生产线自动称重控制系统设计毕业设计doc.docx
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生产线自动称重控制系统设计毕业设计doc
摘要
自动生产线被应用到工业领域后，称重装置不仅是提供重量数据的简单仪表，而且是工业控制系统和管理系统的一个组成部分。
生产线自动称重技术水平的提高，可以推进工业生产的自动化和管理的现代化，缩短作业时间，改善操作条件，降低能源和材料的消耗，提高产品质量以及加强企业管理。
生产线自动称重控制系统设计，以PLC为控制核心，称重传感器采集现场重量信号，称重变送器将传感器的信号隔离放大，转换成0-10V的标准信号，EM235模块将这一标准信号转换为相对应的数值。
通过实际重量与变速重量、目标重量相比较，利用PWM脉冲控制舵机阀门旋转角度，从而控制下料流量大小。
利用电磁铁控制称重斗下料门开合，通过光电开关防止辅助斗物料溢出，利用报警器实现报警功能。
整个控制过程分手动操作和自动操作。
通过三维力控软件构建远程监控系统，现场情况可以实时显示，监控系统的控制级别高于现场控制的级别。
关键词：
PLC称重传感器报警器光电开关远程监控
ABSTRACT
Afterautomaticproductionlinewasappliedtoindustryregion,weighingdevicewasnotonlyatechniquesimplicityinstrumenttosupplyweightdata，butalsoapartofindustrialcontrolsystemandsupervisorysystem.Thedevelopmentoftheproductionlineofautomaticweighingcanadvancethemodernizationoftheautomationandmanagementofindustrialproduction,reduceoperatingtime,improvetheoperatingconditions,reducetheconsumptionofenergyandmaterials,improveproductqualityandstrengthenenterprisemanagement.Theproductionlineofautomaticweighingcontrolsystems,PLCforthecontrolofthecore,weighingsensortocollecttheliveweightofthesignal,theweightofthetransmittertothesensorsignalisolationamplifier,andconvertedintostandardsignalsof0-10V,theEM235moduletothestandardsignalisconvertedtocorrespondstothevalue.Byactualweightandvariablespeedweight,targetweight,comparedtothesizeofthePWMpulsestocontroltherotationangleofthesteeringgear,whichcontroltheflowofcutting.Thesystemuseelectromagnetstocontroltheweighingbucketcuttingdooropeningandclosing,usethephotoelectricswitchtopreventtheauxiliarybucketspillage,usethealarmtoachievealarmfunction.Theentirecontrolprocessisdividedintomanualoperationandautomaticoperation.Thesystemusethree-dimensionalforcecontrolsoftwaretobuildtheremotemonitoringsystems.itcandisplayreal-time,themonitoringsystemcontrollevelishigherthanthelevelofsitecontrol.
KEYWORDS:
PLCweighsensoralarmphotoelectricswitchremotemonitoring
目 录
前 言
1．课题研究的研究背景和意义
自动生产线被应用到工业领域后，对称重技术提出了新的要求。
称重装置不仅是提供重量数据的简单仪表，而且是工业控制系统和管理系统的一个组成部分。
生产线自动称重技术水平的提高，可以推进工业生产的自动化和管理的现代化，缩短作业时间，改善操作条件，降低能源和材料的消耗，提高产品质量以及加强企业管理。
目前，国内很多中小企业的生产线称重环节多采用磅秤、台秤和通用的电子秤。
生产线上的物料质量都由工人师傅手动控制。
这种称重系统存在很多缺陷。
缺陷一：
生产线的称重设备自动化程度较低，称重质量完全取决于人，称重精度低，并且操作复杂。
缺陷二：
在这样的称重系统中，若要提高称重精度，就要降低生产速度，大大阻碍了高速生产的实现。
缺陷三：
缺少对生产过程的实时监控，使得整个工作过程都需要操作人员在现场监督。
这样既浪费了人力，提高了企业的费用，又无法实现自动化生产管理。
根据以上内容，就两方面设计自动称重控制系统：
一是根据现有生产线的称重现状，相对提高生产线称重的自动化程度、称重速度和称重精度；二是建立组态监控系统，使其能监控现场事实情况。
这样的生产线自动称重控制系统，可以降低原料消耗，控制产品质量，提高生产速度，降低工人劳动强度，方便监控人员更好的了解工作现场情况，实现生产过程的科学现代化管理。
2．称重技术的发展概况和趋势
随着第二次世界大战后的经济繁荣，为了把称重技术引入到生产工艺过程中去，对称重技术提出了新的要求，希望称重过程自动化，为此电子技术渗入衡器制造业，产生了电子称。
电子称的发展过程与其他事物一样，也经历了由简单到复杂，由粗糙到精密，由机械到机电结合再到全电子化，由单一功能到多功能的过程。
特别是近30年以来，工艺流程中的现场称重、配料定量称重以及产品质量的监测等工作，都离不开能输出信号的电子衡器。
这是由于电子衡器不仅给出质量或重量信号，而且也能作为总系统中的一个单元承担着控制和检验功能，从而推进工业生产的自动化和合理化。
近年来电子称已愈来愈多地参与到数据的处理和控制过程中。
现代称重技术和数据系统已经成为工艺技术、储运技术、预包装技术、收货业务及商业销售领域中不可或缺的组成部分。
随着称重传感器各项性能的不断突破，为电子称的发展奠定了基础，国外如美国、西欧等一些国家在20世纪60年代就出现了0.1%称量准确度的电子称，并在70年代中期约对75%的机械称进行了机电结合式改造。
我国的衡器在20世纪40年代以前还全是机械式的，40年代开始发展了机电结合式的衡器。
50年代开始出现了以称重传感器为主的电子衡器。
80年代以来，我国通过自行研究、引进消化吸收和技术改造，已由传统的机械式衡器步入集传感器、微电子技术、计算机技术与一体化的电子衡器发展阶段。
目前，由于电子衡器具有称量快，读数方便，能在恶劣条件下工作，便于与计算机技术相结合而实现称重技术和过程控制的自动化特点，已被广泛应用于工矿企业、能源交通、商业贸易和科学技术等各个部门。
随着称重传感器技术以及超大规模集成电路和微处理器的进一步发展，电子称重技术及其应用范围将更进一步的发展，并被人们越来越重视。
电子衡器产品量大面广、种类繁多，从通用的各种规格的电子称到大型的电子称重系统，从单纯的称重、计价到生产过程检测系统的一个测量控制单元，其应用领域不断地扩大。
根据近些年来电子称重技术和电子衡器的发展情况及电子衡器市场的需求，称重技术的发展动向为：
小型化、模块化、智能化、集成化；其技术性能趋向于速率高、准确度高、可靠性高；其应用性趋向综合性、组合性。
第1章生产线自动称重系统总体设计
1.1控制方案的选择
系统方案选择的原则是在满足生产要求，确保产品质量的前提下，力求投资少，效益高和操作方便。
根据课题的要求，本课题的控制系统方案有两种方案可供选择：
单片机控制方案、PLC控制方案。
（1）单片机控制方案。
单片机是将计算机的基本部件微型化并集成到一块芯片上的微型计算机，通常片内都含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等。
单片机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的。
随着技术的发展，单片机片内集成的功能越来越强大，并朝着SOC（片上系统）方向发展。
单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点，所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。
但是单片机对环境要求较高，一般要在干扰小的场地使用，指令复杂，对编程能力要求较高，可读性差。
（2）PLC控制方案。
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的生产过程。
可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
同时可编程序控制器具有可靠性高、抗干扰能力强，适应性强、应用灵活，编程方便、易于使用，控制系统设计、安装、调试方便，维修方便、维修工作量小，功能完善等特点。
相对于单片机来说,PLC本身固有的稳定性和可靠性特点决定了它在自动化行业内不可取代的地位。
PLC相比单片机具有高可靠性，易于开发，扩展性好，通讯简单的，这些优点促使很多的设备生产厂家在设计时选用PLC作为设备的控制器。
总之，现代的工业自动化生产线中,多数产家都采用PLC作为自动化生产线的控制。
在未来的工业生产中，PLC仍然能够引导自动化行业的发展。
综上所述，该控制系统的控制方案应选PLC控制方案为宜。
1.2系统的组成
系统由进料电动机、出料电动机、PLC、称重传感器、称重变送器、电磁铁、舵机、指示灯、报警器、光电开关等组成。
图1-1为系统框图。
图1-1系统框图
1.3称重系统的功能和工作过程
1．系统的功能
（1）自动运行功能
点击自动运行按钮后，系统自动运行。
（2）手动运行功能
在手动运行情况下，各功能的实现有对应的按钮控制。
（3）报警功能
若实际重量大于称重误差最大值，则报警器开始报警，系统自动停止运行。
报警器需要按动停止按钮将其复位。
若辅助斗中物料溢出，则安装在辅助斗上的光电开关会发出信号，系统自动报警。
（4）远程监控功能
使用组态软件，构建组态画面，使现场真实运行情况事实显示，并且能够在远程操作现场设备。
2．系统的工作过程
（1）大流量进料阶段
按下相应按钮后，进料电动机启动，电磁铁得电使称重斗下料门闭合。
PLC发出指令使舵机阀门始终保持在0度，辅助斗下料门全部开启，大流量指示灯亮。
实现大流量进给。
大流量进料用于提高整体速度。
（2）小流量进料阶段
当数字量信号转换的实际重量等于提前重量值时，PLC发出指令使舵机阀门迅速旋转到90度，并始终保持在这个角度，小流量指示灯亮，开始小流量进给阶段。
慢速进料用于保障称重的精度。
（3）放料阶段
当实际重量等于目标重量时，PLC发出指令使舵机阀门迅速旋转到180度，并始终保持在这个角度，停止进料。
同时，PLC发出指令使电磁铁失电，称重斗下料门打开，放料指示灯亮，进入放料阶段。
在自动状态下，达到定时时间后，电磁铁自动得电，称重斗下料门关闭，辅助斗下料门完全开启。
开始进入下次称重。
在手动状态下，是否进入放料阶段由按钮控制称重斗下料门实现。
是否进行下次称重由手动启动开关控制。
第2章系统硬件设计
根据对生产线自动称重功能的分析，可以设计系统的硬件框图，如图2-1所示。
图2-1硬件框图
2.1PLC的选择
可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的生产过程。
2.1.1PLC选型的基本原则
PLC产品的种类也越来越多。
不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。
合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。
在PLC系统设计时，确定控制方案后，下一步工作就是PLC工程设计选型。
工程设计选型时，应详细分析控制要求，明确控制任务所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数，所需存储器容量，确定PLC的功能，外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
任何一种控制系统都是为了实现被控对象的控制要求，以提高生产效率和产品质量。
因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：
（1）最大限度地满足被控对象的控制要求
（2）保证PLC控制系统安全可靠
（3）力求简单、经济、使用及维修方便
（4）适应发展的需要
我国市场上流行的PLC有如下几家产品:
（1）施耐德公司，，目前有Quantum、Premium、Momentum等产品;
（2）罗克韦尔公司（包括AB公司）PL产品，目前有SLC、MicroLogix、ControlLogix等产品;
（3）西门子公司的产品，目前有SIMATICS7-400/300/200系列产品;
（4）日本欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品，其中使用较多的是三菱公司FX1、FX2、Q等系列产品。
在此，考虑到西门子（Siemens）PLC在中国市场的占有率较高，到系统本身规模不大，本课题选择西门子S7-200系列可编程序控制器作为控制器。
2.1.2西门子S7-200相关模块的确定
S7-200PLC是西门子公司的一种小型PLC。
它以紧凑的结构、良好的扩展性、强大的指令功能、低廉的价格、已经成为当代各种小型控制工程的理想控制器。
S7-200PLC包含了一个单独的S7-200CPU和各种可选择的扩展模块，可以十分方便地组成不同规模的控制器。
根据对生产线自动称重功能的分析，统计系统所需要的输入输出点数。
1．数字量输入输出统计
（1）手动、自动、停止需要3路输入。
（2）进料电动机、出料电动机启动、停止需要4路输入,2路输出。
（3）电磁铁得电、失电，需2路输入，1路输出。
（4）光电开关信号需要1路输入。
（5）舵机阀门信号需要1路输出。
（6）报警器需要1路输出。
（7）取消报警需要1路输入。
（8）手动去皮需要1路输入。
（9）自动指示灯、手动指示灯、放料指示灯、大流量指示灯、小流量指示灯需要5路输出。
系统所需共12路数字量输入，10路数字量输出。
2．模拟量输入输出统计
系统需要将重量信号输入到PLC中，需要1路模拟量输入。
3．确定相关模块
根据输入输出点数，以及考虑到今后对系统的维护和扩充使用，要保留1/8的裕量，并且要求具备输出PWM脉冲功能，因此我们选用S7-200系列的CPU模块为：
CPU224XPDC/DC/DC（输入点14点，输出点10点）。
选用一个模拟量输入模块：
EM235（4路模拟量输入,1路模拟量输出）。
2.2称重传感器的选择
2.2.1称重传感器类型的选择
称重传感器是力传感器当中一个重要的品种,实际应用及其广泛。
称重传感器中最多的是电阻应变式称重，应变片是称重传感器的核心单元，弹性体是基础组成部分。
称重传感器按结构类型分主要有S型双连孔式传感器，柱式传感器，轮辐式与桥式传感，柱环式传感器，剪切梁式传感器和单S梁式传感器.
S型双连孔式传感器量程范围一般在2Kg到500Kg，这种类型称重传感器抗偏，抗侧能力较强。
柱式传感器的测量范围都很大，一般最大可以达到几百吨，它刚性好，抗过载能力强，加工也简单，重量也比较轻。
轮辐式传感器由于结构的对称性，所以能够承受大的侧向力，由于它有较大的滞后误差，很多场合都被桥式传感器所取代。
桥式传感器的弹性体形状像桥，因此得得名。
桥式传感器精度高，标定方便，普遍应用于汽车秤跟平台秤等多个场合。
柱环式传感器由于本身的结构特性目前大多仅用于测量拉力，其精度一般在0.03到0.05之间。
剪切梁式传感器运用剪切原理制作而成，精度跟稳定性都很高，一般都不需要要线性补偿都能达到要求。
它不受测力点变化的影响。
测量范围在几十Kg的场合一般选用单S梁式传感器，它不适合在振动大的时候使用。
由以上内容，本方案的称重传感器选择剪切梁式传感器。
2.2.2称重传感器选型的原则
1．稳定性的选择
传感器使用一段时间后，其性能保持不变的能力称为稳定性。
影响传感器长期稳定性的因素除其本身结构外，主要是使用环境。
因此，要使传感器具有良好的稳定性，必须要有较强的环境适应能力。
在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择适合的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。
环境对称重传感器会造成如下影响：
（1）高温环境造成传感器的涂覆材料融化、焊点开化、弹性体内应力发生结构变化。
（2）露天粉尘、潮湿对传感器造成短路的影响。
（3）在腐蚀性较高的环境下，如潮湿、酸性对传感器造成弹性体受损或产生短路等影响。
（4）电磁场对传感器输出紊乱信号的影响。
（5）易燃、易爆环境必须选用特制的防爆传感器。
传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。
在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能经受住长时间的考验。
2．灵敏度的选择
通常，在传感器的线性范围内，希望灵敏度越高越好。
因为只有灵敏度高时，与被测量对应的输出信号值才比较大，有利于信号处理。
但灵敏度高时，与被测量无关的外界噪声也会被放大系统放大，影响测量精度。
因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。
3．对传感器数量和量程的选择
传感器数量的选择是根据电子衡器的用途、秤体需要支撑的点数（支撑点数应根据使秤体几何重心和实际重心重合的原则而确定）而定。
传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定。
根据经验，一般应使传感器工作在其30%～70%量程内，但有较大冲击力的衡器，在选用传感器时，一般要使传感器工作在其量程的20%～30%之内，才能保证传感器的使用安全和寿命。
4．精度的选择
精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。
传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。
这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。
如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就选用精度等级能满足要求的传感器称重传感器。
精度选择满足下列两个条件：
（1）满足称重变送器输入的要求。
传感器的输出信号必须大于或等于称重变送器要求的输入信号。
（2）在对传感器精度选择的时候，应使传感器的精度略高于理论计算值。
本方案中，物料对衡器冲击小，且物料重5000g，选择4个5000g的传感器，使传感器工作在其30%～70%量程内，正好满足要求。
2.2.3托利多MTB-5称重传感器
根据2.2.1和2.2.2的结论，选择托利多MTB-5单点式波纹管焊接密封不锈钢传感器。
1．托利多MTB-5称重传感器产品特点
（1）获得荷兰NMI颁发的OIMLR60C3证书
（2）安装高度低
（3）不锈钢材质
（4）焊接密封，防护等级IP68
（5）防爆性能满足EExibtlcT4要求
（6）同HBMZ6兼容
（7）可提供高温传感器，最高工作温度为200℃
（8）适用于包装秤、皮带秤和化工等行业的配料称重控制。
2．托利多MTB-5称重传感器技术指标：
技术指标如表2-1所示。
表2-1MTB-5称重传感器技术指标
额定容量
kg
5
灵敏度
mV/V
2±0.002
不重复性
%R.O.
≤0.01
滞后
%R.O.
≤±0.02
续表2-1
非线性
%R.O.
≤±0.02
蠕变（30分）
%R.O.
≤±0.02
零点输出
%R.O.
≤±1
温度补偿范围
℃
-10～+40
工作温度范围
℃
-20～+65
灵敏度温度系数
%Load/℃
≤±0.002
零点温度系数
%R.O./℃
≤±0.002
输入阻抗
Ω
387±4
输出阻抗
Ω
350±1
绝缘电阻
MΩ
≥5000（直流50V）
建议激励电压
V（DC/AC）
5～15
最大激励电压
V（DC/AC）
20
安全过载
%R.C.
150
极限过载
%R.C.
300
防护等级
IP68
电缆长度
m
3
2.3称重变送器的选择
2.3.1称重变送器的用途和特点
1．用途
称重变送器是一种将物理量变换成电信号，将毫伏信号输出的传感器经隔离放大转换成标准直流信号的变送器。
通常采用SMT工艺，针对工
业过程的电阻应变式信号传感器而设计制造，适用于不同规格称重传感器。
称重变送器在工业称重过程中常用的一种变送器，广泛应用于数据采集、信号传输转换和集散称重控制系统和配料系统，主要应用于水泥、混凝土、玻璃、造纸、塑胶、化工、冶金、有色、棉纺、试验机等行业称重式料位、重量负荷、张力、拉压力信号的变送、显示、检测等。
2．特点
称重变送器有稳定性好，输出信号可以直接用PLC等控制，安装简易。
2.3.2AT10模拟型称重变送器
根据工程的实际情况和传感器的数量，我们选择AT10模拟型称重变送器。
1．AT10模拟型称重变送器规格，如表2-2AT10称重变送器规格所示。
表2-2AT10称重变送器规格
电源
24Vdc±15%
传感器激励电压
10Vdc（最多4x350传感器）
功耗
6W
可用输出
0–5Vdc,0–10Vdc,0–20mA或4–20mA
满刻度输入范围
3mV－30mV可选
线性度
+0.02%满刻度
安装
DIN导轨安装
尺寸（长×高×宽）
125mm×90mm×65mm
接线
端子块，节距5.08mm
传感器连接
4线+屏蔽
储存温度
-20至+50°C
工作温度
-10至+40°C（最大相对湿度85%无冷凝）
热稳定性
升级会员 