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摘要：在化工、饲料、建材、食品、医药等众多领域，都需要对原料进行配比制成产品，配料工段也成为生产工艺过程中至关重要的一环，配料水平与产品质量和生产效率密切相关。本设计针对配料过程中的精度和自动化问题，设计了一种基于可编程控制器（PLC）的多功能物料配料系统，通过压力称重模块采集压力信号，利用PLC对电磁阀、气缸、变频器、伺服电机等设备进行控制，达到精确配比的目的。配料系统是多功能物料科学配比称重装置的组成、工作原理、控制系统及称重系统的设计过程。
1 设计任务
设计一个称重配料系统，能够在生产线上完成各原料按设定重量准确落料，传送到搅拌系统混合制成产品。并且可以改变各原料的配料比例，便于配方的调换、更改。
2 装置组成及基本原理
该多功能物料称重配料系统由控制部分、称重部分和硬件部分组成，其中，控制部分由电磁阀、气缸、空气压缩机、配气件、三相异步型交流伺服电动机、变频器、光电编码器、直流稳压电源组成；电子秤部分由压力称重模块、运算放大器、A/D转换模块、PLC组成；硬件部分由传送带、料斗、传送带支架、料斗支架、底座、电机支架等部件组成。该装置采用台式立体结构，落料时，由PLC控制气缸活塞杆收缩，带动料斗秤底部挡板开关打开，原料落到传送带上，安装在传送带下的压力称重模块将检测到的重量信号转换成电信号，经运算放大器放大处理，传入A/D转换模块将其转换为数字信号，由PLC对信号进行比较处理，当信号达到预先设定的参数时，PLC控制气缸活塞杆伸长，使料斗底部挡板开关关闭，停止落料。系统示意图1如下。
3 控制系统的设计
3.1 传送部分的实现
（1）电动机的变频调速。自动化配料系统为在较高的工作效率下保证称量精确度，传送带设计为先快后慢的双速运转形式，即原料下落后先快速传送，到达设定重量的90%后慢速传送，这就需要变频器对电动机进行调速。变频调速是根据三相异步电机的工作原理而采用的一种调速形式，异步电动机的转速与同步电动机转速相对应，改变电动机的供电频率即改变了电动机的转速，电源频率增加，同步转速n增加，实际转速也增加；电源频率下降，电动机同步转速下降，电机实际转速也下降，这种通过改变电机电压频率的调速方式即为变频调速。自动化配料系统变频器的工作原理为：利用整流电路，将接入的三相电进行整流成直流电，并且滤波，再经过逆变电路将直流电转换成所需频率的三相交流电。
（2）测速装置。测速环节主要由光电编码器来完成速度扫描，通过PLC中的高速计数器来实现计数功能。由下式可算出电机转动速度。
式中：n――电机转速；r――圆盘电机的半径； ――高速计数器HSC0的扫描时间。
3.2 气动部分的实现
（1）气源开关――二位五通电磁阀。电磁阀受PLC的控制，主要工作原理是利用电磁线圈产生的电磁力，推动阀芯切换，实现气流的换向，可以对气缸进行控制，实现气缸的伸缩动作。（2）料斗开关――双作用气缸。双作用气缸内部被活塞分成两个腔，两腔可以分别通入压缩空气，当从有杆腔输入压缩空气时，无杆腔排气，使活塞杆收缩；当无杆腔进气，有杆腔排气时，活塞杆伸出。活塞杆的伸缩带动料斗挡板的开关。
4 称重系统的设计
4.1 称重系统的工作原理
该称重系统中，将压力称重模块置于传送带两个固定托辊的中点，当原料下落时，它可测出该区段每单位长度的载荷值q，该值乘传送带速度v即为原料的流量。则在时间T内的原料累积量可以用积分式 表示，式中：W――时间T内的原料累积量，kg；T――原料压力称重模块的时间，s；q（t）――单位长度的传送带上原料重量，kg/m ； v（t）――传送带的速度，m/s 。
4.2 称重电路的结构设计
压力称重模块采集的信号是mV级小信号，设计选用的压力称重模块传来的动态称重信号是0～30mV范围，不能直接被PLC读取，需要经过外加放大电路处理，将其转化为0～10V的标准电压信号。配料系统为了实现电压放大，采用LM324系列器件带有真差动输入的四运算放大器，其转化后的0～10V的标准电压信号后经过A/D转换器（EM235模拟量输入模块）将模拟量（电信号）转换成可以直接输入PLC模块的数字信号，最后将这些数字信号传入PLC计算分析比较，如果输入量达到预先设定值，则控制气缸动作，关闭落料口。
4.3 PLC与软件
称重配料系统采用的PLC为SIEMENS S7-200系列中的CPU224，外挂EM235。CPU224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。其编程软件为STEP7-Micro/Dos，在PC上位机安装此软件，与PLC进行传输，可方便改变PLC的动作指令，例如更改配料比例和配方，均可通过调整编程，快速改变装置的落料方式。