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| PLC自動灌裝機(jī)稱重比值控制系統(tǒng)設(shè)計 | 2020-01-22 |
| 1引言 在生產(chǎn)過程中，凡是將兩種或兩種以上的物料量自動地保持一定比例關(guān)系的自動灌裝機(jī)，就稱為比值自動灌裝機(jī)。在化工行業(yè)中，稱重控制是非常重要的。本文主要介紹了一種稱重比值自動灌裝機(jī)，經(jīng)實驗和實踐運(yùn)行，證明該定量灌裝機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)態(tài)誤差小、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。 2工作原理 比值控制有開環(huán)比值控制、單閉環(huán)比值控制和雙閉環(huán)比值控制三種類型。開環(huán)比值控制是的控制方案。單閉環(huán)比值自動灌裝機(jī)是為了克服開環(huán)比值控制方案的缺點(diǎn)而設(shè)計的，這種方案的不足之處是主稱重沒有構(gòu)成閉環(huán)控制。本稱重灌裝機(jī)采樣雙閉環(huán)比值控制方案。 個閉環(huán)自動灌裝機(jī)是主稱重本身構(gòu)成的稱重閉環(huán)自動灌裝機(jī)，當(dāng)設(shè)置確定后，通過閉環(huán)調(diào)節(jié)作用，消除擾動的影響，使的稱重穩(wěn)定在設(shè)定值上，主稱重閉環(huán)自動灌裝機(jī)屬于恒值自動灌裝機(jī)。第二個閉環(huán)自動灌裝機(jī)是副稱重硫酸閉環(huán)自動灌裝機(jī)，其輸入量是經(jīng)過檢測與變送后的稱重信號q1與比值系數(shù)k1的乘積。硫酸副稱重閉環(huán)自動灌裝機(jī)由副控制器1、硫酸泵變頻器、硫酸泵以及檢測點(diǎn)2/變送器2等組成。副稱重閉環(huán)自動灌裝機(jī)屬于跟隨定量灌裝機(jī)。自動灌裝機(jī)對涂料罐裝生產(chǎn)流水線控制自動配料系統(tǒng)的硬件和軟件方面進(jìn)行了設(shè)計。其中硬件設(shè)計部分包括FX2N-32MRPLC外部電路的設(shè)計與安裝；軟件部分包括程序的設(shè)計與調(diào)試。根據(jù)自動配料系統(tǒng)的實現(xiàn)要求對PLC、電動機(jī)、稱重模塊、繼電器等外部設(shè)備進(jìn)行選擇型號。設(shè)計完成的涂料灌裝生產(chǎn)流水線能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：（1）通過開關(guān)將自動配料系統(tǒng)設(shè)為自動操作模式，一經(jīng)啟動，則傳送帶的驅(qū)動電機(jī)啟動并一直持續(xù)到停止開關(guān)動作或待涂料桶傳送至液體灌裝機(jī)下時停止運(yùn)轉(zhuǎn)；桶子裝滿涂料并上了蓋后，傳送帶驅(qū)動電機(jī)必須自動啟動，并保持到下一個涂料桶被傳送至液體灌裝機(jī)下或停止開關(guān)動作；（2）當(dāng)桶子傳送并定位在液體灌裝機(jī)下時，停1s，液體灌裝機(jī)開始工作，對于大桶灌裝8秒鐘，小桶則5秒鐘，灌裝過程完畢后對涂料桶進(jìn)行上蓋操作，上蓋時間約為2秒鐘。整個灌裝和上蓋過程應(yīng)設(shè)有報警顯示，待上蓋完畢后不再顯示報警；報警方式為紅燈0.5s間隔閃爍；（3）包裝過程，對于小桶：40桶為一大包，30桶為一中包，20桶為一包裝；對于大桶：20桶為一大包，15桶為一中包，10桶為一包裝；（4）能夠?qū)崿F(xiàn)對生產(chǎn)產(chǎn)品進(jìn)行自動記數(shù)并可以手動對計數(shù)器清零。 3稱重比值自動灌裝機(jī)設(shè)計 3.1 稱重比值自動灌裝機(jī)構(gòu)成 與硫酸稱重比值自動灌裝機(jī)是由三菱fx2nc系列plc、耐腐蝕泵、西門子mm440變頻器、計量螺旋、電磁自動灌裝機(jī)等組成。 (1)三菱fx2nc系列plc。fx2nc系列plc具有很高的性能體積比和通信功能，可以安裝到比標(biāo)準(zhǔn)的plc小很多的空間內(nèi)。i/o型連接器可以降低接線成本，節(jié)約接線時間。i/o點(diǎn)數(shù)可以擴(kuò)展到256點(diǎn)，最多可以連接4個特殊功能模塊。 (2)耐腐蝕泵。硫酸屬于腐蝕性介質(zhì)，輸送泵必須采用耐腐蝕泵。本定量灌裝機(jī)采用ihf 6550-160型氟塑料離心泵，泵進(jìn)口直徑65mm;出口直徑50mm;葉輪名義直徑160mm;轉(zhuǎn)速2900r/nin，稱重25m3/h;揚(yáng)程32m;電機(jī)功率5.5kw。硫酸泵采用變頻調(diào)速。對于泵類設(shè)備，應(yīng)選用水泵類專用變頻器。ihf6550-160型氟塑料離心泵的驅(qū)動電機(jī)功率為5.5kw,選用西門子公司mm430型水泵專用變頻器，該變頻器帶內(nèi)置濾波器。 (3)西門子mm440變頻器。粉體在螺旋內(nèi)的流動速度是由電機(jī)編碼器輸出脈沖來間接計算的,如果電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性不好,將影響計量螺旋的正常工作。為此,采用德國西門子公司mm440型矢量控制變頻器，電源電壓380vac，額定輸出功率5.5kw，額定輸出電流13.2a。為了穩(wěn)定螺旋軸的轉(zhuǎn)速并計算粉體流速，稱重灌裝機(jī)采用帶速度編碼器的矢量控制方式。變頻器需要增加脈沖編碼器脈沖處理模板(簡稱編碼器模板)和編碼器。 (4)計量螺旋。是粉粒狀物料(簡稱粉體)。計量螺旋是對粉體進(jìn)行輸送、動態(tài)計量和稱重控制的設(shè)備。本設(shè)計采用萬息得公司的lsc型計量螺旋(螺旋電子稱)。 粉體進(jìn)入料倉后，在振動器的作用下進(jìn)入螺旋輸送機(jī)，粉體沿螺旋槽向出料口方向前進(jìn)。在出料口下方的稱量裝置傳感器將檢測到的重量信號傳送到plc的模擬量輸入單元。同時，安裝在電機(jī)非負(fù)載軸端的編碼器檢測螺旋軸旋轉(zhuǎn)的周數(shù)和速度，編碼器輸出脈沖傳送到plc的高速計數(shù)單元。經(jīng)cpu單元運(yùn)算處理后，得到粉體的稱重值和累積重量值，由模擬量輸出單元輸出控制信號，控制變頻器和變頻電機(jī)，從而控制粉體的稱重。稱重是稱重比值自動灌裝機(jī)的主動量。粉體稱重(給料量)表達(dá)式為：q=k?q?v(1) 式中，q―計量螺旋輸出稱重(給料量)，kg/s;k―稱重系數(shù);q―螺旋內(nèi)粉體的線負(fù)荷，kg/m;v―螺旋內(nèi)粉體流動速度，m/s 。 粉體在計量螺旋內(nèi)沿螺旋形軌跡運(yùn)動，不便于直接檢測流動速度v，通常是使用編碼器檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速，再換算出流速v。 (5)電磁自動灌裝機(jī)。電磁自動灌裝機(jī)廣泛用于測量導(dǎo)電的液體和液固兩相流體的體積稱重，測量結(jié)果與流體的溫度、粘度、密度、壓力及液固成分比無關(guān)，電導(dǎo)率在較大范圍內(nèi)變化時也不會影響測量結(jié)果。因此，只需經(jīng)普通水標(biāo)定后，就可以用來測量其他導(dǎo)電性液體或液固二相流體介質(zhì)的稱重，而不需附加任何修正，所以電磁自動灌裝機(jī)是一種真正的體積自動灌裝定量灌裝機(jī)。 3.2 plc自動灌裝機(jī)設(shè)計 稱重裝置、硫酸電磁自動灌裝機(jī)的輸出均為4～20ma信號，分別送到模擬量輸入單元fx2n-4ad的電流輸入1、電流輸入2。模擬量輸入單元fx2n-4ad有4個12位模擬量輸入通道，輸入量程可以是電流信號(4～20ma)或電壓信號(-10～10v)。轉(zhuǎn)換速率為15ms/通道或者6ms/通道(高速)。計量羅旋和硫酸泵都采用變頻調(diào)速定量灌裝機(jī)，兩臺變頻器的控制信號來自plc定量灌裝機(jī)的模擬量輸出單元fx2n-4da。fx2n-4da有12位4通道，輸出量程可以是電流信號(4～20ma)或這電壓信號(-10～+10v)。轉(zhuǎn)換速度為4通道2.1ms在程序中占用8個i/o點(diǎn)。 (1)設(shè)定參數(shù)數(shù)據(jù)存儲器地址 計量螺旋給料量即稱重設(shè)定值：d1 d0，2個字，8位bcd碼。 /硫酸稱重比值系數(shù)：d3 d2/d9 d8。 實際稱重值存儲器地址：m500，16位二進(jìn)制碼。 硫酸實際稱重值存儲器地址：m501，16位二進(jìn)制碼。 16級增益數(shù)據(jù)存儲器地址：第1級～第10級：d100～d109,d130～d139。 16級積分時間常數(shù)數(shù)據(jù)存儲器地址：第1級～第10級：d110～d119,d140～d149。 (2)變頻器調(diào)節(jié) 稱重灌裝機(jī)使用mm430變頻器控制泵類負(fù)載時，需要注意起始頻率，防止閉環(huán)自動灌裝機(jī)在突加給定時，稱重出現(xiàn)過大的超調(diào)和震蕩。在管道和泵的規(guī)格確定之后，相應(yīng)的稱重起始頻率也就確定了。在本定量灌裝機(jī)中，頻率大于19hz之后才有稱重輸出。針對變頻調(diào)速泵的這種特性，在定量灌裝機(jī)調(diào)試時應(yīng)首行開環(huán)試驗，測出泵的頻率-稱重特性曲線。根據(jù)測出的起始頻率來制定控制算法。在起始頻率以下，采用開環(huán)控制模式，變頻器的輸入信號為斜坡函數(shù)，即線形漸增電壓信號。待達(dá)到起始頻率建立起稱重之后，再轉(zhuǎn)入閉環(huán)控制模式。對于閉環(huán)控制模式，又分為比例(p)控制和比例積分(pi)控制兩種模式。首先運(yùn)行比例控制，當(dāng)實際稱重接近設(shè)定稱重時，再轉(zhuǎn)入比例積分控制模式。采用多模態(tài)控制后，消除了稱重的大幅度波動，改善了稱重的跟隨性能并消除了穩(wěn)態(tài)誤差。 (3)pid控制 fx2nc系列plc具有pid控制指令， pidd200設(shè)定值sv，參數(shù)起始字，二進(jìn)制數(shù)據(jù) d201輸入字，稱重反饋數(shù)據(jù)，二進(jìn)制數(shù)據(jù) d500控制參數(shù) d500 采樣周期t1～32767ms d501動作方向(act) d502 輸入濾波常數(shù)a0～99% d503 比例增益kp1～32767% d504 積分時間ti(0～32767- ms)*100d505 微分增益kd0～99% d506 微分時間td(0～32767)*10ms d503(比例增益kp)：8000(bcd碼)左右，p小則超調(diào)大，震蕩次數(shù)多。 d504(積分時間ti)：根據(jù)‘誤差數(shù)據(jù)’(d50)，將積分ti分為10級，在運(yùn)行過程中自動地調(diào)用相應(yīng)的積分ti，達(dá)到既響應(yīng)快又抑制超調(diào)的目的。在突加給定的情況下，超調(diào)量小于5%。 d506(微分時間td)：4000(bcd碼)左右。 液體灌裝機(jī)全密閉一體化涂料生產(chǎn)設(shè)備自動灌裝系統(tǒng)實現(xiàn)了自動理桶，自動稱重灌裝，自動壓蓋，自動堆垛一系列工序，解放勞動力。跟傳統(tǒng)的灌裝方式相比多了如下優(yōu)勢： 1）采用全自動理桶、取桶設(shè)備，加速了輸送速度。 該設(shè)備從涂料桶的取用環(huán)節(jié)就采用全自動生產(chǎn)，只需要將相同規(guī)格和型號的涂料用桶整齊擺放在位置，專業(yè)機(jī)械手會每次準(zhǔn)確取出一個包裝桶，通過動力軌道將包裝桶精確輸送到灌裝嘴下面。 2）雙頭準(zhǔn)確灌裝，單線灌裝產(chǎn)量大。 液體灌裝機(jī)設(shè)有自動計量器，會按照預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)通過灌裝嘴所設(shè)定數(shù)量直接將涂料灌裝到傳送過來的包裝桶里。整個過程準(zhǔn)確快捷，不會造成材料的浪費(fèi)，更不會造成環(huán)境污染。裝好涂料的包裝桶將經(jīng)過動力軌道傳輸?shù)较乱粋€環(huán)節(jié)。 3）自動理蓋、上蓋，逐個封口。 灌裝好標(biāo)準(zhǔn)量涂料的桶，被準(zhǔn)確送到自動理蓋機(jī)下，理蓋機(jī)通過機(jī)械手，每次吸取好一個桶蓋，準(zhǔn)確放置到灌裝好涂料的桶上面，自動封口機(jī)會立即配合動作將桶蓋準(zhǔn)確擠壓，對灌裝好的涂料進(jìn)行密閉封口。此時，一桶涂料的包裝就基本完成。 4）自動堆垛，置入托盤。 灌裝好涂料的包裝桶經(jīng)過密封包裝，傳遞到自動堆垛機(jī)下。自動堆垛機(jī)通過專業(yè)機(jī)械手，將裝滿涂料的包裝桶準(zhǔn)確吸取并放置到設(shè)定的托盤內(nèi)。當(dāng)托盤內(nèi)涂料桶的個數(shù)達(dá)到數(shù)目，機(jī)械手會自動將放置忙涂料桶的托盤運(yùn)輸?shù)轿恢谩?br>此項技術(shù)不僅能讓涂料的灌裝節(jié)省了人工成本80%以上，減少了人為浪費(fèi)和環(huán)境污染，同時極大加快了生產(chǎn)速度，整個灌裝的過程變得更加輕松、精確和專業(yè)。 4結(jié)束語 任何液體灌裝機(jī)在投入使用時，由于操作人員的不熟悉或者由于開發(fā)人員在編寫程序時針對具體的用戶要求考慮得不全面，在初始運(yùn)行的一段時間內(nèi)要根據(jù)用戶的要求對軟件進(jìn)行修改，但該自動灌裝機(jī)的用戶分散在全國各地，如果由開發(fā)人員去現(xiàn)場維護(hù)，必定在路上浪費(fèi)時間且要花費(fèi)較多費(fèi)用，為了降低成本，我們通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了遠(yuǎn)程調(diào)式與維護(hù)，效果非常理想。遠(yuǎn)程維護(hù)主要通過三種途徑實現(xiàn)：一種是應(yīng)用遠(yuǎn)程控制軟件PcAnywhere來實現(xiàn)；第二種通過Windows的通信功能中的“遠(yuǎn)程桌面”來實現(xiàn)；第三種是通過QQ即時通信軟件中的遠(yuǎn)程控制來實現(xiàn)。這三種軟件我們在遠(yuǎn)程調(diào)試中都采用過，感覺的還是QQ即時通信軟件。在本定量灌裝機(jī)中，根據(jù)稱重閉環(huán)自動灌裝機(jī)的誤差大小，將比例系數(shù)和積分時間常數(shù)各分為10級，在運(yùn)行過程中能夠自動地調(diào)用合適的比例系數(shù)和積分時間常數(shù)，這種控制能實現(xiàn)了響應(yīng)快又抑制超調(diào)的目標(biāo)，達(dá)到了很好的效果。 | |
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