（控制理论与控制工程专业论文）应用电磁流量计的灌装装置系统设计.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 应用电磁流量计的灌装装置系统设计 摘要 随着社会经济的发展，液体灌装系统越来越广泛的应用于食品，饮料，化 工，医疗卫生等行业中。同时也要求灌装装置系统能够快速、准确的完成灌装， 提高生产效率。 本文设计的灌装装置系统，采用电磁流量计来记录流量的大小，通过控制 系统检测累计流量，控制灌装量的大小。克服了以往的灌装装置系统的灌装效 率及精度受压力或者机械定量的限制，提高了灌装的效率及精度。 此灌装装置系统由灌装设备装置和灌装控制系统组成。灌装设备装置包括 水泵，稳压罐，电磁流量计，直径为2 5 c m 的管道，截止阀及调节阎，压力表， 工作量器，灌装启止阀门。灌装控制系统包括输入、输出信号控制卡，e i s a 接口控制卡，计算机。通过灌装设备装黄与灌装控制系统的配合，实现灌装动 作的完成。灌装装置系统的控制信号包括每次灌装的灌装量，灌装阀门的开始 和关闭信号，灌装阀门的动作状态信号，定量液位控制信号，灌姨体积的累计 脉冲信号。通过控制软件的配合，操作人员通过人机交互的界面的控制平台可 以实现灌装的操作。 通过灌装实验，对灌装结果进行误差修正，减少系统误差，使灌装精度进 一步得到提高。 此装置采用p c 机控制，中间环节少，响应快，控制可靠，精度高；用 电磁流量计计量，电磁流量计对流量的累计不受压力的影响，灌装量调整简便， 可靠，只需改变键盘设定即可，误差小，没有油缸和压力的限制，所以灌装范 围没有限制，提高灌装精度。 此灌装装置系统易于控制与维护，操作简单，适应能力强，适用不同压力， 黏度，密度，电导率的流体，应用范围广，灌装量的大小易于调整，灌装的效 率高，精度高，必将广泛的应用于各种灌装行业中。 关键词灌装装置灌装实验控制系统误差 电磁流量计 i i 垒些垄堂塑主兰堡垒查 些! 里! 坚 f i l l i n gi n s t r u m e n ts y s t e md e s i g nu s i n g e l e c t r o m a g n e t i c f l o w m e t e r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p i n go fe c o n o m y ，l i q u i df i l l i n gs y s t e mw a sw i d e l ya p p l i e dt o d e l i c a t e s s e n ，d r i n k ，c h e m i c a lp l a n t ，m e d i c a lt r e a t m e n te t c ；i tr e q u i r e st h ef i l l i n g i n s t r u m e n tf i n i s ht h e f i l l i n gp r o c e s sw i t h i ns h o r t e rt i m ea n da t ah i g ha c c u r a c y ， w h i c hw o u l di m p r o v et h ep r o d u c i n ge f f i c i e n c y i f i l l i n g i n s t r u m e n ti su s e di nt h i s p r o j e c t w h i c he m p l o y se l e c t r o m a g n e t i c f i o w m e t e rt or e c o r dl i q u i df l u x ，a n da p p l i e sc o n t r o ls y s t e mt om e a s u r ea n dc o n t r o l f l u x i ta v o i d st h ed i s a d v a n t a g et h a tt h ee f f i c i e n c ya n da c c u r a c yw e r eb o u n d e dt o t h ep r e s s u r ea n dd i s t a n c ew h i c hm a d ee f f i c i e n c ya n da c c u r a c yi m p r o v e d t h ef i l l i n gi n s t r u m e n ti sm a d eu po ff i l l i n g e q u i p m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ， t h e f i l l i n ge q u i p m e n t c o n s i s t so fw a t e rp u m p ，s t a b l ep r e s s u r ej a r ，e l e c t r o m a g n e t i c f l o w m e t e r , d i a m e t e ro f2 5c mp i p e l i n e ，c u t o f fv a l v e ，r e g u l a t ev a l v e ，p r e s s u r e m e t e r ，w o r k i n gc a s k ，f i l l i n gs t a r - s t o pv a l v e t h ec o n t r o ls y s t e mc o n s i s to fi n p u t a n d o u t p u t c o n t r o l c h i p ，e i s ai n t e r f a c e c o n t r o l c h i p ，c o m p u t e r t h r o u g ht h e c o o p e r a t i o no ff i l l i n ge q u i p m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mw ec o u l da c c o m p l i s ht h e f i l l i n g 。t h e c o n t r o l s i g n a t o f f i l l i n gs y s t e m i n c l u d e s f i l l i n gv o l u m e ，f i l l i n g s t a r - s t o ps i g n a l ，f i l l i n gv a l v es t a t es i g n a l ，f i xq u a n t i f yf i l l i n gs i g n a l ，a c c u m u l a t i v e t o t a lp u l s es i g n a l t h r o u g ht h ec o o p e r a t i o no fc o n t r o ls o , w a r e s ，t h e o p e r a t o rc a n f i n i s ht h ef i l l i n gt h r o u g ht h eo p e r a t i n gi n t e r f a c e a f t e rt h e f i l l i n ge x p e r i m e n t ，c a l i b r a t i n gt h ee x p e r i m e n t e r r o rt or e d u c e s y s t e me r r o r ，t h ea c c u r a c y i s i m p r o v e d t h ei n s t r u m e n tu s e sp ci nt h es y s t e mw h i c hm a d et h es y s t e ms i m p l e n e s s ， r e s p o n dr a p i d l y ，c o n t r o lc r e d i b i l i t y ，a n dw i t hh i 曲a c c u r a c y t h ee l e c t r o m a g n e t i c f l o w m e t e ri s a d o p t e d i nt h e s y s t e mw h i c hm a d et h ea c c u m u l a t i v et o t a lr e s u l t u n i n f l u e n c eo nt h ep r e s s u r e i fy o uw a n tt oc h a n g et h ef i l l i n gq u a n t i f yy o us h o u l d c h a n g et h ee n a c t m e n tf r o mt h ek e y b o a r d ，w h i c hm a d e f i l l i n gq u a n t i f ya d j u s te a s i l y a n dc r e d i b i l i t y w i t h o u tt h er e s t r i c to fo i lj a r , a n dp r e s s u r em a d et h ef i l l i n gr a n g e w i d e l y 一i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c r t h i sf i l l i n gi n s t r u m e n ti se a s yt ob ec o n t r o l e da n do p e r a t e d ，w h i c hm a d et h e m a i n t e n a n c ee a s i l y a n di tc a nb e a p p l i e d t o v a r y f l u i do fd i f f e r e n t p r e s s u r e ， v i s c o s i t y ，d e n s i t y ，c o n d u c t a n c ew h i c hm a d ei t u s ci nb r o a dr a n g e t h i s f i l l i n g i n s t r u m e n tw i t hh i g ha c c u r a c yw o u l db eu s e dw i d e l yi nf i l l i n gi n d u s t r y k e y w o r d s f i l l i n gi n s t r u m e n t ，f i l l i n ge x p e r i m e n t ，c o n t r o ls y s t e m ， e r r o r ，e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r i v 东北大学硕士学位论文 声明 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 所取得的成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同作的同志对本研究所做的任何贡献均以在论文中做了 明确的说明并表示谢意。 本人签名：叠燃 1 日期： 2 固! 翌曰 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着社会经济的发展，液体灌装系统越来越广泛的应用于食品，饮料，化 工，医疗卫生等行业中。在目前国内液体灌装系统的发展中，容积式灌装系统 占主导地位。灌装方式常用的有三种：压差式，等压式，负压式。此外，称重 式灌装也有应用1 1 , 2 1 。从目前的应用情况来看，上述各系统存在着种种不足， 针对这种情况我们设计一种应用电磁流量计的流量式控制灌装系统，提高灌装 系统的性能。 1 1 容积式灌装系统原理分析及流量式灌装系统设计 在目前国内液体灌装系统的发展中，容积式灌装系统占主导地位。以 y z g r 系列灌装机为例d , 4 】，其灌装原理图如图1 1 所示。 它的计量灌装过程主要由两部分组成：吸液过程和灌装过程。首先p c 通 过电路控制电磁阀a ，b 的运动，经气路引起抽吸液缸的正向运动( 向上1 ，经 过连杆带动液路液缸的活塞正运动( 向上) ，此时，贮液缸进油，紧接着p c 通 过电路控制电磁阀c 换向，打开柱塞式气缸，打开液路，同时p c 控制电磁阀 a ，b 换向，引起抽吸汽缸负运动，经连杆带动汽缸中的活塞负运动( 向下) ， 油缸中的油经出液单向阀被压出喷嘴，进行灌装，当达到缓冲位置后，磁性开 关给出一个信号，反馈入p c ，p c 控制电磁阀c 换向，关闭柱塞式汽缸，切 断液路，同时p c 控制电磁阀4 ，b 换向，完成灌装过程，又开始入液过程， 调节液缸活塞运动行程，便改变灌装量大小。 从容积式灌装装置结构和原理上看，其缺点有如下几点： 1 其所需控制元件复杂，需要系列的电控元件，气动元件，液路元件 及机械控制，虽然采用世界先进的p c 控制，但因其控制环节多，例如：p c 必须通过电磁阀，气路中的汽缸，才可以控制液路上的油缸，所以响应慢，从 而降低了系统的可靠性，另外系统维护也很麻烦； 2 机械定量，所以调整复杂，精度低并且油缸大小有一定的限制，所以 灌装量的调整有一定的范围，而且对灌装器皿要求高： 3 因为液缸有一个吸油的过程，所以产量低； 4 因为需要一些辅助设备，空压机，小型贮液灌等，所以体积大，占地 】 查! ! 垄堂翌主茎堡笙查! 三l 三! 熊 面积大a 为了克服以上缺点，流量计控制式灌装装置采取如下措施：用p c 机控制， 图1 1 容积式灌装装置原理图 f i g 1 1 s c h e m a t i c f i go fv o l u m et y p ef i l l i n gi n s t r u m e n t 1 电磁阀a 2 机械定位装置3 贮液罐4 单向阀( 入油) 5 液缸6 单向阀( 出油) 7 灌嘴8 柱塞式汽缸9 电磁阀c1 0 磁性开关1 1 瑚吸汽缸1 2 p c1 3 电磁阀b 中间环节少，并且加有差补功能，使整个系统响应快，控制可靠，精度高。采 用流量计控制灌装量的灌装装置具有如下特点： 1 用电磁流量计计量流量，灌装量调整可靠简便，只需改变键盘设定即 可，误差小；因为没油限缸制，所以灌装范围没有限制： 2 电磁流量计可测流体的管径范围比其他流量仪表宽，可选流速范围宽， 其灌装量可调范围大，所以要求的结构构件少，要求的加工工艺，配合要求也 较容积式低，以使其产量大，对灌装器皿要求不高； 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 3 流量式计量控制简单明了，维护比较容易，7 ，8 1 。 流量控制式灌装装置系统阳o ，1 1 ，1 2 】的原理图如图1 2 所示。 其工作过程如下；操作员给装置上电后，打开管段的截止阀，调节流量调 节阀，观察电磁流量计的指示值，使其达到预定流量后，在计算机的人机交互 图1 2 流量计式灌装装置原理图 f i g 1 2 s c h e m a t i cf i go ff l o ws t y l ef i n i n gi n s t r u m e n t 1 灌嘴2 电磁阀3 回流管4 温度传感器5 调节阀6 电磁流量计7 截止阀 8 水泵9 贮液箱1 0 电动排风机1 1 稳压罐1 2 、1 5 、1 6 、1 7 信号线1 3 p c 界面中按照界面提示下，输入灌装参量，然后按开始灌装键，系统自动开始循 环灌装，与此同时，尸c 机自动对系统误差进行修正，使灌装精度达到要求。 1 2 目前灌装方法分析及流量式灌装系统的设计 目前，灌装方式常用的有三种：差压式，等压式，负压式。 1 2 1 差压式灌装 差压式灌装又称重力式灌装，其灌装原理【1 3 , 1 4 1 如图1 3 所示。 由伯努利方程可知： 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 h 蝎丢= a z 西v 2 2 + 七丢 其中：a ，a 2 一一分别为1 - 1 ，2 - 2 断面处的动能修正系数； v ，v 。一一分别为1 - i ，2 - 2 断面处的流速； k 一一阻力系数； h 一一1 1 与2 - 2 断面处的中心距基准面的高度差。 当忽略行进速度v ，时，得贮液箱出口管嘴处的流速为： 5 再专心卵 由上述分析可知，目前差压式灌装存在一些缺点： 1 差压式灌装必须稳定静压，否则流速不稳定，断面 能忽略，产生液位差，开始灌装的速度比较快，产生误差； 1i 一 图1 3 差压式灌装原理图 f i g 1 3 s c h e m a t i cf i go fd i f f e r e n c ep r e s s u r e f i l l i n g ( 1 - 1 ) ( 1 2 ) 1 - 1 的行进速度不 2 灌装速度受液高h 的限制，进行大容量灌装时，必须提高灌装速度， 就要提高贮液箱与灌装出口管嘴之间的高度上的距离，由于厂房的限制，不可 能太高，所以贮液箱和灌装机要分置两地，这样沿途管径就要增长，其间可能 要设置过滤机等其他设备，沿程阻力和局部阻力都很大，靠重力灌装就难以能 保证生产。 流量式控制的灌装系统采用的电磁流量计计量流量，电磁流量计不产生由 检测流量产生的压力损失，仪表的阻力仅是同一长度管道的沿程阻力，而且它 与其他仪表相比，前置直管段要求较低，节能效果显著，适合大管径测量，又 一d 一 ：|一 v j |形 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 由于流速可调节，所以适合大容积的灌装。 1 2 2 等压式灌装和负压式灌装 等压式和负压式灌装 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 8 l ，这两类灌装都是以分装容器高度来确定灌 装量的大小，下面以负压式灌装为例，说明其工作原理，原理图如图1 4 所示。 液体由进液管顶端进入储液箱，缸内液面由浮阀控制，灌装管的气管与 真空室连通，液管与储液箱连通，玻璃管的下端浸入液体内，真空泵通过真空 罐和真空室，把瓶内空气抽出，瓶内形成低真空，当真空度达到一定值时，储 液箱内液体由于大气压力而流入瓶内，达到灌装目的，真空度破坏时，灌装管 图1 4 负压式灌装原理图 f i g 1 4 s h e m e t i cf i go fn e g a t i v ep r e s s u r ef i l l i n g 1 真空泵2 真空罐3 灌装容器4 储液罐5 进液管6 真空室 内的液体由气管进入真空室，顺玻璃管流入储液箱，再次进行灌装。 由此，可以看出其存在如下不足： 1 其灌装容量的大小决定于容器的高度，灌装的动力是大气的压力差， 压力差大小取决于被灌装容器的真空度，灌装头抽出真空度的大小决定于容器 的容积大小，而容器的大小在加工中存在壁薄厚的不均匀，所以导致灌装的超 差； 2 各分装容器相同时，如果灌装压头不到位，抽出的真空度也不同，会 引起灌装超差； 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 3 物料实际温度变化时，灌装机无法对它进行修正，引起灌装超差； 4 灌装过程中是靠容器内的活塞运动来实施灌装的活塞运动的准确度， 吸入和排出液体的准确度是动态误差的主要来源。 我们采用电磁流量计作为计量仪器时，灌装的装置的结构决定了可以克服 一些等压式和负压式灌装的缺点： 1 采用电磁流量计来计量流量，电磁流量计对流量的累计不受压力的影 响，只与灌装的时间和流速有关，这样针对一定体积的灌装量，就克服了在等 压或负压灌装时，由于被灌装容器体积不均匀和真空度的不同引起的误差，提 高了灌装精度； 2 装置结构简单明了，不存在由于活塞运动不精确引起的误差。 1 2 3 称重式定量灌装 称重式定量灌装线一般有两台称重设备，一台称盛装容器重量，一台称流 体净重，两称之间存在信息传递和逻辑计算，且称重称是动态称，在流体灌装 中检量。而常规的衡器检定是在静态下进行的，这样就忽略灌装中的动态误差， 在灌装流体流速的作用下，使检定量表现为负偏差【1 9 , 2 0 1 。 综上所述，可以看出，应用电磁流量计的流量式灌装装置其机械结构简单 明了，系统易于控制与维护，操作简单，适应能力强，适用于具有不同温度， 压力，黏度，密度，电导率的流体，灌装量的大小易于调整，灌装的效率高， 精度高，所以将会广泛的应用于各种灌装行业中，有着广阔的发展空间。 一6 一 东北大学硕士学位论文 第二窜灌装实验装置的系统设计 第二章灌装实验装置的系统设计 2 1 灌装实验装置系统设计思想 2 1 1 设计目的 蘧装羹静设诗基豹藏是为了实瑗快速、筵矮、准确瓣定薰灌装，瓷服戮 羔 的灌装装麓机械结构复杂，操作维护不方便，生产效章低，灌装受压力，粘度 警影嫡懿映点。 2 1 2 设计方案 此装置设计采用电磁流量计来显示累积的灌装流蹙，通过上位机f 计算机1 实现人枫交互，采控制瀵装量大，j 、灌装开始点或最终缝束对刻。其中每次的 灌装量的大小及媛终的灌装的次数可以通过计霹机界面人为的设定。上位桃 ( 计算机) 粒灌装装置之间的信号交互主要通过一系列的单片虮控制及接口来 完成。 此设计中包括以下几个部分：( 1 ) 灌姨系统的结构设计；( 2 ) 灌装焱统的逻 辑控制设计：( 3 ) 灌装控镪系统的硬件设汁；( 4 ) 灌装控制系统的软件设计。 2 2 灌装实验装置的系统结构原理设计 2 2 1 灌装实验装置的系统络稳设计 此灌装实验装置的系统原理设计 2 l 2 2 ，2 3 1 如图2 1 所示。 灌装装置系统的设计包括以下几个部分组成：( 1 ) 储液池；( 2 ) 稳压罐；( 3 ) 承泵；( 4 ) 压力表( 5 ) 管道；( 6 ) 调节阕、截止阕、放水阕；( 7 ) 魄磁流量计；( 8 ) 计算机；( 9 ) 控制稽；( 1 0 ) 灌装量器。 2 ；2 2 灌装实验装置懿王铬溅理 首先用水泵把储液池中的水打入稳压罐中。稳压罐能够调熬所需的液位高 度，在整个工俸i 霪程中稳蘧罐中游液位高度为魄，液瑟上的气压为p ，永蘩 一7 东北大学硕士学位论文 第二章灌装实验装置的系统设计 在连续工作情况下，以h ；h ，+ 卫的压头将液体送到管道中此时管道与空气间 昭 图2 1 灌装实验装置 f i g 2 1e x p e r i m e n ti n s t r u m e n to f f i l l i n g 1 信号线2 控制箱3 管道4 灌装启止阀门 5 2 0 0 l 灌装量器 6 、8 、1 2 、1 4 液位控制器7 、9 、1 3 、1 5 液位指示玻璃管1 0 、1 1 做水阀 1 6 调节阀 1 7 i o o l 灌装量器 1 8 电磁流量计的传感器 1 9 电磁流量计的转换器 2 0 回水管 2 1 冰泵2 2 压力表2 3 截止阀2 4 储水池2 5 计算机2 6 稳压罐 8 一 东北大学硕士学位论文 第二章灌装实验装置的系统设计 _ 一 被液体空间隔开。然后手动打开截止阀2 3 ，水经过压力表2 2 、上游侧直管段、 电磁流量计的传感器1 8 、流量调节阀1 6 、灌装开启阀门4 流入灌装量器。在 实验管路的出口处装有灌装装置的开启阀门4 ，实验时可根据流量的大小及灌 装次数的具体需要，来改变流体的流动方向，使流体流入灌装量器5 或1 7 。 灌装装置系统的实际图如下图2 2 所示： 图2 2 灌装装置图 f i g 2 2f i go ff i l i n gi n s t r u m e n t 中。当小流量或者要求灌装次数较少时，用i o o l 的灌装量器1 7 ；如果大流量 或灌装次数较多时用2 0 0 l 的灌装量器5 。当选择灌装量器5 时则关闭灌装量 器1 7 的流量通道；当选择灌装量器1 7 时，则关闭灌装量器5 的流量通道。始 终保持只有一个灌装量器和一个对应的通道在工作，另一个则处于关闭的工作 状态。灌装阀门在开始启动时，即开始一次新的灌装，立即启动电磁流量计及 控制系统的脉冲记数器计数，当达到设定的脉冲数时，灌装阀门关闭，完成一 次灌装。电磁流量计发出的脉冲累积数值显示到上位机，即计算机的屏幕上， 9 东北走学硕士学位论文 第二章灌装实验装置的系统设计 同时记录着灌装的脉冲数，即可以得到此次灌装电磁流量计所记录的体积量。 当达到设定的灌装次数后，装置自动停止一组灌装，读取灌装量器中实际的灌 装体积量，根据结果算出灌装实验的最终误差大小。 灌装量器中实际的灌装体积量大小是通过液位指示玻璃管来读取并计算 得出的。液位指示玻璃管是和灌装量器相通的，用来指示灌装液位高度，玻璃 管上套有游标卡尺，可以读取量器中实际液位高度，计算出其中液体的体积。 液位控制器是由一光电三极管镶嵌于一电木中，并套在液位指示玻璃管 上，由于光电三极管对光敏感的特性，来监测灌装量器中的液位高度，当到达 所需灌装容积时，系统自动停止灌装，可以实现定量体积的灌装，用来满足修 正装置某些系统误差的需要。其结构如图2 3 所示。 图2 3 液位控制器结构图 f i g 2 3 t h es t r u c t u r eo fl i q u i dl e v e lc o n t r o l l e r 1 环行电木遮挡层2 液位玻璃管3 光电三极管接收极 4 信号线5 光电二极管发射极6 信号线 在这个装置中，阀门的启止是由电磁阀线圈的通断电来控制的【2 4 , 2 5 , 2 6 】。电 磁阀是利用电磁铁控制流体的执行机构，它广泛的应用于流体的开关控制中。 在电磁阀的螺管线圈中央有圆柱形铁心，此动铁心连有连杆带动阀芯运动，实 现阀门的开启与关闭。当线圈中无电流时，阀芯在弹簧作用下，使灌装启止阀 处于关闭状态；当线圈中有电流通过时，动铁心被吸起，灌装启止阀门处于开 启状态，流体开始流通。 灌装启止阀门是由电磁阀做为驱动机构来控制流体流通的阀门，当电磁阀 线圈中没有电流通过时，阀门处于关闭状态，也就是停止灌装状态，脉冲计数 一 0 东北大学硕士学位论文 第二章灌装实验装置的系统设诗 器停止计数，频率计数器也停止读取频率数值。当电磁阀中有电流通过时，电 磁游中靛渤铁心被啜超，憩薅遣姆带动酌阕体开寤，开戆灌装，辣渖 曩数器开 始记数，频率计数器开始读取流体速度频率。灌裟启止阀门结构如图2 4 所示。 为了羧控阕门动俸，薅壹淹f j 懿误秘馋叛及及对毂锈正误凌佟，裁 j 没跨 了监控阀门动作状态的控制器。是由光电二极管和光敏接收三极管组成，结构 妇圈2 5j 爹 示。鞭饔d 为警遂兹嶷径，巍是在灌装襄史耀f 关瓣状态懿，光毫 控制器f 发光二极管与光敏接收三极管) 与闸板阀的另一阀板边缘的距离。 123 圈2 ，4 灌装启此阀门缩构图 f i g 2 4 t h es l r u c t u r eo f f i l l i n g o n = o f f v a l v e 1 定铁心2 弹簧3 动铁心4 闸板阔 当灌漱启止阀门处于关闭状态时，光电控制器与之距离为d ：当灌装启止 阀门楚予开启获态辩，闻板阖静阕板蟊雾遗竞毫控嗣器懿中闽使置，趱发光二 极管和光敏接收三极管隔开。 2 3 灌装系统的逻辑控制 2 3 1 灌装装置的工作过程 灌装装置的潦装动作，是经道控制系统的软件和硬件配合涞完成的。在灌 装装置的系统设餐的硬件基础上，仪表的信号缀过系统的控制接口箱的控制、 鲶理，霉传递给计算祝，傻搡 乍爨通过上位祝的羿面提示，发出各种灌装命令， 再经过系统的控制接口箱来控制漩置的各种动作，达到人们的预期灌装要求。 装置静灌装邋程是邋过计彝祝界面荣控制静。计算税界面掇供的控制量包 括：每次的灌装爨；灌装次数；被灌装流体的频率；灌装开始；灌装结束。 - 1 1 东北大学硕士学位论文 第二章灌装实验装置的系统设计 具体的灌装过程如下：当操作员按下计算机键盘上的f 3 键时，光标来到“灌 装脉冲数”，输入每次灌装的灌装量( 以脉冲个数形式输入，按脉冲当量计算可 以得到灌装的容积) ，键入“e n t e r ”键后光标自动跳到灌装次数的输入位置， 等待输入此次需要灌装的次数，待灌装的次数输入完毕，此时，此次灌装的参 量已经设置完毕。按“开始灌装”键，装置的灌装启止阀门开启，灌装工作真 正开始，当达到灌装次数时，装置自动停止工作，灌装启止阀门关闭。或 】3 图2 5 阀门状态检测系统示意图 f i g ，2 5 s c h e m a t i c f i go f v a l v es t a t ed e t e c t i n g 1 光电发射二极管2 光电接收三极管3 阀板4 动铁心 者在没有到达灌装次数时，如果不想继续灌装了，可以按结束灌装键，强制退 出，停止灌装。 此外，为了方便装置的误差修正需要，装置还可以实现定量的灌装，即当 达到所设置的灌装量后，灌装阀门自动关闭，停止灌装。 完成这个工作过程需要装置的控制系统的软硬件一起配合，实现灌装启止 阀门的开启和关闭、计数器的脉冲累积计数及频率计数器中的频率读取。 2 3 2 系统的逻辑控制功能设计 在现代系统装置的控制中，都离不开软件和硬件的相互配合，实现系统中 的信号传递和逻辑控制，在此装置中也是一样。 此装置中，工作的完成需要上位机和下位机之间的配合，实现系统各部件 之间的信号交互传递。计算机的c p u 和外围设备( 电磁流量计1 之间有脉冲累 积数据的传输，和灌装启止阀门之间有控制信号和状态信号的传递，所以利用 计算机的e i s a 接口，设计一个计算机和装置之间的信号及数据传递的e s i a 总线的尸c 机卡，实现上位机和下位机之间的数据传输和信号传递。而信号传 递的输入和输出通道，要求电平要符合接口电路或者系统器件的电平要求，所 一】2 东北大学硕士学位论文 第二章灌装实验装置的系统设计 以在信号的输入、输出通道中要有放大电路，为了抗干扰就要在其传递过程中 设计抗予挽电路。在苑系统豹逻辑控割竣计孛，系统的上位辊部分霹灌装装嚣 的硬件设餐之间的连接设计成一个控制箱来完成的，其间包括系统的软件和硬 串懿相互裁台实臻逻辑挖潮，突箴灌装装嚣夔上位橇氍下位瓤之闻懿信号交 互，产生灌装动作。装嚣中数据和信号的流向如图2 6 所示。 在此装萋中，信号畜溪拿滤逡，一令是灌装设套发给计舅橇处理鹣蓿号， 包括流量计发出的脉冲傣号、灌装启止阀门的状态信号和定量液位信母。另一 个楚诗舅掇发给瀵装设冬夔撬暂套令痿粤，包掺灌装开始售号、灌装终寒痿号 图2 6 数据和信号的流向图 f i g 2 。6 f l o wo fd a t aa n d s i g n a l 以及灌装次数绩罨。这骜渤 乍皇簧鑫灌装控镯褡中弱遥辚交互采完成。 系统的控制箱设计包括三块控制卡：信号输入、输出通道控制卡：e s i a 慧线控毒l 卡 2 7 , 2 s , 2 9 , 3 0 , 3 1 ；瞧源卡。这三块专缝合到一莛宠残信鼍懿麸灌装鑫止 阀门( 开启和关闭信号) 、电磁流量计( 脉冲信号) 到计算机之间的传递。 售号臻入、辕出逶遴经裁卡痿号设诗懿下嚣2 7 瑟示： 信号输入输出通道控制卡的设计主要功能如下： 1 。控测灌装感盘润门致毫磁润戆开馥藩号竣邀逶遂f 令 ； 2 电磁阀的工作状态检测倍号输入通道( 一个1 ； 3 。灌装量器中定量波位售号簸入遥遥f 蹬个) ； 一1 3 东北大学硕士学位论文第二章灌装实验装置的系统设计 4 电磁流量计的脉冲信号输入通道( 一个1 ； e i s a 控制卡设计如下图2 7 。 e s i a 总线的控制卡的设计主要功能如下： 1 一个脉冲记数通道，最大记数值为2 ”； 2 一个频率测量通道，最大测量周期4 s e c ： 3 五个开关量输入通道，t t l 电平，包括四个定量液位检测信号、一 个灌装启止阀门的状态信号； 4 两个开关量输出通道，驱动能力1 0 m a ，t t l 电平，包括灌装启止阀门 的开启和关闭信号。 流量计脉冲信号 阀门动作信号 灌装状态信号 定量液位信号 。i m 。b 。；+ 。i 7 j “一一”r i 郫由腻直孙南嘘1 垦 _ 控 掣 i 一 i ：l 光电隔离、比较电路i 7 l 图2 7 信号输入、输出通道控制卡设计 f i g 2 - 7 t h ec o n t r o lc h i po fs i g n a li n p u ta n d o u t p u tc h a n n e l 电源卡的设计主要功能如下： 1 1 2 v 供电电源； 2 2 4 v 供电电源。 2 3 2 1 控制逻辑的0 口地址分配设计 1 编程计数器定时器8 2 c 5 3 。4 ：3 0 0 - ： 可编程计数器定时器8 2 c 5 3 卅中有三个记数器定时器，每个记数器 定时器的地址分配如下： 地址3 0 3 h ：编程计数器定时器8 2 c 5 3 一的控制字地址： 一1 4 东北大学硕士学位论吏第二章灌装实验装置的系统设计 地址3 0 0 ：编程计数器定时器8 2 c 5 3 一爿中计数器o 的地址； 圣盘蛙3 0 2 ：缡程计数器，定辩器8 2 c s 3 孛嚣数器i 兹懿建篷； 地址3 0 1 h ：编程计数器定时器8 2 c 5 3 一纠中计数器2 的的地址。 2 。可缡程诗数器7 定瓣器8 2 c 5 4 嚣：3 0 4 h ； 可编程计数器定时器8 2 c 5 3 占中有三个记数器定时嚣，每个记数器 定辩器靛圭| ；鎏分酝蘩下： 地址3 0 7 h ：编程计数器定时器8 2 c 5 3 露的控制字地址； 逮蛙3 0 4 h ：绽程计数爨，定瓣器8 2 0 5 3 8 中诗数器0 熬圭| 焦垃； 地址3 0 5 h ：编程计数器定时器8 2 c 5 3 一嚣中计数器l 的地址； 遗址3 0 6 - ：缡程计数器定聪爨8 2 c 5 3 嚣中计数器2 数缝蛙； 一装嚣中，编穰计数熊定时器8 2 c 5 3 _ d 中的计数器1 和编程计数 图2 7e i s a 控制卡设计 f i g 2 7 譬如c o n t r o lc h i po fe i s i a 嚣定霹爨8 2 密3 露中谤数器1 缀透缝藏一个3 2 霞憋诗数器，可以汁2 3 z 数。编程计数器定时器8 2 c 5 3 b 中的计数器0 设鼹成定时器和编程计数 嚣定时嚣8 2 c 5 3 一中专 数器0 掇逐，缟程计数器定时器8 2 c 5 3 一_ 中 一1 s 东北大学硕士学位论文 第二章灌装实验装置的系统设计 的计数器。设置成计数器功能。 3 可编程并行通信接口芯片8 2 c 5 5 ：3 0 8 日； 地址3 0 6 h ：可编程并行通信接口芯片8 2 c 5 5 控制字地址； 地址3 0 a l l ：c 端口地址。其中：控制电磁阀状态信号由p c i 脚输出； 地址3 0 9 h ：b 端口地址。p b o 、p b l 、肋2 给计数器初始清零的脉冲时钟 信号； 地址3 0 8 h ：a 端口地址。其中：液位信号输入为明1 、尉2 、删5 、尉6 脚； 灌装启止阀门动作的状态信号输入为删。脚。 在此装置中，可编程并行通信接v i 芯片8 2 c 5 5 的端口a 被设置成基本的 数据输入口，端口c 被设置成数据输出口。 4 逻辑控制寄存器c t l r e g a ( 4 位) ：地址是3 1 0 h ；锁存灌装启止阀门 的动作命令及状态信号锁存器；( 注：r e g a o r e 6 爿3 ) ； 5 逻辑控制寄存器c t l r e g b ( 4 位) ：地址是3 1 4 h ；锁存灌装启止阀门 的动作命令及状态信号锁存器；( 注：船g b o 舾g 8 3 ) 。 2 3 2 2 各器件的逻辑功能分配 在装置系统中，利用可编程计数器定时器8 2 c 5 3 来记录由电磁流量计发 出的脉冲累积数以及所发脉冲的频率。因为所要求的灌装量不同，有时累积的 脉冲数会很大，所以选择两片可编程计数器定时器8 2 c 5 3 级连的方式。每片 可编程计数器定时器8 2 c 5 3 中有三个计数器定时器，我们用一个来记录频率， 一个做记录脉冲数。 可编程并行通信接口8 2 5 5 , , 1 设计成为 装黄设备和计算机之间的输入、输出 数据接口。 c p l d 是完成各个芯片之间的逻辑地址编译与分配。 在过程输入、输出通道中，由于直接与控制或者被控制对象相连，因此无 论是开关量输入、输出通道，或是模拟量输入、输出通道，都是干扰窜入的渠 道，要切断这条干扰渠道，就采用了光电藕合电路来抗干扰。 放大比较电路主要是判断比较液位是否达到所需要求并转换成所要求的 t t l 电平信号。 1 2 3 2 3 灌装启止阀门的逻辑控制 灌装启止阀门是由电磁阀控制的，当灌装启止阀门处于开启状态时，电磁 阀中线圈中一定有电流通过，关闭时电流为零。 一1 6 东北大学硕士学位论更第二章灌装实验装置的系统设计 灌装启止阀门的开启是由操作员通过计算机界面下达命令来完成的。其中 僖号逻辑控割是这样静：当在键盘上输入“并始灌装”键醣，计算橇在氇缝 3 0 a l l 写入电磁阀的控制信号，通过e i s a 接口给控制箱的e i s a 控制檄的可编 程并幸亍通信接曰慈冀8 2 5 5 豹端疆c 豹p 岛耱输密一个舞电平信号“0 ”，经 过信号输她通道隔离并驱动后送给电磁阀的线酾，此时电磁阀的线圈中有电流 逶j 篁，动铁心装载起，繁凌阉投黼嚣寝，灌装藏止阀门野痘。漾装结索瓣，诗 算机在地址3 0 a l l 写入电磁阀的控制信号，通道e i s a 接口，使控制箱的e i s a 整捌教兹可缡程劳暂运傣接口芯片8 2 5 5 戆璇蜀c 兹p q 瓣稔熬一仑憾邀乎继 号“1 ”，经过倍号输出通道隔离送给电磁阀的线圈，此时，阁为电磁阀的线 圈中邀漉楚“0 ”，电磁阙熬动铁心圭予辨簧熬 枣展瑟弹崮，掺动翅叛瓣关翅， 使灌装启止阀门关闭。 灌装嬲止阙门戆开囊售号转羧逻辑媳潞如下豳2 8 掰示； 2 4 矿 + 5 y 灌2 8 搿启信号传赣遂瓣毫路 f i g 2 8 t h e l o g i cc i r c u i to fo ns i g n a lu a n s f e r 在此电路中我们选用了二极管一三极管型的光电耦合器，在光电耦合器的 输入部分l ；每发光二投警，只毒在邋过一定强度懿邀漶瓣才裁发光，竣爨颦分兹 光敏三极管只在定光强下才能工作。因此电压幅值很高的的干扰，由于没有 是够弱裁鬟两不熊馒二极謦发光，孰面坡翔裁了。 1 7 。 东北大学硕士学位论文 第二章灌装实验装置的系统设计 其中r ；为限流电阻，这样就不要求输入电压k 值一定要与t t l 逻辑电平 一致，只要经过冠限流之后符合发光二极管要求即可。r l 2 是光敏三极管的负 载电阻，凡。和二极管d ，组成的电路是为了在调试时有电流指示作用，便于调 试；二极管d 是起着续流保护作用，当线圈的所在回路断开时，电流并不能 立即消失，通过二极管d 形成回路放电，避免损坏电路。 光电耦合器选用4 n 2 5 ，发光二极管在导通电流i f = 1 0 m a 时，正向压降 吩s 1 5 v , 光敏三极管导通时的压降k 。= 0 4 v ，导通电流l = 2 m a ，输入灌装启 止阀门信号的逻辑1 电平为= 5 v ，所以胄l 、吼1 、r 2 大小的选择由下面分析 来计算。 在输入灌装启止阀门的信号为高电平时，发光二极管处于截止状态，此时 光敏三极管中也没有电流通过，所以送给灌装设备的灌装启止阀门的线圈的电 流为零，从而驱动灌装启止阀门进行关闭的动作；当输入灌装启止阀门的信号 为低电平时，发光二极管处于导通状态，光敏三极管中有电流通过，经过 t l p l 3 2 的电流驱动放大作用，使线圈中有足够的电流通过，从而使电磁阀的 动铁心被吸起，灌装启止阀门进行开启的动作。 限流电阻屁由下式计算： r ；三二生；三二坚；3 5 0 f 2 j f 1 0 在实际电路中，我们选择的电阻要比理论计算的要小些，以保证能正常工 作，所以我们选择r 为1 0 0 q 。 光敏三极管的负载电阻r ，由下式计算： r 一丝二丘：! ：! 二! ：! ：丝二! ：! ：! ：! = 堕：1 1 。 2 电流，。经过t i n 3 2 放大后，要大于4 0 0 m a 才能驱动电磁阀吸起铁心，图中 虚线框中部分是芯片聪p 1 3 2 ，它对提供给电磁阀线圈的电流起驱动放大作用， 放大倍数达2 7 ，放大电流，。最大可达1 刎。要求电流，。至少为1 5 m a ，所以： r 矿2 4 - v c - 0 7 - 0 7 ：丝二旦：! 二里：! 二! ：z 1 4 哝，1 = - 1 斗石 一 日 1 5 在实际电路中，所选择的电阻比理论的计算的要小，才能保证电路正常工 作，所以选择r ，为1 k 。 r ，阻值选择在5 坼。 当给p c ，写入高电平“1 ”时，线圈中的电流，。为零，灌装启止阀门处于 关闭状态；当给p c 。写入低电平0 时，线圈中有激励电流，灌装启止阀门 一】8 一 垒些垄兰壁主兰竺垒叁 墨三妻整茎壅墅鲞墨竺璺塾! 墨生 处于开启状态。 灌装穗丘瓣门翡豹关闭薅裁楚崮藏挣诗数秣懿瑟渖累积数决定豹。当稼挣 计数器的脉冲累积数达到设置的常数时( 由软件检测监控) ，就绘电磁阀的信号 羧凝遣垃3 0 a l l ，写久低壤乎绩号，遽逮势牙遥嫠接墨芯建8 2 5 5 熬臻墨c 茨p c i 脚输出给灌装启止阀门。或者当按键“结束灌装”按下时，给灌装启止阀门关 爨继号。 灌装启止阀门的开启和关闭信号与计算机之间接口电路逻辑如图2 1 1 所 承。 2 3 2 。4 灌装启止阀门运动状态的监控逻辑 为