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摘要：在化工、飼料、建材、食品、醫藥等眾多領域，都需要對原料進行配比制成產品，配料工段也成為生產工藝過程中至關重要的一環，配料水平與產品質量和生產效率密切相關。本設計針對配料過程中的精度和自動化問題，設計了一種基于可編程控制器（PLC）的多功能物料配料系統，通過壓力稱重模塊采集壓力信號，利用PLC對電磁閥、氣缸、變頻器、伺服電機等設備進行控制，達到精確配比的目的。配料系統是多功能物料科學配比稱重裝置的組成、工作原理、控制系統及稱重系統的設計過程。
1 設計任務
設計一個稱重配料系統，能夠在生產線上完成各原料按設定重量準確落料，傳送到攪拌系統混合制成產品。并且可以改變各原料的配料比例，便于配方的調換、更改。
2 裝置組成及基本原理
該多功能物料稱重配料系統由控制部分、稱重部分和硬件部分組成，其中，控制部分由電磁閥、氣缸、空氣壓縮機、配氣件、三相異步型交流伺服電動機、變頻器、光電編碼器、直流穩壓電源組成；電子秤部分由壓力稱重模塊、運算放大器、A/D轉換模塊、PLC組成；硬件部分由傳送帶、料斗、傳送帶支架、料斗支架、底座、電機支架等部件組成。該裝置采用臺式立體結構，落料時，由PLC控制氣缸活塞桿收縮，帶動料斗秤底部擋板開關打開，原料落到傳送帶上，安裝在傳送帶下的壓力稱重模塊將檢測到的重量信號轉換成電信號，經運算放大器放大處理，傳入A/D轉換模塊將其轉換為數字信號，由PLC對信號進行比較處理，當信號達到預先設定的參數時，PLC控制氣缸活塞桿伸長，使料斗底部擋板開關關閉，停止落料。系統示意圖1如下。
3 控制系統的設計
3.1 傳送部分的實現
（1）電動機的變頻調速。自動化配料系統為在較高的工作效率下保證稱量精確度，傳送帶設計為先快后慢的雙速運轉形式，即原料下落后先快速傳送，到達設定重量的90%后慢速傳送，這就需要變頻器對電動機進行調速。變頻調速是根據三相異步電機的工作原理而采用的一種調速形式，異步電動機的轉速與同步電動機轉速相對應，改變電動機的供電頻率即改變了電動機的轉速，電源頻率增加，同步轉速n增加，實際轉速也增加；電源頻率下降，電動機同步轉速下降，電機實際轉速也下降，這種通過改變電機電壓頻率的調速方式即為變頻調速。自動化配料系統變頻器的工作原理為：利用整流電路，將接入的三相電進行整流成直流電，并且濾波，再經過逆變電路將直流電轉換成所需頻率的三相交流電。
（2）測速裝置。測速環節主要由光電編碼器來完成速度掃描，通過PLC中的高速計數器來實現計數功能。由下式可算出電機轉動速度。
式中：n――電機轉速；r――圓盤電機的半徑； ――高速計數器HSC0的掃描時間。
3.2 氣動部分的實現
（1）氣源開關――二位五通電磁閥。電磁閥受PLC的控制，主要工作原理是利用電磁線圈產生的電磁力，推動閥芯切換，實現氣流的換向，可以對氣缸進行控制，實現氣缸的伸縮動作。（2）料斗開關――雙作用氣缸。雙作用氣缸內部被活塞分成兩個腔，兩腔可以分別通入壓縮空氣，當從有桿腔輸入壓縮空氣時，無桿腔排氣，使活塞桿收縮；當無桿腔進氣，有桿腔排氣時，活塞桿伸出。活塞桿的伸縮帶動料斗擋板的開關。
4 稱重系統的設計
4.1 稱重系統的工作原理
該稱重系統中，將壓力稱重模塊置于傳送帶兩個固定托輥的中點，當原料下落時，它可測出該區段每單位長度的載荷值q，該值乘傳送帶速度v即為原料的流量。則在時間T內的原料累積量可以用積分式 表示，式中：W――時間T內的原料累積量，kg；T――原料壓力稱重模塊的時間，s；q（t）――單位長度的傳送帶上原料重量，kg/m ； v（t）――傳送帶的速度，m/s 。
4.2 稱重電路的結構設計
壓力稱重模塊采集的信號是mV級小信號，設計選用的壓力稱重模塊傳來的動態稱重信號是0～30mV范圍，不能直接被PLC讀取，需要經過外加放大電路處理，將其轉化為0～10V的標準電壓信號。配料系統為了實現電壓放大，采用LM324系列器件帶有真差動輸入的四運算放大器，其轉化后的0～10V的標準電壓信號后經過A/D轉換器（EM235模擬量輸入模塊）將模擬量（電信號）轉換成可以直接輸入PLC模塊的數字信號，最后將這些數字信號傳入PLC計算分析比較，如果輸入量達到預先設定值，則控制氣缸動作，關閉落料口。
4.3 PLC與軟件
稱重配料系統采用的PLC為SIEMENS S7-200系列中的CPU224，外掛EM235。CPU224集成14輸入/10輸出共24個數字量I/O點。其編程軟件為STEP7-Micro/Dos，在PC上位機安裝此軟件，與PLC進行傳輸，可方便改變PLC的動作指令，例如更改配料比例和配方，均可通過調整編程，快速改變裝置的落料方式。