蝦殼剝制加工線自動化控制系統(tǒng)設計應用

陳遠輝，趙錫和，張林泉，黃家懌

（廣東省現代農業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630）

0 引言

當前，隨著各相關交叉學科的飛速發(fā)展，日新月異的自動化技術正在越來越廣泛地應用于各行業(yè)、各領域。PLC 技術與網絡技術的結合能較好地滿足自動生產線上各機器本身及各臺機器之間生產節(jié)拍配合的可靠性、實時性與可視化的需求，因此設計自動化生產線控制系統(tǒng)是企業(yè)提高產品質量及經濟效益的必然選擇[1]。

目前，我國的水產品加工裝備整體上還遠落后于發(fā)達國家，對蝦類的剝殼加工作業(yè)基本還是由人工完成，導致生產加工效率極低，且產品易受到環(huán)境、微生物等的污染，出產蝦仁的品質也會深受影響[2]。針對國內蝦類剝殼加工存在的上述問題，由廣東省現代農業(yè)裝備研究所研制開發(fā)了輥軸式蝦殼剝制加工線，本文針對此蝦殼剝制自動化加工線的控制需求，基于“全集成自動化TIA”理念，設計了以SIMATIC S7-1200 PLC為主控制器的自動化控制系統(tǒng)。

1 蝦殼剝制自動加工原理及生產工藝流程

1.1 工作原理

進入此生產線的原料蝦須進行去頭處理，將去頭后的原料蝦從均布喂料裝置均勻送入，經過蝦殼剝制主機、循環(huán)水過濾、殘殼去除、雜質分離等工序后，最后經由末段整理輸送裝置將剝制好的蝦仁進行整理收集。

蝦殼剝制自動加工線主機由揉搓機構和剝殼機構組成，蝦首先要經過揉搓，通過揉搓解除蝦肉與蝦殼的粘連，最后進行擠壓剝殼。

揉搓機構工作原理如圖1 所示。揉搓機構與輥軸的上下相對位置可根據蝦大小調節(jié)，上下揉搓的運動速度可實時調節(jié)，所以凸輪旋轉機構的速度應具備實時高效的速度調節(jié)功能[3]。

圖1 揉搓機構工作理圖

剝殼機構工作原理如圖2 所示，輥軸Ⅱ和輥軸Ⅳ通過齒輪嚙合傳動朝相反方向旋轉，兩輥軸在相向運動過程中會不斷調節(jié)蝦的姿態(tài)[4]。輥軸的旋轉運動要求能進行較大范圍的速度調節(jié)，速度變化時剝制輥軸具有恒轉矩特性，旋轉的角度值范圍能實現快速靈活調節(jié)，旋轉角度要求準確可靠，正反旋轉換向需要有快速切換能力。

圖2 剝殼機構工作原圖

1.2 生產工藝流程

原料(去頭)蝦由傾斜布置的變頻調速輸送帶均勻上料，經過最高點后下落至加速輸送帶，此處的原料蝦被輸送帶加速送至剝制主機喂料口，此時1～4#水泵已同步開啟，圖1 的凸輪機構在變頻調速電機的帶動下，帶動揉搓機構上下運動。圖2 剝殼機構的各組輥軸由伺服電機及減速裝置組成的傳動副，帶動剝制輥軸成對作正反向相向的旋轉運動，實現蝦肉和蝦殼分離，1#水泵作為主水泵，其輸出的水流夾帶蝦仁到殘殼去除裝置，對少量此前未完全去殼的蝦仁進行殘殼去除處理，然后進入到蝦仁清洗提升工序，最后通過4#水泵注水水流對蝦仁清洗分離后由輸送平帶完成出料，2#回水泵注水水流將蝦殼送入旋轉滾筒處收集后進行統(tǒng)一清理，3 #泵注水水流將循環(huán)水送回1#水泵的給水池，以保持生產用水可以循環(huán)重復利用。整線生產工藝流程如圖3所示。

2 蝦殼剝制自動加工控制系統(tǒng)結構組成

S7-1200 PLC 控制系統(tǒng)是目前中小型自動控制領域性價比較優(yōu)的產品之一[5]，本控制系統(tǒng)采用西門子CPU 1214C 型號的控制器，它通過PROFINET 通信方式，實現全集成自動化TIA 的控制功能。

圖3 蝦殼剝制加工生產工藝流程圖

根據剝制輥軸的工作原理，圖2 的剝制輥軸動力源采用SINAMICS V90PN 伺服驅動器和伺服電機，該伺服系統(tǒng)和S7-1200 配合使用構成一個合理、經濟、完美的伺服驅動系統(tǒng)。SINAMICS V90PN 伺服驅動器與SIMOTICS 1FL6 伺服電機配合使用，組成的伺服系統(tǒng)性能優(yōu)異、簡單易用、性價比高、運行可靠，在自動化生產中應用廣泛。而采用符合工業(yè)以太網的PROFINET 通訊，選用西門子報文111，PZD-12/12，通過FB38002 功能塊進行編程，SINAMICS V90PN 伺服得以通過其內部位置環(huán)的EPOS 位置控制方式，達到減少安裝布線、簡化編程、高效定位控制功能。

根據揉搓機構的運動過程，圖1 揉搓機構的凸輪驅動裝置采用SINAMICS G120 變頻器進行控制，它是屬于模塊化的變頻器，控制單元（CU）和功率模塊（PM）是構成變頻器所必需的主要模塊。本機選用CU240E-2PN 控制單元和PM240-2 變頻器功率單元，配置西門子標準報文20，PZD 2/6，通過PROFINET 工業(yè)以太網通信方式實現對揉搓機構凸輪驅動電機控制。

除揉搓機構外，原料提升輸送、殘殼去除整理、蝦仁雜質清洗分離均采用SINAMICS G120 實現變頻驅動，通過PROFINET 網絡通信及標準報文實現調速功能。1～4#水泵共4 路水泵、加速輸送網帶、旋轉滾筒、蝦仁(雜質)分離提升機、末段整理輸送帶共4 套配套裝置的動力源均由PLC 自帶I/O 模塊的繼電器觸點，經過中間繼電器進行信號放大后，配置相應的交流接觸器電路去驅動控制相應的馬達運作。

控制系統(tǒng)均在統(tǒng)一的TIA Portal 軟件開發(fā)平臺進行硬件組態(tài)，蝦殼剝制自動加工線控制網絡結構組成如圖4 所示。

圖4 蝦殼剝制加工線控制系統(tǒng)網絡結構

3 蝦殼剝制自動加工控制系統(tǒng)程序設計

本系統(tǒng)選擇在西門子公司的全集成自動化TIA Portal 軟件的開發(fā)平臺下編程。TIA 博途是一款高度集成的自動化軟件開發(fā)平臺，它幾乎可以將所有西門子PLC、HMI 和驅動裝置等這些產品集成到這款軟件中進行組態(tài)配置及編程調試?；赑rofinet 網絡“一網到底”的理念，通過一條網絡建立通信共享任務，實現了高效組態(tài)和高效編程。

3.1 揉搓機構凸輪傳動的變頻驅動控制

針對實際機器的運行狀態(tài)及加工對蝦規(guī)格等指標，通過上位機HMI 發(fā)送指令去控制揉搓機構凸輪驅動電機的啟動、停止，對揉搓機構的傳動馬達設置相應的頻率轉速。在TIA Potal 軟件開發(fā)平臺上完成對SINAMICS G120 變頻器進行硬件設備組態(tài)及軟件報文配置，此處配置西門子標準報文20，其輸入地址為6 個字，報文輸出地址為2 個字。

PLC 端給變頻器輸入的給定轉速數值的計算[6]方法為

"轉速輸入值"＝"設定轉速rpm" * 16 384/1 500式中 "轉速輸入值"就是PLC端給變頻器寫入的轉速數值；"設定轉速rpm"指根據不同蝦規(guī)格及加工產量等指標需要給定的揉搓凸輪驅動電機的轉速，r/min。

根據變頻器的啟?？刂谱旨稗D速計算公式，變頻器的轉速控制程序為[7]

3.2 剝制輥軸伺服驅動控制

蝦殼剝制加工輥軸的運行工況要求為：①每個輥軸均需要作正反向的連續(xù)旋轉運動，單一方向的旋轉角度范圍為0～450°可調節(jié)；②輥軸通過減速裝置連接伺服電機，伺服電機的工作轉速范圍為0～2 000 rpm可調節(jié)。由上位機HMI給伺服驅動器發(fā)送相應的轉角和轉速指令控制輥軸的運轉。

控制系統(tǒng)采用PROFINET 網絡連接西門子V90 PN 伺服驅動器，通過發(fā)送指令的方式去控制輥軸的轉動角度和轉動速度。1200 PLC 通過在TIA 博途軟件中安裝的全局驅動庫中的“Easy_SINA_Pos[FB38002]”功能塊實現對V90 伺服的旋轉角度定位控制。

伺服電機通過一套減速裝置連接到剝制輥軸，構成這條傳動鏈的總傳動減速比為i=31∶2。為了方便計算，剝制輥軸的轉角分辨率取1 LU=0.01 °，據此可以計算出輥軸每轉一圈為36 000 LU[8]，此處設置單邊轉動角度的變量名為Ro_Angle（單位為“°”），可計算出輸入給PLC 的長度單位LU 與剝制輥軸轉動角度的計算關系式為

式中 Set_Position為PLC輸入長度單位LU，正負數值分別代表正反旋轉方向；Ro_Angle為上位機HMI給定的角度指令，(°)。

依據1 LU=0.01 °，可得出輥軸伺服電機轉動速度設定值Set_Speed 與PLC 的速度輸入變量Set_Velocity 關系式為

式中 Set_Velocity為輸入至PLC的運行速度數值；Set_Speed為上位機HMI給定的輥軸轉速，r/min。

剝制輥軸伺服自動運行流程如圖5 所示。

對SINAMICS V90 伺服驅動器的調試需要采用專用的SINAMICS V-ASSISTANT 調試軟件，通過Mini USB 電纜與SINAMICS V90 PN 伺服驅動器建立通訊連接，在線對其參數進行調試配置[9,10]。調試工具軟件連接上伺服驅動器后會自動在線識別其型號及固件版本號等相關信息。在伺服調試軟件中需配置伺服基本位置控制EPOS、西門子標準報文111、機械結構傳動比i 等參數并設置好驅動器網絡IP 地址和名稱。在TIA 博途軟件中也要組態(tài)配置V90 PN 伺服驅動器及111 報文，其驅動器的名稱和IP 地址參數必須與調試軟件相符，在全局驅動庫中調入此前已安裝好的“Easy_SINA_Pos”功能塊進行編程。程序設計時主要通過在TIA 博途軟件中建立數據塊變量，然后給功能塊引腳變量賦值去控制伺服系統(tǒng)運行，從全局驅動庫中調用的“Easy_SINA_Pos”功能塊的結構如圖6 所示。

圖5 蝦殼剝制輥軸伺服運行流程

點動運行模式狀態(tài)，對蝦殼剝制輥軸伺服編寫的點動控制程序為

圖6 “Easy_SINA_Pos”功能塊結構

3.3 系統(tǒng)控制界面設計

系統(tǒng)操作運行控制界面如圖7 和圖8 所示。圖7為主操作界面，主要是實現對各工序的現場操作及對設備運行狀態(tài)、故障報警等信息的全面監(jiān)控。蝦殼剝制主機的剝制輥軸轉速、轉角及各變頻調速機構的速度參數均可在此頁面進行監(jiān)視。

圖8 為參數設置及調用界面，對蝦殼剝制主機經過優(yōu)化后的運轉參數，根據不同規(guī)格蝦寫入相對應的剝制輥軸轉速、轉角及揉搓機構的運行速度數值，實現這些歷史參數在此頁面進行輸入與調用。

圖7 系統(tǒng)運行操作界面

圖8 系統(tǒng)參數設置調用界面

4 結語

本文設計的蝦殼剝制加工線自動化控制系統(tǒng)，采用了全集成自動化軟件TIA Portal 開發(fā)平臺下進行組態(tài)編程，通過一條網絡與變頻、伺服、HMI 連接，建立通信共享任務，達到簡化安裝布線、組態(tài)編程高效的目標，是一個可靠、經濟、高效的自動控制系統(tǒng)。本設備通過在試制階段的多次改進及測試驗證后投入使用，控制系統(tǒng)運行可靠，完全滿足了蝦殼剝制自動加工生產工藝流程要求?，F在由機器替代了以前需要由人工完成蝦殼剝制的大部分工作，使現場生產作業(yè)人員從繁重的體力勞動中解放出來，顯著提升了加工效率和產品質量，取得了良好的社會效益和經濟效益，有著廣闊的應用前景。