西门子模块6ES7277-0AA22-0XA0产品型号
1.引言
随着机械自动化水平的不断提高，自动控制技术在定量包装生产中应用越来越多，在粮食、化肥、饲料和轻工等行业中都有广泛应用。称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控制等几个阶段。相对于传统的称重仪表控制，应用PLC和触摸屏组成的控制系统便于将开关量设置、复位操作以及设定和修改系统参数功能有机的结合，提高机器速度和精度。
2. 包装机的工作原理
2.1 包装机的组成
称重式自动定量包装机由供料部分、称重部分与卸料部分组成。供料部分分为储料斗和重力供料装置。储料斗用于存储需要灌装的物料，重力供料装置主要是向称量料斗中提供物料。称重部分即称量斗，它通过和称重传感器相连，测量物料重量。卸料部分用来完成标准重量物料的卸料装袋过程。如图1所示，为包装机的组成图。
2.2 工作原理
称重式自动定量包装机的工作原理流程图如图2所示。当储料斗中物料足够，在重力的作用下进入重力供料装置，完全打开料门进入大给料状态。当到达给定大给料重量时，关闭给料门，留一条狭缝，进入小给料状态。当到达给定小给料重量时，完全关闭给料门，经过一定的空中落料，称量斗稳定，并且卡袋机构卡紧时，卸料门打开，物料进入放料斗，再落入袋内，完成一个包装循环。
3.控制系统硬件设计
该系统主要为开关量控制，料门的全部动作由气缸驱动，而气缸又由相应的电磁阀控制。设备即可以手动操作也可以自动操作。手动操作要求用按钮对机器的每一步运动单独进行操作控制。自动操作要求按一下自动/手动选择开关，机器自动地、连续不断地周期性循环。在工作中若按下停止按钮，则机器继续完成一个周期的动作，回到初始状态后自动停止。控制系统框图如图3所示。
根据称重式自动定量包装机的操作和控制要求，控制系统选用西门子公司的SIMATICS7-200 系列PLC，此系列的PLC具有结构紧凑、模块化、可扩展性强、指令集丰富等特点。所选CPU 的型号为CPU 226 AC／DC／REL，它提供24个数字量输入和16 个数字量输出，输入／输出接口电路均采用了光耦合电路，对外界接口具有很强的适应性。并且2 个RS485通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。由于要处理传感器的模拟量输入信号，扩展了一个EM 235模拟量处理模块，该模块具有4 路模拟量输入。POP 文本显示器对整个系统进行过程监控显示以及参数设定等功能，可以通过PPI协议和s7-200 系列PLC 的编程口或扩展通讯口直接通讯。
4.控制系统软件设计
控制系统软件设计为各功能软件设计，包括显示功能、参数设定功能、自动修正给料量功能、通讯功能等。如图4所示为软件系统的总体结构。
4.1 称重信号处理
由于称量信号存在干扰，需要对信号进行滤波处理，并判断信号是否稳定，读数是否准确。所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号的比重，是一种程序滤波即软件滤波。常见的滤波方法有限幅滤波、限速滤波、中值滤波、滑动平均滤波等。
本系统采用滑动平均滤波方法，系统采集的信号是与重量成正比的电压信号。这类信号的特点是存在一个平均值，信号在某一数值范围附近作上下波动，在这种情况下仅取一个采样值作为判断依据显然是不准确的。采用滑动滤波方法可以得到较好的效果。该方法采用新采集的一个数据替换n个暂存数据中的早的一个数据，使得n个暂存数据始终是近的数据。求平均后所得数据既反映了近的数据变化，又克服了随机误差带来的响。
所求的平均值为
标准差为
当标准差σ 小于设定值时，则系统稳定，当前值即为称量值。根据系统要求的精度不同，可以设定不同的值。
4．2 PLC 程序设计
根据称重式自动定量包装机的操作要求，确定各动作的顺序和相互之间的关系，画出程序流程图，再由PLC输入输出的逻辑关系编写出梯形图。本系统输入端口定义为自动手动按钮、卡袋复位按钮、单步执行按钮、总复位按钮、停止按钮、卡袋开关等，输出端口定义为称量斗稳定指示、大给料气缸动作、小给料气缸动作、卸料气缸动作、卡袋气缸动作、系统报警等。输出采用西门子公司STEP7-Micro/WIN32软件进行编写，程序流程图如图5 所示。
4.3 POP 文本画面设计
POP-HMI 除 LCD 显示窗之外，还有22 个薄膜开关按键，其中16个按键能被设定成特殊的功能键，用来完成画面跳转，开关量、位状态设定等功能。本系统中通过POP-HMI可以设定灌装目标重量、大给料量、小给料量，实时监控称量重量，并且查看灌装数据。
5.结束语
本系统设计完成后，进行了多次模拟实验，并且根据现场调试的情况进行修改。系统在投入运行后，性能稳定可靠，满足各项工艺要求，生产效率和产品质量均有所提高，完成了机械和电器控制系统的一体化要求，可广泛应用于食品包装等行业。
在采用PLC对自动模切压痕机等包类机械实现电气自动化控制的系统中，像经典的继电-接触器控制系统中的大部分联锁控制都可转移到PLC中实现，继电-接触器控制系统大大地简化，成为只含有一些必要的电气联锁的MCC（MotorControl Centre）系统，成为PLC系统指令的有条件的执行者。
应保留继电－接触器的联锁
在PLC与继电－接触器系统综合设计中，这种联锁主要是指重要的安全联锁，包括人身安全和设备安全两方面。从人身安全的角度出发，应保留一些对人身安全至关重要的联锁，如事故开关、紧急停机装置等，这些开关一般要求采用非半导体的机电元件组成。从设备安全的角度出发，往往需要保留一些重要的极限开关和保护手段。
PLC和MCC系统的接口
PLC和MCC系统的接口方法常见的有两种：一种是采用继电器隔离的方法，一种是PLC直接接受MCC系统的信号，并且由PLC直接驱动MCC中的接触器的方法。
采用种方法时，进人PLC的信号要先经过光电隔离继电器，再由其触点接入PLC的输入模板。PLC的输出信号也是先驱动继电器线圈，再由继电器的触点参与MCC的联锁控制。这种方法的优点是：方便了PLC模板的选取，从而有可能降低PLC的造价，基本上清除了外部强电侵入PLC的可能性，有效地保证了PLC系统的运行安全。其缺点是增加了大量的继电器，从而增加了可能的新故障点。在实用中，应选用高质量的继电器，好选用带有能指示吸合动作的发光器件的继电器。采用PLC和MCC系统直接接口的方法的优点是简单明了，整个控制系统的故障点少。缺点是系统的安全性不如种方法高。
工程实践中，两种方法应用都很广泛，很多系统中两种方法兼而有之。选取接口要视环境和具体条件、元件水平等灵活考虑决定。
I/O分站的热备
在一些对PLC系统可靠性要求极高的系统设计中，不仅要求主机有热备，有时还要考虑系统中某些I/O分站也要热备，出现故障时，实现I/0通道的自动或手动切换。
为了实现功能，在系统设计中应建立起两个完全一样的I/0分站，其系统的输人是并联的，而输出信号则要求可切换。作为自动切换的应用，切换装置应当是受PLC控制的。
就地操作
就地操作是指机旁单机操作，它有两种设计原则，一是不经过PLC，直接通过MCC盘控制电气设备，二是经过PLC，实则是又一种手动方式。但无论采用哪一种，上述人身、设备等必要的安全联锁仍然在继电-接触器系统中实现。
采用不经过PLC的就地控制方式，优点是就地操作试验时只要将转换开关一转换，就可脱离PLC，完全不用考虑PLC系统的硬软件问题，集中力量检验机械动作性能。国外设计一般都采用这种方法。缺点是增加了MCC盘上联锁的复杂性。如果采用经PLC就地操作，将就地开关接人PLC模板即可。这样外部电缆、MCC盘都显得简单。在远距离情况下，PLC输入可以通过选择高电压范围输人模板的办法保证输人信号的可靠性，输出由干是通过MCC盘直接控制继电器，消去了采用不经过PLC就地操作方式时继电器回路的长电缆，保证了继电器动作电压。这种方法也有优点。合理科学地编制PLC程序
PLC程序摒弃了微机常用的计算机编程语言的表达方式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构。用户根据PLC说明书的提示，就可以按照继电器梯形图和逻辑代数式来直接编程。在编制PLC程序过程中，必须使设备安全可靠，其中重要的就是消除误操作影响。误操作主要包括人为误操作和系统本身产生的失误两方面。
1．人为误操作
1）手指颤动造成失误解决的方法是使用微分指令DIFU（13）来检索按钮送人电信号的上升沿，在一个执行周期里PLC只执行一次，从而避免些类误操作的发生，如图1中，00005为高压泵停止按钮，HR0005为低压泵起动标志位。当按下低压泵起动按钮00003时，信号转化为微分指令HR0005，HR0005在一个程序扫描周期里，只接收一个上升沿脉冲，从而过滤掉由于手指颤动产生多余的脉冲，保证定时器TIM000正常延时1min，确保高压泵按时起动。
2）无意误操作解决的方法有两种。一是通过程序来优化显示功能，减少人为失误，在设计中使用一个指示灯来显示各种不同的工作状态平光—显示系统处于运行状态高频闪光——显示系统处于试验状态，每1s闪1次；低频闪光——显示系统处于步进状态，每3s闪1次。二是通过输入信号之间的联锁，这种方法工作量大，考虑要全面，否则也会出现输入信号相互干扰，起反作用。图2是简化的梯形图，00003为1号低压泵起动按钮；00005为2号低压泵起动按钮；HR0400为1号主机停止24h后标志；HR0401为2号主机停止24h后标志。
图2的工作原理为1号或2号低压泵任意一台工作，1号2号互为备用，保证有一台在工作。1号2号低压泵停止按钮的常闭接点（00004,00006）互为联锁，当操作人员误按停机按钮00004（00006）时，程序会自动起动另台低压泵（2号或1号低压泵），从而避免造成低压泵停机严重事故的发生。HRO100为低压泵停机起动标志，常开（闭）接点广泛串联到各个相关回路中，尤其是串联到高压泵控制回路中，保证在低压泵未起动的前提下，起动高压泵无效，从而避免对高压泵的误操作。1号或2号低压泵起动后，HRO100得电，技术要求只有三种情况低压泵起动标志HRO100失电：1号2号主机00000、00001停运，且按下系统总停按钮00002；PLC上电复位信号25315;1号2号主机停运24h后HR0400、HR0401。除了上述三种情况外，总保持上电状态，保证整个控制系统的稳定，误按下系统总停按钮也不要紧。
2.系统本身产生的失误
由于PLC输人信号来源复杂，目PLC的动作响应时间远远短于继电接触控制系统的响应时间，在继电接触控制系统中不太引起注意的触点瞬间跳动问题，将会在PLC控制系统中产生误操作。为此程序中加入了干扰滤除程序，见图3。
TIM000用于消除00104接点断开时，因机械振动影响出现的瞬间闭合，TIM001用于消除00104接点闭合时，因跳动与受干扰的影响出现的瞬间断开。CNT020用于保持输人的信号。HR0410、HR0411为相关的运行设备。
当00104（油位下限开关）断开后，由于以上原因造成00104瞬间闭合，起动定时器TIM000，如果在设定时间内，00104断开，则系统判定此次闭合为误动作，不执行以下程序；若00104在设定时间内仍为闭合，由系统判定此次闭合为正常的命令，通过计数器CNT020保持输入的信号，起动相关的运行设备；当00104闭合后，由于以上原因造成00104瞬间断开，方法同上，TIM000、TIM001的时间设定为#0002（0.2s），它不会对控制系统有什么影响。一般来讲TIM000,TIM001时间的设定值是按输入继电器可靠吸合后立即断开这一过程的时间考虑的，约0.2～0.5s，在此范围内都可以达到消除触点跳动干扰的目的。如果时间设定值过大，将使系统动作延迟；太小，则收不到滤除干扰的效果。