王吉岱，李 棟，郝亞東

(山東科技大學機械電子工程學院，山東青島 266590)

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基于PLC的掛式除濕袋包裝控制系統(tǒng)設(shè)計

王吉岱，李 棟，郝亞東

(山東科技大學機械電子工程學院，山東青島 266590)

文中針對傳統(tǒng)的掛式除濕袋包裝工藝存在勞動強度大、工作環(huán)境惡劣等特點，在介紹包裝生產(chǎn)線工藝流程及組成的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于PLC控制的掛式除濕袋全自動化包裝控制系統(tǒng)。整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)采用遞階控制的方式，并詳細闡述了控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計、鏈條速度控制以及軟件編程和人機界面的設(shè)計。該系統(tǒng)用PLC作為主控，采用多個傳感器相互配合，提高了自動化程度，降低了工作人員的勞動強度和生產(chǎn)成本。

掛式除濕袋包裝；PLC；人機界面；自動化

0 引言

隨著工業(yè)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，機械設(shè)備不斷集成為機電一體化的綜合體，自動控制已逐步取代手動操作。在現(xiàn)代化的工業(yè)企業(yè)中，自動化的程度越來越高，生產(chǎn)線的自動化程度對于企業(yè)的適應性和生存能力至關(guān)重要。

目前，國內(nèi)掛式除濕袋包裝生產(chǎn)基本為人工作業(yè)，還沒有專門的自動化包裝設(shè)備，導致包裝效率低，勞動強度大。此外工作環(huán)境惡劣，在原材料中含有有毒物質(zhì)，對工人身體產(chǎn)生嚴重危害。在此背景下，對掛式除濕袋包裝的自動化生產(chǎn)線的研究，顯得十分必要。

為此，本文開發(fā)了一套基于PLC的全自動包裝控制系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的硬件設(shè)計、速度曲線設(shè)計和軟件設(shè)計進行了詳細介紹。整個控制系統(tǒng)采用管理級、協(xié)調(diào)級、執(zhí)行級三級遞階控制的方式，信息處理和執(zhí)行速度更快，任務(wù)分配更加合理，靈活性可靠性好。此控制系統(tǒng)完全實現(xiàn)了掛式除濕袋包裝的自動化生產(chǎn)，提高了包裝生產(chǎn)效率，改善了工人勞動狀況。

1 包裝生產(chǎn)線工藝流程及組成

掛式除濕袋成品和各個組件如圖1所示。在生產(chǎn)過程中主要完成的任務(wù)是將圖1中的壓片、掛鉤、掛袋組裝成圖中d所示的除濕袋成品形式，要求掛鉤的4個柱狀凸起與掛袋和壓片的4個小孔完全配合。

圖1 掛式除濕袋成品和組件圖

整個生產(chǎn)線主要有矩形軌道系統(tǒng)、掛鉤上線系統(tǒng)、掛袋上線系統(tǒng)、壓片上線系統(tǒng)、壓合封口系統(tǒng)、產(chǎn)品下線系統(tǒng)等組成。全自動掛式濕袋包裝生產(chǎn)線俯視圖除如圖2所示。

1—矩形軌道系統(tǒng)；2—保護罩殼；3—掛鉤上線系統(tǒng)；4—掛袋上線系統(tǒng)；5—壓片上線系統(tǒng)；6—壓合封口系統(tǒng)；7—產(chǎn)品下線系統(tǒng)。圖2 全自動掛式除濕袋包裝生產(chǎn)線俯視圖

矩形軌道系統(tǒng)：此系統(tǒng)為整個生產(chǎn)線的運輸主干線，通過一臺伺服電機驅(qū)動鏈條運動，鏈條帶動10個滑座沿著軌道運行。各個工位的包裝物料均需輸送到該軌道系統(tǒng)上依次將物料輸送到下一個系統(tǒng)。

掛鉤上線系統(tǒng)：該工位通過同步帶的運動和2個氣缸的伸縮完成掛鉤的下壓和掛鉤的吸取，從而實現(xiàn)掛鉤向軌道系統(tǒng)的自動上料動作。

掛袋上線系統(tǒng)：該工位通過氣動夾手夾取掛袋，采用雙聯(lián)氣缸實現(xiàn)掛袋向軌道系統(tǒng)的自動化上料動作。

壓片上線系統(tǒng)：該工位主要完成壓片的送料工作，主要通過一臺伺服電機的轉(zhuǎn)動完成單個壓片的下落工作，傳感器檢測到壓片，雙桿氣缸便推動壓片完成上料。

壓合組裝系統(tǒng)：該工位主要完成掛鉤、掛袋、壓片的壓合工作。當傳感器檢測到掛袋時，壓合裝置動作，完成壓合工作，如果沒有掛袋，壓合工序不動作。

成品下線系統(tǒng)：將組裝好的輸送到此工位的成品，有下線氣缸完成成品下線工作，從而完成一個完整的循環(huán)。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

為了實現(xiàn)自動包裝生產(chǎn)線的有效監(jiān)控和高效運行，生產(chǎn)線控制系統(tǒng)采用具有管理級、協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級的三級遞階控制模式。三級遞階控制是將一個復雜的大系統(tǒng)模型分解成一組低階模型，每個低階模型對應一個子系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)中設(shè)計對應的局部控制器。此類控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于局部故障不至于影響整個系統(tǒng)，全局與局部控制性能都很高，靈活性和可靠性好，任何子過程的變化對決策的影響都是局部性的?？刂葡到y(tǒng)組織結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)圖

2.1 管理級

以維綸MT6070IH觸摸屏構(gòu)建的管理級作為遞階控制的第一級。該級主要負責整個控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理工作，組織監(jiān)視并指導協(xié)調(diào)級的所有行為。觸摸屏根據(jù)生產(chǎn)線整體要求，通過設(shè)計的主控界面中的不同操作按鈕，向協(xié)調(diào)級傳達不同的控制模式，以實現(xiàn)預定控制目標。此外觸摸屏接收傳感器反饋到下位機的信息，并顯示在監(jiān)控屏幕上，以便實時了解生產(chǎn)線的運行狀況，實現(xiàn)對生產(chǎn)線有效監(jiān)控管理。

2.2 協(xié)調(diào)級

協(xié)調(diào)級是遞階控制的次高級，協(xié)調(diào)各控制器的控制與各子任務(wù)的執(zhí)行。以CP系列CP1H CPU和24點輸入16點輸出的擴展模塊構(gòu)建的協(xié)調(diào)級系統(tǒng)作為遞階控制的第二級。PLC主要負責各生產(chǎn)線各個工位中傳感器信息處理，并實現(xiàn)對驅(qū)動鏈條的伺服電機的速度控制，解釋并執(zhí)行觸摸屏發(fā)送的指令并監(jiān)視各執(zhí)行級子系統(tǒng)反饋的運行狀況。PLC將觸摸屏發(fā)送的指令轉(zhuǎn)化成具體的動作數(shù)據(jù)，發(fā)送給各個執(zhí)行級子系統(tǒng)，同時負責接收運行過程中各個異常信號、保護信號等，同時傳給觸摸屏。

2.3 執(zhí)行級

以伺服驅(qū)動系統(tǒng)、傳感器、氣缸、電磁閥等構(gòu)建的執(zhí)行級系統(tǒng)作為遞階控制的第三級。執(zhí)行級是遞階控制的最低一級，由多個硬件控制器組成。該級主要負責接收從下位機發(fā)送的指令，通過邏輯控制驅(qū)動相關(guān)的執(zhí)行部件動作，并利用傳感器將執(zhí)行部件的動作狀態(tài)反饋到下位機系統(tǒng)，給高層提供相關(guān)決策依據(jù)。

與傳統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)相比，三級遞階控制將協(xié)調(diào)級從控制結(jié)構(gòu)上獨立出來。該結(jié)構(gòu)具有信息處理更快、執(zhí)行速度更高、任務(wù)分配更加合理的特點。三級遞階控制使全局與局部控制性能得到較大提高，靈活性可靠性好，任何子過程的變化對決策的影響都是局部性的。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 鏈條速度控制

本生產(chǎn)線中鏈條速度控制上要求高速進給、穩(wěn)定運行、高精度定位。傳統(tǒng)的加減速法主要有：直線加減速法、指數(shù)加減速法。直線加減速在加減速過程中會出現(xiàn)加速度突變，從而導致電機速度不能平滑過渡，直線加減速主要適用于控制系統(tǒng)處理速度較慢，且對升降速過程要求不高的場合。與直線加減速法相比，指數(shù)加減速平滑性較好，但在加減速的起點仍然存在加減速突變，也不適用高速進給系統(tǒng)。通過分析可以看出這兩種速度控制并不適合本生產(chǎn)線的高速進給、穩(wěn)定運行、高精度定位的控制要求。為此本文在電機速度控制上提出了S型加減速控制的方式，S型速度控制是將整個速度規(guī)劃分為7個階段，7個階段主要包括：加加速運動、勻加速運動、減加速運動、勻速運動、加減速運動、勻減速運動、減減速運動，S型曲線如圖4所示。

圖4 S型曲線加減速法的速度、加速度、加加速度曲線圖

其加加速度J關(guān)于時間t的表達式如下：

(1)

式中Jmax為最大加加速度。

對式(1)進行積分可以準確得到7個階段中的加速度a關(guān)于時間t的表達式為：

(2)

式中Amax為最大加速度。

對式(2)進行積分可以得到7個階段中的速度v關(guān)于時間t的表達式為：

(3)

由分析可以看出這種速度控制方法中任何一點的速度都是連續(xù)變化的，從而避免了柔性沖擊，速度的平滑性較好，運動控制精度高。

3.2 控制系統(tǒng)軟件編程

在控制系統(tǒng)硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，對生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)進行了編程，程序?qū)崿F(xiàn)的主要功能有系統(tǒng)初始化、自動操作控制和手動操作控制、伺服電機的速度控制、各個工位氣缸的控制和各個傳感器信號的采集及人機交互界面的編程。應用V4.5 CX-Programmer軟件對可編程控制器進行編程，并采用V4.41 EasyBuilder8000做出人機交互界面，實現(xiàn)對生產(chǎn)線監(jiān)控管理。

在鏈條速度控制上采用歐姆龍CP1H中的PLS2指令實現(xiàn)伺服電機的S型加減速控制。通過設(shè)定內(nèi)部寄存器D1～D6指定脈沖輸出量、目標頻率、加速比率、減速比率從而實現(xiàn)具有S型加減速的脈沖輸出。

可編程控制器編程采用順序控制設(shè)計方法進行設(shè)計，即按照生產(chǎn)線預先規(guī)定的順序，在輸入信號的作用下，各個執(zhí)行元件自動有序的進行動作?？刂葡到y(tǒng)程序流程如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)程序流程圖

人機交互界面的設(shè)計主要包括：主控界面、顯示界面、報警界面。主控界面作為人機控制的主要部分，包括系統(tǒng)初始化、運行模式選擇、手動操作、自動操作等。顯示界面主要監(jiān)視各個執(zhí)行級的工作狀態(tài)和產(chǎn)品量的一個統(tǒng)計工作。報警界面主要負責顯示整個生產(chǎn)線故障的原因，及時排除生產(chǎn)線故障，提高生產(chǎn)效率。人機界面如圖6所示。

4 結(jié)束語

本文在分析了掛式除濕包裝生產(chǎn)線工藝流程及組成的基礎(chǔ)上，完成了控制系統(tǒng)硬件設(shè)計、伺服電機速度控制及相應軟件編程。整個生產(chǎn)線控制系統(tǒng)由PLC統(tǒng)一協(xié)調(diào)各設(shè)備之間的動作，通過觸摸屏對生產(chǎn)線進行有效控制和監(jiān)控，在完善的故障檢測及報警基礎(chǔ)上提高了系統(tǒng)安全性和可靠性。

最終的實驗結(jié)果表明，本控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，有效提高生產(chǎn)線效率，降低了工人的勞動強度，減少了生產(chǎn)成本。

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Design of Control System Based on PLC for Packaging in Hanging Desiccant

WANG Ji-dai，LI Dong, HAO Ya-dong

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590，China)

This paper describes an automatic packing control system, which makes a design of a hanging type desiccant bag based on PLC control, changing traditional weaknesses, such as large labor intensity, poor working conditions and other characteristics. The whole control system adopted hierarchical structure control mode, and described the hardware design of the control system, the chains speed curve design and the process design of the software and man-machine interface design of the system. The system used PLC as its main control core, used multiple sensors cooperate with each other to improve the degree of automation, and reduced labor intensity of workers and production cost.

hanging desiccant; PLC; HMI; automation

2014-12-11 收修改稿日期：2015-06-25

TP273

A

1002-1841(2015)09-0077-03

王吉岱(1961—)，教授，碩士，主要從事過程裝備與工業(yè)自動化技術(shù)的教學與研究。 李棟(1987—)，碩士，主要從事工業(yè)自動化技術(shù)的研究。