基于动物饲料称量PLC控制技术应用

摘要：动物饲料称量是动物饲料各种含量检测前处理阶段一个重要环节，传统机械杠杆称重方法有较大的机械误差，影响称量速度和精度。介绍用PLC控制技术作为动态称量测控设备的支撑核心，这个控制方案在硬件和软件设计中采取相应措施和动态控制方法。满足了在线快速动态重量计量的要求、大大提高了测量数据精度，同时也提高了工作效率。
关键词：饲料检测；称量；动态误差；PLC控制

0 引言
    目前动物产品质量安全检测中心在进行动物饲料各种含量检测的前处理阶段大部分还是采用手工操作的方式。采用手工操作有两大不足：一是工作效率低。据某动物产品质量安全检测中心负责人反映，由于检测前处理采用手工操作，一天约能检测试品8份(理想状态)，即一个星期约能检测30份饲料样品。这种检测速度难以适应客户的要求；二是检测精度不高，误差大。由于是手工操作，在称量饲料时，采用传统机械杠杆称重方法称量，而此种方法称量采用目测方式。不同的人目测得到的结果会有所不同，势必会造成人为误差。
    在饲料各种含量检测工作的前处理阶段，由于对称重计量要求比较高。而PLC控制技术能很好的兼顾了动态称重计量的精度和速度。如果把PLC控制技术引入到饲料各种含量的前处理阶段，即饲料的称量中，这样既满足了在线快速动态重量计量的要求，测量数据精度可以大大提高，同时可以提高工作效率。
    本课题成员对一家动物饲料安全检测中心进行自动化改造。在改造过程中采用PLC控制技术作为动态称量测控设备的支撑核心。在硬件和软件设计中采用了一些措施和动态控制方法，较好的解决了称量速度与精度的矛盾，实现了饲料各种含量检测的前处理阶段进行动态称量计量的精度和速度要求。

1 自动控制系统框图设计
    用称重传感器、应变式拉力传感器、相应阀门、放大器和PLC组成测控系统来完成饲料的称重、计量的工艺过程，如图1所示。该系统用PLC作为控制核心，配以称重传感器、应变式拉力传感器、放大器、机械装置和各种电动执行器，实现饲料的动态在线称重计量工作。

    称斗上方是放置所需要称量的饲料样品仓，在该仓中的原料来自要求测试各种含量的饲料散状样品料。在样品仓下安装有一个螺旋进料装置，该装置由一台电动机驱动。当电机起动时，则样品仓中的粉状饲料就随着传输绞笼的旋转而进入称斗中称量。进行称斗之前要经过两个阀门。第一道阀门是放料阀门，放料阀门与称重气缸和电磁阀相连接直接控制。第二道阀门分粗放料阀门和细放料阀门。进行粗放料让力传感器感应到重量已达到所要求的90％～95％时，则关闭粗放料阀门，开放细放料阀门。称斗上装有两个S梁式应变式拉力传感器，称斗的重量信号直接由该传感器组转换成与之对应的电压信号，经放大器把该电压信号放大后送入PLC中的模拟量模块进行数据处理，当达到预定值时，PLC控制停止下料，然后由PLC控制打开称斗门，把饲料样品送入到具塞三角瓶。如此就可以完成了饲料称量的自动化过程。

2 PLC控制流程图设计
    整个自动控制系统由PLC来控制。由于系统采用二级给料方式。粗给料流量大，用短时间加入额定重量的90％～95％，还剩余的则采用精放料形式来实现。这样即可保证速度，又可保证精度。PLC控制流程图如图2所示。

    由PLC控制流程图可见，进行每次称量工作前，都测试称斗的净重，主要是为了消除由于饲料的粘附引起的称量误差。停机时要设置相应处理功能，保证停机排空称斗内饲料。一方面可保证下次开机时称斗内无粘附饲料，且避免了饲料较长时间停留在称斗内吸湿而凝结在称斗壁上。细加料信号完毕后，待其稳定，然后进行实测，得到误差，以使下一个循环进行补偿校正。
    系统功能为：对饲料重量实现自动控制，所需要称量的饲料重量设定值通过PLC设置来实现；每次精放料工作完成后进行称斗的净重检测修正；对称量误差进行自动补偿；系统应该设置有相应的故障检测、报警信号。

3 系统主要组成
3．1 控制器
    考虑到本控制系统属于小系统，并且输入、输出口不多。所以本系统控制器采用西门子S7-200机型(CPU224)PLC外加一个EM231模块构成。为实现准确计量，本系统除开关量控制外，还加上分辨率较高的模拟量通道。系统中开关量输入信号有启动按钮、停止按钮、称斗门状态、气源压力开关、具塞三角瓶检测输入等检测信号；开关量输出有粗细进料气缸、放料气缸、称斗门气缸等控制信号和一些显示、报警输出信号。模拟量输入模块。EM231接收传感器质量输入信号、其中称量斗门关闭检测用接近开关，缓冲料门、称重斗门和夹袋由电磁阀带动气缸来控制。控制系统部分I／O接线图如图3所示。输入、输出地址分配表如表1所示。

3．2 称量传感器
    目前，在称质技术领域中广泛应用电阻应变式传感器，分为金属丝电阻应变式和半导体应变式两种。前者具有精度高、温度影响小、线度和重复性好的优点，但价格较高，输出灵敏度低，后者性能与前者相反。在精度和温度特性方面较前者差一个数量级，而输出灵敏度比前者高一个数量级，价格为前者的一半。根据实际控制要求和工作环境，选用CHBL3型号S型双连孔弹性体称重传感器，系统中选用两个传感器，采用串联方法。
    CHBL3型号S型双连孔弹性体称重传感器工作原理如图4所示。图中，E为9 V的叠层电池，R1～R4是称重传感器的4个电阻应变片，R5、R6与RW1组成零点调整电路。当载荷为零时，调节Rw1使液晶显示屏显示为零。A1，A2为双运放集成电路LM358中的两个单元电路，组成了一个对称的同相放大器，A／D转换器采用ICL7106双积分型A／D转换器，液晶显示采用液晶显示片。
    对于因温度变化对桥接零点和输出灵敏度的影响，即使采用同一批应变片，也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行温度补偿，解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片，并从外部对它加以适当的补偿。
    非线性误差是传感器特性中最重要的一点。产生非线性误差的原因很多，一般来说主要是由结构设计决定，通过线性补偿也可得到改善。
    滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度变化较大，所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。由于饲料各种含量的检测都在室内完成。所以这一要求并不影响它的称量精度。

4 结语
    由于PLC具有结构简单、计量准确、工作可靠等优点。现在很多工矿企业在控制技术上均采用了PLC控制技术。但此技术在饲料检测应用中目前还未见报道。本课题组成员大胆进行改革，采用PLC控制技术进行饲料称量控制。经过几次测试，效果不错。