陶瓷球計(jì)數(shù)裝袋機(jī)控制系統(tǒng)及界面設(shè)計(jì)

周井玲，翟春樹，楊蘇云，王星星

（南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通226000）

隨著自動(dòng)化生產(chǎn)的發(fā)展，產(chǎn)品包裝過程中的自動(dòng)控制技術(shù)直接影響包裝工作的效率，可靠性和物力消耗等，是包裝的關(guān)鍵技術(shù)。在我國，包裝產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，技術(shù)日益成熟，企業(yè)在滿足基本包裝要求的同時(shí)，更加注重包裝過程中高效，準(zhǔn)確和人性化的操作［1-2］。陶瓷球計(jì)數(shù)裝袋直接影響產(chǎn)品包裝數(shù)量的準(zhǔn)確性和包裝的效率。作為包裝過程中的重要一環(huán)，其智能化和人性化程度亟待提高，以降低操作的復(fù)雜性，提高計(jì)數(shù)裝袋的準(zhǔn)確度和效率。目前PLC 技術(shù)已經(jīng)成為提高生產(chǎn)設(shè)備控制系統(tǒng)效率的主要方法之一［3-5］，配合觸摸屏操作界面使得人機(jī)交互更加方便［6-7］。文中采用基于PLC和觸摸屏的控制系統(tǒng)，應(yīng)用于計(jì)數(shù)裝袋機(jī)，并對(duì)人機(jī)界面進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，提高控制系統(tǒng)的可操作性，實(shí)現(xiàn)智能化。

1 裝袋控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)計(jì)數(shù)裝袋機(jī)的運(yùn)行和功能要求，采用光纖傳感器對(duì)陶瓷球進(jìn)行信號(hào)采集，通過PLC對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行處理并顯示在人機(jī)界面上，依靠伺服電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)裝袋，其中以PLC為基礎(chǔ)的伺服控制器的作用顯而易見。計(jì)數(shù)裝袋機(jī)的PLC控制系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 控制系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Control system diagram

其各部分功能介紹如下。轉(zhuǎn)盤控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功能為接收PLC 和HMI 輸入的運(yùn)轉(zhuǎn)命令及轉(zhuǎn)動(dòng)角度設(shè)定，監(jiān)測編碼器傳回的脈沖信號(hào)，獲得轉(zhuǎn)動(dòng)角度及轉(zhuǎn)動(dòng)位置，控制伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度及同步定位動(dòng)作。光纖傳感器的主要功能是信號(hào)檢測，產(chǎn)生脈沖，獲得陶瓷球的數(shù)量。人機(jī)界面（HMI）的功能為接收參數(shù)設(shè)定數(shù)據(jù)及顯示設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。PLC 的功能為處理基本接口，傳動(dòng)，開關(guān)信號(hào)。伺服電機(jī)功能為帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，編碼器靠軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而帶動(dòng)編碼器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，輔助整個(gè)系統(tǒng)完成裝袋功能。PLC控制系統(tǒng)一方面處理光纖傳感器的脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)，一方面控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到較高的工作效率，使計(jì)數(shù)裝袋順利進(jìn)行。

1.2 流程說明

計(jì)數(shù)裝袋機(jī)流程設(shè)計(jì)是該控制系統(tǒng)的核心，同時(shí)是人機(jī)界面設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。通過研究，整個(gè)工作過程主要分為送球，計(jì)數(shù)，裝袋。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)傳送帶實(shí)現(xiàn)陶瓷球的送料，計(jì)數(shù)則由光纖傳感器與PLC配合完成，通過電磁閥實(shí)現(xiàn)對(duì)擋流板的控制，從而精確控制每袋陶瓷球的數(shù)量，陶瓷球最后通過導(dǎo)流道順利進(jìn)入包裝袋中。主要流程控制見圖2。

圖2 流程控制Fig.2 Process control diagram

伺服控制系統(tǒng)主要控制機(jī)械裝置完成送球、截流和裝袋轉(zhuǎn)動(dòng)的協(xié)調(diào)。送球速度很關(guān)鍵，如果速度過快就會(huì)產(chǎn)生陶瓷球顆粒流的瓶頸效應(yīng)，造成堵塞，影響設(shè)備的工作。陶瓷球每觸動(dòng)光纖傳感器的光軸1 次就會(huì)產(chǎn)生1 次脈沖，PLC 就會(huì)對(duì)此計(jì)數(shù)1 次，需要注意的是傳感器與PLC 的工作頻率一定要滿足系統(tǒng)要求，否則會(huì)造成計(jì)數(shù)的不準(zhǔn)確。當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，擋流板迅速落下，延時(shí)，陶瓷球入袋，伺服控制系統(tǒng)最終完成轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)。觸摸屏人機(jī)界面可隨時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行停機(jī)和運(yùn)行的控制，同時(shí)也可設(shè)定批量計(jì)數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)角度，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行控制。

2 PLC與觸摸屏控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 PLC與觸摸屏控制系統(tǒng)

PLC使用方便，編程簡單，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)［7-8］。PLC 已被廣大用戶公認(rèn)為最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一。目前相關(guān)領(lǐng)域的研究著重于對(duì)控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高設(shè)備的整體質(zhì)量和工作效率［9-11］。本文所述計(jì)數(shù)裝袋機(jī)在樣機(jī)設(shè)計(jì)和測試中，控制系統(tǒng)采用三菱FX 系列的PLC作為主控核心，與三菱GOT1000系列觸摸屏連接，三菱FX系列控制主機(jī)與伺服系統(tǒng)通訊，直接對(duì)伺服系統(tǒng)輸入?yún)?shù)，方便程序的編制與修改。三菱FX3U控制器通過擴(kuò)展模塊可以作為執(zhí)行主機(jī)，具有多個(gè)輸入輸出點(diǎn)，可以滿足4道光纖傳感器信號(hào)輸入、啟動(dòng)、停止等各種信號(hào)以滿足應(yīng)用需求［12］?？刂葡到y(tǒng)的基本輸入/輸出規(guī)劃如表1所示。

表1 PLC I/O點(diǎn)規(guī)劃Tab.1 PLC I/O planning chart

整個(gè)控制系統(tǒng)通過PLC 的輸入輸出實(shí)現(xiàn)邏輯控制，通過信號(hào)通訊實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服的控制、人機(jī)界面的執(zhí)行及狀態(tài)的顯示等。整體設(shè)計(jì)按照設(shè)備流程要求利用PLC和觸摸屏配合設(shè)計(jì)完成。

2.2 PLC高速計(jì)數(shù)器的使用

本文所述控制系統(tǒng)中，由傳送帶送球，速度較快，所以光纖傳感器接收的信號(hào)頻率較高，為滿足信號(hào)要求，需要使用PLC 內(nèi)置高速計(jì)數(shù)器。高速計(jì)數(shù)器根據(jù)特定的輸入執(zhí)行動(dòng)作，根據(jù)中斷處理進(jìn)行高速動(dòng)作，它與可編程控制器的掃描周期無關(guān)。需要注意的是PLC 的內(nèi)置高速計(jì)數(shù)器分配在指定的輸入端，輸入端X0，X1，X2，X3 分別對(duì)應(yīng)的內(nèi)置高速計(jì)數(shù)器是C235，C236，C237，C238，不可重復(fù)使用。在計(jì)數(shù)時(shí)，三菱FX 系列PLC內(nèi)置高速計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，需要立即進(jìn)行輸出處理，需要使用高速計(jì)數(shù)器比較置位/復(fù)位指令，即HSCS/HSCR 指令。按設(shè)計(jì)要求當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，擋流板應(yīng)該落下，從而保證此袋球數(shù)量正確，本文程序運(yùn)行過程中總會(huì)出現(xiàn)擋流板不能落下的問題，這是PLC程序掃描周期造成問題，具體解釋就是修改前使用的是（=）指令，在第1 個(gè)掃描周期時(shí)，計(jì)數(shù)值是設(shè)定值的前一個(gè)數(shù)，可是到下一個(gè)周期時(shí)，計(jì)數(shù)值是設(shè)定值的后一個(gè)數(shù)，這樣PLC就捕捉不到設(shè)定值與計(jì)數(shù)值相等的情況，所以擋流板就不會(huì)落下。編者進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，用（>=）指令代替了（=）指令，這樣，即使程序掃描錯(cuò)過了這個(gè)設(shè)定值，在下一次掃描時(shí)計(jì)數(shù)值一定是大于等于設(shè)定值的，這樣PLC 就會(huì)執(zhí)行程序指令，很好地解決了這個(gè)問題，部分示例程序如圖3所示。

圖3 示例程序Fig.3 The sample program

3 控制系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)計(jì)數(shù)裝袋機(jī)的工藝需求，控制系統(tǒng)使用三菱GOT1000 系列觸摸屏，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作、監(jiān)視控制和參數(shù)設(shè)置，主要工作包括：控制功能（運(yùn)行、停止、清零）；參數(shù)的設(shè)置（每袋袋數(shù)、延時(shí)時(shí)長、轉(zhuǎn)動(dòng)角度等）；監(jiān)控及報(bào)警訊息。在控制系統(tǒng)中，操作人員將控制信息通過觸摸屏界面的輸入模塊傳遞給設(shè)備，設(shè)備通過界面的輸出模塊將反饋信息顯示在人機(jī)界面上，達(dá)到人與設(shè)備的信息交流，達(dá)到控制機(jī)器的目的。因此，人機(jī)界面的設(shè)計(jì)關(guān)乎用戶能否正確有效地控制機(jī)器的運(yùn)行。人機(jī)界面設(shè)計(jì)的基本原則有：1）充分考慮顯示與控制的邏輯關(guān)系，以提高工作效率和減少差錯(cuò)；2）充分考慮到實(shí)際的工作環(huán)境及使用需求，以及人的生理特點(diǎn)和形成的動(dòng)作習(xí)慣，合理設(shè)置顯示界面；3）根據(jù)顯示與控制功能組的構(gòu)成，考慮視覺與使用功能，可提高辨識(shí)的效率和準(zhǔn)確度；4）考慮整體布局的美觀性，電子設(shè)備的設(shè)計(jì)不僅要有其實(shí)質(zhì)的功能性，還應(yīng)具有良好的美觀性，貼合用戶的生活，以提高工作效率［13］。

3.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)裝袋機(jī)控制系統(tǒng)人機(jī)界面操作的人機(jī)互動(dòng)性，對(duì)界面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。計(jì)數(shù)裝袋機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，平地?cái)[放，工作氣氛和諧，根據(jù)人機(jī)工程學(xué)理論，界面色彩不宜過于刺激與強(qiáng)烈，也不宜沉悶枯燥，應(yīng)使使用者在工作時(shí)心情愉快。中性灰的顏色可以產(chǎn)生堅(jiān)固有力及穩(wěn)重的視覺感，達(dá)到既穩(wěn)重又生動(dòng)和諧的效果。所以該方案標(biāo)準(zhǔn)色為淺灰色（圖4 中白色部分），見圖4a。藍(lán)色代表沉穩(wěn)，在工業(yè)生產(chǎn)中，具有暗示、警示作用［14］，讓使用者在保持工作效率的同時(shí)，提醒使用者在生產(chǎn)過程中要時(shí)刻保持清醒，對(duì)生產(chǎn)過程中的突發(fā)情況能夠冷靜沉著應(yīng)對(duì)，所以按鍵基色為藍(lán)色（圖4中黑色部分）。報(bào)警顯示選擇橙色（圖4中灰色部分）。

圖4 計(jì)數(shù)裝袋機(jī)界面設(shè)計(jì)Fig.4 Interface design of counting package machine

人機(jī)界面的顯示信息排列以該系統(tǒng)的操作要求和工藝流程為基礎(chǔ)，減少人眼的信息搜索任務(wù)。在人的感知問題上，人會(huì)掃描環(huán)境的突出點(diǎn)，積極地尋找出現(xiàn)的目標(biāo)。當(dāng)在搜索目標(biāo)時(shí)遇到干擾，就常產(chǎn)生視覺誤差，增加錯(cuò)誤操作的概率，使安全性和效率降低。界面首頁上觸摸按鍵按照L型排列方式排列，顯示信息集中在矩形方框內(nèi)，一目了然。時(shí)間放在右上角，日期放在右下角，避免密集集中，簡明清晰。黑體字沒有襯線裝飾，字形端莊，筆畫橫平豎直，所有字體選用黑體。參數(shù)設(shè)置輸入界面是用戶操作最頻繁的界面，也是界面控制系統(tǒng)中最可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的部分。其設(shè)計(jì)的目標(biāo)是：簡化用戶工作，盡可能降低誤操作概率［15］。在設(shè)置參數(shù)界面，按照從左到右的順序，設(shè)置參數(shù)集中在左半部分，確定和返回按鍵設(shè)置在右半部分。用戶設(shè)置參數(shù)時(shí)，點(diǎn)擊數(shù)字框，界面會(huì)彈出鍵盤，鍵盤可拖動(dòng)，操作者在對(duì)某個(gè)參數(shù)進(jìn)行修改時(shí)，也可查看其他參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)值，見圖4b。本文所述人機(jī)界面從人機(jī)工程學(xué)角度來研究界面設(shè)計(jì)，將人機(jī)工程學(xué)理論應(yīng)用在人機(jī)界面的實(shí)際設(shè)計(jì)中，對(duì)計(jì)數(shù)裝袋機(jī)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)提出了具體可行的設(shè)計(jì)原則，使設(shè)計(jì)條理化，創(chuàng)造型設(shè)計(jì)理性化。提高了操作系統(tǒng)的可靠性、舒適性、高效性和識(shí)別的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

計(jì)數(shù)裝袋機(jī)控制系統(tǒng)采用PLC、電氣元件和美觀的觸摸屏，對(duì)計(jì)數(shù)裝袋工藝流程進(jìn)行簡潔、智能控制，充分滿足了流程及控制需求，使設(shè)備以自動(dòng)化的方式運(yùn)行，提高了產(chǎn)品的計(jì)數(shù)精度和效率。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的人機(jī)控制界面，人機(jī)交互更加高效準(zhǔn)確，使得控制系統(tǒng)的可靠性大大增強(qiáng)，便于操作人員的觀察和對(duì)設(shè)備的維護(hù)。本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)通過在計(jì)數(shù)裝袋機(jī)上模擬運(yùn)行調(diào)試，很好地達(dá)到了使用效果，基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，使計(jì)數(shù)裝袋機(jī)的整體設(shè)計(jì)提高了一個(gè)新的層次。

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