高速食品分量機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 歡，韓震宇，沈小龍

（四川大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都610065）

隨著工業(yè)化進(jìn)程進(jìn)一步深入，自動(dòng)控制技術(shù)正不斷被應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)乃至日常衣食住行之中，食品分量包裝更是現(xiàn)代社會(huì)快生活節(jié)奏帶動(dòng)下自動(dòng)化技術(shù)的熱點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域之一，尤其是快餐、航空配餐等盒裝食品生產(chǎn)行業(yè)[1]。為此，設(shè)計(jì)了一種集機(jī)電氣一體的高速食品分量機(jī)械對(duì)待分量食物進(jìn)行等體積高速分量，通過改變PLC 高速脈沖口脈沖輸出頻率調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的速度以控制系統(tǒng)上料速度，系統(tǒng)運(yùn)行過程中PLC 采集氣缸位置傳感器以及食盒傳感器信號(hào)控制閥島電磁閥開關(guān)以控制氣缸動(dòng)作完成物料等體積分量以及食物填充。系統(tǒng)采用西門子S7-200 Smart 系列的PLC以及精彩系列HMI 700IE V3，Smart 系列是西門子針對(duì)中低端應(yīng)用設(shè)計(jì)的PLC，具備高性能、低成本等特點(diǎn)，精彩系列HMI 用以對(duì)設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理調(diào)試，監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)并調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，極大增強(qiáng)了系統(tǒng)自動(dòng)化程度以及人機(jī)交互友好性。

1 高速食品分量機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)由主控部分、閥島、下料部分以及食盒和物料傳送等部分組成。系統(tǒng)組成原理如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)組成原理圖

其中，主控部分以PLC 作為控制核心、HMI 作為運(yùn)行監(jiān)控單元配合外圍傳感器電路及輔助電路完成控制工作；閥島部分包含電磁閥閥體、閥芯以及控制總線，負(fù)責(zé)控制氣體以及清洗液體開閉；下料部分由兩個(gè)往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)的氣缸作為主要執(zhí)行部件，結(jié)合氣缸位置傳感器控制食盒填料時(shí)機(jī)以及分量體積。食盒和物料傳輸部分負(fù)責(zé)傳送食盒與系統(tǒng)上料工作，物料傳輸帶由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，送入透明管道后由高度傳感器進(jìn)行物料高度測(cè)量，食盒傳輸速度由速度傳感器進(jìn)行測(cè)量。

1.2 工作原理

系統(tǒng)上電自檢后進(jìn)入運(yùn)行模式后PLC 開啟物料傳送伺服電機(jī)，并發(fā)送高速脈沖控制物料進(jìn)入系統(tǒng)的速度，物料通過漏斗進(jìn)入透明管道，并由高度傳感器進(jìn)行測(cè)量，達(dá)到初始物料設(shè)定值后暫停上料，下料部分氣缸動(dòng)作完成物料等體積切分及轉(zhuǎn)移，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備下料狀態(tài)等待食盒到來。系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)后，食盒傳送部分啟動(dòng)，PLC 根據(jù)食盒速度傳感器控制氣缸動(dòng)作時(shí)間，將完成分量的物料準(zhǔn)確填入食盒內(nèi)，與此同時(shí)PLC 控制電機(jī)啟動(dòng)，繼續(xù)上料使系統(tǒng)進(jìn)入下一個(gè)準(zhǔn)備下料狀態(tài)，如此循環(huán)工作完成食盒快速填料。

切料分量部分的分量過程如圖2 所示。

圖2 分量過程

圖2 中，黑色部分為物料，各氣缸伸出位置由位置傳感器測(cè)定。兩氣缸分別帶動(dòng)切刀和滑塊，上料完成后為狀態(tài)①，切刀伸出進(jìn)入為狀態(tài)②，此時(shí)切刀和滑塊上表面之間的物料便是設(shè)定好的分量體積，接著滑塊縮回使切分好的物料填入滑塊進(jìn)入狀態(tài)③，食盒到來滑塊伸出進(jìn)入狀態(tài)④，接著切刀縮回回到狀態(tài)①，往復(fù)動(dòng)作完成物料等體積切分和填料工作過程。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)分量機(jī)的功能要求對(duì)系統(tǒng)控制電路的控制核心、傳感器以及外圍電路進(jìn)行選擇。分量機(jī)系控制統(tǒng)選用西門子公司的s7-200 smart 系列PLC，該系列PLC 結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉且具有功能強(qiáng)大的指令集，其CPU 模塊ST20 提供12 kb程序存儲(chǔ)空間和8 kb 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，帶有2 路輸出頻率高達(dá)100 kHz 的脈沖輸出口、12 點(diǎn)數(shù)字輸入、8 點(diǎn)數(shù)字輸出，最高支持6 個(gè)拓展模塊[2]。為保證操作安全，系統(tǒng)各運(yùn)動(dòng)部件處都裝有安全磁性開關(guān)，需要大量的數(shù)字量輸入接口，因此最終控制核心選用CPU 模塊ST20 配合I/O 拓展模塊DT32。與smart 系列PLC 配合使用的人機(jī)交互界面（HMI）為西門子精彩系列觸摸屏，確定HMI 為西門子smart line 700IE v3。傳感器部分主要包括高/速度傳感器和安全傳感器，為降低成本和PLC 數(shù)據(jù)處理工作、提高系統(tǒng)集成性和穩(wěn)定性，高/速度傳感器使用自研的以STM32 為核心的電路板，配合激光發(fā)射器和光敏器件進(jìn)行速度和高度測(cè)量，并通過modbus 協(xié)議傳輸給PLC[3]。安全傳感器根據(jù)在控制系統(tǒng)中應(yīng)用場(chǎng)合又包括接觸式和非接觸式兩種，綜合成本和功能考慮，接觸式傳感器選用歐姆龍GLS-1，非接觸式傳感器選用基恩士PZ2-41。電機(jī)選用臺(tái)達(dá)伺服ASDA-B2 系列，電磁閥選用費(fèi)斯托電磁閥并配合總線型閥島使用。硬件系統(tǒng)總體控制方案如圖3 所示[4]，HMI 通過以太網(wǎng)通信與PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，高/速度傳感器通過RS485 總線向PLC 傳輸數(shù)據(jù)，總線型閥島及其余傳感器和受控部件與PLC數(shù)字量I/O口直連。硬件系統(tǒng)總體控制方案如圖3 所示。

圖3 硬件系統(tǒng)總體控制方案

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件包括PLC 控制程序、HMI 組態(tài)程序以及高/速度傳感器控制程序，主要完成系統(tǒng)各部件控制、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)測(cè)量以及故障報(bào)警等工作。其中高/速度傳感器主要負(fù)責(zé)通過AD 采樣對(duì)食盒速度以及食物高度信息進(jìn)行采集并做計(jì)算，最后打包傳送給PLC，此處不做詳細(xì)敘述。

3.1 PLC 程序設(shè)計(jì)

PLC 控制程序主要包含上電自檢程序、自動(dòng)化工作程序、報(bào)警程序以及通信程序，其中上電自檢主要完成系統(tǒng)各處磁性安全開關(guān)以及光電安全開關(guān)，防止運(yùn)動(dòng)部件安裝不到位時(shí)啟動(dòng)機(jī)器造成安全事故。自動(dòng)化工作程序?yàn)樵O(shè)備主控程序，根據(jù)各傳感器信息控制閥島上各電磁閥的開閉實(shí)現(xiàn)氣缸往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)以及各輔助氣路的開閉，同時(shí)通過改變脈沖輸出頻率控制伺服電機(jī)速度以完成上料速度控制，保證透明管道內(nèi)食物高度滿足系統(tǒng)設(shè)定值。報(bào)警程序負(fù)責(zé)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，一方面自動(dòng)化工作程序會(huì)記錄設(shè)備各運(yùn)動(dòng)部件使用次數(shù)，一旦達(dá)到使用壽命則會(huì)在HMI 界面進(jìn)行報(bào)警；另一方面設(shè)備運(yùn)行過程中安全開關(guān)、各運(yùn)動(dòng)部件出現(xiàn)故障或物料不足時(shí)，報(bào)警程序也會(huì)通過運(yùn)行狀態(tài)指示燈進(jìn)行報(bào)警。通信程序負(fù)責(zé)與高/速度傳感器進(jìn)行通信，獲取處理好的食盒速度以及食物高度信息。

系統(tǒng)控制流程如圖4 所示，其中運(yùn)行模式為主要控制程序，清洗模式和測(cè)試模式則是為了方便機(jī)器日常運(yùn)行維護(hù)，可通過HMI 進(jìn)行選擇。

圖4 系統(tǒng)控制流程圖

3.2 HMI 組態(tài)程序

HMI 作為自動(dòng)化控制中最友好的人機(jī)交互接口，可以靈活運(yùn)用圖文界面代替?zhèn)鹘y(tǒng)工控設(shè)備實(shí)體按鈕和旋鈕等，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控以及參數(shù)設(shè)定工作。高速分量機(jī)HMI 界面采用Winccflexible 進(jìn)行組態(tài)，主要包括主界面、報(bào)警界面、運(yùn)行監(jiān)控界面、設(shè)置界面、清洗界面以及測(cè)試界面。

界面樣式如圖5 所示。

圖5 HMI 主要界面

其中主界面負(fù)責(zé)設(shè)備各個(gè)模式切換；運(yùn)行監(jiān)控界面為自動(dòng)化工作狀態(tài)下界面，可顯示物料信息以及食盒速度以及相關(guān)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)；設(shè)置界面可以對(duì)設(shè)備所有參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，如輔助下料功能開閉、自動(dòng)停止時(shí)間設(shè)置、真空系統(tǒng)設(shè)置等；清洗界面主要對(duì)各個(gè)清洗電磁閥進(jìn)行控制，完成設(shè)備清洗工作；測(cè)試界面主要為了測(cè)量各受控部件工作性能，方便設(shè)備調(diào)試以及故障排查；報(bào)警界面使用Winccflexible 提供的報(bào)警組態(tài)功能，一旦PLC 自檢或者報(bào)警程序檢測(cè)到故障發(fā)生并置位某報(bào)警變量則HMI 顯示相應(yīng)的報(bào)警信息。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

設(shè)備加工完成并經(jīng)過調(diào)試后可滿足食物分量功能，分量精度方面由于采用等體積分量方式，精度稍遜于稱重方式，采用干燥玉米粒進(jìn)行測(cè)試時(shí)分量誤差可控制在設(shè)定值±7%以內(nèi)，并且誤差會(huì)隨著分量體積增大逐步減少，但分量速度得到極大提升，在使用干燥玉米粒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，最高分量填裝速度可達(dá)70 盒/分鐘，相較傳統(tǒng)手工稱重分量方式不到20 盒/分鐘的情況有了極大改善。

高速分量機(jī)采用PLC 和HMI 為控制核心，利用高/速度傳感器測(cè)量物料以及食盒速度，能夠準(zhǔn)確控制食盒落料精度以及設(shè)備內(nèi)部物料狀態(tài)，同時(shí)采用切刀氣缸和滑塊氣缸結(jié)合的方式對(duì)物料進(jìn)行等體積分量，保證了分量的精度以及速度。系統(tǒng)用閥島系統(tǒng)對(duì)氣動(dòng)元件進(jìn)行控制，相較傳統(tǒng)氣路板以及電氣分離控制方式極大程度提高了控制系統(tǒng)電氣集成度。系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中穩(wěn)定可靠，維護(hù)方便，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行也可保證物料高速準(zhǔn)確分量能力。