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1引言
隨著人們生活水平不斷提高，人們對(duì)各工農(nóng)產(chǎn)品的消費(fèi)需求也隨之增長，同時(shí)這也帶動(dòng)了我國包裝機(jī)械行業(yè)的迅速發(fā)展。未來定量包裝業(yè)配合著產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化的趨勢(shì)，在技術(shù)上將向著控制數(shù)字化方向發(fā)展[1-2]。定量包裝機(jī)產(chǎn)業(yè)落后是我國包裝產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀，并且手工的稱重、封裝依然是許多薄弱企業(yè)所采用的包裝手段。該方法的勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低。對(duì)于企業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率來說已成為一種制約。在這樣的背景下，自動(dòng)定量包裝機(jī)應(yīng)勢(shì)而生。包裝系統(tǒng)的精度與速率低，一直是制約包裝機(jī)發(fā)展的主要因素。此外由于無法實(shí)時(shí)監(jiān)控包裝的稱重與卸料環(huán)節(jié)，進(jìn)一步影響了系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定性。本文從定量包裝系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)出發(fā)，采用S7-200PLC作為核心控制部件，重點(diǎn)研究了MCGS對(duì)系統(tǒng)各個(gè)動(dòng)作的實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警及實(shí)時(shí)重量的反饋，進(jìn)而預(yù)估稱重倉物料變化實(shí)現(xiàn)提前控制并調(diào)節(jié)電磁閥的開度，使得系統(tǒng)的效率與精度得到顯著提高。最后通過實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證，該系統(tǒng)控制精度可以達(dá)到預(yù)期要求，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)包裝系統(tǒng)，并且系統(tǒng)的穩(wěn)定性也得到明顯改善，有很好的應(yīng)用前景。
2系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)及原理
定量包裝機(jī)的稱重系統(tǒng)主要由三大組成部分構(gòu)成，其分別為稱重檢測(cè)部分、現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行部分和系統(tǒng)控制柜部分[2-7]?，F(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行動(dòng)作均由控制柜中的控制器根據(jù)采集的信息和其他相關(guān)信號(hào)來控制的。定量包裝機(jī)工作過程中的定量下料和稱重到包裝袋等各種動(dòng)作都是通過控制器控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)運(yùn)行來完成的。如圖1所本文的定量包裝系統(tǒng)的稱重模塊與稱重傳感器的連線示意圖如圖1所示。本模塊所采用的電子設(shè)備均為西門子公司的產(chǎn)品。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)控制系統(tǒng)選用的是S7-200PLC且其與S7-200PLC的兼容性和可靠性都較其他產(chǎn)品高，所以鑒于這兩方面因素選用西門子廠商的稱重電子模塊。因?yàn)镾IMATIC系統(tǒng)集成了SIWAREX電子稱重模塊所以稱重傳感器的信號(hào)可以直接由PLC控制系統(tǒng)接收和處理，并且各種復(fù)雜動(dòng)作的控制都可以PLC控制執(zhí)行無需疊加其他環(huán)節(jié)如A/D轉(zhuǎn)換或傳輸環(huán)節(jié)。

同時(shí)，為了便于根據(jù)客戶需求以及包裝工藝條件的改變及時(shí)提供系統(tǒng)升級(jí)和擴(kuò)展服務(wù)，稱重系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可編程性、擴(kuò)展性都很好。S7-200的擴(kuò)展模塊SIWAREX_MS可以與系統(tǒng)的其他擴(kuò)展模塊進(jìn)行聯(lián)機(jī)運(yùn)行。電子稱重模塊擁有2個(gè)串行接口，用于連接遠(yuǎn)程數(shù)字顯示器的接口是TTY接口；另一個(gè)是RS232接口，可以連接一臺(tái)PC（個(gè)人電腦）。
2.1定量包裝控制系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)主要通過S7-200PLC進(jìn)行整體的動(dòng)作控制。首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括對(duì)系統(tǒng)的儲(chǔ)料倉進(jìn)行料位的檢測(cè)，當(dāng)儲(chǔ)料倉的料位超過90%時(shí)，儲(chǔ)料倉的上限位開始報(bào)警，同時(shí)送料帶停止物料的輸送。當(dāng)儲(chǔ)料倉的料位低于10%時(shí)，儲(chǔ)料倉的下限為開始報(bào)警，送料帶保持物料的輸送，從而保證儲(chǔ)料倉的物料保持在合理范圍內(nèi)。給料開關(guān)為螺旋式控制，通過控制電機(jī)，給料電機(jī)可以分為三檔，分別為快給料、慢給料和補(bǔ)料三檔。首先開啟快給料，當(dāng)達(dá)到給定重量的90%時(shí)，將快給料切換至慢給料，在確定稱重倉已達(dá)給定重量時(shí)，系統(tǒng)會(huì)給出手動(dòng)上袋信號(hào)，完成上袋工作后，卸料閥開啟卸料。卸料完成后進(jìn)行抖袋工作，最后就是開啟包裝袋傳送帶，進(jìn)行包裝袋的傳送。整體流程如圖2所示。

3控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
3.1PLC選型
CPU226CNPLC有24個(gè)輸入和16個(gè)輸出I/O，均為本地I/O都有固定的地址。如I0.0～I(xiàn)0.7或Q0.0～Q0.7等均為系統(tǒng)預(yù)設(shè)地址[8]。對(duì)于具有復(fù)雜控制要求的控制系統(tǒng)所添加的擴(kuò)展模塊的I/O地址可根據(jù)具體模塊在控制系統(tǒng)中的相對(duì)位置來確定。該型號(hào)PLC性能穩(wěn)定價(jià)格便宜，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
3.2稱重傳感器的選型
最大量程、精度、工作環(huán)境和穩(wěn)定性等是選擇傳感器時(shí)必須要考慮因素。從受力方式上稱重傳感器可以分為拉式和壓式傳感器，由于拉式傳感器在包裝機(jī)上安裝簡(jiǎn)便，維護(hù)方便，顧考慮以上因素及結(jié)合本設(shè)計(jì)要求選用全密封拉式傳感器，型號(hào)為SHK-4型。
3.3I/O分配
如表1所示，一共調(diào)用了10個(gè)輸入I/O和10個(gè)輸出I/O。PLC上電運(yùn)行后，首先對(duì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化動(dòng)作，通過I0.0可實(shí)現(xiàn)對(duì)定量包裝系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)啟動(dòng)，I0.1可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的停止。同樣可以通過其他I/O分別實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。
3.4電氣控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
根據(jù)定量包裝機(jī)的設(shè)計(jì)要求：電機(jī)有過載保護(hù)和短路保護(hù)功能；電源有欠壓保護(hù)（當(dāng)電源電壓（線電壓）小于0.75倍的額定電壓時(shí)，要求控制系統(tǒng)產(chǎn)生欠壓保護(hù)）和過壓保護(hù)（當(dāng)電源電壓（線電壓）大于1.15倍的額定電壓時(shí)，要求電氣控制系統(tǒng)產(chǎn)生過壓保護(hù)）功能[9]。從而主電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

4PLC程序設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)自動(dòng)兩種運(yùn)行模式的切換以及急停等功能其中重量的判斷與控制是整個(gè)程序的關(guān)鍵部分。如圖4梯形圖所示。
圖4中MD10中存放的是傳感器的輸入值即為實(shí)際重量，MD2中為給定重量，通過雙整數(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)指令后存入MD4中，使能實(shí)數(shù)減法器SUB_R減去3Kg后存入MD6中，MD6中的重量MD10中的重量進(jìn)行比較確定慢給料的開啟（如給定重量30Kg，當(dāng)重量大于27Kg就關(guān)閉快給料同時(shí)開啟慢給料）。當(dāng)MD4中的重量與MD10中傳感器的實(shí)際讀取重量相等時(shí)，稱重工作結(jié)束。
5MCGS監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
監(jiān)控界面主要包括：主界面、包裝機(jī)界面、控制面板界面、報(bào)警數(shù)據(jù)顯示界面和實(shí)時(shí)重量顯示界面。如圖5所示。圖6為本系統(tǒng)的主要仿真監(jiān)控界面，在該界面通過與PLC的在線連接可以實(shí)現(xiàn)對(duì)定量包裝系統(tǒng)的各個(gè)運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而可以動(dòng)態(tài)觀測(cè)稱重倉物料的實(shí)時(shí)情況和卸料倉卸料狀態(tài)，有效避免了料倉滯料情況的發(fā)生并且通過觀測(cè)稱重傳感器的數(shù)值可以提前預(yù)測(cè)重量的變化情況，進(jìn)而提前控制提高包裝精度與效率。

圖7為系統(tǒng)的控制面板，在該模塊中可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟動(dòng)、自動(dòng)/手動(dòng)的模式切換以及急停等功能。通過圖8可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)歷史報(bào)警數(shù)據(jù)的檢查，從而可以方便的排查系統(tǒng)故障及歷史包裝重量的變化情況。
6實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面主要由稱重倉報(bào)警數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)重量曲線、歷史重量表格和歷史重量曲線四大部分組成。如圖9所示。

從稱重倉的報(bào)警數(shù)據(jù)中可以得知重量是否位于合理范圍內(nèi)，進(jìn)而調(diào)整定量包裝機(jī)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。通過報(bào)警數(shù)據(jù)瀏覽窗口可以對(duì)報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行打印報(bào)表等操作。從歷史重量表格中可以判定稱重倉的重量是否達(dá)到給定以及卸料是否完成。
實(shí)時(shí)重量曲線用于顯示稱重倉重量的實(shí)時(shí)變化是重量的動(dòng)態(tài)變化，歷史重量曲線則用于表達(dá)稱重倉重量的歷史變化趨勢(shì)是重量的穩(wěn)態(tài)變化。通過圖9可以看出雖然在實(shí)時(shí)重量曲線中重量在30Kg（系統(tǒng)給定重量）上下波動(dòng)存在一定的誤差，但從歷史重量曲線上看稱重倉重量總體上趨于30Kg，具有較高的穩(wěn)定性與抗干擾性。因此定量包裝系統(tǒng)可以保證包裝精度在要求范圍內(nèi)。
7結(jié)束語
針對(duì)傳統(tǒng)稱重系統(tǒng)稱重過程中的稱重精度較差及包裝過程不可控的問題，設(shè)計(jì)了基于S7-200PLC的MCGS實(shí)時(shí)在線監(jiān)控定量包裝系統(tǒng)，給出了相應(yīng)的硬件結(jié)構(gòu)圖和電路圖，實(shí)現(xiàn)MCGS的在線連接及遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該定量包裝系統(tǒng)，產(chǎn)品包裝重量與標(biāo)準(zhǔn)重量誤差在給定范圍內(nèi)，稱重精度得到顯著提高，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。
 

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