基于PLC的自動化包裝生產(chǎn)線集成控制系統(tǒng)設(shè)計

楊振波

（廣州科技職業(yè)技術(shù)大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東廣州 510550）

1 引言

商品包裝應(yīng)包含諸如商標(biāo)、品牌、形狀、顏色、圖案及材料等元素[1]。為實現(xiàn)包裝過程的自動化，形成了包裝自動化生產(chǎn)線，自動化包裝生產(chǎn)線可以將自動包裝機(jī)、輔助設(shè)備及輸送裝置按照產(chǎn)品的包裝工藝順序組合在一起，再配以相應(yīng)的檢測、控制、自動調(diào)節(jié)補(bǔ)償裝置等裝置而成，不需人工直接參與操作[2]。同時為包裝生產(chǎn)線設(shè)計開發(fā)了相應(yīng)的控制系統(tǒng)，例如，袁立祥等人研究了基于智能網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的車輪加工自動化生產(chǎn)線[3]；涂明玉等人設(shè)計了一種全自動泡罩藥品包裝生產(chǎn)線，采用SolidWorks 軟件對各個結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模及裝配，以實現(xiàn)藥品泡罩包裝的自動化生產(chǎn)[4]；郭政良等人采用TIA portal v14 軟件進(jìn)行程序編寫，從而設(shè)計了筒子紗包裝自動整列系統(tǒng)[5]。盡管很多學(xué)者都對此進(jìn)行了研究，但以上系統(tǒng)存在控制效率低等問題，為此，本文將PLC設(shè)備引入到傳統(tǒng)系統(tǒng)中，研究了一種基于PLC 的自動化包裝生產(chǎn)線集成控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過讀取開關(guān)數(shù)量、模擬數(shù)量等數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存入內(nèi)部寄存器，完成定時控制、計數(shù)和數(shù)值操作等規(guī)定的功能，之后通過輸出到機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)自動化流程，再通過PLC 設(shè)備的應(yīng)用來實現(xiàn)自動化包裝生產(chǎn)線集成控制。

2 自動化包裝生產(chǎn)線集成控制硬件系統(tǒng)設(shè)計

圖1為自動化包裝生產(chǎn)線集成控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。

圖1 集成控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 集成控制系統(tǒng)元器件選型

2.1.1 PLC控制器

加強(qiáng)PLC 控制器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計可提高計算機(jī)的可靠性，更適合復(fù)雜工業(yè)環(huán)境，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PLC控制器結(jié)構(gòu)圖

PLC 控制器為周期掃描工作方式，當(dāng)開關(guān)閉合時，其系統(tǒng)內(nèi)部開始初始化；初始化結(jié)束后，自動檢測系統(tǒng)各模塊的具體狀態(tài)。若某個模塊異常，控制器將發(fā)出故障信號，PLC控制器停機(jī)。自檢完成后進(jìn)入通訊處理階段，通過外部接口信號檢測PLC 控制器連接的外部設(shè)備。在組態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，PLC 控制器調(diào)用相應(yīng)的通信指令，與其他PLC 控制器、HMI 等工控設(shè)備或智能模塊建立通信，并對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。PLC控制器在建立通訊模式處理通訊數(shù)據(jù)后，需要從外部接口接收傳感器和機(jī)械設(shè)備的輸入信號。當(dāng)接收外部信號的PLC 控制器外圍服務(wù)完成后，PLC 控制器處于運(yùn)行模式，執(zhí)行用戶從PLC控制器下載程序指令，執(zhí)行完用戶程序后，其進(jìn)行輸入輸出數(shù)據(jù)刷新操作，通過輸出模塊驅(qū)動外部設(shè)備進(jìn)行實際輸出。

2.1.2 稱重傳感器

由于需要精確到±0.1g，考慮到機(jī)器的機(jī)械振動，稱重范圍在0～500g 之間，因此最終選用YZC-282 四線制稱重傳感器，其特性參數(shù)見表1。

表1 稱重傳感器特征參數(shù)

2.1.3 變頻器

選擇變頻器需要考慮包裝生產(chǎn)線上的機(jī)械負(fù)荷，還需考慮電機(jī)的額定電流，由于變頻器在工作時可能會有高次濾波，所以實際工作電流和額定電流可能有差別[6]。據(jù)此，得出變頻器額定輸出電流計算公式為：

式中，IM和ICN分別為變頻器的執(zhí)行負(fù)載工作電流和額定輸出電流，而參量l為波形修正系數(shù)。另一個選擇變頻器的條件是要仔細(xì)研究電機(jī)功率和變頻器額定功率的關(guān)系[7]。通常需要滿足變頻器的額定功率為電動機(jī)額定功率的1-2倍。其計算公式為：

式中，PCN和PM分別為變頻器和電動機(jī)的額定輸出功率，參數(shù)η為電動機(jī)的效率，cos φ為功率因數(shù)[8]?？傮w而言，控制系統(tǒng)采用SIMENSMM440-220/3 變頻器，根據(jù)電機(jī)驅(qū)動負(fù)載的實際運(yùn)行狀態(tài)，選擇變頻器額定功率2.2KW，SIMENSMM440-220/3變頻器額定輸出電流5.9A，主要型號為6SE6440-2UD22-2BA0。

2.1.4 觸摸屏

按照自動包裝生產(chǎn)線的控制要求實現(xiàn)人機(jī)交互界面，以使操作者操作開關(guān)，控制執(zhí)行元件參數(shù)。另外，PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)、輸入輸出狀態(tài)顯示在觸摸屏上，可根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行狀態(tài)修改觸摸屏上的PLC預(yù)定參數(shù)[9]。為使觸摸屏操作性好、功能完善并與大多數(shù)PLC品牌兼容，本文采用7英寸威綸通觸摸屏MT8071PB型號。

2.2 系統(tǒng)電路設(shè)計

利用PLC 的狀態(tài)邏輯線圈驅(qū)動電磁閥，當(dāng)主機(jī)以20Hz的低速運(yùn)行、主機(jī)自動輸入生產(chǎn)線的電流信號時，主機(jī)將生產(chǎn)線上光電編碼器的反饋信號反饋給PLC，以確定的匹配速度運(yùn)行。LI1 用于控制變頻器端子中開關(guān)啟動和停止的數(shù)量，AII 是接收PLC 模擬值的端子[10]。主電路輸入220V 50HZ工頻電壓，通過變頻器內(nèi)部數(shù)字電路的積分和AI模擬量對應(yīng)的線性關(guān)系，最終輸出相應(yīng)的頻率，控制電機(jī)運(yùn)行。圖3顯示變頻器的控制接線。

圖3 變頻器接線圖

同理可以對自動化包裝生產(chǎn)線集成控制系統(tǒng)中其他元器件連接電路、電源電路等部分進(jìn)行改裝。

3 自動化包裝生產(chǎn)線集成控制系統(tǒng)軟件功能設(shè)計

3.1 分析自動化包裝生產(chǎn)線工藝流程

圖4表示的是自動化包裝生產(chǎn)線的基本工藝流程。

圖4 包裝生產(chǎn)線工藝流程圖

圖4的工藝過程可具體分為清洗、整料、升降、輸送、包裝、切削壓痕、分級等步驟。稱量過程是生產(chǎn)線上的重要環(huán)節(jié)之一，電子稱量先進(jìn)行初始標(biāo)定，在空載、機(jī)械調(diào)零后，ARM 取一定的數(shù)據(jù)量，然后求平均值，得到一個數(shù)值D0并將其保存，在此之后ARM 每次采集到一個數(shù)字量Di，都需要用Di減去D0，即：

然后調(diào)零進(jìn)行空載判斷，若需要調(diào)零，請調(diào)用A/D采樣程序采集，得到數(shù)值零點D0，將D0保存至系統(tǒng)中。通過A/D轉(zhuǎn)換，采集的電壓信號變成了無因次數(shù)據(jù)，為了能直觀地看到待包裝產(chǎn)品的實時質(zhì)量，需要將這些無因次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成所需觀察的實際重量值為：

其中，Wx和Wm分別為實際重量和標(biāo)定重量，Dx和Dm分別是Wx和Wm對應(yīng)的數(shù)字量，參數(shù)A為增益系數(shù)。為得到稱量產(chǎn)品的真實質(zhì)量，在硬件電路測試之前，必須先用標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行靜態(tài)稱量以完成標(biāo)定，獲得一組數(shù)據(jù)Wm和Dm，計算出增益系數(shù)A，因此，得到了線性關(guān)系變換式，該變換式可以得到包裝產(chǎn)品的實際質(zhì)量。把準(zhǔn)備好的相關(guān)包裝材料和包裝產(chǎn)品放在操作臺上，然后按照包裝步驟自動得到包裝結(jié)果。

3.2 確定包裝生產(chǎn)線機(jī)械控制對象

自動包裝生產(chǎn)線綜合控制系統(tǒng)主要控制對象有袋裝機(jī)、裝袋機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等。在確定的包裝生產(chǎn)線機(jī)械控制對象上安裝PLC控制器，通過編寫和驅(qū)動PLC控制程序，實現(xiàn)包裝生產(chǎn)線機(jī)械的控制。

3.3 編寫PLC控制程序

采用PLC 對偏差比例、積分、微分進(jìn)行PLC 控制，在模擬量控制系統(tǒng)中，PID控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 PID控制原理圖

r(t)為系統(tǒng)給定值，c(t)為實際輸出，U(t)為被控制量，系統(tǒng)偏差量可以表示為：

則PID控制的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中，變量U(t)和e(t)分別為被控制量和偏差量，參數(shù)Kp、Ti和Td分別為比例系數(shù)、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)。通過模擬PID中的積分、微分運(yùn)算值的無限逼近來實現(xiàn)控制數(shù)字PID。

3.4 實現(xiàn)自動化包裝生產(chǎn)線集成控制

提出電動機(jī)速度控制中的S型加減速控制方式，將速度控制總體設(shè)計過程分為七個階段即：加減速運(yùn)動、勻加速運(yùn)動、勻加速運(yùn)動、勻減速運(yùn)動、勻減速運(yùn)動、勻減速運(yùn)動、勻減速運(yùn)動。它在時間t上的加速度J為：

式中，ti為速度規(guī)劃七個階段的時間轉(zhuǎn)折點。同理可以對自動化包裝生產(chǎn)線上的其他工序和設(shè)備進(jìn)行控制，在PLC控制器的調(diào)度下，實現(xiàn)對多個設(shè)備的集成控制以及對整個自動包裝生產(chǎn)線的控制。

4 系統(tǒng)測試

為測試設(shè)計系統(tǒng)的有效性，設(shè)計系統(tǒng)測試實驗，從控制效果方面，體現(xiàn)設(shè)計集成控制系統(tǒng)的優(yōu)勢。系統(tǒng)實際照片如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)實際情況

4.1 配置系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)運(yùn)行開發(fā)軟件為S7-300編程軟件。當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)變數(shù)達(dá)到要求時顯示綠線，否則顯示藍(lán)虛線，并在變數(shù)位置顯示該變數(shù)的當(dāng)前值，以通過變色進(jìn)行調(diào)試。用該編程軟件編制設(shè)計系統(tǒng)，其主控模塊編程界面見圖7。

圖7 系統(tǒng)主控制模塊編程界面

4.2 設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置指設(shè)置硬件系統(tǒng)中各個設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，以變頻器設(shè)備為例，其參數(shù)設(shè)置情況見表2。

表2 變頻器參數(shù)設(shè)置表

同理可得出其他硬件設(shè)備的參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)。

4.3 描述系統(tǒng)測試過程

實驗中的對比項分別為文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)，將系統(tǒng)導(dǎo)入實驗環(huán)境中，得出計算機(jī)可以直接識別的程序代碼，通過三種控制系統(tǒng)的運(yùn)行得出其運(yùn)行界面，其中設(shè)計控制系統(tǒng)的自動運(yùn)行界面如圖8所示。

圖8 集成控制系統(tǒng)自動運(yùn)行界面

在此基礎(chǔ)上準(zhǔn)備包裝產(chǎn)品、包裝原料以及包裝生產(chǎn)線機(jī)械，為保證實驗的可操作性選擇固態(tài)規(guī)則形狀的產(chǎn)品作為待包裝產(chǎn)品樣本，樣本數(shù)量為2000個，選擇其中部分樣本作為訓(xùn)練樣本。實驗控制性能測試就是對比在不同控制系統(tǒng)下包裝結(jié)果合格率變化情況。

4.4 系統(tǒng)測試結(jié)果分析

通過對不同控制系統(tǒng)下包裝合格數(shù)量的統(tǒng)計，得出系統(tǒng)控制性能的測試結(jié)果，如表3所示。

由表3可知，三種控制系統(tǒng)下包裝合格率為95.9%、97.6%和99.4%，由此可見，設(shè)計系統(tǒng)具有較高的控制性能，可有效提升包裝生產(chǎn)線的運(yùn)行效率以及包裝結(jié)果的合格率。

表3 系統(tǒng)控制性能測試對比結(jié)果

為了進(jìn)一步分析設(shè)計系統(tǒng)的可行性，再次對三種系統(tǒng)的包裝效率進(jìn)行對比，可得到實驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同系統(tǒng)包裝效率對比結(jié)果

由圖9可知，與另外兩種系統(tǒng)進(jìn)行對比可知，本文設(shè)計系統(tǒng)能夠在保證包裝合格率的基礎(chǔ)上保證包裝效率，最高包裝效率可達(dá)到98%，遠(yuǎn)高于另外兩種系統(tǒng)，而且更加穩(wěn)定。由此可知，設(shè)計系統(tǒng)在保障包裝生產(chǎn)線高效運(yùn)行方面存在一定應(yīng)用價值。

5 結(jié)束語

為提升包裝生產(chǎn)線的運(yùn)行效果，本文以PLC 為控制核心進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計，通用性強(qiáng)，可靠性高，編程簡單，實現(xiàn)了與機(jī)器人、圖像檢測系統(tǒng)的通信，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的效率和合格率。