基于PLC的綠葉菜包裝袋自動貼標(biāo)機(jī)設(shè)計(jì)

萬均康 彭嘉庚 趙明宇 苗玉彬

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240）

隨著我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，自動化包裝流水線因具有提高生產(chǎn)效率、減少人力勞動成本等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用在蔬菜分揀、稱重和包裝過程。但隨著蔬菜（尤其是綠色菜）自動化包裝流水線的廣泛應(yīng)用，對標(biāo)簽貼附的效率和自動化程度提出了較高要求，即要求經(jīng)過預(yù)稱重、精稱重和包裝后的綠葉菜能被傳送至自動貼標(biāo)機(jī)處，由自動貼標(biāo)機(jī)連續(xù)不斷地在包裝袋表面貼上溯源碼標(biāo)簽（消費(fèi)者能通過掃描綠葉菜溯源碼，追溯到綠葉菜的產(chǎn)地、種植、質(zhì)量檢測等全部信息[1]）。

目前，自動貼標(biāo)機(jī)大部分是針對食品、日化和制藥等行業(yè)進(jìn)行專門設(shè)計(jì)的，且貼標(biāo)機(jī)大多采用間歇送標(biāo)簽、剝離標(biāo)簽、扶壓標(biāo)簽等方式來實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的貼附[2-5]，有的貼標(biāo)機(jī)采用“推手”的貼標(biāo)設(shè)計(jì)方式，此類設(shè)備雖然可以解決編織袋等非平面的貼標(biāo)問題，但是此類設(shè)備的占地面積大且不輕便[6]；有的貼標(biāo)機(jī)基于機(jī)器視覺，通過邊緣檢測和輪廓提取來實(shí)時(shí)定位包裝盒，可為包裝盒進(jìn)行實(shí)時(shí)貼標(biāo)，但此類設(shè)備僅限于包裝盒體貼標(biāo)，通用性不強(qiáng)[7]；劉錦航[8]設(shè)計(jì)了自動貼標(biāo)控制系統(tǒng)的狀態(tài)機(jī)、步進(jìn)電機(jī)控制，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對自動貼標(biāo)控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，但該系統(tǒng)的參數(shù)較多，且系統(tǒng)操作復(fù)雜。當(dāng)待貼標(biāo)物體接近貼標(biāo)機(jī)時(shí)，貼標(biāo)機(jī)帶動標(biāo)簽紙帶到達(dá)貼標(biāo)位置，然后將標(biāo)簽直接壓在待貼標(biāo)物體上。但上述設(shè)備大多要求待貼標(biāo)物體表面平整[9]，而綠葉菜包裝袋在傳送帶輸送時(shí)，表面柔軟且凹凸不平，再加上上述設(shè)備在貼標(biāo)時(shí)容易對綠葉菜造成機(jī)械損傷，故上述設(shè)備難以對綠葉菜包裝袋進(jìn)行貼標(biāo)。在此背景下，筆者針對目前綠葉菜包裝生產(chǎn)線對標(biāo)簽即稱、即打、即貼的自動化需求以及綠葉菜的自身特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于PLC（可編程邏輯控制器，Programmable Logic Controller，簡稱PLC）的綠葉菜包裝袋自動貼標(biāo)機(jī)（以下簡稱PLC自動貼標(biāo)機(jī)）。該貼標(biāo)機(jī)能自動檢測包裝袋是否到位，能快速準(zhǔn)確地貼附溯源碼標(biāo)簽，且貼標(biāo)效率和自動化程度較高。為促進(jìn)PLC自動貼標(biāo)機(jī)的推廣應(yīng)用，筆者擬對該P(yáng)LC自動貼標(biāo)機(jī)的總體設(shè)計(jì)、硬件和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)際測試情況等進(jìn)行總結(jié)介紹，以供參考。

1 PLC自動貼標(biāo)機(jī)的總體設(shè)計(jì)

PLC自動貼標(biāo)機(jī)的設(shè)計(jì)目的是實(shí)現(xiàn)對綠葉菜包裝袋的自動化標(biāo)簽貼附，即在傳送帶輸送已包裝好的袋裝綠葉菜時(shí)，貼標(biāo)機(jī)能自動檢測包裝袋是否放置到位，并約束和固定包裝袋的位置，然后依次完成標(biāo)簽打印、標(biāo)簽吸附、標(biāo)簽貼附等一系列流水式作業(yè)動作[10-11]。整個(gè)流程無需人工干預(yù)，同時(shí)能保證標(biāo)簽不漏貼、不重貼，且貼標(biāo)作業(yè)不會對綠葉菜造成機(jī)械損傷。PLC自動貼標(biāo)機(jī)控制系統(tǒng)的任務(wù)是要確保上述工作流程中的各種作業(yè)動作按照時(shí)序正確執(zhí)行。

1.1 主要構(gòu)成

PLC自動貼標(biāo)機(jī)由PLC、電氣控制柜、傳感器和氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。其中，PLC作為中央控制器，其輸入端子連接各種傳感器信號，輸出端子連接驅(qū)動電磁閥線圈，控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作；電氣控制柜提供合適的交流和直流電源；多種類型的傳感器分別用于檢測包裝袋和標(biāo)簽是否到位、氣缸是否完成動作；氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為限位氣缸、平動氣缸、豎直氣缸和真空吸盤，用于完成包裝袋限位、標(biāo)簽吸附和標(biāo)簽貼附等動作。

1.2 工作流程

PLC自動貼標(biāo)機(jī)的貼標(biāo)過程分為限位、取標(biāo)、回位、貼標(biāo)四個(gè)階段，其工作流程見圖1。具體工作流程為：當(dāng)檢測到綠葉菜包裝袋就位后，限位氣缸將待貼標(biāo)的綠葉菜包裝袋限位。光電對射開關(guān)檢測標(biāo)簽是否打印完成[12]，若標(biāo)簽已打印完成，平動氣缸開始進(jìn)行標(biāo)簽吸附，并由真空吸盤抽氣吸附標(biāo)簽（其中，由稱重機(jī)對傳送帶上的綠葉菜包裝袋進(jìn)行精稱重，稱重?cái)?shù)據(jù)通過RS-485接口和MODBUS協(xié)議傳送到上位機(jī)。上位機(jī)由此獲取溯源碼、本地日期和重量等內(nèi)容，生成打印驅(qū)動命令。標(biāo)簽打印機(jī)采用熱轉(zhuǎn)印模式將數(shù)據(jù)按設(shè)定好的位置格式打印在標(biāo)簽上。標(biāo)簽打印完成后等待真空吸盤吸附，且標(biāo)簽打印過程與貼附過程兩者并行處理、相對隔離）。當(dāng)檢測到標(biāo)簽吸附完成后，平動氣缸復(fù)位，準(zhǔn)備標(biāo)簽貼附。豎直氣缸向下伸出，將標(biāo)簽貼附在綠葉菜包裝袋上，即貼標(biāo)簽過程完成，整個(gè)流程動作連續(xù)流暢。然后，各缸復(fù)位等待下一次循環(huán)。

圖1 PLC自動貼標(biāo)機(jī)的工作流程

2 PLC自動貼標(biāo)機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

PLC自動貼標(biāo)機(jī)的硬件由PLC、電源模塊、傳感器和氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電磁閥驅(qū)動模塊組成。其中，PLC作為中央控制器，負(fù)責(zé)接收傳感器信號并據(jù)此執(zhí)行相應(yīng)指令，控制電磁閥線圈的通斷；電源模塊為系統(tǒng)提供所需要的交流電源和直流電源；傳感器檢測綠葉菜包裝袋和標(biāo)簽是否就位、氣缸是否完成動作；氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電磁閥驅(qū)動模塊分別驅(qū)動三個(gè)不同安裝位置的平動氣缸和真空吸盤，用于實(shí)現(xiàn)綠葉菜包裝袋限位、標(biāo)簽吸附和標(biāo)簽貼附。

2.1 控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)

綠葉菜包裝袋自動貼標(biāo)機(jī)控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)見圖2。具體為：PLC的輸入端子連接氣缸磁性開關(guān)和光電開關(guān)（氣缸磁性開關(guān)檢測氣缸動作是否完成，光電開關(guān)檢測包裝袋和標(biāo)簽是否就位），輸出端子連接繼電器（繼電器通過改變電磁閥兩端線圈的通電，控制氣缸和真空發(fā)生器的動作及方向）。稱重機(jī)借助RS485接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊。上位機(jī)通過U S B接口傳輸數(shù)據(jù)到標(biāo)簽打印機(jī)ARGOX DX-4300。PLC和上位機(jī)的通訊通過以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)。

圖2 PLC自動貼標(biāo)機(jī)控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)

PLC采用西門子S7-200 SMART，型號為CPU ST20，該P(yáng)LC采用模塊化結(jié)構(gòu)，體積小，重量輕，具有豐富的I/O接口模塊，適用于自動化生產(chǎn)線的順序控制，CPU模塊上集成了1個(gè)以太網(wǎng)接口和1個(gè)RS485接口，用普通網(wǎng)線即可實(shí)現(xiàn)程序的下載和監(jiān)控[13-14]。依據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，PLC需要5個(gè)數(shù)字量輸入端口和7個(gè)輸出端口，硬件連線見圖3。PLC輸入端口是對綠葉菜包裝袋和標(biāo)簽是否就位、氣缸是否完成動作進(jìn)行判斷，輸出端口則是對氣缸的伸出和縮回進(jìn)行控制。

圖3 PLC自動貼標(biāo)機(jī)控制系統(tǒng)PLC的硬件接線

分別采用光電對射開關(guān)和光電發(fā)射開關(guān)對綠葉菜包裝袋和標(biāo)簽進(jìn)行檢測。具體為：光電對射開關(guān)安裝在傳送帶兩側(cè)（選用歐姆龍光電對射開關(guān)E3ZT61），綠葉菜包裝袋傳送過來時(shí)，其對光線有遮擋作用，但光電對射開關(guān)能很好地檢測到信號。標(biāo)簽表面為白色，對紅外線的反射效果好，當(dāng)標(biāo)簽打印完成后，光電反射開關(guān)（選用的光電反射開關(guān)型號為E3Z-D61）能快速檢測到標(biāo)簽是否打印完成。傳感器采用NPN型輸出，按PLC接口要求接至輸入端子。

氣缸磁性開關(guān)用于檢測氣缸行程的位置，采用NPN三線制，接線頭反應(yīng)靈敏。當(dāng)氣缸的磁環(huán)接近磁性開關(guān)時(shí)，磁性開關(guān)能產(chǎn)生電信號，當(dāng)磁環(huán)遠(yuǎn)離磁性開關(guān)時(shí)，電信號消失，以此來判斷氣缸動作是否完成。

2.2 氣動回路設(shè)計(jì)

PLC自動貼標(biāo)機(jī)的氣動元件包括運(yùn)動機(jī)構(gòu)（限位機(jī)構(gòu)、取標(biāo)機(jī)構(gòu)、貼標(biāo)機(jī)構(gòu)）、真空吸盤、電磁閥。氣缸選用雙桿氣缸，接管螺紋為二位五通。氣缸的電磁閥采用三位五通中封閥，真空發(fā)生器的電磁閥采用兩位四通閥。氣體調(diào)壓閥與氣源串聯(lián)調(diào)節(jié)回路氣壓。其中，限位氣缸和豎直氣缸是垂直伸縮，用以實(shí)現(xiàn)綠葉菜包裝袋的限位和標(biāo)簽貼附；取標(biāo)氣缸是水平伸縮，用以實(shí)現(xiàn)取標(biāo)動作。真空發(fā)生器制造真空吸盤的負(fù)壓，用以實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽吸附。各氣動元件的主要應(yīng)用和型號見表1。PLC自動貼標(biāo)機(jī)的氣動回路見圖4。

表1 PLC自動貼標(biāo)機(jī)的氣動元件清單

圖4 PLC自動貼標(biāo)機(jī)的氣動回路

PLC自動貼標(biāo)機(jī)的電磁閥動作順序見表2。具體為：電磁閥C1控制限位氣缸的動作方向，電磁閥C2控制平動氣缸的動作方向，電磁閥C3控制豎直氣缸的動作方向，電磁閥C4控制真空發(fā)生器的動作。PLC發(fā)送信號給繼電器，控制電磁閥兩側(cè)線圈的通電，從而改變電磁閥的通向。不同氣缸動作均代表貼標(biāo)過程中的不同步驟，這些均由PLC輸出信號決定。

表2 PLC自動貼標(biāo)機(jī)的電磁閥動作順序

3 PLC自動貼標(biāo)機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC是綠葉菜包裝袋自動貼標(biāo)機(jī)的核心控制部件，傳感器開關(guān)和繼電器與PLC的輸入輸出端口相連。PLC在接收各個(gè)傳感器的信號后，按照梯形圖程序指令，依次分別對繼電器發(fā)送電信號，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)貼標(biāo)動作流程的可靠控制。

3.1 PLC端口分配

根據(jù)設(shè)計(jì)思路，PLC自動貼標(biāo)機(jī)控制系統(tǒng)PLC的I/O資源分配見表3。控制系統(tǒng)共需5個(gè)模擬量輸入和7個(gè)繼電器輸出，使用24V直流電源。其中，模擬量輸入點(diǎn)DI0、DI1、DI2均為氣缸磁性開關(guān)輸入，分別檢測限位氣缸、平動氣缸和豎直氣缸的動作是否到位；DI3、DI4均為光電開關(guān)，用于檢測標(biāo)簽、綠葉菜包裝袋是否就位。輸出點(diǎn)Q0.0、Q0.1控制豎直氣缸的上升、下降動作；Q0.2、Q0.3控制水平氣缸的縮回、伸出動作；Q0.4、Q0.5控制限位氣缸的縮回、伸出動作；Q0.7控制吸盤抽真空。

表3 PLC自動貼標(biāo)機(jī)控制系統(tǒng)PLC的I/O資源分配

3.2 主程序設(shè)計(jì)

順序功能圖是設(shè)計(jì)PLC順序控制程序的一種工具，適用于系統(tǒng)規(guī)模較大、按順序操作的控制。圖5是PLC自動貼標(biāo)機(jī)控制系統(tǒng)PLC的順序功能圖。PLC自動貼標(biāo)機(jī)控制系統(tǒng)的主程序主要采用復(fù)位和置位指令（復(fù)位和置位指令是常用指令，用復(fù)位和置位指令編寫的程序簡潔，而且可讀性強(qiáng)），并根據(jù)順序功能圖，在PLC編程軟件STEP7-Micro/WIN32上編制調(diào)試梯形圖。其中，置位S和復(fù)位R使輸出繼電器閉合或斷開，T37和T38均為定時(shí)器。在程序初始化完成后，安裝在傳送帶兩側(cè)的光電對射開關(guān)PS1檢測到綠葉菜包裝袋，限位氣缸導(dǎo)桿向下伸出，將綠葉菜包裝袋固定于傳送帶上。當(dāng)限位氣缸動作完成后，氣缸磁性開關(guān)檢測到信號。同時(shí)，判斷標(biāo)簽是否打印完成，若標(biāo)簽未打印完成，則等待，若標(biāo)簽打印完成，則會觸發(fā)光電反射開關(guān)PS0，然后平動氣缸水平伸出，安裝在末端的真空吸盤送至標(biāo)簽上方，真空吸盤抽氣形成負(fù)壓，計(jì)時(shí)器延時(shí)1 s，將標(biāo)簽吸附住。完成上述一系列動作后，平動氣缸復(fù)位，豎直氣缸的導(dǎo)桿向下伸出，將標(biāo)簽貼附至綠葉菜包裝袋表面，整個(gè)標(biāo)簽貼附過程完成。各缸復(fù)位等待下一次循環(huán)。

圖5 PLC自動貼標(biāo)機(jī)控制系統(tǒng)PLC的順序功能圖

4 PLC自動貼標(biāo)機(jī)的實(shí)際測試

筆者對設(shè)計(jì)開發(fā)的PLC自動貼標(biāo)機(jī)進(jìn)行了在線貼標(biāo)測試，采用的熱敏標(biāo)簽尺寸為60 mm×40 mm，共測試100包綠葉菜包裝袋，其中96包綠葉菜包裝袋的位置和貼標(biāo)效果符合預(yù)期要求，剩余4包綠葉菜包裝袋由于包裝內(nèi)的葉菜形狀過于不規(guī)則，影響了標(biāo)簽貼附的平整性，但標(biāo)簽仍能貼附在綠葉菜包裝袋上，即標(biāo)簽位置合格率為96%，精度穩(wěn)定在±5 mm，達(dá)到了預(yù)期效果。同時(shí)，經(jīng)測試可知，PLC自動貼標(biāo)機(jī)的真空吸盤吸附標(biāo)簽正常，出標(biāo)速度約為15個(gè)/min，貼標(biāo)效率約為14次/min。

5 結(jié) 語

針對目前綠葉菜包裝生產(chǎn)線對標(biāo)簽即稱、即打、即貼的自動化需求以及綠葉菜的自身特點(diǎn)，筆者采用西門子S7-200 SMART PLC，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于PLC的綠葉菜包裝袋自動貼標(biāo)機(jī)。具體設(shè)計(jì)過程為：通過分析自動貼標(biāo)機(jī)控制系統(tǒng)的工作流程，進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)；完成了PLC、傳感器和氣缸等系統(tǒng)硬件的選型，并進(jìn)行了氣動回路設(shè)計(jì)和PLC I/O資源分配和順序功能圖編制；編寫了PLC主程序，形成了PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)開發(fā)的自動貼標(biāo)機(jī)經(jīng)實(shí)際測試表明，貼標(biāo)過程準(zhǔn)確高效，自動化程度較高，能夠滿足生產(chǎn)要求。