1前言

众所周知，我国的自动化水平正不断提高，自动控制技术在众多领域的应用变得越来越广泛。灌装工业由来已久，在大致经历了手工称量，继电器控制，称重仪表控制后，PLC控制技术开始被广泛应用。

我国的灌装行业由三大块组成。第一块是以灌装原辅材料和灌装机械设备为主的灌装基础工业，这一块属于资金集型和技术密集型工业，具有相对较高的产业附加值，也有较高的行业进入门槛和产业竞争障碍。第二块是由纸、塑料、金属、玻璃这四大灌装和灌装印刷组成的灌装制品制造业，这一大块的企业基本上属于劳动密集型企业，是一般竞争性的加工行业，具有地理成本优势，进入壁垒较低，生产附加值相对较低，但现在的市场竞争也非常激烈。第三块是由灌装代理、科研、管理机构等灌装服务和灌装管理行业，这部分属于知识密集型行业，附加值高，进入门槛低，这类企业正在快速发展，但总体发展水平还不是很高，整个产业不够规范。这三大块的发展就构成了我国灌装行业的整体发展。灌装设备的最大特点是动作复杂，频繁，且有较多的执行元件，在这种场合使用其他控制设备如继电器控制逻辑必然需要大量的中间继电器，而这些中间继电器在用PLC控制的情况下，就可以对其内部的辅助继电器进行编程后取代。再从物理角度来阐述:前者需要具体的电气元件来组合，而PLC的内部寄存器在PLC编程容量许可的范围内，可以不花费额外的费用来实现复杂的控制逻辑。

灌装机的种类繁多，按产品状态分，有液体、块状、散粒体灌装机；按灌装行业分，有食品、日用化工、纺织品等灌装机；按灌装工位分，有单工位、多工位灌装机；按自动化程度分，有半自动、全自动灌装机等液体灌装机即灌装液体产品的灌装设备，诸如饮料灌装机、乳品灌装机、粘稠液态食品灌装机、液态清洁用品及个人护理品灌装机等等都属于液体灌装机的范畴。

块状灌装机即是灌装块状产品的灌装设备，现在市面上的肥皂，小蛋糕，面包等都使用这种设备，一般一次成形，快捷，方便。

散粒体灌装机又可以分为颗粒灌装机和粉料灌装机。颗粒灌装机由于物料是颗粒型，流动性好，易于控制，通常采用重力式给料，灌装精度高、效果良好。

粉料灌装机又叫粉料灌装秤，是针对肥料、化工、食品制药等行业粉料灌装而研制，可完全适用于5-50Kg粉状物料的半自动计量充填灌装；配套螺旋提升机、皮带输送机、封灌装置，人工套袋，自动夹袋、计量、充填、落袋、输送，人工辅助入封合工位，热封内袋或缝制外袋，完成半自动灌装过程。由于粉料的特性，对粉料灌装机的要求大大提高，粉料由于流动性差，容易结块和堵塞管道，因此对于粉料灌装机的性能和灌装精度也有更高的要求。针对粉料灌装的特点，设计基于PLC的称重灌装机控制系统，提高粉料灌装的精度。

2系统结构

整个灌装系统由PLC(西门子S7-200)，灌装机，数字称重传感器(三菱F701)，变频器，伺服电机组成，系统硬件结构如图1所示。PLC接受数字称重传感器F701的重量达标信号，从而控制变频器。变频器通过改变输出频率控制电机转速，从而改变灌装机上输料螺旋杆的转动速度来控制给料的快慢。从上述过程可以看出整个系统是一个闭环控制系统。

根据称重式自动填充机(针对粉状物料的灌装)的控制操作要求，控制系统选用西门子S7-200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CPU226AC/DC/REL，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。可以很方便地与外界进行通信。且其采用的CPU可以很快地进行I/0处理和扩展，便于安装。PLC自动循环扫描各个输入输出点的当前状态，并根据程序所确定的逻辑关系刷新输出点的状态，通过变频器来控制相应的电机的动作，从而完成工艺流程的自动控制。

选用三菱数字称重模块F701是因为其具有高操作性和良好的数据校准功能，可以准确地测量粉料重量。此外使用它的定量投料/排出控制功能可以控制料斗秤。它的时序控制功能和丰富的外部接口(SI/F，BCD输出，RS-232C，RS-485，D/A转换器等)可以方便地与PC或程序发生器等外部设备连接。其自检功能可检查内部电路，发生异常报警，监视CPU动作，大大增加了可靠性，除此外数字模拟滤波功能也集成在其内部。

填充系统为粉料计量灌装机，粉料灌装机顾名思义是灌装粉料使用的，包括的部件有出料斗，插板，给料门，卸料门，放料斗，卡带机构，传料螺旋杆等，通过外部电机驱动螺旋杆输送物料。

所选三菱变频器具有最高水准的驱动性能，电机不论是否有编码器都可得到高精度和高响应的速度控制，甚至V/F控制和先进磁通矢量控制也可选用。长寿命元件和先进的寿命诊断方式使变频器寿命长达10年；除此外，还具有丰富的网络功能，支持CC-Link通讯，RS-485通讯，支持SSCNT3，支持各种主要的网络；产生的噪音低，操作方便，

对于给料电机的选择，我们考虑的主要是其功率。灌装产品主要针对小袋，电机功率我们选择较小，控制在1.1kw左右，再考虑室内常温。灰尘较大，单向运行，启动频繁电压为380v的三相交流电源等特点，我们选择三菱电机。

3控制系统

3.1设计要求

该系统的主要控制为开关量控制，除了一个加料电机，其他的动作都是由气缸完成的，但整个系统都由PLC控制。系统启动后，灌装机卡带夹紧灌装袋，同时数字称重传感器启动，去除灌装袋的皮重，然后内部气缸开启给料门(在物料充足的情况下)，外部伺服电机在PLC控制下以快档驱动给料螺旋杆给料，在称量模块未达到设定的快加重量时，系统持续快速加料；当物料重量达到称重传感器快加设定值时，传感器给PLC一个快加料结束信号，PLC控制变频器输出频率改变伺服电机转速以慢档加料，当物料重量达到称重传感器慢加重量时，传感器再给PLC一个慢加料结束信号，插板关闭并且控制电机停止，称重仪表给出称重结束信号后卡带松开灌装袋，整个过程完成。

3.2软件设计

PLC终端软件采用梯形图语言编写，软件采用MicrowinV3.2。S7-200系列的最大优点在于其自由口的同通信模式，自由口通信是通过用户程序控制S7-200cpu通信口的操作模式，利用自由模式可以实现用户定义的通信协议，连接多种智能设备。

考虑到实际情况，在称量灌装机存料罐中设置下限位开关保证此次装袋的物料充足。如遇紧急停车情况，在处理完事故后，可以通过手动快加或慢加来实现过程的顺利完成。以上是在实际情况下设计的相对完善的附加处理功能，以保证此次灌装过程实施顺利。

4结语

控制技术的发展大大提高了生产效率，降低了工人的劳动强度和生产成本。现代工业生产中越来越重视自动化水平的提高，本系统充分发挥了PLC在控制领域的优越性，整个物料传送工艺在一个完整的控制系统下完成，各个分工艺之间的协调和设计严密，确保生产在安全，高效的条件下进行。