基于動(dòng)物飼料稱量PLC控制技術(shù)應(yīng)用

摘要：動(dòng)物飼料稱量是動(dòng)物飼料各種含量檢測(cè)前處理階段一個(gè)重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)機(jī)械杠桿稱重方法有較大的機(jī)械誤差，影響稱量速度和精度。介紹用PLC控制技術(shù)作為動(dòng)態(tài)稱量測(cè)控設(shè)備的支撐核心，這個(gè)控制方案在硬件和軟件設(shè)計(jì)中采取相應(yīng)措施和動(dòng)態(tài)控制方法。滿足了在線快速動(dòng)態(tài)重量計(jì)量的要求、大大提高了測(cè)量數(shù)據(jù)精度，同時(shí)也提高了工作效率。
關(guān)鍵詞：飼料檢測(cè)；稱量；動(dòng)態(tài)誤差；PLC控制

0 引言
    目前動(dòng)物產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測(cè)中心在進(jìn)行動(dòng)物飼料各種含量檢測(cè)的前處理階段大部分還是采用手工操作的方式。采用手工操作有兩大不足：一是工作效率低。據(jù)某動(dòng)物產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測(cè)中心負(fù)責(zé)人反映，由于檢測(cè)前處理采用手工操作，一天約能檢測(cè)試品8份(理想狀態(tài))，即一個(gè)星期約能檢測(cè)30份飼料樣品。這種檢測(cè)速度難以適應(yīng)客戶的要求；二是檢測(cè)精度不高，誤差大。由于是手工操作，在稱量飼料時(shí)，采用傳統(tǒng)機(jī)械杠桿稱重方法稱量，而此種方法稱量采用目測(cè)方式。不同的人目測(cè)得到的結(jié)果會(huì)有所不同，勢(shì)必會(huì)造成人為誤差。
    在飼料各種含量檢測(cè)工作的前處理階段，由于對(duì)稱重計(jì)量要求比較高。而PLC控制技術(shù)能很好的兼顧了動(dòng)態(tài)稱重計(jì)量的精度和速度。如果把PLC控制技術(shù)引入到飼料各種含量的前處理階段，即飼料的稱量中，這樣既滿足了在線快速動(dòng)態(tài)重量計(jì)量的要求，測(cè)量數(shù)據(jù)精度可以大大提高，同時(shí)可以提高工作效率。
    本課題成員對(duì)一家動(dòng)物飼料安全檢測(cè)中心進(jìn)行自動(dòng)化改造。在改造過程中采用PLC控制技術(shù)作為動(dòng)態(tài)稱量測(cè)控設(shè)備的支撐核心。在硬件和軟件設(shè)計(jì)中采用了一些措施和動(dòng)態(tài)控制方法，較好的解決了稱量速度與精度的矛盾，實(shí)現(xiàn)了飼料各種含量檢測(cè)的前處理階段進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱量計(jì)量的精度和速度要求。

1 自動(dòng)控制系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)
    用稱重傳感器、應(yīng)變式拉力傳感器、相應(yīng)閥門、放大器和PLC組成測(cè)控系統(tǒng)來完成飼料的稱重、計(jì)量的工藝過程，如圖1所示。該系統(tǒng)用PLC作為控制核心，配以稱重傳感器、應(yīng)變式拉力傳感器、放大器、機(jī)械裝置和各種電動(dòng)執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)飼料的動(dòng)態(tài)在線稱重計(jì)量工作。

    稱斗上方是放置所需要稱量的飼料樣品倉，在該倉中的原料來自要求測(cè)試各種含量的飼料散狀樣品料。在樣品倉下安裝有一個(gè)螺旋進(jìn)料裝置，該裝置由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，則樣品倉中的粉狀飼料就隨著傳輸絞籠的旋轉(zhuǎn)而進(jìn)入稱斗中稱量。進(jìn)行稱斗之前要經(jīng)過兩個(gè)閥門。第一道閥門是放料閥門，放料閥門與稱重氣缸和電磁閥相連接直接控制。第二道閥門分粗放料閥門和細(xì)放料閥門。進(jìn)行粗放料讓力傳感器感應(yīng)到重量已達(dá)到所要求的90％～95％時(shí)，則關(guān)閉粗放料閥門，開放細(xì)放料閥門。稱斗上裝有兩個(gè)S梁式應(yīng)變式拉力傳感器，稱斗的重量信號(hào)直接由該傳感器組轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，經(jīng)放大器把該電壓信號(hào)放大后送入PLC中的模擬量模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，當(dāng)達(dá)到預(yù)定值時(shí)，PLC控制停止下料，然后由PLC控制打開稱斗門，把飼料樣品送入到具塞三角瓶。如此就可以完成了飼料稱量的自動(dòng)化過程。

2 PLC控制流程圖設(shè)計(jì)
    整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)由PLC來控制。由于系統(tǒng)采用二級(jí)給料方式。粗給料流量大，用短時(shí)間加入額定重量的90％～95％，還剩余的則采用精放料形式來實(shí)現(xiàn)。這樣即可保證速度，又可保證精度。PLC控制流程圖如圖2所示。

    由PLC控制流程圖可見，進(jìn)行每次稱量工作前，都測(cè)試稱斗的凈重，主要是為了消除由于飼料的粘附引起的稱量誤差。停機(jī)時(shí)要設(shè)置相應(yīng)處理功能，保證停機(jī)排空稱斗內(nèi)飼料。一方面可保證下次開機(jī)時(shí)稱斗內(nèi)無粘附飼料，且避免了飼料較長時(shí)間停留在稱斗內(nèi)吸濕而凝結(jié)在稱斗壁上。細(xì)加料信號(hào)完畢后，待其穩(wěn)定，然后進(jìn)行實(shí)測(cè)，得到誤差，以使下一個(gè)循環(huán)進(jìn)行補(bǔ)償校正。
    系統(tǒng)功能為：對(duì)飼料重量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，所需要稱量的飼料重量設(shè)定值通過PLC設(shè)置來實(shí)現(xiàn)；每次精放料工作完成后進(jìn)行稱斗的凈重檢測(cè)修正；對(duì)稱量誤差進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償；系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)置有相應(yīng)的故障檢測(cè)、報(bào)警信號(hào)。

3 系統(tǒng)主要組成
3．1 控制器
    考慮到本控制系統(tǒng)屬于小系統(tǒng)，并且輸入、輸出口不多。所以本系統(tǒng)控制器采用西門子S7-200機(jī)型(CPU224)PLC外加一個(gè)EM231模塊構(gòu)成。為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)量，本系統(tǒng)除開關(guān)量控制外，還加上分辨率較高的模擬量通道。系統(tǒng)中開關(guān)量輸入信號(hào)有啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、稱斗門狀態(tài)、氣源壓力開關(guān)、具塞三角瓶檢測(cè)輸入等檢測(cè)信號(hào)；開關(guān)量輸出有粗細(xì)進(jìn)料氣缸、放料氣缸、稱斗門氣缸等控制信號(hào)和一些顯示、報(bào)警輸出信號(hào)。模擬量輸入模塊。EM231接收傳感器質(zhì)量輸入信號(hào)、其中稱量斗門關(guān)閉檢測(cè)用接近開關(guān)，緩沖料門、稱重斗門和夾袋由電磁閥帶動(dòng)氣缸來控制。控制系統(tǒng)部分I／O接線圖如圖3所示。輸入、輸出地址分配表如表1所示。

3．2 稱量傳感器
    目前，在稱質(zhì)技術(shù)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用電阻應(yīng)變式傳感器，分為金屬絲電阻應(yīng)變式和半導(dǎo)體應(yīng)變式兩種。前者具有精度高、溫度影響小、線度和重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格較高，輸出靈敏度低，后者性能與前者相反。在精度和溫度特性方面較前者差一個(gè)數(shù)量級(jí)，而輸出靈敏度比前者高一個(gè)數(shù)量級(jí)，價(jià)格為前者的一半。根據(jù)實(shí)際控制要求和工作環(huán)境，選用CHBL3型號(hào)S型雙連孔彈性體稱重傳感器，系統(tǒng)中選用兩個(gè)傳感器，采用串聯(lián)方法。
    CHBL3型號(hào)S型雙連孔彈性體稱重傳感器工作原理如圖4所示。圖中，E為9 V的疊層電池，R1～R4是稱重傳感器的4個(gè)電阻應(yīng)變片，R5、R6與RW1組成零點(diǎn)調(diào)整電路。當(dāng)載荷為零時(shí)，調(diào)節(jié)Rw1使液晶顯示屏顯示為零。A1，A2為雙運(yùn)放集成電路LM358中的兩個(gè)單元電路，組成了一個(gè)對(duì)稱的同相放大器，A／D轉(zhuǎn)換器采用ICL7106雙積分型A／D轉(zhuǎn)換器，液晶顯示采用液晶顯示片。
    對(duì)于因溫度變化對(duì)橋接零點(diǎn)和輸出靈敏度的影響，即使采用同一批應(yīng)變片，也會(huì)因應(yīng)變片之間稍有溫度特性之差而引起誤差，所以對(duì)要求精度較高的傳感器，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，解決的方法是在被粘貼的基片上采用適當(dāng)溫度系數(shù)的自動(dòng)補(bǔ)償片，并從外部對(duì)它加以適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。
    非線性誤差是傳感器特性中最重要的一點(diǎn)。產(chǎn)生非線性誤差的原因很多，一般來說主要是由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定，通過線性補(bǔ)償也可得到改善。
    滯后和蠕變是關(guān)于應(yīng)變片及粘合劑的誤差。由于粘合劑為高分子材料，其特性隨溫度變化較大，所以稱重傳感器必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用。由于飼料各種含量的檢測(cè)都在室內(nèi)完成。所以這一要求并不影響它的稱量精度。

4 結(jié)語
    由于PLC具有結(jié)構(gòu)簡單、計(jì)量準(zhǔn)確、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在很多工礦企業(yè)在控制技術(shù)上均采用了PLC控制技術(shù)。但此技術(shù)在飼料檢測(cè)應(yīng)用中目前還未見報(bào)道。本課題組成員大膽進(jìn)行改革，采用PLC控制技術(shù)進(jìn)行飼料稱量控制。經(jīng)過幾次測(cè)試，效果不錯(cuò)。