皮帶秤配料自動控制系統(tǒng)設計摘要當前,在科學技術(shù)的發(fā)展下PLC的出現(xiàn)，為繼電接觸控制裝置的設計與安裝帶來的極大的便捷，并且已被成功的用在了各個行業(yè)中。在使用的過程中，他可以借助軟件升級或修改的方式，對設備進行控制。對于PLC來說，其所具有的優(yōu)勢包括體積較小、操作較為簡單、便于維修等。在本次研究中，本人以PLC為核心，設計一款能夠進行動態(tài)測量控制系統(tǒng)的主機系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的構(gòu)成包括硬件與軟件的設置、外在結(jié)構(gòu)等。關(guān)鍵詞皮帶秤；PLC；控制系統(tǒng)前言皮帶傳輸機就是我們生活中常見的帶式輸送機，他是一種借助皮帶的使用實現(xiàn)物體運輸?shù)臋C械設備。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、物流、港口、食品加工廠中時常能夠看到皮帶輸送機的身影。在使用的過程中，其所產(chǎn)生的動力較強、噪聲較小、移動較為便捷并且可以從多個方位上實現(xiàn)物體的運輸。電子皮帶秤的主要作用就是，對皮帶傳輸機上的物料重量進行計算，機制為通過對皮帶單位距離中的產(chǎn)品重量進行及時的數(shù)據(jù)檢測，并將各個距離下的物體重量數(shù)值進行求和，隨即計算出這段時間內(nèi)，運行在傳輸機上的物體總重。1皮帶秤配料稱重原理電子皮帶秤由機械部分和電控系統(tǒng)兩部分組成。當物料通過皮帶秤輸送機計量段時，物料質(zhì)量對稱重托輥產(chǎn)生壓力，稱重托輥會將這一力作用直接輸送至負荷傳感器上，此時傳感器就能與這一區(qū)段上所檢測到的物料質(zhì)量產(chǎn)生電流，并發(fā)生正比的電信號；與此同時，皮帶當前的運行速度和測速機構(gòu)所發(fā)生的脈沖信號之間始終處于正比的狀態(tài)。系統(tǒng)在對接受到的信號進行處理的過程中，就能夠?qū)斍暗奈矬w重量、速度、電流數(shù)值等求出。連接著傳感器最上端的元件包括單托輥和雙托輥兩種，具體參看圖1、圖2。圖1單托輥圖2雙托輥2設計方案本課題配料系統(tǒng)中配料部分是由20套自動配料秤組成，它們按照各自的配料量獨立調(diào)節(jié)實現(xiàn)了配比配料。其中圓盤給料式配料秤通過調(diào)節(jié)圓盤電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，定量給料式電子皮帶配料秤通過調(diào)節(jié)皮帶電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，螺旋給料配料秤則是調(diào)節(jié)螺旋給料桿的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，雖然這三種自動配料秤的結(jié)構(gòu)和配料方式有一定的區(qū)別，但其配料原理大致相同，都是通過改變調(diào)速電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)配料量，如圖3為皮帶秤結(jié)構(gòu)。圖3定量給料式皮帶秤根據(jù)圖3的信息可知，組建定量給料式電子皮帶秤的部件較多，主要包括皮帶、速度傳感器、稱重器、減速電機等。（1）秤架和皮帶：這兩種設備主要是用于整個物料的承載與運輸，為后期的稱重做準備。皮帶采用無接縫環(huán)形裙邊皮帶，可以防止物料流量較大時出現(xiàn)灑料現(xiàn)象。（2）稱重傳感器：稱重傳感器是電子皮帶秤的關(guān)鍵部件，它的準確性和反應速度是影響電子皮帶秤的稱量準確主要因素。目前國內(nèi)所用的電子皮帶秤，除了一些特殊要求或用途的之外，絕大部分都是采用了電阻應變式稱重傳感器。在設計電阻應變式稱重傳感器的時候，其所用的組件包括檢測電路、電阻應變片以及彈性體。當有其他的物體在放置在稱重傳感器上之后，彈性體就會因這個力的出現(xiàn)而出現(xiàn)變形，進而使其與電阻應變片發(fā)生接觸，導致后者也發(fā)生變形。在變形出現(xiàn)之后，其所對應的阻值也會發(fā)生變化，通過傳感器中的檢測電路根據(jù)這個阻值變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化，這就是電阻應變式稱重傳感器在正常工作下的狀態(tài)變化與機制[29]。（3）速度傳感器：速度傳感器種類繁多，定量給料式電子皮帶秤所需檢測的速度為皮帶的實際線速度，所以選用旋轉(zhuǎn)式線速度傳感器，其按照測量方式可以分為接觸式和非接觸式。接觸式速度傳感器能夠直接與皮帶進行接觸，在皮帶轉(zhuǎn)動的過程中，摩擦力會使傳感器發(fā)生滾動，進而將滾動帶來的信號傳遞到脈沖中，各個脈沖之間由于出現(xiàn)的時間不一樣，以此達到感應器的時間也不一樣。進而借助這一差異，完成對實際線速度的檢測。接觸式速度傳感器的整體操作較為便捷，結(jié)構(gòu)簡單易懂。但是由于滾輪會一直與皮帶產(chǎn)生摩擦，不可避免的出現(xiàn)一些磨損或打滑，對速度的檢測會產(chǎn)生一定的誤差，所以，接觸式速度傳感器已逐漸被非接觸式速度傳感器所取代，目前只在一些對檢測精度要求不是很高的設備上仍有采用。非接觸式速度傳感器與皮帶秤無直接接觸，而是安裝在皮帶秤皮帶減速機的軸上，軸上貼有反射膜，當皮帶秤運轉(zhuǎn)時，減速機軸每轉(zhuǎn)動一圈，傳感器的探頭便檢測并產(chǎn)生一個電脈沖信號，從而測的皮帶輥筒的實際轉(zhuǎn)速，皮帶的長度和輥筒的直徑都是定制，經(jīng)過運算得出皮帶運行的實際速度。非接觸式速度傳感器不易受干擾，精度高，穩(wěn)定性好，應用極為普遍。（4）跑偏檢測裝置：配料秤的皮帶在運行時是不斷運轉(zhuǎn)的，實際運行時不可避免的會出現(xiàn)皮帶往一側(cè)跑偏的現(xiàn)象，如果不及時發(fā)現(xiàn)并處理，會導致皮帶的裙邊與秤架摩擦損壞，而且皮帶與秤架摩擦時，會對皮帶產(chǎn)生較大阻力，降低了皮帶的運轉(zhuǎn)速度，影響配料秤精度。所以秤架上皮帶的兩側(cè)各裝了一只兩級行程開關(guān)，用來檢測皮帶的跑偏情況。當皮帶輕微跑偏時，會壓迫形成開關(guān)擋輪，觸發(fā)一級輕跑偏信號，此時在上位機畫面會彈出相應報警信號，提醒操作人員及時調(diào)整。如果持續(xù)跑偏壓迫了行程開關(guān)的二級重跑偏信號，則會聯(lián)鎖停止配料流程的運行，能有效防止皮帶跑偏而影響配料秤的精度與穩(wěn)定性。（5）減速電機：減速電機由配料秤的驅(qū)動裝置，由減速機和調(diào)速電機構(gòu)成。減速機的速比可按照實際需求選擇，調(diào)速電機為普通的三相異步調(diào)速電機。3系統(tǒng)硬件設計3.1系統(tǒng)硬件組成在電子皮帶秤傳動的過程中，其所獲得的能量主要是來自于交流電動機傳動，在對其進行檢測的時候，使用的是一個編碼器和一個臺稱重傳感器。在信號收集的時候，稱重傳感器能夠接收到0～24mV的電壓信號，這一信號與物料質(zhì)量所傳遞出來的信號之間具有一定的關(guān)系，借助信號放大器的時候，對其進行放大后，再將其信號值傳輸至模擬量輸入模塊中，使用A/D對其進行轉(zhuǎn)換，最后再傳輸至CPU模塊中完成相關(guān)數(shù)值的計算。在運輸機工作的過程中，電光脈沖編碼器可以將脈沖持續(xù)對外傳輸，每傳輸出去一個脈沖就意味著該皮帶已經(jīng)走過一個設定的距離區(qū)間，系統(tǒng)將這些脈沖數(shù)運送至高速計數(shù)模塊中進行計算。在使用CPU模塊對這些數(shù)值進行集中處理之后，將模擬數(shù)據(jù)的信息以頻率的方式傳輸出去，以帶動電動機工作，進而完成對整個設備的控制。還需增加所需的輸入輸出點位的開關(guān)量模塊。由于西門子PLC以其極高的性能價格比，功能強大，其指令執(zhí)行速度快，能縮短掃描周期，也就是能提高響應速度，增強控制的實時性，更能保證高精度要求產(chǎn)品的質(zhì)量。電子皮帶秤采用西門子S7－300的硬件配置，控制整個控制系統(tǒng)。其硬件構(gòu)成如圖4所示?？砂聪铝杏布渲脕磉M行硬件組態(tài)。圖4系統(tǒng)的硬件配置3.2系統(tǒng)控制原理在電子皮帶秤觸摸屏終端上按實際需要給定設定流量sp(n)，與瞬時流量pv(n)比較，產(chǎn)生誤差信號ev(n)＝sp(n)—pv(n)，經(jīng)PID調(diào)節(jié)運算產(chǎn)生一控制電壓信號給變頻調(diào)速器調(diào)節(jié)交流電動機轉(zhuǎn)速。當sp(n)＞pv(n)時，電動機加速，當sp(n)＜pv(n)時，電動機減速，直到sp(n)＝pv(n)達到控制流量的目的。4系統(tǒng)軟件設計電子皮帶秤使用的控制方式主要以流量控制為主，從而使其能夠?qū)λ矔r流量進行記錄，并將得到的零散值相加，進而求出累計量，確保其稱重的準確性。在對其進行調(diào)整的時候，支出對流量信號和速度信號進行調(diào)整即可。（1）編碼器采集主要是通過對脈沖信號的監(jiān)測完成，當皮帶速度所發(fā)射出來的脈沖信號與其成正比時，這一信號就會被高速計數(shù)模塊所收集到。電動機所記錄的轉(zhuǎn)數(shù)也將轉(zhuǎn)換成脈沖信息進行表達，當脈沖數(shù)值為500個的時候，即表明當前的奠基工作長度為一轉(zhuǎn)。使用v對電子皮帶的轉(zhuǎn)速進行表達v＝ΔL/T(m/s)在公示中T表示的是在經(jīng)過ΔL長度的時候，其所用到的時間；ΔL表示的是采樣間隔。（2）流量表示的是，在一定時間內(nèi)經(jīng)過皮帶秤上的物料數(shù)量。流量的計算可以依照皮帶檢測到的瞬時重量或者是某一區(qū)間內(nèi)同一時間的皮帶運行速度。傳感器所使用的電壓數(shù)值為12VDC，設備的靈敏度數(shù)值為12mV/V。當物料在皮帶上流過的時候，電子秤則開始對其重量數(shù)據(jù)進行采集，稱重傳感器所發(fā)出的電壓信號為0～24mV且此時的電壓數(shù)值與物料重量之間表現(xiàn)為正相關(guān)，在使用放大器對其進行放大之后，將得到的電壓數(shù)值傳輸至模擬量輸入模塊中，在轉(zhuǎn)換完成后，將得到的數(shù)值再輸送至CPU模塊進行計算。具體轉(zhuǎn)換過程可參看圖5。圖5成正比的信號值（3）總重量W是將PLC每次所采集到的重量值進行相加之后得到總數(shù)值。W=在上述公式中i表示的是采樣得到的脈沖；Pi表示的是計量段中檢測到的物料重量；L表示的是計量的區(qū)間距離；ΔL表示的是采樣之間的時間差。根據(jù)公式P/L中的信息可以發(fā)現(xiàn)，在每米區(qū)間中n表示的是皮帶當前已經(jīng)經(jīng)過的ΔL段數(shù)，PiΔL/L即則表示的是，在經(jīng)過ΔL距離之后得到的重量，將多個n段的重量進行相加之后，就能夠得到總的重量W。（4）在完成數(shù)學模型之后，就可使用SIEMENS編程軟件對當前的設備程序進行編寫，借助程序設定的方式，將相關(guān)的指令寫入設備中，將設置的sp(n)數(shù)值與pv(n)數(shù)值確定出來之后，在按照一定的百分比，將其賦值于PID連續(xù)控制器，借助的PLC模擬量閉環(huán)的使用，實現(xiàn)對設備的連續(xù)控制，并完成變頻器的整體頻率調(diào)整。將編碼器、傳感器所收集到數(shù)值信息，傳送至PLC中，并對瞬時流量進行計算pv(n)。圖6表示的是系統(tǒng)控制的方框圖。圖6PLC模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖（5）在物料稱重環(huán)節(jié)，電子皮帶秤達的進度必須符合要求，此時可以通過人為的方式，對設備的精準度進行調(diào)整。調(diào)零又分為兩種，一種為平均值的調(diào)零，一種為絕對值調(diào)零，前者表示的是在空載狀態(tài)下，對皮帶轉(zhuǎn)動一周這段時間內(nèi)的平均重量數(shù)值進行信息收集，隨后在使用的時候，PLC裝置自動將瞬時采集到的物體重量去除皮重，進而得到這一物體在此時的瞬時物料凈重。絕對值調(diào)零則是對不同稱重區(qū)間的物質(zhì)進行調(diào)零設置，此時的皮帶會被劃分成若干個測量單元，在對其進行調(diào)整的時候，每個單元都有一個屬于自己的調(diào)零值。在稱重時，不同的單元會將檢測到的數(shù)值與調(diào)零數(shù)值之間進行求差計算，即得到高物體的瞬時物料凈重。在進行校秤的過程中，系統(tǒng)將傳遞給PLC的數(shù)據(jù)進行校準砝碼重量的監(jiān)測，以完成在這一過程中的通道校準工作。在校準砝碼重量的時候，使用者要將事先設定好的數(shù)據(jù)輸入PLC中進行儲存。在運行中，假如檢測得到的結(jié)果與PLC裝置之間的記過不一致，則需要對系統(tǒng)中的數(shù)值進行修正，這一過程一般交由PLC自動完成。（6）監(jiān)控系統(tǒng)所具有的功能包括：預警、顯示、生成數(shù)據(jù)記錄、歷史和實時數(shù)據(jù)報告等。本次設計中，我查閱了大量的資料，使我對設計中涉及的所有器件有了一個充分的了解，掌握了傳感器以及一些稱重器件的工作原理，熟悉了對電子皮帶秤中各個部分的硬件設計，并成功設計和制作出了使用電路，達到了預期效果。同時對電子皮帶秤的抗干擾方面提出了一些見解，并提出了一些簡單的