机器通讯简单化,共同的外部设备等特点。

FX系列PLC拥有无以匹及的速度,高级的功能逻辑选件以及定位控制等特点;FX2N是从16路到256路输入/输出的多种应用的选择方案。它是小型化,高速度,高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。   除输入出16-25点的独立用途外,还可以适用于在多个基本组件间的连接,模拟控制,定位控制等。特殊用途,它是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。在基本单元上连接扩展单元或扩展模块,可进行16-256点的灵活输入输出组合。可选用16/32/48/64/80/128点的主机,可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。可根据电源及输出形式,自由选择。程序容量:内置800RAM(可输入注释)可使用存储盒,最大可扩充至16K步。丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、高速处理指令、输入过滤常数可变,中断输入处理,直接输出等。便利指令数字开关的数据读取,16位数据的读取,矩阵输入的读取,7段显示器输出等。数据处理、数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根、浮点小数运算等。特殊用途、脉冲输出(20KHZ/DC5VKHZ/DC12V-24V),脉宽调制,PID控制指令等。外部设备相互通信,串行数据传送,ASCII code印刷,HEX ASCII变换,校验码等。时计控制内置时钟的数据比较、加法、减法、读出、写入等。

称重模块工艺过程由进料、充填、称重、检测、包装几部分组成,称重模块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。如图4-2

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。

本系统采用滑动平均滤波方法,称重模块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影响。

储存斗和称重斗自动运行时,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。放料两斗互锁:储存斗放料,则称重斗不放料,称重斗放料,则储存斗不放料。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称重斗加料,称重斗没有关到位就加料,会造成加料过量。因此如下图所示甲称运用辅助继电器M0用于定时启动控制,采用一个100ms定时器T20,经过10s延时,T20的常开触点闭合,Y1接通。同样,称重斗运用辅助继电器M1延时10s后,定时器T21的常开触点闭合,Y4接通。

根据称重式配料系统的操作要求,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。配料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、系统报警等。

硬件抗干扰的设计

在微机应用于工业控制中,由于控制现场环境恶劣,情况复杂,因此必须考虑配料系统的抗干扰能力,以适应现场控制的需要。自动配料系统的单片机部分放置于现场,在现场中由于强电磁干扰,电网干扰,空间干扰等,以及大量的粉尘等导体,使主机系统的工作环境变的很恶劣。因此,在配料系统设计和制造过程中,考虑到配料系统的抗干扰性能的要求,从硬件和软件上都设法提高系统的抗干扰能力,使配料系统充分适用于现场的要求,保证配料系统的可靠性。

各种干扰是机电一体化系统和装置出现瞬时故障的主要原因。干扰的抑制要从干扰源、传播途径、接收器三个方面入手。因此,在配料系统设计中,应尽可能避开干扰源,并针对不同的干扰源,对耦合通道采取有效的方法。干扰窜入系统的渠道有三种,即空间干扰,过程干扰,和供电系统的污染。一般常用的抗干扰措施有合理布置电源、屏蔽干扰源、隔离、滤波、接地等。

电源的干扰以及抑制措施

任何电源及输电线路都存在内阻,这些内阻就会引起电源的噪声干扰。由于电源是整个系统运行的基础,并且危害最严重的干扰源是电源的污染。电源性能的好坏在很大程度上将直接影响整个系统的可靠运行。由于工业控制计算机的电源都接自电网,故由于现场的用电情况复杂。如电网电压不稳定,对计算机系统造成很大的干扰,干扰微机系统的正常工作,因此,系统选用带恒温的高精度基准的电源,并对此电源的输出电源进行预稳压,这样有效的保证了系统的抗干扰能力。

空间干扰的防御措施

空间干扰主要是指电磁场在线路、导线、壳体上的辐射、吸收与调制。对外来的空间干扰,主要的措施是屏蔽用金属壳体,并将机壳接地,起封闭金属罩的作用,对共膜干扰有较强的抑制作用,在布线时,注意模拟地和数字地分开,最后经一点接入大地。将电源布置的尽可能粗,并使电源、地线的走向与数据传递方向尽可能一致,以增强抗噪声能力。

 

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