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在油脂加工行業(yè)中，精確計(jì)量不僅能夠保證加工、副產(chǎn)品包裝、成品銷售等一系列工作的順利完成,也是產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品的批量存儲(chǔ)、成本核算的有力保障。副產(chǎn)品豆粕的包裝計(jì)量一直是個(gè)難題，由于豆粕本身的一些特性，如松散、密度小、含有一定的水分、油成份、容易結(jié)塊等特性，影響了豆粕定量包裝的速度和精度。
針對(duì)此問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于誤差自動(dòng)修正的控制算法的定量包裝秤智能控制系統(tǒng)，能夠在線修正誤差,在保證定量包裝精度的同時(shí)，大大提高了包裝速度,進(jìn)而提高了生產(chǎn)效率。最后釆用MCGS編寫了一套觸摸屏監(jiān)控軟件，通過PPI協(xié)議與S7-226通訊，完成實(shí)時(shí)操作、計(jì)量參數(shù)修改、數(shù)據(jù)査看等功能。
1包裝秤的總體設(shè)計(jì)
定量包裝秤系統(tǒng)組成如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由給料倉、快/慢加倉門、稱量斗、重力傳感器以及變送器、A/D模塊、PLC、觸摸屏、計(jì)算機(jī)等組成。
快/慢加倉門能夠?qū)崿F(xiàn)二級(jí)給料，在給料的前階段進(jìn)行快速給料，末段進(jìn)行慢速給料，既可以提高定量包裝速度，又可以減小誤差。稱量斗保證了秤重工序和上包夾袋工序同時(shí)進(jìn)行，比無斗秤的包裝速度要快許多。PLC作為整套系統(tǒng)的控制核心，完成了稱量斗狀態(tài)，上袋檢測、氣源壓力開關(guān)、秤重傳感器等信號(hào)的采集，根據(jù)控制程序和算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)包裝秤各組成部件的指揮協(xié)調(diào)，完成包裝計(jì)量的一系列動(dòng)作，在保證稱量精度的同時(shí)，大大提高了包裝速度。觸摸屏替代傳統(tǒng)的控制按鈕，用于現(xiàn)場操作，友好的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)了校秤、狀態(tài)監(jiān)控、包裝計(jì)數(shù)、報(bào)警記錄等功能。

圖1包裝秤的系統(tǒng)組成
Fig.1Systemcomponentsofpackingscale

2包裝秤計(jì)畳控制算法設(shè)計(jì)
2.1誤差分析以及解決方案
由包裝秤的工作流程和機(jī)械特性可知，主要存在三個(gè)誤差同：
1)落料沖擊誤差。物料沖擊是造成測量誤差的一個(gè)重要原因。物料落入稱量斗，由于有一定的速度，所以必定產(chǎn)生一定的沖擊力。隨著稱量斗內(nèi)的物料料位上升，物料的下落高度減小，末段給料速度減小，因此沖擊力也會(huì)隨之減小。
2)空中落料誤差。當(dāng)PLC向給料倉發(fā)送關(guān)閉的信號(hào)到倉門完全關(guān)閉，再到物料完全落入稱量斗，這中間總存在一定的時(shí)間誤差，也就造成了“空中落料誤差”。由于給料倉的料位不同，以及機(jī)械結(jié)構(gòu)等特定的因素，每次關(guān)閉時(shí)的“空中落料”又是不完全相等的，因此消除此誤差又是難以實(shí)現(xiàn)的。
3)稱量斗的震動(dòng)或現(xiàn)場干擾造成的誤差。在秤量的過程中，由于給料是動(dòng)態(tài)的，現(xiàn)場的電磁波干擾導(dǎo)致傳感器測的信號(hào)存在一定的波動(dòng)，也就導(dǎo)致了實(shí)時(shí)測量重力時(shí)存在一定誤差。
解決上述誤差，除了在硬件結(jié)構(gòu)上改造,還可以通過軟件程序來處理，后者則是最有效和節(jié)約成本的方法。
1)釆用二級(jí)給料裝置，在快速給料時(shí)，完成90%~95%的設(shè)定量,然后釆用慢速給料。這樣在末段，減少流量使得在保證精度的同時(shí)，還大幅減少落料沖擊和空中落料的誤差。
2)盡量減少給料倉和稱量斗之間的距離，這樣減少落料的高度，節(jié)省空間，也減小了落料沖擊和空中落料造成的誤差。
3)采用軟件濾波和對(duì)末段信號(hào)延時(shí)處理，可以減小稱量斗震動(dòng)和現(xiàn)場干擾造成的誤差。
4)設(shè)計(jì)一套誤差在線修正的策略，實(shí)時(shí)估算沖擊力和空中落料造成的誤差，每次秤量完成,保存本次實(shí)際誤差，迭代到下次誤差計(jì)算的過程中,使得在多次作業(yè)后，大幅提高給料的精度。
2.2誤差自動(dòng)修正的算法
給料速度隨著快、慢給料倉門的開閉，有著明顯的變化。給料量隨時(shí)間的變化曲線如圖2所示。

圖2給料變化曲線
Fig.2Feedingchargingcurve
而時(shí)刻同時(shí)開啟快慢速給料門，迅速達(dá)到設(shè)定量的90%~95%,即％。關(guān)閉快速給料門，進(jìn)行慢速給料，到達(dá)t4時(shí)刻，關(guān)閉慢速給料門，等待空中給料完全落下,«5時(shí)刻所測得的最終給料量必。
在t時(shí)刻,設(shè)物料的落差為H在,流量為Q在,實(shí)測質(zhì)量為M(t),物料實(shí)際給出量為W(t),設(shè)定給料量為卬，空中落料為風(fēng),物料的沖擊力為F(t),從給料倉落到稱量斗的時(shí)間為HOo
眼Q)=jQQ)&=MQ)+MlFQ)    (1)
7W=V2H(£)/g    (2)
Wk和F(Q不僅和OQ)有關(guān)，還和H(t)有關(guān)。HQ)隨著時(shí)間t的增加而減小，他和FQ)隨著H(t)的減少而減少，隨著。。)的減小而減小。由于在與之前落料沖擊誤差和空中落料誤差不會(huì)影響最終給料量，所以從幻時(shí)刻之后開始分析。由于慢加倉門的橫截面積是固定不變的，所以假定末段流量。。)是恒定的，為Q&由式(2)得關(guān)門后的落料時(shí)間：
T(t*V2Hgg    (3)
可以計(jì)算出關(guān)閉倉門么時(shí),空中落料量為
MgfT(t*QD?V2%Q/g    (4)
因?yàn)樵诶硐霠顩r下,M(t5)=W,可得：枷4)=血5)-")+印4)
即：
M^=W-Qd-V墮G)/g+FQQ    (5)
由式(5)可看出，提前關(guān)斷量MG)受到Qo,F(z),反Q)三個(gè)因素的制約。當(dāng)釆集頻率足夠高時(shí)，仇可由相鄰兩次采集的重量表示，當(dāng)給料量設(shè)定好后,//。)也可求出大約值。由于受到物料密度、HQ)、QQ)等一系列因素的影響，難以求出任意時(shí)刻FQ)的大小，所以采取誤差在線修正的方法。
設(shè)在包裝第Z袋物料的關(guān)倉時(shí)刻由時(shí)，設(shè)定給料量為吸，此次誤差為實(shí)測重量為肱，空中落料為％,落料沖擊力為R,實(shí)際給料量為眠，則：
設(shè)咒=皿-叫來表示空中落料和落料沖擊力的代數(shù)和。所以：
E^W-W^W-M^X^E^O    (6)
令MM】+E_/2,Mo=O.97M    (7)
由式(6)可得：
E^W-M^+X^    (8)
所以
Ei-Ei-i=M7-Mi+X[-Xu    (9)
聯(lián)立式(7)和式(9)得：
Ei=Ei_J2+Xi-Xji    (10)
X,與Xu的差值很小，絕對(duì)值范圍遠(yuǎn)小于M,可忽略不計(jì)。所以從上式可看出，誤差瓦與上次誤差Eh成1/2快速收斂關(guān)系，通過若干袋計(jì)量包裝后,E；快速向0靠攏。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，首次包裝取0.97M,本次包裝完成后，記下本次誤差化,則下次
自動(dòng)化與儀裘2013(3)
關(guān)倉提前量根據(jù)式(8)計(jì)算得M2=Mi+EJ2,以此類推，經(jīng)幾次包裝，誤差可精確地控制在允許范圍內(nèi)。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1PLC程序設(shè)計(jì)
PLC的程序在STEP7V4.0SP8環(huán)境下，用梯形圖進(jìn)行編程。本程序主要由主程序和秤重子程序組成，子程序主要負(fù)責(zé)將傳感器的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，還有調(diào)零、校秤、去皮等功能，然后在主程序直接調(diào)用即可，如圖3所示。

主程序采用步進(jìn)階梯編程方法,遵循包裝秤的工作流程，使用狀態(tài)軟元件S配合步進(jìn)指令完成一系列工作E。由于上袋操作和稱量工作可同時(shí)進(jìn)行,可在稱量的同時(shí)完成上袋夾袋工作，完成后裝袋松包，傳送到縫包工序。在程序循環(huán)執(zhí)行中，利用式(7),每次完成后，記錄提前關(guān)門量啊，實(shí)際給料量吃，誤差用于計(jì)算下次的提前關(guān)門量，實(shí)現(xiàn)誤差的自動(dòng)修正。PLC程序流程圖如圖4所示。
3.2MSGS軟件設(shè)計(jì)
MCGS嵌入式組態(tài)軟件包括組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩個(gè)部分，釆用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，把大量復(fù)雜的操作和數(shù)據(jù)處理封裝在模塊內(nèi)部，供用戶使用的僅是一些簡單又直觀的功能模塊。所建立的工程包括主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行策略五個(gè)部分，設(shè)備窗口建立與西門子S7-200通信的PPI協(xié)議即可完成通訊。數(shù)據(jù)庫則是整個(gè)工程的核心，設(shè)備窗口通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)釆集PLC數(shù)據(jù)，然后送到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，最終由用戶窗口的對(duì)象與數(shù)據(jù)庫中的對(duì)象建立聯(lián)系，最后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。

圖4PLC的程序流程圖
Fig.4ProgramflowdiagramofPLC

本工程共設(shè)計(jì)了六個(gè)界面，三個(gè)包裝秤的實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，校秤界面，班產(chǎn)查詢，報(bào)警記錄等。圖5為軟件的功能模塊圖，實(shí)時(shí)監(jiān)控界面如圖6所示。

Fig.5Functionmodulechartofsoftware

圖6包裝秤實(shí)時(shí)監(jiān)控界面
Fig.6Real-timemonitoringinterface

4結(jié)語
PLC控制系統(tǒng)開發(fā)周期短，控制精度和穩(wěn)定性高,在中小型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有著不可替代的優(yōu)勢。該定量包裝秤已成功應(yīng)用于周口某油脂加工廠，它應(yīng)用范圍廣泛，可以針對(duì)不同的物料進(jìn)行在線精確計(jì)量，由于釆用了誤差在線自動(dòng)修正算法，在保證包裝速度的前提下,大大提高了計(jì)量精度，達(dá)到了良好的控制效果。系統(tǒng)構(gòu)建靈活，方便后期擴(kuò)展,例如集成到油脂加工企業(yè)的全廠自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，全廠成本核算等功能。

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