基于HMI和PLC的食品包裝箱碼垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

錢振華 王榮揚(yáng) 左希慶

(湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，浙江 湖州 313000)

?

基于HMI和PLC的食品包裝箱碼垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

錢振華 王榮揚(yáng) 左希慶

(湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，浙江 湖州 313000)

介紹一種專門用于食品包裝箱的碼垛機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用PLC對升降電機(jī)和行走電機(jī)分別進(jìn)行伺服和變頻控制，實現(xiàn)了抓箱機(jī)械手升降運(yùn)動的精確位置控制和平移運(yùn)動的速度控制，有效地提高了碼垛的可靠性和效率。HMI的使用使得操作碼垛機(jī)更為直觀和便捷，同時也有利于碼垛機(jī)工作狀態(tài)的監(jiān)控及系統(tǒng)的維護(hù)。

HMI；PLC；碼垛；控制

隨著物流設(shè)備制造業(yè)的興起和自動化技術(shù)的發(fā)展，自動化控制的碼垛機(jī)逐漸開始替代人工碼垛。碼垛機(jī)可以對各種已包裝的食品箱進(jìn)行全自動碼垛作業(yè)，并把食品包裝箱按一定的排列模式自動堆碼成所需垛形以便擺放和運(yùn)輸。根據(jù)不同的應(yīng)用場合，碼垛機(jī)主要可以分為橋式[1]、機(jī)器人式[2]和高位全自動碼垛機(jī)[3]等。

當(dāng)前在食品包裝箱碼垛機(jī)控制技術(shù)中較為常見的有基于DSP運(yùn)動控制器的SCARA 機(jī)器人式[4]、采用工業(yè)控制計算機(jī)和DSP的關(guān)節(jié)機(jī)器人式[5]，以及基于運(yùn)動控制器的坐標(biāo)式碼垛機(jī)[6]等。DSP運(yùn)動控制器一般作為下位機(jī)，與作為上位機(jī)的工業(yè)控制計算機(jī)可組成功能強(qiáng)大的運(yùn)動控制系統(tǒng)，但其工作穩(wěn)定性、可靠性較差，不適合作為碼垛機(jī)的控制核心。而可編程控制器(PLC)是一種專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置，具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、功能強(qiáng)大、易于系統(tǒng)開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，且與人機(jī)界面(HMI)易于組成可視化的操作界面，非常適合作為碼垛機(jī)的控制核心。根據(jù)某食品公司的碼垛要求，開發(fā)一種專門用于食品包裝箱的橋式碼垛機(jī)。采用HMI與PLC控制技術(shù)，運(yùn)用伺服驅(qū)動和變頻調(diào)速技術(shù)，設(shè)計碼垛機(jī)的控制系統(tǒng)。該碼垛機(jī)具有友好的人機(jī)界面，操作直觀、簡便，工作可靠、易于維護(hù)。

1 碼垛機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

碼垛機(jī)主要由托盤輸送機(jī)構(gòu)1、碼垛機(jī)械手3、升降電機(jī)4、行走電機(jī)5、空托盤進(jìn)給機(jī)構(gòu)7等組成，見圖1。碼垛機(jī)的工作原理：

① 食品包裝箱6經(jīng)包裝機(jī)輸送至碼垛機(jī)械手3下方，待機(jī)械手3抓取后升降電機(jī)4正轉(zhuǎn)，驅(qū)動機(jī)械手上升；

② 上升到位后行走電機(jī)5正轉(zhuǎn)，驅(qū)動機(jī)械手橫向移動到托盤2上方；

③ 橫向移動到位后，升降電機(jī)4反轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)械手下降，下降到位后釋放包裝箱；

④ 升降電機(jī)4正轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)械手上升，上升到位后行走電機(jī)5反轉(zhuǎn)，驅(qū)動機(jī)械手回到抓取工作位置上方，等待下次抓取；

⑤ 一個托盤的碼垛為9層，每層4只包裝箱。

1. 托盤輸送機(jī)構(gòu) 2. 托盤 3. 碼垛機(jī)械手 4. 升降電機(jī) 5. 行走電機(jī) 6. 食品包裝箱 7. 空托盤進(jìn)給機(jī)構(gòu)

圖1 碼垛機(jī)結(jié)構(gòu)圖

Figure 1 Stacking machine structure

2 碼垛機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)食品包裝箱碼垛機(jī)整體結(jié)構(gòu)和工作原理，并考慮碼垛機(jī)作業(yè)環(huán)境和操作人員素質(zhì)，其控制系統(tǒng)應(yīng)滿足如下要求[7]：

① 升降電機(jī)和行走電機(jī)需進(jìn)行精確位置控制，實現(xiàn)穩(wěn)定、高效運(yùn)動；

② 系統(tǒng)具有一定的可擴(kuò)展性，以便與輸送線進(jìn)行協(xié)調(diào)控制；

③ 具備友好的人機(jī)界面，易于操作和維護(hù)；

④ 具有高可靠性、安全性和穩(wěn)定性；

⑤ 保持作業(yè)環(huán)境整潔、衛(wèi)生、無污染。

依據(jù)上述要求，設(shè)計的碼垛機(jī)控制系統(tǒng)總體方案見圖2。

圖2 碼垛機(jī)控制系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)選用西門子CPU226可編程控制器(帶晶體管輸出型)作為控制核心，并采用EM223模塊作為外部輸入輸出信號的擴(kuò)展。該型PLC處理速度快、價格適中，且具有一定的擴(kuò)展能力，主要用于控制伺服驅(qū)動器、變頻器、電磁閥及其它外部I/O數(shù)字量的處理等任務(wù)。人機(jī)界面(HMI)選用了步科(Kinco) MT4414TE觸摸屏，其作為上位機(jī)接受來自操作人員的操作指令，并向作為下位機(jī)的PLC發(fā)出指令控制碼垛機(jī)的運(yùn)行。在觸摸屏上還能夠顯示故障報警信息和碼垛層數(shù)等信息，便于操作人員觀察運(yùn)行狀態(tài)和維護(hù)設(shè)備。PLC與觸摸屏之間采用PPI-RS485通信。

升降電機(jī)采用臺達(dá)ECMA系列伺服電機(jī)，功率為3 kW，配備ASDA-B2伺服電機(jī)驅(qū)動器。伺服驅(qū)動器與PLC、升降電機(jī)及其編碼器的接線圖見圖3。圖3中Q0.0和Q0.1為來自PLC的控制信號。其中Q0.0為脈沖信號，控制伺服電機(jī)的位移量；Q0.1為方向信號，控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向。

行走電機(jī)為三相交流異步電動機(jī)，功率為0.4 kW，采用西門子MM440變頻器控制。變頻器和行走電機(jī)的控制電路見圖4。圖4中KA01為中間繼電器，通過PLC輸出信號控制KA01相應(yīng)觸點(diǎn)開合，從而控制電機(jī)啟停和不同的轉(zhuǎn)速。KM01為快速制動繼電器，通過PLC輸出信號控制KA01E觸點(diǎn)的吸合來控制KM01線圈的通斷電，從而控制行走電機(jī)的快速制動。變頻器主要參數(shù)設(shè)置：P700為2，P1000為3，P1001為50，P1002為25，P1003為10，P1004為-50，P1005為-20，P1006為-8。參數(shù)P1001～P1006為頻率設(shè)定，決定了行走的速度快慢，可根據(jù)實際工況進(jìn)行調(diào)整。

考慮到該碼垛機(jī)用于食品行業(yè)，因此抓箱機(jī)械手采用氣動控制，具有動作迅速、清潔無污染的特點(diǎn)。分別用1個氣動電磁閥來控制機(jī)械手氣爪的開合和推箱氣缸的伸縮，氣缸上均安裝有磁性開關(guān)，用于檢測氣缸活塞的運(yùn)動位置。

圖3 伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)控制電路

圖4 變頻器和行走電機(jī)的控制電路

3 碼垛機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 PLC控制程序

碼垛機(jī)控制系統(tǒng)的PLC程序采用模塊化設(shè)計方案[8]，設(shè)計了以下子程序：初始化子程序、手動模式子程序、自動模式子程序、報警和安全處理子程序、托盤輸送子程序、抓箱控制子程序、推箱控制子程序、升降控制子程序、行走控制子程序等。程序流程圖見圖5。

圖5 碼垛機(jī)控制程序流程圖

各個子程序的功能：

(1) 初始化子程序：負(fù)責(zé)碼垛機(jī)控制系統(tǒng)啟動和控制參數(shù)初始化，并對工作模式、電機(jī)保護(hù)和急停故障等進(jìn)行復(fù)位操作。

(2) 手動模式子程序：負(fù)責(zé)手動調(diào)整抓箱機(jī)械手的上、下、左、右的位置，手動控制抓手的打開和關(guān)閉，手動推箱和手動托盤輸送等。

(3) 自動模式子程序：按照包裝箱碼垛的工作流程，控制碼垛機(jī)自動運(yùn)行。

(4) 報警和安全處理子程序：負(fù)責(zé)電機(jī)故障、抓手故障、急停故障、超程故障等的判斷和處理。

(5) 托盤輸送子程序：控制托盤輸送機(jī)構(gòu)將空托盤送入碼垛機(jī)和將滿托盤輸送出碼垛機(jī)。

(6) 抓箱控制子程序：控制抓箱機(jī)械手對包裝箱的抓取和釋放。

(7) 推箱控制子程序：控制推箱氣缸的伸出和縮回。

(8) 升降控制子程序：負(fù)責(zé)升降電機(jī)的位置控制，包括機(jī)械手抓取位置和每層堆垛的放置位置等，通過對伺服驅(qū)動器的脈沖和方向控制來實現(xiàn)。

(9) 行走控制子程序：負(fù)責(zé)行走電機(jī)的控制，包括正反轉(zhuǎn)、加速、減速、制動等，通過對變頻器的外部輸入端子的控制來實現(xiàn)。

程序編寫過程中，對升降電機(jī)的位置控制是關(guān)鍵，決定了抓箱機(jī)械手能否到達(dá)適合的抓箱高度抓取包裝箱。在Step7-microwin軟件中，提供了位置控制向?qū)砼渲肞LC內(nèi)置的PTO/PWM操作，方便位置控制子程序的生成[9]。根據(jù)上述硬件設(shè)計，本設(shè)計采用Q0.0作為脈沖發(fā)生器，用于線性脈沖串輸出(PTO)。通過位置控制向?qū)Э梢耘渲秒姍C(jī)運(yùn)行的最高速度、最低速度、啟停速度以及加減速時間，并能按照不同的控制要求選擇相對位置和單速連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)這2種運(yùn)動包絡(luò)。由此可見，只要知道碼垛機(jī)械手每層的工作高度所對應(yīng)的伺服電機(jī)編碼器的脈沖數(shù)，就能夠定義相應(yīng)的相對位置運(yùn)動包絡(luò)[10]。設(shè)編碼器為2 500線(四倍頻后每周脈沖數(shù)為10 000 p/r)，每層堆垛對應(yīng)的編碼器脈沖數(shù)P’為：

(1)

式中：

H——食品包裝箱的高度，mm；

P——傳動鏈輪的節(jié)距，mm；

Z——傳動鏈輪的齒數(shù)。

3.2 人機(jī)界面

人機(jī)界面采用步科提供的Kinco HMIware組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計，組態(tài)軟件的運(yùn)行基于PC機(jī)。新建工程后，首先需選擇設(shè)備：在元件庫窗口的HMI選項中選擇MT4414TE，并拖入拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)窗口；在元件庫窗口的PLC選項中選擇SIMENSE S7-200(SMART)，并拖入拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)窗口；在元件庫窗口的通訊連接選項中選擇串口，并拖入拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)窗口；用串口線將MT4414TE和PLC的COM0口連接起來。然后還需配置通訊參數(shù)：將MT4414TE的COM0口通訊類型設(shè)置為RS-485-2，將波特率設(shè)為9 600；將PLC站號設(shè)為2。在人機(jī)界面的組態(tài)過程中，使用了組態(tài)軟件元件庫中PLC選項中的報警顯示元件、位狀態(tài)指示燈元件、位狀態(tài)切換開關(guān)元件分別作為故障報警、碼垛層數(shù)顯示和控制按鈕，設(shè)計的人機(jī)界面見圖6。組態(tài)完成還需將工程進(jìn)行編譯，然后再通過PC機(jī)下載至觸摸屏中即可運(yùn)行。

4 結(jié)論

基于PLC控制的食品包裝箱碼垛機(jī)控制系統(tǒng)通過對升降電機(jī)的伺服控制和行走電機(jī)的變頻控制，實現(xiàn)了抓箱機(jī)械手升降運(yùn)動的精確位置控制和平移運(yùn)動的速度控制，從而保證了食品包裝箱的順利碼垛，有效地提高了碼垛的可靠性。

圖6 碼垛機(jī)控制系統(tǒng)人機(jī)界面

人機(jī)界面的使用使得操作碼垛機(jī)更為直觀和便捷，同時也有利于碼垛機(jī)工作狀態(tài)的監(jiān)控及系統(tǒng)的維護(hù)。在實際使用中，該碼垛機(jī)可在3 min內(nèi)完成一個托盤的包裝箱碼垛。該系統(tǒng)的開發(fā)對于提高包裝箱碼垛的效率、加快企業(yè)的物流周轉(zhuǎn)以及減輕工人的體力勞動等方面有著重要作用，因而具有廣闊的市場前景。

[1] 王莉, 李艷貞, 牛群峰, 等. 一種基于無線通訊的橋式碼垛機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 制造業(yè)自動化, 2014(10): 93-96.

[2] 李曉剛, 劉晉浩. 碼垛機(jī)器人的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀、問題及對策[J]. 包裝工程, 2011(3): 96-102.

[3] 左青, 王貴生. 全自動碼垛機(jī)的應(yīng)用[J]. 中國油脂, 2010，35(2): 64-66.

[4] 楊灝泉, 李濤, 張勇, 等. 基于DSP運(yùn)動控制器的拆垛、碼垛SCARA機(jī)器人研制[J]. 昆明理工大學(xué)學(xué)報: 理工版, 2004, 29(6): 54-58.

[5] 李成偉, 朱秀麗, 贠超. 碼垛機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計與控制系統(tǒng)研究[J]. 機(jī)電工程, 2008, 25(12): 81-84.

[6] 吳曉強(qiáng), 黃云戰(zhàn), 趙永杰. 基于運(yùn)動控制器的食品成品箱碼垛機(jī)設(shè)計[J]. 食品與機(jī)械, 2015, 31(1): 104-106.

[7] 張豐華, 韓寶玲, 羅慶生, 等. 基于PLC 的新型工業(yè)碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 計算機(jī)測量與控制, 2009，17(11): 2 191-2 196.

[8] 董愛梅. 基于PLC的聚乙烯包裝碼垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 包裝工程, 2005, 26(1): 39-40.

[9] 郝萬新. 基于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動自動生產(chǎn)線輸送系統(tǒng)的PLC控制[J]. 自動化與儀器儀表, 2012(6): 172-173.

[10] 朱學(xué)建, 馬永, 馮渝, 等. 直角坐標(biāo)機(jī)器人瓶坯裝箱生產(chǎn)線控制系統(tǒng)[J]. 食品與機(jī)械, 2012, 28(6): 187-189.

Design of stacking machine control system of food packaging box based on HMI and PLC

QIANZhen-huaWANGRong-yangZUOXi-qing

(HuzhouVocational&TechnicalCollege,Huzhou,Zhejiang313000,China)

The automatic control stacking machine gradually replace manual palletizing along with the rise of logistics equipment manufacturing industry and the development of automation technology. A special control system for food packaging box stacking machine is introduced. The PLC is used to carry on the servo and the frequency conversion control to the elevator motor and the traveling motor respectively. And the precise position control and the speed control of the movement of the manipulator are realized. The reliability and efficiency of stacking is improved. It is more intuitive and convenient to the operator by the use of HMI, and is useful to the monitoring and maintenance work of the stacking machine system.

HMI; PLC; stacking; control

湖州市公益性技術(shù)應(yīng)用研究(編號：2015GZ02)

錢振華(1980—)，男，湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士。

E-mail: 8638648@qq.com

2016—01—28

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.10.024