高效全自動(dòng)液體灌裝機(jī)控制系統(tǒng)

崔 楊，柳 成，程艷明，牛 晶

(1.北華大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，吉林 吉林 132021；2.吉林化纖集團(tuán)有限責(zé)任公司，吉林 吉林 132115)

灌裝機(jī)是將液態(tài)產(chǎn)品按工藝要求裝成桶裝產(chǎn)品的設(shè)備.灌裝容器大多數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)的200 L油桶，直徑為600 mm，注入口直徑一般為60 mm.灌裝嘴安裝在兩套伺服驅(qū)動(dòng)絲杠的二維平臺(tái)上，直徑大約50 mm左右，因灌裝嘴直徑與油桶口直徑相對(duì)接近，因此，二維平臺(tái)中灌裝嘴的定位非常重要，要避免灌裝嘴與灌裝孔刮碰，損壞灌裝嘴，或因油桶注入口識(shí)別不準(zhǔn)，影響生產(chǎn)，造成浪費(fèi)，危害健康.全自動(dòng)液體灌裝機(jī)主要由視覺(jué)、伺服控制的定位、氣動(dòng)灌裝及傳送部分組成[1].文獻(xiàn)[2]論述了基于西門(mén)子S7-200 PLC控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)灌裝定量的方法，但是沒(méi)有設(shè)計(jì)灌裝機(jī)定位控制系統(tǒng)，精度也不高；文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制的自尋口稱(chēng)重式灌裝機(jī)，但存在一定的應(yīng)用局限性，推廣度不高；文獻(xiàn)[4]介紹了PLC、觸摸屏和稱(chēng)重儀表聯(lián)網(wǎng)組成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在全自動(dòng)液體灌裝機(jī)中的應(yīng)用，但未涉及灌裝機(jī)定位控制精度問(wèn)題.本文結(jié)合文獻(xiàn)[1]，利用線性自抗擾控制策略，進(jìn)一步對(duì)液體灌裝機(jī)二維灌裝平臺(tái)進(jìn)行精確定位，實(shí)現(xiàn)灌裝嘴與灌裝桶口的精確跟隨；通過(guò)MATLAB仿真驗(yàn)證所提出的線性自抗擾控制策略的可行性.

1 灌裝機(jī)工作原理

本系統(tǒng)以可編程邏輯控制器(PLC)S7-300作為控制主體，在硬件連接上，以PLC作為控制系統(tǒng)的核心部件，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)、觸摸屏及各種底層設(shè)備直接通信.PLC通過(guò)TCP/IP口與上位機(jī)、觸摸屏通信，實(shí)時(shí)接收產(chǎn)品資料和生產(chǎn)參數(shù)；驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)傳送帶進(jìn)入油桶，當(dāng)油桶進(jìn)入指定位置后，PLC通過(guò)TCP/IP口與工業(yè)相機(jī)通信，獲取工業(yè)相機(jī)識(shí)別的油桶注入口位置信息；采用線性自抗擾控制算法，實(shí)現(xiàn)灌裝二維工作臺(tái)控制灌裝嘴與油桶注入口位置的高速動(dòng)態(tài)控制[6-8]，驅(qū)動(dòng)二維工作臺(tái)的X、Y軸伺服電機(jī)動(dòng)作，控制灌裝嘴調(diào)整，實(shí)現(xiàn)灌裝嘴與油桶注入口的精確定位；通過(guò)RS485口與生產(chǎn)線中的稱(chēng)重儀表通信，采集油桶灌裝質(zhì)量，PLC依據(jù)通過(guò)上位機(jī)獲取的產(chǎn)品資料和生產(chǎn)參數(shù)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)元件完成相應(yīng)動(dòng)作.系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1.

2 灌裝機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 注入口檢測(cè)視覺(jué)設(shè)計(jì)

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)[5]是功能完善的一體式圖像采集處理

系統(tǒng)，包括圖像采集、處理、網(wǎng)絡(luò)連接、視頻輸出顯示、通信以及工業(yè)I/O控制功能，能快速、簡(jiǎn)便地構(gòu)成在線機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng).本次采用200萬(wàn)像素機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，8 mm鏡頭，檢測(cè)距離約1 000 mm，檢測(cè)范圍為900×800視野，配選570 mm長(zhǎng)條形光源.視覺(jué)系統(tǒng)原理見(jiàn)圖2.

為準(zhǔn)確識(shí)別油桶注入口在平面中的坐標(biāo)，需進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換.首先由視覺(jué)系統(tǒng)采集部分識(shí)別油桶注入口坐標(biāo)，得到目標(biāo)后進(jìn)行坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)圖像采集坐標(biāo)與二維平臺(tái)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，為灌裝做好準(zhǔn)備.標(biāo)定后的視覺(jué)精度可達(dá)0.01 mm，檢測(cè)速度為10件/s.

2.2 滾珠絲杠二維平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.2.1 二維平臺(tái)描述

灌裝機(jī)平面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3.工業(yè)相機(jī)檢測(cè)到灌裝口坐標(biāo)后控制灌裝嘴A(x1，y1)快速到達(dá)油桶注入口B(x2，y2)，將灌裝嘴固定在二維平臺(tái)上.平臺(tái)由兩臺(tái)伺服電機(jī)及絲杠系統(tǒng)構(gòu)成，因環(huán)境惡劣對(duì)灌裝效率及定位要求更高.本設(shè)計(jì)針對(duì)伺服電機(jī)與絲杠結(jié)構(gòu)的非線性以及平面中X、Y軸之間互相耦合對(duì)控制效率的影響提出了線性自抗擾控制器[6]解耦控制方法，實(shí)現(xiàn)在平面上由灌裝嘴到灌裝桶口的高效率、高精度運(yùn)行.

2.2.2 滾珠絲杠二維平臺(tái)建模

絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程可寫(xiě)為

(1)

在式(1)中加入摩擦力和擾動(dòng)，可得

(2)

滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程式(2)可轉(zhuǎn)換為

(3)

二維滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)為兩個(gè)輸入、兩個(gè)輸出相互間量耦合，數(shù)學(xué)表達(dá)為

(4)

綜合式(3)、(4)可得到二維平臺(tái)系統(tǒng)方程：

2.2.3 線性自抗擾控制策略

線性自抗擾控制策略具有強(qiáng)魯棒性，不依賴(lài)于模型的建立，其控制思想是單獨(dú)對(duì)各軸進(jìn)行控制，將各軸之間的耦合參數(shù)、建模時(shí)省略的因素以及實(shí)際運(yùn)行中的擾動(dòng)都統(tǒng)一處理為干擾，進(jìn)行補(bǔ)償，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)二維平臺(tái)的高效、精確控制.如圖5所示，當(dāng)工業(yè)相機(jī)采集到油桶注入口的坐標(biāo)后，控制系統(tǒng)立刻計(jì)算灌裝嘴A與油桶注入口B的距離，生成X、Y軸的運(yùn)動(dòng)軌跡，驅(qū)動(dòng)二維滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)快速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)灌裝嘴A與油桶注入口B的高速、精確定位.

2.2.4 仿真試驗(yàn)

仿真試驗(yàn)在MATLAB環(huán)境中進(jìn)行.將建立好的二維滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)模型、自抗擾控制器各部分模型均用S函數(shù)進(jìn)行封裝，在SIMULINK中完成.試驗(yàn)標(biāo)稱(chēng)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 二維滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameter of two dimensional ball screw feed system

采用線性自抗擾控制策略控制，線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器參數(shù)β1=1，β2=6 000，β3=1 000，得到軌跡跟蹤控制仿真曲線，見(jiàn)圖6.

由圖6 a可見(jiàn)：二維滾珠絲杠平臺(tái)上的灌裝嘴A尋找油桶注入口B的運(yùn)動(dòng)軌跡為直線，其波動(dòng)很小.圖6 b為系統(tǒng)運(yùn)行在1 s加入幅值為75 mm的三角波擾動(dòng)后的波形，圖6 c、d分別為X軸和Y軸的跟蹤軌跡與直線運(yùn)動(dòng)軌跡的對(duì)比波形.可以看出：系統(tǒng)加入擾動(dòng)后，X軸和Y軸一直進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)且跟蹤誤差很小，抗擾動(dòng)性能較強(qiáng)，因此保證了系統(tǒng)的高效運(yùn)行及精確定位.

2.3 氣動(dòng)灌裝控制

本灌裝機(jī)采用增壓氣缸來(lái)進(jìn)行液體灌裝[7-8]，工作原理見(jiàn)圖7.當(dāng)光電管檢測(cè)到傳送帶上的油桶后，欄桿入口氣缸動(dòng)作，使油桶停止前進(jìn)，并向PLC發(fā)出信號(hào)，PLC控制二維平臺(tái)動(dòng)作；當(dāng)灌裝嘴行進(jìn)到油桶注入口后，油嘴架氣缸動(dòng)作，將灌裝嘴深入油桶底部，此時(shí)主氣缸動(dòng)作，進(jìn)行灌裝；當(dāng)稱(chēng)重儀表檢測(cè)到相應(yīng)罐裝份量后，停止灌裝，待灌裝嘴完全從油桶中抽出后，欄桿出口氣缸打開(kāi)；油桶隨傳送帶移出灌裝區(qū)域.在灌裝過(guò)程中，溢流閥起到過(guò)載保護(hù)作用.

3 小結(jié)與討論

本灌裝機(jī)設(shè)計(jì)采用機(jī)器視覺(jué)、線性自抗擾控制及氣動(dòng)灌裝等技術(shù).通過(guò)工業(yè)相機(jī)采集灌裝油桶注入口平面位置坐標(biāo)點(diǎn)，針對(duì)灌裝機(jī)滾珠絲杠系統(tǒng)二維平臺(tái)中的X軸和Y軸之間強(qiáng)耦合的關(guān)系，提出用線性自抗擾控制策略對(duì)其模型進(jìn)行解耦控制，實(shí)現(xiàn)在平面上灌裝嘴到灌裝桶口的高效率及高精度運(yùn)行；采用增壓氣缸進(jìn)行液體灌裝，最終實(shí)現(xiàn)有毒有害環(huán)境下化工產(chǎn)品的全自動(dòng)灌裝.本裝置已應(yīng)用于某化工廠，平均灌裝速度由約50桶/h提高到60桶/h，提高了灌裝效率，實(shí)現(xiàn)了灌裝嘴精確定位，保障了生產(chǎn)安全.