颗粒物料定量称重、灌装控制系统设计方案
1 绪 论
1.1 包装机械的发展现状及现实意义
现代包装技术日益向着高度机械化和自动化方向发展，最初，在包装领域中所应用的第一代包装机械——DubbedGen1，结构简单，是纯机械性的。由一台电机带动直线轴转动，并通过凸轮产生动力。采用可编程控制器（PLC）的控制系统，结构也很简单，由操作人员直接控制机器。在大部分情况下，还没有采用人-机互动技术（HMI）。之后，出现了第二代包装机械。此技术诞生于十年前，包装机械仍采用传动轴驱动，只是结构更复杂一些，因为由伺服电机来控制速度，所以可以向一些特殊的动作发出指令，而且也采用了更为复杂的PLC可编程逻辑控制器。第二代包装机械的可调性更好，但这一优点却需要付出更高的费用。这些费用包括更多的线路布置、更多的PLC可编程逻辑控制器输入/输出（I/O）装置，这些装置庞大而复杂，有更多的传感器和程序控制，甚至还包括更多的外围设备,而且对于故障的排除和处理也更加困难。
近年来，国内包装机械从技术、设计和制造等方面发展较快，从前期的由国外引进先进设备和技术并在此基础上进行消化吸收，到自行设计制造生产出较为先进的电子秤称量微机控制的各种型号种类的包装机，基本满足了国内各行业散状物料产品包装的需要。
但开发研制经济实用的颗粒物料称重式包装机也是非常适时和必要的。随着社会经济、技术的快速发展，产品定量精度要求更加严格，产品规格种类繁多，颗粒物料定量称重、灌装类设备需求量日益增加。相比之下，农产品的包装机械发展稍有不足，包装速度和精度偏低是阻碍其发展的主要原因。本课题根据这一要求并结合谷物生产的实际情况,研制了颗粒物料的自动定量灌装控制系统,对如何提高灌装速度和称量精度提出了改进方案。
1.2 颗粒物料定量灌装控制系统的研究意义
随着市场经济的完善和发展，商品流通的深度和广度进一步扩大，包装工业在国民经济中的作用和地位越来越高。商品包装是一个新兴的行业，是在商品经济日益繁荣，市场竞争日趋激烈的新形式下，逐步成长起来的。在商品流通中,人们对粉状、颗粒状小袋商品的包装要求主要有两个方面,一是要求包装美观,以便吸引顾客,并保证商品在流通环节中包装袋不出现任何形式的破损。其二是要
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求包装袋内的商品计量准确,误差小（包装行业标准要求计量误差小于5‰）,以维护商品生产厂商的信誉、形象。因此商品包装的精确计量,是包装行业时刻关注的一项重要课题。
本设计中采用电子称重仪表进行称重，显示物料的重量值，并以称重传感器的输出信号为判断依据，二者结合完成物料的定量称重,同时用PLC来控制系统灌装动作顺序，并配以相关的执行驱动器件，实现了颗粒物料喂料、定量称重、半自动灌装等环节的电气系统的控制。设计中阐述了具体的设计方案，并通过控制系统的电气图设计、元器件的选型和PLC整体控制的设计并编写控制程序等几部分，实现自动称重、定量给料等工作过程的自动控制。在物料灌装过程中，能自动实现夹袋、喂料、称重和松袋的加工操作过程，产品结构简单、操作方便、灌装速度快、精度高、工作稳定可靠，可用于大米等谷物类和化工产品等行业内松散态颗粒物料的连续定量灌装。
1.3 包装机械的设计任务
1.3.1 包装机械的发展方向
从发达国家生产的包装机械水平来看，当代包装机械的发展动向具有以下几个特点：
a.提高包装机械系列化、标准化和通用化水平，建立组合化、机电一体化的现代包装机械的结构体系仍是今后的一个重要的发展方向。包装机械发展到今天，其系列化、标准化和通用化水平不断提高。有些国家生产的包装机，通用件、标准件约占整机零部件的70%，有的高达90%，产品更新的速度很快。
b.包装机械日趋高速化、自动化和联合化。机械设备的高速化是实现社会高速发展的根本措施，是提高设备生产率的主要途径，故包装机的工作速度是衡量其性能优劣的重要指标。包装机械的高速化，随之对相应设备的联动化和自动化提出了更高的要求。
c.重视高新技术的应用，使包装机械的功能日趋先进可靠。而针对本课题而言,定量称量灌装式设备，其发展方向为，发展各种形式的称量灌装设备，着力提高灌装速度和精度以及稳定性和可靠性，并与自动包装设备配套。 1.3.2 包装机械设计存在的问题
称重计量包装机由于包装机械动作复杂而频繁，执行元件比较多，若采用传统的继电器控制电路会导致设备的故障率高、动作不准确、包装质量不稳定、灌装精度低、停机维修时间多等弊病。因此，研制和发展包装机时，重视高新技术的应用，是提高其先进性、可靠性的主要途径。
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另外，跟国外包装机械设计水平相比，我国的包装机设计虽然品种繁多，但是其适应面窄，基本上只是针对单一品种单一定量的产品包装，面对品种繁多的商品自动化包装要求，跟不上包装形式，同时，由于其标准化、通用化水平低，其生产成本相对偏高。这些都是需要在以后的包装机设计中着力解决的。
1.4 颗粒物料定量灌装控制系统的设计任务
1.4.1 主要构思
简单介绍：设计中采用称重仪表进行称重，显示物料的重量值，并以称重传感器的输出信号为判断依据，称重仪表和称重传感器配合完成物料的定量称重,同时用PLC来控制系统灌装动作顺序，并配以相关的执行驱动器件，实现了颗粒物料喂料、定量称重、半自动灌装等环节的电气系统的控制。
喂料系统、称重系统、夹袋排料系统由PLC控制喂料电磁阀、排料电磁阀和夹袋电磁阀的通断，从而利用气动系统驱动料斗阀门的打开与关闭和物料袋子的夹紧与松开。
1.4.2 主要工作任务及技术参数
一、工作任务
a. 确定灌装机电气控制的总体设计方案； b. 完成电气控制系统设计，绘制相关电气图； c. 完成元器件的选型； d. 编写PLC控制系统程序；
e. 整理设计资料，撰写毕业设计说明准备答辩工作。 二、灌装机的主要技术参数 ·灌装物料：松散态颗粒物料； ·灌装精度：±0.2%（动态）；
·灌装速度：3～4袋/分钟，（灌装10kg和5kg的速度可达4～8袋/分钟）实际灌装速度取决于供料速度及人工的操作速度； ·灌装重量：5kg～10kg可调和10kg～25kg可调； ·温度湿度：0～40℃ 85%； ·电 源：AC 220V±10% 50Hz； ·气 源：P≥0.6MPa Q≥0.9m/h； ·外形尺寸：720×670×1980mm
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2 总体方案设计
2.1 灌装机的工作原理及特点
2.1.1 灌装机的工作原理
定量称重灌装机工作原理在于，需要给定灌装规格，根据需要设定的称重值，将灌装重量值与设定称重值作比较，进行灌装。本系统以称重传感器的输出信号为判断依据，利用PLC实现对颗粒灌装机的控制,实现物料的自动定量灌装。其基本工作过程分为夹袋-喂料-称重-排料四个阶段。此类灌装机适用于灌装流动性较好的颗粒状物料，如大米、小麦、尿素、玉米、饲料、白糖等，并且受外界环境影响小，灌装精度高，性能稳定。其工作原理框图如图2-1所示。
图2-1 工作原理框图
2.1.2 灌装机的特点
? 主体结构由供料装置、称重装置、夹袋装置、机架、数控主板和气压传动系统组成。
? 供料装置采用了多次喂料的供料方式以保证灌装过程的稳定、准确。 ? 计量装置采用了日本AD公司的电子称重式计量装置，确保了灌装的高计量精度。
? 具有高速A\\D转换和优异的数字抗干扰性能。
? 灵活的功能选择和设置，可随时显示皮重、目标重量、累计袋数和累计重量等。
? 操作简便。设备由按钮启动后即可投入自动喂料、称重、卸料操作，操作人员只需做袋套、按夹袋开关、封袋口三种操作。 ? 具有应急功能，可通过“停止”按钮使机器紧急停机。
? 具有料位检测功能。当料位低于规定高度时，机器自动停止灌装；待料
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位达到规定高度时，又自动恢复连续定量灌装。 ? 遇有特殊情况，具有“手动排料”功能。
2.2 灌装机的控制系统构成
本系统主要有主控单元、电子称重计量单元两大部分组成。主控单元是由PLC及其相应的控制执行回路组成，主要实现了定量称重包装系统各个工序的自动控制功能。电子称重计量单元是由称重仪表和称重传感器及相应的测量构成，实现了颗粒物料的称重分包和单包装质量数字显示。
2.3 总体方案设计
在物料灌装过程中，要自动完成夹袋、供料、称重和排料等加工操作，所以由图2-1所示，本设计产品的主体结构由供料装置、称重装置、夹袋装置、机架、气压传动系统组成，由PLC控制整个系统动作顺序。 2.3.1 控制系统方案设计
（1）根据灌装机的工作原理确定总体方案的设计，本设计从电气控制及机械结构方面都将称重过程分为两个阶段，即快喂料阶段和细喂料阶段。快喂料阶段保证称重的速度，细喂料阶段保证称重的精度。采用两次喂料的供料方式来保证灌装过程的稳定、准确。系统控制图如图2-2所示：
图2-2 系统控制图
（2）设备主控面板上设置运行启动按钮、停止按钮、夹袋按钮和手动排料按钮，由启动按钮启动后即可投入自动喂料、称重、夹袋排料等加工操作过程，操作人员只需按夹袋按钮，如遇到该袋称重不准或其它原因的需要单独排料时，按“手动排料”按钮、停止按钮即可。
（3）灌装机的电气控制主要由PLC来控制，在称量斗两端安装称重传感器，称重传感器输出信号给PLC,PLC控制电磁阀的通断,粗喂料阀门和细喂料阀门由
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颗粒物料定量称重、灌装控制系统设计方案
