毕业设计（论文）PLC皮带秤在线计量控制系统说明书

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1、兰州理工大学毕业设计说明书 摘 要 本文介绍了国内外电子皮带秤的发展情况及其在烟草、冶金、矿业、医药等行业的应用状况及最新动态，分析了电子皮带秤的称重原理，指出了各种皮带秤的优点和不足，阐述了误差的来源及减少误差的方法。选择了适合于烟草行业的皮带秤秤架系统。运用软件工程的设计方法，根据国内外可编程序控制器(PLC)的发展现状和相关的工艺特点，提出了以PLC为主机的电子皮带秤的设计思想及总体要求，分析了动态测量控制系统的功能特性、硬件结构、软件环境及功能扩展性问题。探讨了测控技术的相关理论及实现方法，并结合国内外电子皮带秤的应用实际，将当今先进成熟的变频调速技术、脉冲测速技术、触摸屏技术与PLC

2、融为一体，择优选配了控制主机及系统硬件，设计了一种以PLC为控制主杌的动态测量控制系统，从而使电子皮带秤具有较好的测量、控制性能和较高的工程实用价值，同时也降低了工程费用，提高了系统的性价比。在此基础上，针对原系统存在的操作不便、实时性差等问题。提出了改进方案。实践证明，新方案解决了原有系统存在的问题，有广阔的推广价值。 关键词：电子皮带秤称重传感器在线计量 硬件设计 ABSTRACT The developing statUS abeut the electronic belt balance at home and abroad and its newest trend and the a

3、pplication StatLIS in the tobacco，metallurgy，mmmg industry，medicine fields were described in this articleAt the same time，the weighing principle of the electtonic belt balance was also analyzed in this article，pointed out the advantages and disadvantages of the electronic belt balance and described

4、the source ofthe elror and the method ofreducing error alSO in itUtilized the software engineering design method and based on the technological characteristic ofthe programmable 109ic controller(PLC)at home and abroad。it has proposed the design theught and overall requests for the electronic belt ba

5、lance which the PLC was taken as the main engine，and analyzes the frlnctioncharacteristic，the hardware structure，the software environment and the function extension for the dynamic surver control svstem Combining with the application of the electrenic belt balance at home and abroad，it discussed the

6、 related theory and the realization method of the survey and centreI technology and the realization method and put the advanced mature frequency conversion velocity modulation technology，the pulse measure technologytouchscreen technology into PLC as one Unitselects the main cotatrel engine and the s

7、ystem hardwire and designs the dynamic survey Control svstem that taking PLC as the main COntrel engineSO that it has made the electronic belt balance a better surveying and contr01 perfofinance and the higher value of project practical application Meanwhile，it has also reduced the project expense a

8、nd enhanced the system cost performance An improve plan has been put forward according to the problems of inconvenient operation and bad real time difierence existing in the original system . Practice proved that the new plan has solved the problems existing in the original system and has a broad sp

9、read valuekeywordselectronic belt balance，hardware design，centralized batch，software design 目录摘 要1第1章 绪论61.2 皮带秤及其称重技术的概述713皮带秤在国内烟草行业中应用及趋势814 本文研究内容8第2章 系统总体方案设计102.1 设计题目的确定102.1.1 设计题目要求102.1.2 设计要求分析122.2 系统设计的指导思想132.3 系统的组成及总体方案设计142.3.1 硬件配置142.3.2 软件设计14第3章 电子皮带秤称重原理及误差分析163.1 电子皮带秤称重原理163.

10、1.1 称重装置163.1.2 称重系统基本原理173.1.3 皮带秤工作流程193.2 电子皮带秤的误差来源分析203.2.1 称重误差203.2.2 数据检测与处理误差213.2.4 环境误差23第4章 系统硬件设计254.1 硬件设计总体分析254.2 双托辊秤台设计264.3 称重传感器的选择274.4 称重模块的选择324.5 旋转编码器的选择384.6 PLC的选择394.6.1 CPU的选择404.6.2 输入输出模块的选择414.6.3 电源模块的选择424.6.4 计数器模块的选择424.6.5 变频器的选择42第5章 皮带秤系统软件设计455.1 西门子s7300简介455

11、.1.1 概述455.1.2 S7300的组成455.1.3 S7300的类型465.1.4 S7300的功能465.1.5 S7-300的通讯465.2 系统的软件设计475.2.1 PLC程序控制软件设计475.2.2 PLC主程序设计495.2.3 皮重程序程序设计515.2.4 称重程序程序设计52第6章 总结与体会546.1 总结546.2 体会55参考文献57外文资料59原文59译文73致谢84附录85 90 第1章 绪论1.1 课题的研究意义及背景1皮带秤在烟草、医药等工业领域有着十分广泛的应用，并贯穿于生产线的大部分工序。它在输送物料的同时进行计量和控制，直接影响着生产的工艺和

12、技术，对生产经营和产品质量起着重要作用。电子皮带秤作为卷烟生产线中重要的计量、控制设备，对生产线上的各个环节分别起着流量计量、流量控制、精确掺兑配比，投入产出统计等重要作用。随着人民生活水平的提高以及推出的国家新的烟草制丝线工艺规范，对产品质量提出了更加严格的要求，而电子皮带秤作为卷烟制丝线中的关键设备，对其计量精度、控制性能、稳定性及使用的方便性也提出可更高的要求。目前，卷烟企业配置的电子皮带秤从设计制作到使用仍存在问题，一是有些企业使用的皮带秤还未更新，在设计制造上存在：（1）采用单片机为主机的机电控制模式，编程、调试、修改很不方便。（2）采用了显示的人机界面，信息量少，无法对工况进行实时

13、监控。二是有些企业虽然更换的新型的皮带秤，但在选配控制系统的模块，旋转编码器及现场调试及使用方面还存在很多问题。三是由于温度湿度等环境的影响使得物料及灰尘粘连在皮带上造成皮重的变化，从而引起计量误差。四是目前在卷烟企业中使用的电子皮带秤大多属于托辊式电子皮带秤，所以无法避免“皮带效应”对称重过程产生的不良影响，从而使得皮带秤在使用过程中暴露出稳定性和可靠性问题。并且卷烟制丝工艺过程中，烟丝流量是重要的参数，对烟丝流量的控制精度优劣是由电子皮带秤的精度决定的。可编程控制器是当前卷烟生产设备系统控制核心的主流选择，已在卷烟生产的卷制和包装设备上广泛应用。从制造、现场调试到使用的相关技术已经成熟，具

14、有编程简单、使用方便、能在线修改、可靠性高和维护性好的特点。使用、数据融合、脉冲测速、触摸屏和变频调速等技术对电子皮带秤进行重新设计改造后，系统的准确性及稳定性将得到稳步增强，可靠性和可维护性将大大提高。可在现场控制系统不做大调整的情况下，通过软件的修改来改变控制范围和控制参数，很方便地进行设备布局变更，从而适应制丝线频繁的工艺改造，提高制丝线的产品质量。因此追求更加卓越的性能和完备的功能，以高可靠、高稳定、高精度为目标，向多功能、多用途、集控化、网络化的方向发展是摆在我们面前的重要课题。具有重大的研究意义.1.2 皮带秤及其称重技术的概述1皮带秤最早出现在十九世纪末期的西方工业发展时期，其设

15、计灵感来源于斗式输送机的称重装置。这种装置可以实现散料的连续自动称重，并于年获得了计量许可。随着皮带秤适用领域的扩大，人们对其相关技术日益关注，英国等西方一批发达国家先后成立了专门的皮带秤研究试验基地，集聚了一批学者和技术人员从事这方面的研究。据不完全统计，仅年至年的十年间，国外公布的有关皮带秤的技术发明专利就达七十多项，其中以前苏联最多，其次是日本。这些专利技术大多数涉及提高动态称重的准确度和如何改善检测方法，对提高皮带秤设计、制造和维护水平起到了积极作用。六十年代初期，美国衡器公司的博士用应变能法建立了皮带秤称重力测量的数学模型，为皮带秤动态定量误差分析提供了可行的途径。同一时期，荷兰公司

16、的专家通过研究和试验，创建了多托辊皮带秤的计量性能优于单托辊的理论，开创了高精度皮带秤在机械秤架设计方面的新起剧。随后，英国的、德国的等学者又先后建立了不同的皮带秤称重力测量模型，在理论上对它的数学模型进行了研究分析。近几十年，北欧的瑞典、挪威等国在皮带秤的现场使用和维护上取得了丰富的经验，使其在实际使用中的计量准确度保持在士0以内，成为散料进出口贸易结算的公证秤。这些年在科技工作者的共同努力下，皮带秤在计量准确度和现场使用的稳定性方面有了很大提高。我国大约从五十年代开始设计、研制滚轮式机械皮带秤。六十年代后期传感器电子仪表式皮带秤开始与用户见面，但受当时的传感器制造工艺和电子技术水平的限制，

17、使用中的准确性和稳定性较差，因而没能得到广泛普及。改革开放以来，我国陆续从美国、日本、德国等国引进了皮带秤的设计制造及计量检测技术，使国内皮带秤的制造能力得到迅速提高。通过研仿、消化、吸收和创新，国产皮带秤设计、试验和制造的整体技术有了长足的进步。一是设计、研究的能力增强。已建立了多套皮带秤试验装置，为新产品开发和计量性能的检测提供了试验研究条件。二是自主研制和应用技术能力提高。皮带秤所用仪表大多已被集成电路替代。同时，皮带的速度检测和动态参数跟踪自校技术得以突破并获国家专利。三是国产皮带秤的重要技术指标提高了许多。卷烟制丝线使用电子皮带秤的计量精度从左右提高到了目前最高的0.25，稳定性也得

18、到了增强。13皮带秤在国内烟草行业中应用及趋势1 目前，国内所有烟草企业在卷烟生产中都使用了电子皮带秤。在卷烟生产的第一流程即制丝生产线的打叶、切片、加料、加香、润叶、润梗、烘丝、烘梗、膨胀、微波松散和掺配等工序，电子皮带秤不但计量输送物料的重量，而且控制流量波动，其准确性、稳定性等性能对制丝质量尤其是重点工序的质量有着重要作用。同时，电子皮带秤记录的有关数据还为内部管理和财务核算提供了依据。1985年以前，国内卷烟制丝生产线所装备的电子皮带秤全部依赖进口。产品类型主要有德国Hauni公司的刀口支承式、意大利Comas公司的十字簧片式和英Leeg公司的内十字簧片式单或双托辊皮带秤，其中以Hau

19、ni公司和Comas公司的产品为主。自1986年起，我们在国内首次对Hauni公司的称重系统进行了国产化研仿，并进行了一些改进。例如：将Hauni公司生产的以模拟电路为主的模拟控制系统改进为以Z80、8031专用单板机为主的数字控制系统。首台设备于1986年安装在曲靖卷烟厂新制丝线中，结束了我国不能生产烟草专用皮带秤生产的历史。1987年，首条包括皮带秤在内的国产制丝生产线在许昌卷烟厂安装、调试并投入试生产，标志着国产化烟草专用微机皮带秤的研究、开发和制造技术已具备了产业化生产能力，并在我国烟草行业“七五”技术改造期间几乎全部使用了国产的YT系列电子皮带秤。九十年代初期，随着烟草行业制丝工艺改

20、进和质量控制的要求不断提高和PLC(Programmable Logic Controller)技术的不断发展，微机皮带秤可靠性、稳定性和维护性等方面存在的问题已满足不了需要，我们开始了以可编程序控制器为主机，以变频器作为调速功能的电子皮带秤研制，最早的产品于1994年制造、安装和调试成功。根据电子皮带秤在卷烟制丝工艺生产中所起的作用，结合卷烟制丝工艺改进、设备更新换代和质量提升的需要，电子皮带秤以高可靠、高稳定和高精度为发展目标。在秤架结构上，追求设计、制造的合理简化，力求安装、调试和日常维护的方便。而电控技术的应用正向集控化、多功能、多用途、网络化方向发展。14 本文研究内容 搞清楚烟机生

21、产线的设备组成和工作原理，尤其是烟机皮带秤的控制方法。 充分认知控制对象，提取出被控量，以及控制目标，运用已学的知识提出控制方案，并论证控制方案的正确性。 烟机皮带秤电气控制系统的设计，包括主电路和控制电路的原理设计，PLC的配置、变频器的选型以及触摸屏的设计等。还包括系统内相关元器件的选型。 电子皮带秤控制设计：包括电子皮带秤基本计量原理和动态计量数学模型，控制系统的构成、控制程序的设计等。 PLC控制器的软件设计、变频器的参数设置、触摸屏的画面设计等。 系统具有完善的故障诊断功能。 第2章 系统总体方案设计2.1 设计题目的确定2.1.1 设计题目要求 1 毕业设计（论文）的技术背景和设计

22、依据烟机皮带秤是烟草机械中用于实现在线计量称重、定量打包、流量配比等功 能的设备，具有精度要求高、机械结构复杂、控制内容多等特点。所谓在线计量就是在物料运动过程中，实现以下几个方面的功能：（1） 计量功能：在线计量流过皮带物料的总累计量，并实时显示流量。（2） 定量包装功能：在完成计量的同时，根据预先设置的“包重值”自动完成定量包装。（3） 恒流功能：在完成计量的同时，根据预先设置的流量值自动调整皮带的速度，使流过皮带的物料流量受控。此外，控制系统还应具有完善的故障诊断和保护功能。2 毕业设计（论文）的任务 熟悉题目要求，查阅相关科技文献 熟悉西门子PLC、触摸屏和变频器 熟悉电子皮带秤控制方

23、法 系统硬件电路设计（包括理论分析、设计计算、实验及数据处理、设备及元器件选择等） 系统软件设计 撰写设计说明书（毕业论文），绘制图纸 指定内容的外文资料翻译3 毕业设计（论文）的主要内容、功能及技术指标 搞清楚烟机生产线的设备组成和工作原理，尤其是烟机皮带秤的控制方法。 充分认知控制对象，提取出被控量，以及控制目标，运用已学的知识提出控制方案，并论证控制方案的正确性。 烟机皮带秤电气控制系统的设计，包括主电路和控制电路的原理设计, PLC的配置、变频器的选型以及触摸屏的设计等。还包括系统内相关元器 件的选型。 电子皮带秤控制设计：包括电子皮带秤基本计量原理和动态计量数学模 型，控制系统的构成

24、、控制程序的设计等。 PLC控制器的软件设计、变频器的参数设置、触摸屏的画面设计等。 系统具有完善的故障诊断功能。4 毕业设计（论文）提交的成果 开题报告（不少于3000字） 设计说明书（约3万字左右），或毕业论文（约2万字左右） 图纸： 系统原理图；（2#图纸） 硬件电路图；（1#图纸） 软件流程图；（2#图纸） 中、英文摘要（中文摘要约200字，35个关键词） 论文简介 外文资料翻译（约5000汉字）2.1.2 设计要求分析1系统的可靠性要高 按照工业控制系统高可靠性的基本要求，考虑到一旦可能发生的故障，需 配备手动控制装置作为后援；选配硬件时，要考虑到产品的市场化程度及维护 人员的素质，

25、其安装位置也要兼顾到易维修性。同时增加可实现人机对话的汉 化中文人机界面，方便快速查找故障点。由于卷烟制丝线设备的技术改进、设 备的调整和增减频繁，系统控制对象可能要经常更新和变更。因此，还要考虑 选配硬件的可扩展性，满足工艺改进等不同需书对工业控制系统最基本的要求 是高可靠性。应在追求高精度和多功能等要求的前提下，选用可靠性及稳定性 具佳的硬件产品。一旦系统出现故障将造成整个生产过程的混乱，引起严重后 果。所以，通常均应考虑后援手段，如配备常规控制装置或手动控制装置作后 备。一旦PLC控制系统出现故障，就切换到后援控制装置，以维持生产过程的 正常进行。2可维护性能要好 系统设计不仅要能方便操

26、作人员掌握和使用，还要使操作方便简单并有较强的 人机对话能力。在人机会话中，应采用全汉化的中文系统。为了在发生故障时， 能尽快排除其故障，软件的设计应配置查错和诊断程序。硬件的配置及安装位 置应便于操作人员维修。3通用性要好，便于升级 一个控制系统的控制对象往往不是一成不变的，随着工艺的改进，设备的调整 和频繁增减，系统控制对象可能要经常更新和变更。因此，还要考虑选配硬件 的可扩展性，只有当系统可扩性好时，才能使控制对象改变时不必做大的改动 就能满足工艺改进等不同需求。4电子皮带秤系统应具有如下功能。1)数据采集功能 在中断时，能采集物料的重量信号，皮带的速度信号，从而算出物料的瞬时流 量和累

27、计量。2)控制功能 可通过触摸屏对设定流量Qp和其他工艺参数：流量系数Ct，PID调节系数Pi， 速度系数Kv等进行修改操作，使瞬时流量能跟踪设定流量，达到定量给料的目 的。3)打印生产报表功能 通过触摸屏可打印出相关的班报表、日报表和月报表，并对同等物料产量进行 统计打印。4)图文信息显示功能 如工况流程、工艺参数、生产报表、过程趋势、故障诊断等，使操作者可方便 直观地、在操作屏幕上进行性能调节、故障查询、比例设置等操作，以掌握系 统工作的全貌。5)皮带自动纠偏功能 因维护人员需要经常检查皮带的运行位置，以保证计量的精度，而校正工作是 一项该做但很费时费力的事情，因此，增加皮带自动纠偏功能，

28、就可给用户带 来极大的方便。6)计量误差自动标码校正功能5性能参数要求： 精度：计量精度优于025 控制精度优于05 流量范围：8014000Kgh 速度范围：00105rns 皮带宽度：600mm、800mm、1000mm、1200mm等6.定量包装功能:在完成计量的同时，根据预先设置的“包重值”自动完成定量 包装。7.计量功能：在线计量流过皮带物料的总累计量，并实时显示流量。8.恒流功能：在完成计量的同时，根据预先设置的流量值自动调整皮带的速度， 使流过皮带的物料流量受控。此外，控制系统还应具有完善的故障诊断和保护功能。2.2 系统设计的指导思想1 用西门子PLC作为工业控制主机，改直流调

29、速控制器为交流变频调速控制器， 改普通电磁测速发电机为旋转编码器方式对皮带进行测速，采用高精度数据 放大器和16 位ADA转换模块对称重信号进行检测。从而确保电子秤的 高精度。2采用双托辊方式，以提高称量精度，从而减小误差，提高控制精度。 3 考虑到烟厂今后要向无人车间模式转换，要建立集中操作和监控系统，因此，在原有电子秤功能的基础上增加了网络通讯功能，为今后建立车间级集中操作和监控系统打下基础。4. 加入了动态称重模块，从而增加了信号的获取强度，更准确的接收重量信号。2.3 系统的组成及总体方案设计 电子皮带秤是一种高精度的动态计量控制系统，由称重秤架和测控系统两部分组成。其中：测控部分包括

30、硬件系统和软件系统。根据称重原理、秤架受力及误差来源的分析，结合卷烟制丝线生产工艺的特点和应用技术，采用双托辊双传感秤架结构的皮带秤，选用皮带秤制丝线专用的无接缝皮带，配置重力式皮带张紧装置和连续式自动纠偏装置。同时，配备自动挂码校准装置，方便计量误差的校正。真正做到“机电一体化”。2.3.1 硬件配置 系统采用了双传感器配置在皮带两侧，以减小物料偏载，增强了称重采样稳定性。配置高精度AD转换模块，同时配备自动校准砝码，克服重量传感器的疲劳及放大器的温漂和时漂，以确保AD转换的精度。将高速旋转编码器用于皮带测速配套使用高速计数器模块，以减小皮带测速误差，降低整个系统的数据检测误差。PLC采用西

31、门子公司高性能的PLC产品S7-300系列，该模块上有以太网接口、MPI接口、远程IO接口、串行口等，可根据不同的需要，串入不同的通信网络，通过PrefibusDP现场总线可实现各PLC系统间的可靠通讯。因此在设计本控制系统时，将电控和各检测信号均纳入PLC，充分、合理地共享硬件和软件资源。通过检测仪表等采集计量过程和设备运行状态的各种数据，实现电气设备的控制。触摸屏作为人机界面，能显示整个系统的有关参数并能对主机发布相关命令。触摸屏和主机间采用RS232通讯，系统可扩展性强，数据接口丰富。2.3.2 软件设计 在系统的软件设计方面主要包括两大部分：PLC控制程序的设计、触摸屏组态界面的设计。

32、在PLC程序中设计两种控制方式可供自由选择，即手动方式和自动方式。采用手动方式时，用触摸按钮控制秤的标定和起停等。采用自动时，需要先选择设置好控制参数并确认无误后，运行系统即可进入自动控制运行状态，这样设备就可以自动完成称重过程。通过触摸屏与PLC之间通过RS232进行通讯，操作人员可以通过触摸屏向PLC发出各种控制命令，同时还可将现场的各种数据通过PLC传送给触摸屏，在触摸屏界面上显示出来，实现对生产过程的实时监控。最后，通过对SIMATIC的硬件组态，实现了PLC与触摸屏和变频控制器之间的通信，实现了系统各部分之间信息的高速交换。 第3章 电子皮带秤称重原理及误差分析 随着科学技术水平的提

33、高，电子皮带秤的结构、部件组成及测控技术都发生了显著变化。主要表现在称重装置的结构更加简化合理，计算机技术与数据检测和控制过程结合得更加紧密。但其基本组成和称重的基本原理并未发生根本转变。由电子皮带秤的组成结构、称重原理和秤架受力情况的分析可知，其计量准确度是由称重传感器与测速传感器所检测到的单位长度上的物料重量以及皮带运行速度决定的。在实际称量过程中，由于计量托辊的非准直度、皮带张力及皮带运行阻力等被称为“皮带效应”的因素影响，传感器本身精度、通道设置及工作方法的影响，校准方法与实际工作状况的差别影响，电磁干扰、振动、温度和湿度变化等因素影响，造成的计量误差从而影响计量精度。同时，电子皮带秤

34、的控制误差受系统计量精度、控制及执行机构的影响，因此分析时应该理清条理，分清主次。3.1 电子皮带秤称重原理3.1.1 称重装置57 皮带秤的称重装置是皮带秤称重负荷的承受部分，它安装在输送机上，简称为秤台。根据皮带秤的组成和称重原理，称重装置在皮带秤中起直接感应皮带上物料重量的作用，因此，秤台是决定皮带秤精度的关键部件。秤台由传感器、承重机构和称重托辊(计量托辊)及传感器与称重托辊的连接部件组成。传感器、称重托辊数量及连接方式的组合构成了秤架的多样性。 单托辊秤架见图31是指皮带输送机的计量段上只有一组计量托辊进行称量，其前后相邻的两组托辊为固定托辊。它是电子皮带秤中最常见的一种结构形式，具

35、有结构比较简单，安装、调试和维护方便的优点，但存在称量准确度较低、稳定性较差的致命缺陷。 图31单托辊秤架(杠杆式)简图l、输送带：2、平衡重物；3、支承弹簧片；4、杠杆；5、称重传感器；6、固定托辊；7、称重托辊； 双托辊秤架配有两组计量托辊，其计量精度和稳定性均得到了很大程度的提高。目前，在工业生产许多领域中应用十分广泛也是卷烟生产制丝线皮带秤的主要机型。图中秤架部件与图31相同。 图32 双托辊秤架(杠杆式)简图 考虑到精度问题，我采用控制精度比较高，而且在工业生产许多领域中应用十分广泛的双托辊秤架也是卷烟生产制丝线皮带秤的主要机型。3.1.2 称重系统基本原理17 随着科学技术水平的提

36、高，电子皮带秤的结构、部件组成及测控技术都发生了显著变化。主要表现在称重装置的结构更加简化合理，计算机技术与数据检测和控制过程结合得更加紧密。但其基本组成和称重的基本原理并未发生根本转变。无论采用的秤架结构和控制方式如何，电子皮带秤都可分为由七大部件组成。 图33电子皮带秤组成(结构)示意图1、高稳定放大器；2、重量传感器； 3、固定托辊；4、计量托辊；5、交流电机： 6、旋转编码器；7、秤重装置(秤台)；图33所示的是一台在烟草行业使用的，既可进行称重计量，又可对输送物料的流量进行控制的电子皮带秤。式中：Qn表示瞬时流量；Qp表示设定流量；MV和MP分别表示速度信号和重量信号转换的码值：表示

37、累计流量。 连续、自动称重是动态电子皮带秤的主要特点，与人们熟悉的静态秤相比，它是在输送过程中连续自动地完成称重和控制，而静止秤则是在物料静止状态下进行的称重。(1)计量秤系统工作原理当秤架上有物料流过时，在称重装置上的称重传感器就受到正比于烟草负荷重量的力Pg，经放大器信号放大输出电压信号P，因此P就代表了烟草负荷，再经AD转换成重量P的数码Mp，送入PLC运算，同时装于输送机交流电动机的旋转编码器发送出代表皮带速度的脉冲电压信号，经计数器变为速度脉冲Mv。Mp和Mv信号经流量运算得实时流量Q=Kn X MpMv，此流量一路送显示器显示，另一路输送作为自动加水、加料、加香控制信号，还有一路经

38、积分运算得到累计产量，并送显示器显示。(2)控制秤系统工作原理 控制秤实质上是计量秤功能和皮带调速功能的结合，其计量工作原理与计量秤相同，在这一基础上，我们可以通过调节带速V改变Mv值，就可以输送流量。当设定有给定流量Qp时，比较器将和实时流量Qn作比较得出误差E=Qp-Qn，经PID运算后输出一个增量控制信号到变频器改变电机转速，达到定量给料目的。 测量某一时间内或某一段距离的物料累计重量，在理论上可用积分法和累加法两数学方法来计算。(1)累加法当皮带秤输送物料时，假定在皮带运行一段，距离时进行一次物料重量的累加g(s)。则在一段时间内即皮带运行了n倍，的距离时，物料重量就进行了n次累加Q。

39、即：。(2)积分法 皮带秤输送物料时，其皮带单位长度载荷值q(t)与同一时刻皮带运行速度(f)的乘积为物料的瞬时流量。 由于物料输送的不均匀性和皮带运行速度是随时变化的，因此我们采用积分法，在T时间内的累计流量可用以下公式表示： 。式中：Q：T时间内的物料累计量(单位为kg或t)；T：累计物料的计量时间(单位为S或h)；q(t)：单位长度上的物料重量(单位为kgm)；：皮带的运行速度(单位为ms)3.1.3 皮带秤工作流程卷烟制丝线配置的电子皮带秤，是进行物料(烟片、叶片、叶丝、梗丝、膨胀丝、薄片丝等)计量，实现流量控制、掺兑控制和配比控制的主要设备。称重流程即当物料输送至电子皮带秤有效称量段

40、上时，安装在秤架上的称重传感器受到负荷压力产生重量信号，经过放大后传送至PLC，同时测速传感器(旋转编码器)也进行皮带运行速度信号的采集传输，主控制计算机对信号进行转换、积算、调节和控制的过程。其流量的控制是依据现代控制原理，通过瞬时流量g跟踪设定流量QP来实现皮带秤连续、自动累计称重和控制的过程。3.2 电子皮带秤的误差来源分析1 由电子皮带秤的组成结构、称重原理和秤架受力情况的分析可知，其计量准确度是由称重传感器与测速传感器所检测到的单位长度上的物料重量以及皮带运行速度决定的。在实际称量过程中，由于计量托辊的非准直度、皮带张力及皮带运行阻力等被称为“皮带效应”的因素影响，使皮带秤具有由其组

41、成、结构及工作方式决定的称重误差例；由于传感器本身精度、通道设置及工作方法的影响，使皮带秤具有主要由测量控制系统硬件配置、软件设置及工作模式决定的数据检测与处理误差；由于校准方法与实际工作状况的差别影响，使皮带秤具有由枝准方式决定的校准误差；由于电磁干扰、振动、温度和湿度变化等因素影响，使皮带秤具有由皮带秤整体与环境条件共同决定的环境误差。同时。电子皮带秤的控制误差受系统计量精度、控制及执行机构的影响，主要由系统主机和调速控制系统决定。根据以上分析，电子皮带秤的计量误差来源大致可分为四类即：(1)称重误差；(2)数据检测与处理误差最；(3)校准误差4；(4)环境误差瓯。实际上，根据电子皮带秤的

42、工作流程，其称重计量时的影响因素互相作用和制约，各类误差之间互相影响。因此，在分析时，应该理清条理，分清主次。3.2.1 称重误差 称重误差是皮带秤的主要误差源。曾经有学者利用有限单元法和应用梁理论，通过建立皮带秤称重力测量模型对称重误差进行数学分析，但未见到有关成果的报道。在理想情况下，通过对单托辊皮带秤称重力测量模型的简化，可得到如图34所示的称重力测量模型： 图3.4 称重力测量模型 称重误差由三项误差组成。结合皮带秤的结构、称重原理和秤架的受力情况，相关误差分析如下：1第一项误差由皮带的恒定张力、计量托辊的静非准直度及托辊间距组成。在皮带秤进行称重时恒定，因此可通过校准予以消除闭；2D

43、是称重时计量托辊的垂直下沉量(位移)，包含托辊径向跳动和秤架系统机械构件的变形等因素。它具有随机变化的不确定性，但与皮带秤的瞬时载荷重量成正比。因此，不同于第一项误差即通过校准不能消除；3AT是皮带张力的变化量，由皮带本身的特性、载荷重量、秤架结构及环境因素等决定，有较大的随机性。4称重的三项误差都与托辊间距成反比，即增加载荷面积(重量)可减小称重误差。这个分析也印证了秤架受力分析时得出的结论。综上所述，称重误差同时受到秤架系统、所用材料、使用状况和制造工艺等综合因素的影响。但其中有一个问题常常让人忽视即系统部件、结构及维护保养的问题。另外，根据秤架受力的分析，传感器受力与各类磨擦转矩有关，而

44、托辊、滚筒的转动与所用轴承的状况有直接关系。因此，要及时进行有关的检查和维护。要经常检查使用密封轴承的计量托辊状况；滚筒轴承要及时加注润滑油，这样做有利于减小称重误差，同时还可防止设备故障发生。 综合分析称重误差的来源，皮带张力几乎涉及和干扰了其它各种因素，无疑是其中最活跃和最具影响力的因素。皮带秤的误差不仅来自于称重环节，还与数据检测与处理等过程有较大关系。3.2.2 数据检测与处理误差 电子皮带秤数据检测与处理过程包括：重量模拟信号的采样、模拟量与数字量的转换、速度脉冲信号的采集、数据的运算(加法、乘法、积分)与显示等。其中：重量模拟信号的采样包括信号放大过程。在称重误差一定，称重传感器选

45、用、放大器配置及连接和使用方法确定后，重量信号采样的误差主要由传感器和放大器精度来决定，同时受测控系统采样频率的影响。由于测控系统的主机、硬件及软件设置等固有模式约束了采样时间、采样周期的选择。因此，从使用角度看，重量信号采样误差主要来自于传感器和放大器的误差。采用并联双传感器称重时，各传感器的输出之间互不影响，而且还可以实现称重信息(信号)的互补，获得被测重量值的一致性描述，提高抗物料偏载和抗干扰的能力，无疑较使用单传感器具有更多优势。一般来说，称重传感器和放大器的综合误差(非线性、滞后、重复性误差)可以分别控制在005和01以内。根据皮带测速的原理即用旋转编码器的脉冲计数来代表皮带的运行速

46、度，测速误差(用Av表示)跟重量负荷的变化率有关，但主要受测速分辨率的影响。在数值上由采样计算周期内重量信号的变化率和测速分辨率决定。通常情况下，在物料流量较小时，其波动变化率较大。测速误差除由旋转编码器的速度和安装方式引起外，还与传动方式有关。一般卷烟制丝线电子皮带秤的皮带都采用了链条传动的方法。根据其传动原理分析，用链条传动皮带存在传动误差，尽管其影响对卷烟制丝工艺而言并不大，但如果用在需精度特高的工艺线上，就要考虑使用同步齿形带传动等误差小的方法。事实上，目前许多皮带秤生产厂家选用的AD转换模块位数过少，影响了产品的精度。如：选用12位AD转换模块，考虑到皮重和量程的富余量，取全量程的5

47、0做负荷值，但皮带秤又必须保证从20-100的量程范围的精度。因此，在低量程段的重量转换精度大多只能达到0.24。若考虑符号位，其转换精度只能达到0.48。再加上称重、重量传感器、放大器等误差，皮带秤整体精度将受到很大影响。因此，在选择AD转换模块时一定要注意转换位数这个重要因素。同时数据运算尽可能采用浮点运算，以减小计算误差。根据以上分析，数据检测与处理的误差一般来自于称重传感器与放大器本身及皮带测速过程。其中旋转编码器的测速分辨率及AD转换模块的精度影响很大。同时，放大器的综合误差在整个环节中所占比重较大。因此，在减少皮带秤的整体误差上，也应该从使用和改进放大器方面入手。3.2.3 校准误

48、差 皮带秤的准确度在很大程度上要依赖于日常的校准工作。但相对而言，校准并不能完全消除误差，相反，校准时还可能带来新的误差。这一方面是由于校准的方法问题，另一方面则归根到底，是由于皮带秤校准时的状态与正常工作状态的区别即其动态误差校正难度大。皮带秤的校准方法有：挂码、链码和实物校准等三种。挂码校准和链码校准方法不能充分模拟皮带秤实际工作状况下的多种误差源，尤其产生不了像实物运行中所产生的皮带张力。因此，就产生了校准过程中无法消除的误差。同时，挂码校准与链码校准用的标准值是依据理论计算出的值，而不是量值传递的计量值。根据电子皮带秤的工作原理，实物校准的实质是化动态为静态的校准方法。因此，实物校准是

49、皮带秤量值溯源最准确的方法，其校准结果比较可靠。但由于实物校准毕竟与真实的工作状态不同，不可能在实际量程上的所有点进行校准试验19J。因此，校准误差的存在不可避免。只有当皮带秤的工作流量比较恒定，而且只在此流量下校准时，其误差才可以基本忽略。但要从根本上消除校准误差需采用全量程动态校准方法，在这方面已有学者正在进行研究和尝试。例如采用神经网络方法校准等。虽然挂码校准与链码校准较实物校准有不可避免的缺陷，但近年来，许多生产厂家推出的电子皮带秤都带有方便日常校准的自动挂码装置。究其原因，主要是因为实物校准受环境条件的限制太多，而且较繁琐。从各行业皮带秤校准方法的使用情况看，目前主要使用挂码校准与砝

50、码校准结合的方法，而且效果较好。因此，挂码与砝码校准方便、实用，虽不能完全替代实物校准，但可以在一定程度上校正计量误差，仍不失为一种好方法。3.2.4 环境误差 根据对皮带秤皮带测速误差的分析，物料的流量波动是一个不可忽视的问题。而不同的给料方式对流量波动的影响不同。通常振槽、皮带输送机的给料方式较喂料机和计量管方式的流量波动大。因此，如果将给料方式纳入环境因素的话，则成为引起误差的来源之一。但在卷烟制丝线设置过多的喂料机，易使物料(烟丝等)在输送过程中形成冲击造碎，从而影响卷烟产品的填充值等工艺指标，在这方面已有很多经验和教训从反面验证了这一点。所以，减少给料方式的影响应综合各种因素进行。一

51、般情况下，环境因素包括：温度、湿度、风、振动、粉尘和电磁干扰等因素。理论和试验表明：电磁干扰可引起皮带秤电控系统的电场和磁场变化，在电路中产生感应电动势，影响有关器件的正常工作。电磁干扰可分为外部干扰和内部干扰。电磁干扰除外受部大功率设备启停的影响外，还有来自于皮带秤测控系统的自身干扰，其中变频调速器是一个主要的干扰源。在其它影响因素中，强烈振动可传递给皮带秤秤架系统，其影响程度与系统的固有频率有关。其中对电阻应变片式称重传感器的影响最大；风会通过对皮带秤计量段施加压力而影响称重；温度骤变会引起电路元件电动势或参数的变化，影响正常工作。同时，还可对皮带的性能产生不利影响；粉尘、残料等也会因附着

52、在皮带秤托辊、传感器传力拉杆和滚筒上而对称重产生影响等等。湿度的影响一般表现在皮带受潮吸湿的最初阶段，在此期间含水率直线上升直致饱和，通过及时的校准，其影响可作为皮带自重的均匀变化消除。粉尘、残料等可通过保养清除，制丝工艺对环境温度、湿度的又有严格的控制范围要求，因此，环境因素不是皮带秤的主要误差来源。但当某些因素如皮带秤相邻设备异常振动时，环境影响就成为绝不可忽视的问题。所以，在设计电子皮带秤时，将环境因素做为依据或主要因素之一。从电子皮带秤的控制原理看，电子皮带秤的控制受计量和控制因素的双重影响。在计量因素中，对控制有直接影响的是数据检测与处理环节。因此，首先应从减少此环节的误差入手。 本

53、章阐述了皮带秤的称重原理并分析了称重受力情况，还分析了引起电子皮带秤的计量误差的主要来源。它包括来自于称重和数据检测与处理过程的误差、来自于校准时引入的间接误差和来自于环境因素对皮带秤称重的各个环节的综合影响。根据误差产生的来源，提出了减小相应误差的方法。 第4章 系统硬件设计 本章在上述分析系统原理工艺流程误差来源分析以及规划系统总体设计方案的基础上，对系统的硬件选型进行分析。硬件设计在数据检测部分主要由双托辊双称重传感器、和旋转编码器组成。电子皮带秤使用两种传感器即称重传感器和旋转编码器。其中称重传感器是皮带秤进行非电量到电量转换的核心元件，它的性能指标在很大程度上决定了电子皮带秤的精度和

54、稳定性。旋转编码器用于检测皮带的运行速度，而重量信号和速度信号的积算反映了皮带秤的称量值，因此，旋转编码器的选择和使用也直接影响了皮带秤的准确度。以西S7-300PLC为控制核心，以变频调速技术为控制基础构成了控制系统的硬件部分。本章讨论数据检测与控制系统的硬件选型及其测控系统的硬件设计。4.1 硬件设计总体分析 经过上述一系列的分析，我得到了如下工艺流程图： 图4.1 工艺流程图我们分析可知，设计中我们要选择一台电机，用于带动皮带转动；一台变频器用于瞬时调节电机转速，形成均流量控制；还有称重传感器及称重模块的选择；测速传感器的选择；并将各种测量信号送入CPU进行控制传送。在接下来我将对各种设

55、计中需要的期间进行选型和具体分析。总的控制过程为，各种测量的信号传入PLC，由PLC接收到这些信号，在发出控制命令，控制电机转速，完成各种控制功能。于是有下面的框图： 图4.2 系统原理设计框图4.2 双托辊秤台设计【17】(1)双托辊消除了水平分力的影响如图41为双托辊传感器受力示意图 ( a) (b) 图4.3 双托辊传感器受力分析示意图 由(b)可以看出，当传感器由于受力产生变形使得计量杆由位置1变为位置2时，传感器受力F1及F1将产生垂直分力F3(F3)和水平分力F2(F2).双托辊相当于左右对秤的两个单托辊秤台的组合，在固定托辊距离相等的情况下，双托辊的计量段长度将远长于单托辊的计量

56、段长度相同的物料在双托辊秤台上将被秤量更长的时间而且感知更大的重量，这不仅提高了称量的精度，也提高了灵敏度。4.3 称重传感器的选择1 、称重传感器的工作原理11称重传感器按其工作原理分类有：电阻应变片式、电感式和电容式等。电阻应变片式传感器一般由受压弹性元件(膜片、膜盒或波纹管)和应变弹性元件(如各种梁)组成。工作过程是被测压力通过受压弹性元件转换成集中力作用于应变弹性元件，应变弹性元件变形带动粘贴的应变片随之变形产生电阻差动变化，然后通过全桥接线输出瞵J。因为压力的大小与应变成正比，应变大小与电阻的变化成正比，电阻的变化率与输出电压变化率成正比。所以，被测量与输出量之间呈线性关系。同时，由

57、于采用了应变片差动布线和全桥连线，电阻应变片式传感器具有良好的抗载荷或侧向力引起的干扰能力由电感式或电容式传感器的工作原理可知，电感或电容的变化与被测压力之间分别呈反比或二次函数关系，被测量与输出量之间不存在线性关系。根据电子皮带秤采用的重力式线性称重的基本原理，电阻应变片式传感器更适合用于皮带秤称重。在传感器的选用上，除了考虑精度、线性度等性能外，为确保皮带秤称重的准确度，克服传感器在低量程段线性差的缺点，选用传感器的量程应按照皮带秤最大工艺流量来选择。在实际工作中，要求传感器的有效量程在20-80之间。根据秤架的受力分析，计量托辊垂直位移过大会引响秤架的预压力。因此，传感器的受力变形范围应

58、是选用的依据。从传力方式看，拉杆式传力较钢球式传力形式的抗侧向能力强。同时，还要考虑卷烟制丝线积尘多、湿度大等环境因素。 基于以上原因，国内烟草行业采用不锈钢波纹管拉力式传感器的居多。我们选择英国TEDEA公司355型波纹管式传感器，性能参数是：拉杆式传力，量程5,-一50kg，满载变形0.04mm，综合误差002，安全过载150，极限过载20011。皮带秤实际称重时，其秤架振动、皮带偏移、载荷偏载等因素都可能对传感器的正常工作产生影响。因此，在设计、制造和使用皮带秤时，要考虑传感器与秤台连接装置的可靠性和稳定性。实验表明，使用同一皮带秤和同一传感器，但采用不同的连接装置，在称重准确度上差别很

59、大。同理，连接装置的加工、安装和调试的差异，也会影响准确度。据资料记载，同一类型传感器仅仅是连接装置的加工和安装精度差别，可使称重准确度从0.010.02降为0.050.1。由于输送物料的非均匀性，加上皮带秤运行时的自身振动及环境影响，传感器的受力是不断变化的。比如：倾斜角的抖动，与垂线夹角的变大或变小等。在正常工作时，传感器受力在其受力垂线四周一定范围内游移，其分布规律呈正态分布特性。如图44所示：氟表示正常称重时称重力作用点的分布；F、F1等力围绕某点在传感器受力垂直线武范围内自如游移，并不影响皮带秤的准确度。当作用力F2偏移出氟(例如：进入非正常区域晚)时，此时分布区域就产生了变化。正态

60、分布函数的均值不相等，所以系统就产生了误差。 图4.4 传感器受力作用点分布图 在实际工作中，皮带秤物料、振动和偏载等因素不可能完全排除。因此，为防止称重发生偏差，传感器与秤台要可靠连接。连接方式如图4.5所示。 图4.5 传感器与秤台的联结装置图 在设计、加工和制作传力连接装置时，还要考虑标准化和整体性问题，以方便维修。同时，要及时进行保养。如上图，球头拉杆处极易积灰，会影响传感器的受力，要定期清扫。 为使皮带秤正常工作，要尽量使传送物料的中心(重心)线与皮带中心线一致，这样既有利于称量，又可使物料不易漏洒。当使用单传感器时，传感器应安装在皮带秤皮带的中心线上，以最大限度地克服物料偏载对称重准确度的影响。此时，虽佳安装位置应当是中置即在皮带中心线有效称量段的中间。 A为传感器中置及受力分析示意图 B为传感器偏置及受力示意图 图4.6 传感器受力分析图 传感器中置时的受力响应曲线明显较偏置时好，此时准确度高且稳定性好。多传感器的组合使用是近年来烟草行业使用皮带秤的一种新趋势，它可以有效克服物料的偏载影响，提高皮带秤的称重准确度，增加稳定性。 E B图4.7单传感