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對(duì)于高粘度密封膠等粘性物料的散裝灌裝，與普通液體物料相比，稱重灌裝方式有所不同。比如噴槍結(jié)構(gòu)不同，普通液體物料一般采用帶底閥的灌裝噴槍，粘性物料一般采用不帶底閥的噴槍，噴槍口直徑明顯增大；進(jìn)料不同，普通液體物料一般由球閥控制，粘性物料一般由罐式壓力機(jī)控制；噴槍升降控制不同。對(duì)于普通液體物料，一般采用氣缸驅(qū)動(dòng)噴槍升降，對(duì)于粘性物料，可以采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠升降噴槍。介紹了一種用于灌裝粘性物料的200升斗式托盤灌裝秤。噴槍升降由步進(jìn)系統(tǒng)控制，稱重?cái)?shù)據(jù)由高精度稱重儀采集，灌裝過程和步進(jìn)系統(tǒng)由PLC、觸摸屏、傳感器等電氣元件控制。該系統(tǒng)有效提高了操作人員的工作效率和產(chǎn)品包裝質(zhì)量，明顯降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率、質(zhì)量、安全和自動(dòng)化水平。
1粘性物料大桶灌裝秤簡(jiǎn)介。
1.1結(jié)構(gòu)組成。

灌裝秤主要由稱重平臺(tái)、支撐柱、滾珠絲杠、灌裝管道、灌裝槍、鍋壓、移動(dòng)過濾器、通風(fēng)裝置、電氣控制箱、步進(jìn)電機(jī)等組成。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。稱重平臺(tái)最大量程為1500kg，分度值為0.5kg，稱重?cái)?shù)據(jù)通過連接稱重儀表上傳。支撐柱支撐整個(gè)灌裝機(jī)構(gòu)，包括滾珠絲杠、步進(jìn)電機(jī)、灌裝管道等的支撐。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠帶動(dòng)灌裝管道和灌裝槍升降。灌裝時(shí)，壓罐機(jī)將物料壓入后，通過活動(dòng)過濾器、灌裝管道和灌裝槍將物料壓入包裝鐵桶。如果正常灌裝管道出現(xiàn)故障，可以使用備用灌裝管道繼續(xù)包裝，以滿足生產(chǎn)需要。有機(jī)玻璃壓板可有效防止填充物中的雜質(zhì)落入包裝桶內(nèi)。木質(zhì)插板可以有效保護(hù)秤臺(tái)表面，減少秤臺(tái)上包裝鐵桶的磨損。同時(shí)，木插板設(shè)計(jì)有旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，上面可以同時(shí)放置四個(gè)包裝鐵桶。當(dāng)一個(gè)桶裝滿時(shí)，其他空桶可以通過手動(dòng)旋轉(zhuǎn)木制插入板到噴槍正下方來裝滿，直到所有四個(gè)桶都裝滿。
1.2工作原理。
灌裝秤的工作原理如圖2所示。灌裝秤的物料是通過可編程控制器間接控制鍋壓給定的。平壓機(jī)的啟動(dòng)通常是手動(dòng)啟動(dòng)，平壓機(jī)的停止由PLC自動(dòng)控制。灌裝前，噴槍通常會(huì)降低到更靠近桶底的位置。灌裝后，噴槍應(yīng)隨著灌裝重量的增加而自動(dòng)緩慢提升。PLC根據(jù)稱重儀采集的重量數(shù)據(jù)和設(shè)定的數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠緩慢提升噴槍，使噴槍嘴在整個(gè)灌裝過程中始終處于物料的平均液位之上，噴槍嘴與物料的平均液位之間的距離能夠盡可能保持相對(duì)穩(wěn)定，可以有效保證物料能夠完全灌裝到包裝筒內(nèi)，并使物料在包裝筒內(nèi)不同位置的密度保持一致。灌裝秤通過步進(jìn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠提升噴槍，控制精度高，控制方式靈活，參數(shù)設(shè)置方便，能夠滿足灌裝過程中粘稠物料提升噴槍的相關(guān)要求。

2控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。
灌裝秤控制系統(tǒng)的方案圖如圖3所示，其中PLC為控制中心，衡器采集稱重傳感器的數(shù)據(jù)，PLC與衡器以串行通信方式交換信息。接近傳感器是四個(gè)感應(yīng)式接近開關(guān)，主要檢測(cè)噴槍的四個(gè)關(guān)鍵位置，即噴槍最高位置、噴槍上升到位、噴槍在筒內(nèi)、噴槍下降到位。開關(guān)按鈕主要包括手動(dòng)/自動(dòng)/備用選擇開關(guān)、手動(dòng)升降噴槍開關(guān)、快/慢升降噴槍選擇開關(guān)、啟動(dòng)/停止加注按鈕等。PLC控制步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，從而提升噴槍精確定位。指示燈用于指示灌裝狀態(tài)并輸出報(bào)警狀態(tài)，繼電器用于間接控制氮?dú)獯祾吆蛪簷C(jī)壓板。觸摸屏用于設(shè)置灌裝參數(shù)，顯示灌裝數(shù)據(jù)、狀態(tài)和報(bào)警。

3.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
灌裝秤的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括PLCI/O分配表、電氣原理圖設(shè)計(jì)、部件清單等。下面介紹PLCI/O分配表和PLC主模塊原理圖設(shè)計(jì)。
可編程控制器輸入輸出分配表。
灌裝秤控制系統(tǒng)可編程控制器輸入輸出分配表見表1。該表主要列出了PLC使用的輸入/輸出地址和信號(hào)名稱，但備用地址沒有完全列出。

3.2PLC主模塊原理圖設(shè)計(jì)。
可編程控制器采用西門子S7-200的CPU224XP-DC/DC/DC。主模塊有兩個(gè)端口，端口1與稱重儀表串行通信，端口0可以與打印機(jī)或主機(jī)連接進(jìn)行通信，通信模塊EM277配置為與TP觸摸屏通信。PLC主模塊接線示意圖如圖4所示。圖中，+E1和-E1是DC24V的正負(fù)端子，+E2和-E2是DC5V的正負(fù)端子。由于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的脈沖端和方向端要求為DC5V信號(hào)，1m和1l+端分別連接到DC5V的負(fù)端和正端。PLC的m+和l+電源端子分別連接到dc24v的負(fù)極和正極端子。輸入部分的開關(guān)和按鈕基本布置在現(xiàn)場(chǎng)控制箱的面板上，其中SA13選擇一個(gè)三位自復(fù)位選擇開關(guān)，SA14選擇一個(gè)三位自鎖選擇開關(guān)，SA14用于選擇三種控制模式。輸出部分q0.0和q0.2分別接步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào)端和方向信號(hào)端，q0.7接氮?dú)獯祾呖刂频膋a11繼電器，ka11輔助觸點(diǎn)控制氮?dú)獯祾唠姶砰y，q1.0接壓板聯(lián)鎖控制繼電器ka12，ka12輔助觸點(diǎn)接壓板控制電路。

4.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
灌裝秤的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括控制需求分析、控制流程梳理和可編程控制器編程。
4.1灌裝控制要求。
本文將灌裝秤的控制要求主要分為三種模式，即自動(dòng)模式、手動(dòng)模式和待機(jī)模式。
4.1.1自動(dòng)模式。
自動(dòng)模式一般用于正常灌裝。具體控制要求包括:觸摸屏可以設(shè)置灌裝數(shù)據(jù)，帶配方功能，使用配方功能對(duì)常用的灌裝物料進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；噴槍提升速度可通過觸摸屏設(shè)定和修改。噴槍的提升速度可以分為快和慢兩種選擇?？鞊跫?xì)分為五擋，慢擋也細(xì)分為五擋?？偺嵘俣瓤稍O(shè)置為10檔，有效滿足不同物料對(duì)噴槍提升速度的要求。印刷機(jī)的開啟應(yīng)與噴槍的下降互鎖。在開始填充之前，只有在噴槍下降后才能打開壓機(jī)。觸摸屏應(yīng)有提示信息，操作人員核實(shí)數(shù)據(jù)后手動(dòng)打開按鍵。在灌裝過程中，壓機(jī)始終處于工作狀態(tài)。當(dāng)填充料的重量達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止壓制；在整個(gè)灌裝過程中，噴槍始終處于液面以上，噴槍頭不能進(jìn)入物料進(jìn)行灌裝。噴槍應(yīng)隨著填充材料重量的增加而不斷升級(jí)，噴槍頭與液位的距離應(yīng)盡可能保持相對(duì)穩(wěn)定；氮?dú)獯祾呖刂?當(dāng)開始充裝且噴槍到位時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)控制氮?dú)獯祾唠姶砰y通電，開始氮?dú)獯祾?，延時(shí)10秒后自動(dòng)關(guān)閉氮?dú)獯祾?；四個(gè)空桶可以同時(shí)放在秤臺(tái)上。一桶加滿后，繼續(xù)加下一桶。四個(gè)桶都裝滿后，用叉車將重桶從秤臺(tái)上提起。灌裝前可在觸摸屏上選擇單桶灌裝或多桶灌裝；在自動(dòng)模式下，填充秤具有斷電記憶功能。通電后，按下啟動(dòng)按鈕，灌裝秤可以繼續(xù)在斷電前的狀態(tài)下灌裝。
4.1.2手動(dòng)模式。
灌裝桶不空時(shí)一般采用手動(dòng)模式。例如，如果桶里有一些材料，首先通過觸摸屏修改填充目標(biāo)值。目標(biāo)值應(yīng)根據(jù)桶中現(xiàn)有材料的重量手動(dòng)計(jì)算。此時(shí)，也可以修改其他參數(shù)。然后手動(dòng)操作噴槍提升到桶內(nèi)合適的位置，然后按下啟動(dòng)按鈕進(jìn)行加注。后續(xù)填充過程與自動(dòng)模式基本相同。

4.2灌裝控制流程。
自動(dòng)模式下灌裝秤的灌裝流程圖如圖5所示。初始狀態(tài)下，叉車將四個(gè)空桶提升至秤臺(tái)，在觸摸屏上設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后，按下控制箱上的開始按鈕開始灌裝；然后判斷毛重狀態(tài)，如果不是，則向儀器發(fā)送去皮命令，如果是，則判斷空桶是否稱重，通過比較儀器的顯示值和毛重狀態(tài)下空桶的重量來判斷空桶是否稱重。PLC控制步進(jìn)系統(tǒng)使噴槍下降，當(dāng)噴槍下降到接近傳感器檢測(cè)到的位置時(shí)停止；Plc向儀器發(fā)送去皮命令，去皮判斷成功后，開始正式灌裝，此時(shí)啟動(dòng)壓機(jī)，開始氮?dú)獯祾?；在填充期間，系統(tǒng)總是將當(dāng)前填充值與目標(biāo)值進(jìn)行比較。同時(shí)，當(dāng)填充值達(dá)到噴槍單次提升值時(shí)，PLC控制步進(jìn)系統(tǒng)提升噴槍的固定高度。噴槍的單個(gè)提升值、提升速度和固定高度可以在觸摸屏上設(shè)置和修改。當(dāng)灌裝值達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，停止灌裝，關(guān)閉壓機(jī)，延時(shí)10秒，關(guān)閉氮?dú)獯祾?，判斷公差；系統(tǒng)將噴槍提升到該位置，該位置由相應(yīng)的接近傳感器檢測(cè)；此時(shí)，一桶材料的填充完全完成。然后，手動(dòng)將秤上未填充的空桶旋轉(zhuǎn)到噴槍口正下方，按下開始按鈕繼續(xù)填充下一桶。

4.3PLC編程。
灌裝秤的PLC程序設(shè)計(jì)采用主程序調(diào)用子程序的結(jié)構(gòu)，包括儀表通訊、灌裝流量控制、步進(jìn)控制、數(shù)據(jù)記錄、上位DP通訊、觸摸屏報(bào)警和打印等。下面描述步進(jìn)控制子程序。
本文中步進(jìn)控制中高速脈沖的輸出方法采用西門子S7-200的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)形式，通過編程軟件的位控制引導(dǎo)產(chǎn)生pto0_ctrl(控制)、pto0_run(運(yùn)行運(yùn)動(dòng)包絡(luò))、pto0_man(手動(dòng)模式)、pto0_ldpos(加載位置)四個(gè)PTO(脈沖串輸出)指令模塊，然后在步進(jìn)控制子程序中再次調(diào)用。引用該論文王志平，王志平.自動(dòng)化應(yīng)用，2012(4):55-58。[5]王瑞趙彥偉。200L桶裝潤滑油生產(chǎn)線技術(shù)改造[工業(yè)自動(dòng)化與儀表，2017，44(1):108-110。j】。程序包括:電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向控制在電機(jī)速度5檔選擇的控制部分，0~4分別代表12、36、60、84、99cm/min的速度；pto0_man指令的快慢賦值控制:計(jì)算每次提升噴槍時(shí)電機(jī)移動(dòng)的距離和脈沖數(shù)；包絡(luò)數(shù)從0到4選擇時(shí)，計(jì)算加速、恒速和減速脈沖數(shù)；編程調(diào)用pto0_run指令；編程調(diào)用pto0_ctrl指令；編程調(diào)用pto0_man指令；pto0_ldpos指令的編程和調(diào)用。pto0_run指令的程序段如下:
總是開啟:SM0.0.
ＬＤ Ａｌｗａｙｓ_Ｏｎ：ＳＭ０． ０
＝ Ｌ６０． ０
ＬＤ ｍｏｔｏｒ_ｒｕｎ１：Ｍ2３． ０
Ｏ ｍｏｔｏｒ_ｒｕｎ2：Ｍ2３． １
＝ Ｌ６３． ７
ＬＤ Ｌ６０． ０
ＣＡＬＬ ＰＴＯ０_ＲＵＮ：ＳＢＲ８，Ｌ６３． ７，包絡(luò)編號(hào)：ＶＢ2６０１，噴槍
在桶內(nèi)開關(guān)：Ｉ2． 2，Ｖ2７００． ０，ＶＢ2７０１，ＶＢ2７０2，ＶＢ2７０３，ＶＤ2７０4
此段程序中ＳＭ０． ０ 為ＰＴＯ０_ＲＵＮ 指令的使能信號(hào)，Ｍ2３． ０
或Ｍ2３． １ 為ＰＴＯ０ 運(yùn)行的激活條件，ＶＢ2６０１ 為ＰＴＯ０ 的包絡(luò)編
號(hào)或符號(hào)名，Ｉ2． 2 為ＰＴＯ０ 的停止條件。
其中ＰＴＯ０_ＬＤＰＯＳ 指令的程序段如下所示：
ＬＤ Ａｌｗａｙｓ_Ｏｎ：ＳＭ０． ０
＝ Ｌ６０． ０
ＬＤ ｍｏｔｏｒ_ｒｕｎ１：Ｍ2３． ０
ＬＤ 噴槍升到位開關(guān)：Ｉ2． １
ＥＵ
ＯＬＤ
＝ Ｌ６３． ７
ＬＤ Ｌ６０． ０
ＣＡＬＬ ＰＴＯ０_ＬＤＰＯＳ：ＳＢＲ１０，Ｌ６３． ７，０，Ｖ2７６０． ０，ＶＢ2７６１，
ＶＤ2７６2
此段程序中ＳＭ０． ０  為ＰＴＯ０ _ ＬＤＰＯＳ  指令的使能信號(hào)， Ｍ2３． ０ 或Ｉ2． １ 上升沿為ＰＴＯ０ 脈沖計(jì)數(shù)清零（即為新的零位置）的條件。
5結(jié)束語。
本文介紹的粘性物料增值稅專用灌裝秤已在一家外資有機(jī)硅企業(yè)成功應(yīng)用，運(yùn)行狀況良好，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，大大提高了生產(chǎn)效率和灌裝產(chǎn)品的質(zhì)量，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了灌裝秤的自動(dòng)化水平，為企業(yè)取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。在使用過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些不足。比如因?yàn)槲锪险承院艽?，每一桶灌裝后，噴槍口的物料和桶內(nèi)的物料粘在一起，需要人工操作才能將物料分開。后續(xù)的改造可以考慮這部分的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
自動(dòng)化程度高。