粉末顆粒物料稱量分裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊旭東，趙治強(qiáng)，王志磊，李　彪，焦高鵬，譚小群

(西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，陜西 西安　710072)

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)日趨自動(dòng)化,要求稱量分裝作業(yè)依次完成自動(dòng)稱量、輸送、檢測、貯存等工序。目前，國內(nèi)大部分粉末顆粒物料稱量分裝系統(tǒng)采用機(jī)械稱量、手工裝袋。這種方式不僅在質(zhì)量、速度等方面無法達(dá)到要求，而且存在由易爆物料的振動(dòng)和摩擦、可燃性粉塵的懸浮等引起的諸多安全隱患[1]。

針對以上問題，本文設(shè)計(jì)了一套基于可編程序控制器(PLC)的粉末顆粒物料稱量分裝自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了稱量分裝生產(chǎn)線的平穩(wěn)運(yùn)行及生產(chǎn)過程的遠(yuǎn)程無人操作，并且提高了稱量精度。系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，可以推廣到其他需要稱量的系統(tǒng)和領(lǐng)域，比如配料系統(tǒng)等。

1　設(shè)備組成及工藝流程

粉末顆粒物料稱量分裝系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的定量裝箱、物料振平、自動(dòng)輸送等功能。系統(tǒng)主要由空箱傳送機(jī)構(gòu)、稱量裝箱機(jī)構(gòu)和成品傳送機(jī)構(gòu)等組成。出于防爆等安全考慮，系統(tǒng)核心動(dòng)力部件均采用氣動(dòng)裝置?？障鋼醢鍣C(jī)構(gòu)及裝箱擋板機(jī)構(gòu)的升降、夾緊擋板機(jī)構(gòu)的進(jìn)退等都采用氣缸驅(qū)動(dòng)，氣缸的行程位置則由安裝在氣缸上的磁開關(guān)檢測。系統(tǒng)俯視簡圖如圖1所示。

1.1　空箱傳送機(jī)構(gòu)

空箱傳送機(jī)構(gòu)用于將一定數(shù)量的料箱有序地輸送至稱量裝箱機(jī)構(gòu)。操作人員先將料箱按順序放置于空箱傳送機(jī)構(gòu)入口，并使每兩個(gè)料箱之間保持一定的間距。當(dāng)觸發(fā)開始指令，且空箱傳送機(jī)構(gòu)入口處光電開關(guān)1檢測到料箱時(shí)，空箱傳送帶開始運(yùn)動(dòng)，輸送料箱前進(jìn)。當(dāng)空箱傳送機(jī)構(gòu)出口處光電開關(guān)2檢測到料箱時(shí)，空箱擋板機(jī)構(gòu)降下，料箱進(jìn)入稱量裝箱機(jī)構(gòu)。當(dāng)稱量裝箱機(jī)構(gòu)處光電開光3檢測到料箱時(shí)，空箱擋板機(jī)構(gòu)升起，空箱傳送機(jī)構(gòu)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1　系統(tǒng)俯視簡圖

1.2　稱量裝箱機(jī)構(gòu)

稱量裝箱機(jī)構(gòu)分為上下兩個(gè)部分，上部分是稱量下料裝置，下部分是振動(dòng)平臺(tái)裝置。稱量下料裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

當(dāng)稱量裝箱機(jī)構(gòu)處光電開關(guān)4檢測到有料箱時(shí)，夾緊擋板將料箱夾緊，稱量下料裝置開始向料箱中下料并開始稱量，振動(dòng)平臺(tái)裝置隨之進(jìn)行振動(dòng)。當(dāng)檢測到物料達(dá)到設(shè)定的稱量值時(shí)，稱量下料裝置停止下料，振動(dòng)裝置停止振動(dòng)，隨之夾緊擋板縮回，裝料擋板放下，稱量裝箱機(jī)構(gòu)傳送帶及成品傳送機(jī)構(gòu)開始運(yùn)動(dòng)。

目前粉末顆粒物料的稱量方式可分為增重稱量和減重稱量。增重稱量指對受料容器中的累加物料質(zhì)量進(jìn)行直接稱量。減重稱量指計(jì)算給料容器損失的質(zhì)量，直到損失質(zhì)量達(dá)到設(shè)定值時(shí)停止給料。減重稱量能有效避免物料沖擊力產(chǎn)生的稱量誤差，同時(shí)消除稱量滯后性的影響，但要求控制系統(tǒng)具有較高的動(dòng)態(tài)性能。綜合考慮，本系統(tǒng)采用減重稱量。

圖2　稱量下料裝置

系統(tǒng)稱量精度要求為100g/50kg，即稱量物料質(zhì)量為50kg時(shí)，稱量誤差在100g以內(nèi)。出于精度要求及安全性考慮，電子秤選用梅特勒-托利多SCS系列本安型工業(yè)稱重終端，所選型號為IND131，其檢定分度數(shù)為30 000，根據(jù)GB/T 7724—2008電子稱重儀表給出的分級標(biāo)準(zhǔn)，該電子秤達(dá)到了Ⅱ級秤標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)稱量裝箱機(jī)構(gòu)處光電開關(guān)4檢測到料箱時(shí)，上夾管松開，物料由儲(chǔ)料倉流入稱量倉，當(dāng)稱量倉中的物料質(zhì)量達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，上夾管夾緊；待電子秤的示數(shù)穩(wěn)定后，下夾管松開，物料進(jìn)入料箱，并開始減重稱量。為保證減重稱量精度，同時(shí)兼顧下料速度，下夾管選用了FESTO多位置氣缸，該氣缸有兩個(gè)行程位置，與導(dǎo)軌滑塊、動(dòng)夾板和靜夾板相配合，可以使料管處于全開、半開和全閉3種狀態(tài)。稱量倉初始質(zhì)量為W1；料管全開負(fù)責(zé)主要的下料任務(wù)，使稱量倉質(zhì)量快速下降到W2；此后料管半開，開始精確下料，直至到達(dá)目標(biāo)質(zhì)量W3，料管轉(zhuǎn)為全閉，下落質(zhì)量為W1減去W3。放料示意圖如圖3所示。

圖3　放料示意圖

為去除物料的堆積角，以便于后續(xù)包裝，設(shè)計(jì)了振動(dòng)平臺(tái)裝置。由氣動(dòng)馬達(dá)通過皮帶輪帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，凸輪與輔助機(jī)構(gòu)配合使振動(dòng)平臺(tái)以一定的振幅和頻率振動(dòng)，從而去除堆積角。

1.3　成品傳送機(jī)構(gòu)

成品傳送機(jī)構(gòu)主要由輥?zhàn)觽魉蛶Ш凸潭〒醢褰M成。當(dāng)成品傳送機(jī)構(gòu)入口處光電開關(guān)5檢測到料箱時(shí)，稱量裝箱機(jī)構(gòu)傳送帶停止運(yùn)行，裝料擋板升起。當(dāng)成品傳送機(jī)構(gòu)出口處光電開關(guān)6檢測到有料箱時(shí)，成品傳送機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行。由操作人員完成對產(chǎn)品最后的包裝。

1.4　控制流程分析

系統(tǒng)分別在6個(gè)位置安裝了光電開關(guān)，用來檢測這6個(gè)位置是否有料箱，并根據(jù)它們的狀態(tài)控制各機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)工作。為實(shí)現(xiàn)裝置自動(dòng)稱量、分裝、輸送等功能，設(shè)計(jì)了控制流程圖，如圖4所示。

圖4　控制流程圖

2　自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

2.1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

出于安全考慮，系統(tǒng)需遠(yuǎn)程控制，為實(shí)現(xiàn)這一功能，將粉末顆粒物料稱量分裝控制系統(tǒng)分為現(xiàn)場控制層、集中控制層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層。3層之間采用現(xiàn)場總線方式進(jìn)行通訊?，F(xiàn)場總線具有協(xié)議簡單、容錯(cuò)能力強(qiáng)、安全性好、成本低的特點(diǎn)，同時(shí)具有一定的時(shí)間確定性和較高的實(shí)時(shí)性，還具有網(wǎng)絡(luò)負(fù)載穩(wěn)定、多數(shù)為短幀傳送、信息交換頻繁等特點(diǎn)[2]，可滿足減重稱量對數(shù)據(jù)采集的要求。圖5是自控系統(tǒng)簡圖，其中現(xiàn)場控制層包括氣動(dòng)馬達(dá)、稱重傳感器、振動(dòng)器、氣缸、光電開關(guān)和磁開關(guān)等；集中控制層包括PLC、稱重顯示控制器、安全柵、低壓斷路器等；遠(yuǎn)程監(jiān)控層包括觸摸屏等?，F(xiàn)場控制層直接面向工藝設(shè)備和生產(chǎn)過程，負(fù)責(zé)采集工藝設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、儀表的檢測信號等執(zhí)行器的狀態(tài)，并發(fā)送給集中控制層。集中控制層接收現(xiàn)場控制層傳送來的信號，對信號進(jìn)行分析處理，并將處理結(jié)果發(fā)送到現(xiàn)場控制層對現(xiàn)場設(shè)備和執(zhí)行裝置進(jìn)行控制。同時(shí)，集中控制層把現(xiàn)場控制層傳送來的信號和一些處理結(jié)果傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控層。下面以對FESTO多位置氣缸的控制為例說明其控制過程和3層之間的關(guān)系：由光電開關(guān)檢測料箱位置，磁開關(guān)檢測氣缸活塞位置，并將這些現(xiàn)場信號發(fā)送到PLC；PLC處理后，發(fā)送狀態(tài)信號到觸摸屏；觸摸屏顯示料箱及氣缸狀態(tài)。操作員通過觸摸屏設(shè)置參數(shù)，并向PLC發(fā)送指令信號；PLC處理指令信號后，發(fā)送控制信號給電磁閥，控制電磁閥換向，實(shí)現(xiàn)FESTO多位置氣缸動(dòng)作。

圖5　自控系統(tǒng)簡圖

2.2　系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.2.1PLC選型及硬件組態(tài)

目前，工業(yè)上常用的現(xiàn)場總線協(xié)議有Modbus和PROFIBUS-DP等。對比各通訊單元支持的通訊協(xié)議和通訊接口，確定使用西門子的PROFIBUS-DP協(xié)議。根據(jù)控制系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)數(shù)及功能要求，確定選用西門子S7-300系列PLC，CPU為315-2DP，外掛2個(gè)16點(diǎn)輸入模塊和2個(gè)16點(diǎn)輸出模塊。

在編程軟件中新建工程文件后，要對硬件進(jìn)行組態(tài)。首先要將編程軟件中的硬件配置成與實(shí)際PLC機(jī)架上安裝的電源模塊、CPU模塊和信號模塊相一致。此外，本系統(tǒng)中模塊參數(shù)及地址的修改，網(wǎng)絡(luò)通訊的設(shè)置及分布式外設(shè)到主站的連接，都要在硬件組態(tài)中完成。圖6是硬件組態(tài)的截圖。

圖6　PLC硬件組態(tài)

2.2.2PLC程序設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的控制程序除需完成圖4所示的動(dòng)作外，還要能完成精確稱量控制。下面著重就減重稱量控制的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹。出于成本控制和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的考慮，設(shè)計(jì)的稱量倉一次能夠稱量的最大物料量小于成品箱需裝入的物料質(zhì)量，因此稱量倉需要多次稱量及落料才能完成對成品箱的裝料。稱量倉多次落料的減重稱量過程分為3步：補(bǔ)料稱量、快速稱量及精確稱量。這3步每循環(huán)一次完成一個(gè)料箱的裝料。

1)補(bǔ)料稱量：起始時(shí)，上夾管與下夾管關(guān)閉，下落累計(jì)質(zhì)量為零。上一循環(huán)精確稱量后在稱量倉中留下的余料小于稱量倉單次稱量值。將上夾管打開對稱量倉進(jìn)行補(bǔ)料，達(dá)到單次稱量值后，上夾管關(guān)閉停止補(bǔ)料，并讀取此時(shí)稱量倉質(zhì)量。之后，使下夾管全開，稱量倉中的物料全部下落至料箱后，關(guān)閉下夾管。讀取此時(shí)稱量倉質(zhì)量，與下夾管打開前的質(zhì)量相減得到下料質(zhì)量，計(jì)入下落累計(jì)質(zhì)量。

2)快速稱量：重復(fù)上述對稱量倉加料和下料的過程，實(shí)時(shí)計(jì)算下料質(zhì)量，計(jì)入下落累計(jì)質(zhì)量。反復(fù)執(zhí)行此步，直至下落累計(jì)質(zhì)量接近目標(biāo)質(zhì)量值時(shí)，使下夾管半開。

3)精確稱量：加入到料箱中的物料接近稱量設(shè)定值時(shí)，使下夾管半開，慢速下料，并實(shí)時(shí)計(jì)算下料質(zhì)量。當(dāng)下落累計(jì)質(zhì)量到達(dá)目標(biāo)質(zhì)量后，關(guān)閉下夾管，之后，裝箱機(jī)構(gòu)傳送帶和成品傳送帶運(yùn)行，料箱被運(yùn)送到下個(gè)工位，此時(shí)將下落累計(jì)質(zhì)量清零。

2.2.3上位機(jī)軟件開發(fā)

上位機(jī)采用步科觸摸屏，用于系統(tǒng)監(jiān)控及參數(shù)設(shè)置。主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置、狀態(tài)顯示。在上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示傳感器狀態(tài)、氣動(dòng)馬達(dá)運(yùn)行狀態(tài)以及當(dāng)前質(zhì)量和成品數(shù)量等工藝運(yùn)行參數(shù)，并能對電磁閥通斷等進(jìn)行控制，對稱量質(zhì)量進(jìn)行設(shè)定。

2)配方功能。根據(jù)不同的下料質(zhì)量和參數(shù)設(shè)置，編輯不同規(guī)格的配方。在裝料前選擇相應(yīng)的配方，可方便、準(zhǔn)確地進(jìn)行稱量。

3)數(shù)據(jù)查詢。在主機(jī)畫面上有歷史數(shù)據(jù)鏈接，采集到的數(shù)據(jù)存放到數(shù)據(jù)庫中，便于了解長時(shí)間工作的歷史趨勢。查詢時(shí)可保證精確、方便、快捷。

4)報(bào)警功能。對超出設(shè)定值范圍的參數(shù)及設(shè)備故障進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)某一實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)超過設(shè)定值或設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行報(bào)警，并做出相應(yīng)的處理，報(bào)警后將所需參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫中，供日后查詢。

5)報(bào)表功能。將需要上報(bào)、對比以及長期保存的數(shù)據(jù)生成報(bào)表,顯示在觸摸屏上或存儲(chǔ)在觸摸屏內(nèi)存中。

2.3　現(xiàn)場調(diào)試

在現(xiàn)場調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，下列事項(xiàng)需引起注意。

1)隔離柵與光電開關(guān)要相匹配。因設(shè)備工作在防爆0區(qū)，因此所選傳感器皆為本安NAMUR型傳感器，其關(guān)斷時(shí)輸出電流小于1.2mA，接通時(shí)輸出電流大于2.1mA，故所選用隔離柵的開關(guān)閥值也一定在此區(qū)間，否則隔離柵與光電開關(guān)無法配合正常工作，PLC接收不到光電開關(guān)信號。

2)稱量下料裝置的下夾管安裝位置要合理。下夾管機(jī)構(gòu)應(yīng)與稱量托盤安裝在一起，稱量時(shí)將其與料倉一起稱量。如將下夾管機(jī)構(gòu)安裝在稱量下料裝置支架的第三層平臺(tái)上，當(dāng)料管全閉時(shí)，物料會(huì)堆積在動(dòng)夾板上，致使稱量倉內(nèi)物料實(shí)時(shí)質(zhì)量偏小，產(chǎn)生較大的稱量誤差。

3)下料布管回彈性差?？紤]物料的靜電危害，夾管材質(zhì)選用防靜電布。調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)下夾管在由全閉到全開的過程中，布管不能回彈，嚴(yán)重影響下料速度。為避免此現(xiàn)象的發(fā)生，在布管夾層中置入了細(xì)彈簧，從而有效地改善了布管的回彈。

3　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的粉末顆粒物料稱量分裝系統(tǒng)集機(jī)、電、光、氣技術(shù)為一體，由西門子PLC統(tǒng)一協(xié)調(diào)各設(shè)備之間的工作，實(shí)現(xiàn)了顆粒粉末物料的自動(dòng)化動(dòng)態(tài)稱量、輸送和遠(yuǎn)程操作，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的稱量精度。整個(gè)自動(dòng)線結(jié)構(gòu)簡單，工作安全可靠，操作方便。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳偉紅，刑景才. 粉塵的危害與控制[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[2]李定川.論現(xiàn)場總線的技術(shù)構(gòu)成和發(fā)展趨勢[J].智慧工廠，2017(3)：53-58.