张文涛 （1976-）

男，硕士，北京人，北京电子科技职业学院教学运行办主任，主要研究方向为机电一体化。
基金项目：北京市职业院校教师素质提高工程经费资助项目





摘要：动态称量系统在工业生产中应用广泛，特别是在烟草、医药、包装等产业中应用更为普遍，本文通过以PLC在烟草行业的应用为例，阐述了基于PLC技术、变频调速技术、触摸屏技术等高新技术下的动态称量技术应用，具体论述了动态称重系统的组成、应用范围、数学模型、应用经验。

关键词：PLC；动态称重；数学模型；应用经验

Abstract: Dynamic weighing system was widely applied in industry, especially 
in tobacco、medical、and packing industry. In this paper, by one of its application 
examples in tobacco industry, we discuss application of PLC、PWM、Touch Panel in the dynamic weighing technology, and give the detailed construction 
scheme of the dynamic weighing system、applications domain、mathematic model and 
practical experiences.

Key words: PLC; Dynamic W; Temperature control; Soft capsule machine


    动态称量系统的主要功能是实现动态计量称重、物料定量包装、物料流量配比等，通过实施动态称量可以提高系统精度、系统可靠性、为系统提供复杂功能支持。动态称量系统已经广泛应用于烟草、医药、保健品等各个生产领域。

1  系统概述

1.1 动态称量系统现状  

    称量系统通常分为静态和动态两种。静态称量系统包括汽车衡、地上衡、地中衡、计价秤、称重仪、测力计等；动态称量系统包括皮带秤、斗式配料系统、皮带配料系列（即定量给料机）、轨道衡、动态汽车衡等。目前动态称量领域主要以专用衡器和仪表为主，部分设备采用专用仪表，但随着技术的不断进步，采用DCS技术、PLC技术的动态称量系统正在不断发展，其在工业领域中的应用不断拓展。

1.2 本课题研究内容  

    本课题通过分析，在原有中型PLC控制的皮带秤基础上，认真研究了小型PLC控制技术，设计开发了以西门子小型PLC-S7-216PLC为控制核心的动态皮带秤称量系统。

1.3 控制系统组成  

    主要由西门子CPU216为控制核心、以EM235为数据采集单元、用GP370触摸屏作为人机界面。通过西门子MMV变频器作为系统执行单元。

                                  图1   控制系统框图

1.4 系统应用范围  

    本控制系统研究内容涉及到计量方法、数学建模、控制程序除可用于动态皮带秤以外，还可以用于动态复检秤、计数秤、配料秤、核子秤等。

2  烟机动态计量控制

    所谓烟机动态计量就是指在物料搬运过程中实现物料计量、定量包装、恒流控制等功能，保证系统在高精度状态下运行。

    物料计量功能是动态计量的最基本功能之一，可以计量通过皮带的物料总量，并进行实时显示；定量包装功能是指系统在进行物料计量的同时，根据预先设定的“包重”目标值自动完成定量包装；恒流功能是指系统在完成计量的同时，根据预先设定好的流量数值自动调整皮带的速度，使流过皮带的物料流量受控，工作在系统设计的工作节拍下。

3  烟机皮带秤的特点

    烟机皮带秤计量精度要求非常高，目前国家标准是1%，0.5%，而烟草行业规定精度为0.5%，0.25%。烟机皮带秤的机械结构非常复杂，要求具有恒张力等功能的机械结构，由于皮带需要保持恒张力，因而很容易“跑偏”，因此并具备自动调偏功能，为了减少调整的频率，使工作过程更为平缓，课题设计了利用工作趋势进行校正的方式，具体方法是利用PID调节运算方式。

4  烟机皮带秤动态计量数学建模

4.1 动态计量原理分析 

    皮带秤的动态计量的基本原理是在物料移动过程中，根据称重传感器测量出的载荷值计算出单位长度上的物料平均重量G1，然后根据单位时间皮带移动的长度L1，可以计算出单位时间内通过的物料重量G2，G2=G1×L1。如果将单位时间细分到很短的时间微段，则各段的总累加值即近似于真实的动态累计值。

4.2 动态计量模型构建　

    皮带秤动态计量模型构建需预先设置几个重要参数，本课题研究分析后定义参数如下：

    砝码重量Wm：为了保证系统在长期工作状态下的精度，系统能够在工作过程中自动校验计量结果。笔者在秤体的一侧挂上可以自动挂卸的砝码，用砝码重量作为标准值进行称重传感器校正，避免时飘。

    速度控制系数K1，如式（1）所示。

    K1 =脉冲数/毫米) （1）

    编码器脉冲数为2500个，旋转编码器转盘的周长为158毫米。具体系数设置根据编码器参数定义，不同旋转编码器参数设置不同。

    整圈脉冲数MCP：指皮带转过一圈所发出的脉冲数。由于皮带转速不均匀，测试环境须规定在整圈内完成。

    当量重量KZ，如式（2）所示。

    KZ =  （2）

    Wm  - 砝码重量 

    N1  - 挂码后用校量方法得到的码值，该数值为通过重量传感器得到的AD数值。

    N0  - 皮重码值

    称量系数Kp ：码值与脉冲数之积，具体计算如式（3）所示。

    Kp = （3）

    L0  - L0  为皮带秤称量段皮带长度的一半。

4.3  动态计量模型功能实现方法　

    皮带秤动态计量模型采用每周期计算的方法，每个周期设定时间为100ms，在PLC编程过程中采用中断程序设计。

    每个周期（100ms）的累计计算量计算如式（4）所示。

     = （4）

    100ms脉冲数- 旋转编码器每100ms测量的计数值。

    对应重量AD码值- 重量传感器得到的AD数值。

    总累积量计算Q如式（5）所示。

    Q =  （5）

    瞬时流量计算 =×1000×10×60×60

    瞬时流量即每秒流量，将100ms流量作为基值通过计算，由克/秒转换为公斤/小时。

4.4 流量控制实现方法　

    本系统通过PLC给定变频器指定信号，通过变频器调整皮带机速度，实现整体流量控制，如图2所示。

                                     图2   流量控制实现方法

4.5 定量打包实现方法　

    本系统根据预先设定好的包重数值与动态数值进行比较，当达到预定值后发出打包信号给机械装置，从而实现定量打包功能，如图3所示。

                                          图3   定量打包实现方法

5  实践与经验

    本课题实践中遇到中断程序数据共享问题，由于中断事件非同步事件，必须考虑异步事件对系统影响，在设计中断服务程序时，由于用到存储器VD200，而主程序中组成VD200的VW200和VW202分别是两个不同的计算结果，如果中断发生在两个计算的中间，有可能错误选择结果。所以必须把可能被中断打断的程序放到中断服务程序里处理。

    本课题还遇到了PLC精度不够的问题，无法达到0.1%的精度，由于专用衡器价格高，最后通过设计专用变送器的方法解决。

    实践中还遇到变频器对模拟量的干扰问题，由于变频器的启动数据跳变现象，通过检查发现应将EM235的M端接地，将变频器到电机的电源线增加屏蔽措施，采取屏蔽线。

6  结论

    本系统通过实施小型PLC在动态称重系统中的应用设计，使得产品的精度、可靠性都得到了大幅提高，满足了工艺要求，并且降低了设备成本，提高了设备的可维护性。对提高产品生产质量，减少误差，增加生产率起到了很好的作用。

参考文献

[1] 黄颖为.包装机械结构与设计[D]. 化学工业出版社. 2007，8: 70-78.
[2] James A. Tompkins John A. White Yavuz A. Bozer J.M.A. Tanchoco. Facilities Planning[D]. 机械工业出版社. 2008，1: 303-313.
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