1、1第一章 绪论1.1 课题研究的背景化工生产过程中涉及化工原料及产品量的计量控制，针对氯碱生产过程的要求，生产工艺所生产的液氯作为一种产品需进行外供或买卖贸易结算。在液氯外供计量中需用专用液氯灌装瓶，根据液氯钢瓶的皮重、需灌装实际重量通过一套自动计量及控制装置来实现。随着科技的不断发展和社会的不断进步，人们对定量包装控制系统的精度和稳定性，可靠性的要求越越来越高。在投入大量的资金进行研究后，定量包装控制系统的精度和可靠性都取得了很大的进步，能更加适应各种复杂的工业生产环境。定量包装技术主要需要解决的两个问题：测重计量和定量控制。测重计量分为静态测量和动态测量，在工业流水线生产中物料都是动态变化
2、的，因此采用实时测量，这样快速而准确的进行测量。在定量控制方面，目前采用 PLC 控制系统，相对单片机控制系统而言更加稳定可靠，且能更加的适合各种复杂的工业生产环境。为了设计出适合的，可靠的，经济的定量包装控制系统，既要保障系统在各种恶劣的环境下长时间正常工作，又能适应快速的流水线生产且能保证能达到性对较高的包装精度定量包装控制系统，本文构建一个基于PLC的动态定量包装控制系统。系统采用触摸屏作上位机，用于远程监控，并设计了良好的操作界面以供用户使用。同时，系统还具备现场控制柜操作模式，以进行现场调试运行。这样，系统的操作方式更为灵活方便，具有更好的扩展性能以及应用范围。1.2 国内外发展现状
3、1.2.1 国内发展状况我国的定量包装控制技术研究起步较晚，经过几十年的发展我国的小称量定量包装技术取得了很大的进步，但由于我国中小型企业装备差，技术落后，缺少资金和专业的技术人才，所以在准确度和控制精度方面距离西方发达国家还有很大的距离，并且相对发达国家而言我们缺少自己的核心技术且技术落后缺少竞争力。并且我国的定量包装设备单一，生产定量包装设备的厂家技术薄弱，无法满足日益进步的工业生产要求。目前国内主要还是使用以单片机为核心的控制系统，称重测量和定量控制2技术逐渐完善，单手硬件条件的限制，扩展性能普遍较低且操作界面不容乐观，功能过于单一。1.2.2 国外发展状况国外定量包装技术研究较早，发展
4、较快。现代电子测量和可编程控制技术的小型定量包装技术发展很快，技术水平很高。突出表现在称重计量精度很高，定量控制技术性能优越，且工作那速度很快，有很强的模块化，功能化区分严格。国外有针对特殊的产品专用的定量包装控制机械，且品种很多，相关配套设备齐全。拥有自己的核心技术，且多采用可编程控制器作为核心控制器。1.2.3 发展趋势总体而言我国的定量包转控制系统无论测量精度还是控制技术离国外还有相当大一段距离，但随着科技的不断进步以及资金的不断投入，以及国内庞大的市场需求的推动，我国的定量包装控制系统有着广阔的空间和前景。定量包装技术的发展大致经历了手工称量、继电器控制、称重仪表控制、PLC 控制等几
5、个阶段，未来的定量包装控制系统测量精度将不断提高，控制技术那将更加简便更加人性化的操作界面，并延续可持续发展的科学发展观朝着绿色方向发展。发展趋势有如下特点:机电一体化机电一体化是未来定量包装控制技术发展的必然趋势。一个完整的机电一体化系统，一般包括微机、传感器、动力源、执行机构等部分，它摒弃了包装机器中的繁琐和不合理的部分，而将机械、微电子、传感器等多种学科的先进技术融为一体。功能多元化工业产品已趋向精致化及多样化，在大环境下，多元化具有弹性切换功能的定量包装控制系统更能适应市场的需求。控制智能化目前的定量包装控制系统 多采用 PLC 作为控制器，虽然 PLC 弹性强大但仍不具有电脑所具有的
6、功能，未来基于电脑的智能仪器将成为定量包装控制系统的控制器。结起来它们具有以下特点：1.高速、高精度。2.人机对话操作界面调试简洁、可靠。3.自动校准4.故常排查功能5.低噪音、易于维护31.3 论文的主要内容。全面熟悉液氯钢瓶灌装的工艺过程，掌握自动计量及控制中指标要求，通过设计所配置的硬件组成，编制符合自动计量及控制要求的软件程序。本文所研究的定量包装控制系统是基于西门子 PLC200 系列为核心的控制系统，通过托利多电子称进行物料的重量的实时测量，在进行数据的采集的和处理，以触摸屏为上位机，构造出人性化的操作界面。最终设计出一套能对八条灌装线实现的自动计量、自动控制 PLC 组成的硬件系
7、统，并实现人机界面的显示、报警、数据处理等功能。4第二章 系统设计2.1 系统管道示意图系统硬件由8个液氯灌装载容器，这些装置实现了自动灌装的功能，在液氯的重量判断上本系统在Z轴上安装有称重传感器以判断液氯是否满装。XYZ轴机械臂由三个伺服电动机驱动，伺服电机有精度高以及扭矩大和抗干扰性高等优点以取代步进电动机。伺服电机的控制由西门子公司的 200 系列 PLC 的伺服定位模块 EM253 驱动，本系统主机由 S7-226CN 作为主处理单元，液体灌装的工作过程，先通过上位系统 HMI 设置好每个装载容器的装载质量，按下启动按钮后机械臂按照上位系统5指令移动 XYZ 轴按顺序到达指定的容器，打
8、开出液阀门，通过 PLC 对高精度称重传感器流程液体的计算到达设定值后关闭放液阀门，机械臂移动到下一个容器，直至到每个容器灌装完后，整个工作流程结束。2.2 系统组成(1)八套托利多称重传感器（0-2000Kg） 、相应八只托利多称重变送器；(2)八台电控气动球阀（220VAC 供电、二位五通电磁阀、气动球阀） ；(3)西门子 200PLC 硬件系统一套，包括 CPU、A/D 模块（八路入） 、I/O 模块；(4)彩色 10”触摸屏一只；(5)中间继电器、开关电源（24VDC，5A） 、附件等。2.2.1.托利多电子秤梅特勒-托利多称重设备系统有限公司制造的“pp“型化工钢瓶电子平台称采用全新
9、设计的钢机构称台，配用四只高精度剪贴梁式称重传感器和智能化称重显示仪表，组成称重系统。该系统准确度高，称重速度快，工作稳定可靠。被广泛应用于各类化工用钢瓶灌装的物料计量场合。平台秤简易结实、清洁方6便。秤台上的专用支架可以放置直径 400 到 800 的多种规格嘚钢瓶。平台秤可按用户需要选配多种型号的称重显示仪表，以实现不同的称重管理和计量功能。防腐涂料及特殊防腐工艺使其可用于防腐和防水环境中，选配打印机、大屏幕显示器，还可扩展功能。2.2.1.1 产品标准 GB7723-87 固定式电子衡JJG539-97 数字指示称计量检定规程GB/T14249.1-93 电子衡器安全要求GB/T1424
10、9.2-93 电子衡器通用技术条件2.2.1.2 工作与原理称重物体放在称台上，在重力的作用下，称重传感器弹性体发生形变，是粘贴于弹性体应变梁上的电阻应变桥路失去平衡，从而输出与重量信号成正比的 mV 级电信号，该电信号进入称重显示仪表后，经过放大，滤波，A/D 转换，在京微处理器对信号处理后直接在仪表上显示称重数据。2.2.1.3 配用传感器性能推荐激励电压：615V（DC/AC)最大激励电压：20V（DC/AC)额定输出：20.002mV/V非线性：0.02%F.S滞后：0.02%F.S重复性：0.01%F.S蠕变：0.02%F.S/30min输出阻抗：3501 输入阻抗：3824 安全过
11、载：150%F.S极限过载：250%F.S72.2.1.4 平台的安装顺序：2.2.1.5 主要功能以 Hawk 型仪表为例可显示毛重、净重、可自动去皮或手动去皮；有零位、超载和欠载指示；自动零位保持；平台秤运至现场，确定安装位置固定框架底座平台秤就位、调整水平拆去装运夹系统安装系统调试/检定8面板键盘设定/校正和功能参数设定；仪表具有自检功能；系统具有防作弊功能；仪表输出接口：RS-232；交直流两用电源；可配置大屏幕显示器，用来显示称重数据；可配置打印机；可配置计算机组成称重管理系统；2.2.2A/D 转换器的工作过程和工作原理2.2.1.6 工作过程在以计算机技术为中心的各个领域中，从测
12、量到控制几乎到处都使用到数字技术，而从自然界获取的大都是模拟量，作为控制信号也多是模拟量。数字处理技术对信号进行处理的过程一般是：模拟量转化为数字量智能数字处理数字量转化为模拟量。其中起桥梁作用的模数转换和数模转换。 模数转换是把输入的模拟信号转换成数字信号输出的电路，常写成 A/D 转换，或写成 ADC（Analog Digital Converter ） 。数模转换是把输入的数字信号转换成模拟信号输出的电路，常写成 D/A 转换，或写成 DAC（Digital Analog Converter ） 。D/A 输出的模拟信号并不真正是能连续变化的模拟信号，而是以所用 DAC的绝对分辨率为单位
13、增减的有“台阶”模拟量，所以实际上 DAC 是准模拟量输出。A/D 是用最低有效位（LSB）的 BIT 数表示，一般满足 LSB 的一半就可以了。精度包括失调误差和比例系数（即增益或称跨度）误差等，因此精度一般总是比线性度差。一般分辨率越高精度越高，在应用中也用数字的二进制位数代表转换精度。在 A/D 转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续的而输出地数字信号是离散的，所以转换只能在一系列选定的瞬时对输入的模拟信号取样，然后再将这些取样值转换成输出地数字量。因此，A/D 转换的过程是首先对输入的模拟电压信号取样，取样结束后进入保持时间，在这段时间内将取样的 3.3.2 转换原理A/D、D/A
14、 大量用于数字电压计以及数据采集、处理系统中。用途不同则对性能要求亦有区别。数字电压计等要求使平方便、高精度且抗干扰性好，而对速度则要求不高。然而在数据采集处理、设备中，则要求处理高频高速信号或9多通道同时处理或者在线高速处理，这首先就要有高速处理性能。使用或者设计 DAC、ADC 时，对其有关性能必须了解清楚，才能做到合理应用。1、变换速度时间把输入的模拟（数字）信号变换成相对应的数字(模拟)量输出所需要的时间称为 A/D 转换(D/A 转换)的时间或“变换速度” 。D/A 变换速度是指从数字输入建立开始，直到使输出模拟电压（或电流）达到在规定误差范围内的目标值时所需要的时间，例如达到误差为
15、 0.01%时需要 10S，就表示其变换速度为10S。A/D 变换速度是指变换启动开始直至变换结束送出数字量所需要的时间，也可以用单位时间的转换次数（转换频率）描述。根据转换时间把 A/D 分为超高速（100M/S） 、高速（100M/S 10M/S） 、中速（10M/S 10K/S） 、低速（10K/S）几档。在 D/A 中从输入的数字信号发生变化开始，到输出值稳定在额定值的LSB/2 以内所需的时间，称为建立时间。根据 D/A 建立时间，可将 D/A 分为超高速（0.l S） 、极高速（ 0.l l S）高速（1 10 S） 、中速（10 100 S）和低速（100 S）几档。2、分辨率和
16、转换精度分辨率就是分辨能力，也就是能够分辨出即检测出信号变化的最小（量化）单位。用数字的位数来表示，二进制称为“比特” （BIT）数，比如通常说的 12位 A/D(D/A)。二进制的位数越多，分辨率越高。十进制的称为“位数” （Dgit） ，如 3 位半数字电压表，4 位半 A/D 转换等。精度是表示实际输出与理想（理论性的）输出之差，一般多用相对满标度的百分比来表示。百分比越小精度越电压量化为数字量，并按一定的编码形式给出转换结果。然后，再开始下一次取样。下面看一下取样定理。为了能正确无误地用取样信号 Vs 表示模拟信号 V1，样信号必须有足够高的频率。可以证明，为了保证能从取样信号将原来的被取样信号恢复，必须满足：（3-1）2maxfis式中 fs为取样频率， fi(max)为输入模拟信号 V1的最高频率分量的频率。式（3-1）就是采样定理。由于转换是在取样结束后的保持时间内完成的，所以转换结果所对应得 模拟电压是每次取样结束时的 V1值。102.2.2 ANSI 标准气动球阀2.2.2.1 产品性能指标
