馮 碩

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000)

0 引言

國內(nèi)糧食包裝企業(yè)大多采用人工加簡易包裝機進行粗放式半自動閥口包裝，包裝時灰塵飛揚、污染較嚴(yán)重，且用工較多、勞動強度較大。因此，全自動糧食包裝設(shè)備不僅可以減少糧食包裝環(huán)節(jié)對環(huán)境的污染，防止工人塵肺病的發(fā)生，有效替代人工在惡劣環(huán)境下的工作，減少用工量，降低勞動強度，還能夠帶動傳統(tǒng)包裝機行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級，提高糧食包裝廠家的生產(chǎn)效率。為此，以PLC為主控制器，設(shè)計了一套全自動糧食精密包裝機電氣控制系統(tǒng)，能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及有效減少糧食的包裝誤差。

1 精密包裝機的工作原理

1.1 包裝計量設(shè)備的選擇

目前，市場上常用的包裝計量設(shè)備有定量給料機、轉(zhuǎn)子秤和螺旋秤3種。其中，螺旋秤是指稱重給料機對粉狀、散粒狀進行連續(xù)輸送、動態(tài)計量及控制給料的生產(chǎn)計量設(shè)備。螺旋秤設(shè)備如圖1所示。螺旋秤工作原理為：通過對絞刀轉(zhuǎn)動速度和圈數(shù)的控制，確定排出的物料體積，同時稱重傳感器對已包裝入袋的物料質(zhì)量進行實時檢測；然后，將質(zhì)量信號和和絞刀速度數(shù)據(jù)一起送入PLC控制器；最后，控制系統(tǒng)將實際流量信號和預(yù)設(shè)值進行對比，并通過PID控制器驅(qū)動變頻器，動態(tài)調(diào)節(jié)喂料絞刀的速度，從而實現(xiàn)定量給料。根據(jù)全自動糧食精密包裝機生產(chǎn)線配重系統(tǒng)的要求，本文選用螺旋秤作為系統(tǒng)送料計量設(shè)備。

圖1 螺旋秤設(shè)備示意圖

1.2 包裝計量裝置的整體結(jié)構(gòu)

包裝計量裝置主要包括原料倉、伺服電機、螺旋送料機、秤臺和PLC控制系統(tǒng)等部件，如圖2所示。

圖2 定量配重裝置結(jié)構(gòu)示意圖

定量配重裝置各零部件的功能描述如下：

1)原料倉：待包裝糧食進入口；

2)伺服電機：驅(qū)動螺旋送料機正常運轉(zhuǎn)；

3)螺旋送料機：將糧食從原料倉輸送到包裝袋；

4)秤臺：將包裝袋里面的糧食質(zhì)量實時發(fā)送給嵌入式控制系統(tǒng)；

5)PLC控制系統(tǒng)：根據(jù)秤臺實時發(fā)送回來的糧食質(zhì)量信號，給伺服電機發(fā)送電機轉(zhuǎn)速信號，從而實現(xiàn)螺旋送料機加料量的智能控制。

1.3 包裝計量裝置的工作原理

包裝計量裝置的整個工程流程由PLC控制器控制，自動完成糧食的計量和包裝。整個工作流程為：系統(tǒng)開始正常工作后，由上級供料系統(tǒng)向原料倉供料；PLC控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)計的包裝袋質(zhì)量、目標(biāo)定量值和快慢給料閾值信息，驅(qū)動伺服電機控制螺旋送料機開始進行快速給料操作；秤臺獲取包裝袋已裝物料的模擬質(zhì)量信息，經(jīng)過濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換等操作，發(fā)送至PLC控制器，由其判斷是否已經(jīng)達到預(yù)先設(shè)定的快速給料閾值；若達到快速給料閾值，則螺旋送料機開始進行慢速給料操作，當(dāng)達到預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)定量值后，停止給料；該包裝過程結(jié)束，開啟下一包裝過程。包裝計量裝置的工作流程如圖3所示。

圖3 包裝計量裝置工作原理流程圖

1.4 包裝計量裝置機械部分的設(shè)計

包裝計量裝置機械結(jié)構(gòu)是整個系統(tǒng)的核心部分，該部分設(shè)計的合理性和效率對整個系統(tǒng)的成本、可行性和精確度具有重要的影響。

包裝計量裝置機械部分包括送料機、計量設(shè)備及嵌入式控制器等。其中，計量設(shè)備是定量配重裝置機械部分最重要的部件，而螺旋桿是計量設(shè)備的核心。

螺旋秤在糧食包裝計量的實際應(yīng)用中，最重要的零件是螺桿。螺旋秤中的螺桿，應(yīng)該使設(shè)備符合大部分糧食的精密包裝，因此在對螺桿的設(shè)計中不僅要滿足設(shè)備對產(chǎn)量和要求，還要符合設(shè)備關(guān)于精度的要求。螺旋桿設(shè)計示意如圖4所示。

L為螺旋桿總長度，S為螺距，d為螺桿內(nèi)徑大小，D為螺桿外徑大小。

螺桿外徑參數(shù)設(shè)定越大，每次帶出的糧食質(zhì)量越大，計量誤差也越大；參數(shù)設(shè)定越小，因增加電機轉(zhuǎn)動的次數(shù)，包裝效率就越低。為了防止電機的抖動導(dǎo)致糧食的溢出，引起計量誤差，設(shè)計中將螺桿和伺服電機同軸轉(zhuǎn)動。

為了方便螺桿參數(shù)的設(shè)計計算，采用矩形截面螺紋的計算方法。其中，伺服電機帶動螺桿旋轉(zhuǎn)1次，帶出的糧食體積V為

V=F·L=t(S-b)·π·d/cosα(cm3)

(1)

螺桿每次帶出的糧食質(zhì)量M為

M=V·γ·n(kg)

(2)

其中，F(xiàn)為矩形螺紋截面積；L為螺旋桿總長度；t為螺旋槽深度；S為螺距；b為螺旋葉片厚度；d為螺桿內(nèi)徑大?。沪翞槁菪?；γ為糧食單位容積質(zhì)量值；n為螺桿的轉(zhuǎn)速。

螺桿參數(shù)的設(shè)計取決于待包裝糧食對象，式(1)和式(2)決定了螺桿參數(shù)的計算，這些參數(shù)的設(shè)定直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的計量精度。

在計算過程中，假定螺旋填充率為1，根據(jù)以往經(jīng)驗和試驗比較，設(shè)S=D=25cm，d=4cm。該參數(shù)屬于標(biāo)準(zhǔn)螺旋，對大部分糧食具有廣泛的適應(yīng)性，能夠滿足設(shè)計要求，符合計量精度標(biāo)準(zhǔn)。

2 全自動糧食精密包裝機伺服系統(tǒng)的建模

2.1 伺服系統(tǒng)機械傳動的數(shù)學(xué)模型

伺服系統(tǒng)機械傳動結(jié)構(gòu)主要包括電機、聯(lián)軸器、螺旋和定位螺旋絲桿等幾個部分。伺服電機的角位移量是傳動結(jié)構(gòu)的輸入值，記為θM(t)；伺服電機帶出的糧食體積是傳動結(jié)構(gòu)的輸出值，記為v0(t)。經(jīng)過研究分析后，將伺服系統(tǒng)機械傳動轉(zhuǎn)化為如圖5所示的模型。

圖5 伺服系統(tǒng)機械傳動的動力模型

其中，I為等效負(fù)載慣量；L為定位螺旋絲桿長度；k為螺旋絲桿剛度；F為伺服電機的傳動力；F0為糧食給螺旋絲桿的摩擦阻力；v為螺旋絲桿轉(zhuǎn)動的空間排擠量；v0為糧食下落的體積量。

對于伺服系統(tǒng)機械傳動的動力模型，可以寫出其動力平衡方程式，即

(3)

其中，m為執(zhí)行部件的質(zhì)量；Cr為螺旋送料機上的粘性阻尼系數(shù)。

伺服電機的傳動力可以表示為

F=k(v-v0)

(4)

由公式(3)和公式(4)經(jīng)Laplace變換后，可得

F=(mS2+CrS)v0(S)+F0

(5)

F=k[v(S)-v0(S)]

(6)

由公式(5)和公式(6)可得

(7)

不考慮螺旋絲桿摩擦阻力F0的影響，伺服系統(tǒng)機械傳動的動力模型的傳遞函數(shù)可寫為

(8)

(9)

從式(9)可以看出：伺服系統(tǒng)中機械傳動結(jié)構(gòu)模型可以表示為一個二階系統(tǒng)，其固有頻率為ωn，阻尼系數(shù)為ξ。模型的結(jié)構(gòu)框架如圖6所示。

圖6 伺服系統(tǒng)中的機械傳動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖

2.2 自動包裝伺服系統(tǒng)整體數(shù)學(xué)模型的建立

得到伺服系統(tǒng)機械傳動的數(shù)學(xué)模型，便可建立整體的數(shù)學(xué)模型。假設(shè)伺服電機轉(zhuǎn)軸的慣量為J，電磁轉(zhuǎn)矩為M，伺服電機的力矩方程為

(10)

其中，fa和ML分別為伺服電機的阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

伺服電機的電磁轉(zhuǎn)矩M的表達方程式為

M=CTφIcosφ=kTIa

(11)

其中，kT和Ia分別為伺服電機的等效轉(zhuǎn)矩系數(shù)和負(fù)載電流。

最后，可以計算出伺服系統(tǒng)中伺服電機的傳遞函數(shù)方程式為

(12)

由伺服電機機械結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)公式(12)可得自動包裝伺服系統(tǒng)整體數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)框架圖，如圖7所示。

圖7 自動包裝伺服系統(tǒng)整體數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)框圖

自動包裝伺服系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

(13)

根據(jù)公式(13)和伺服系統(tǒng)的參數(shù)信息，可以得出其開環(huán)傳遞函數(shù)；然后能夠利用PID的良好靜態(tài)控制效果，在線對PID參數(shù)進行修改，實現(xiàn)包裝計量裝置的精準(zhǔn)計量。

3 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

PLC是全自動糧食精密包裝機電氣控制系統(tǒng)的核心控制器件，其動作傳輸信號采用按鈕、位置開關(guān)直接和PLC輸入端相連，控制性能可靠。根據(jù)對系統(tǒng)的分析與研究，該系統(tǒng)總共需要12個輸入點和8個輸出點?？紤]到系統(tǒng)的可靠性和可擴展性，本文選用西門子公司的S7-200控制器。系統(tǒng)的PLC輸入輸出端口分配如表1和表2所示。

表1 PLC控制器輸入端口分配表

表2 PLC控制器輸出端口分配表

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)全自動糧食精密包裝機電氣控制系統(tǒng)的工藝流程和控制過程可知其采用順序控制，因此本文PLC軟件設(shè)計采用順序控制法，控制程序包括手動和全自動兩種模式。PLC控制主程序如圖8所示。

4 測試與分析

為了檢測基于PLC的全自動糧食精密包裝機電氣控制系統(tǒng)的精確度，采用該設(shè)備進行了小麥的包裝試驗。為了提高試驗的可靠性和準(zhǔn)確性，一共進行了10次測試，結(jié)果如表3所示。

圖8 PLC控制主程序的梯形圖

序號定量包裝值/kg實際包裝值/kg偏差值/%15049.790-0.42025050.1720.34435050.1460.29245049.786-0.42855050.2280.45665050.2160.43275050.1180.23685049.862-0.27695050.0980.196105049.916-0.168

由表3可以看出：全自動糧食精密包裝機電氣控制系統(tǒng)精確度的偏差量在±0.4%之內(nèi)，準(zhǔn)確率滿足設(shè)計的千分之五要求，大大提高了全自動糧食包裝機的計量精度，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

針對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)包裝產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展需求，以糧食包裝機為研究對象，設(shè)計了基于PLC的全自動糧食自動包裝機電氣控制系統(tǒng)。系統(tǒng)選用螺旋秤作為送料計量設(shè)備，并根據(jù)定量配重裝置的整體結(jié)構(gòu)與工作原理，設(shè)計了定量配重裝置機械部分，建立了自動包裝伺服系統(tǒng)整體數(shù)學(xué)模型，從硬件和軟件兩方面實現(xiàn)了包裝機電氣控制系統(tǒng)。試驗結(jié)果表明：全自動糧食精密包裝機電氣控制系統(tǒng)的精確度的偏差量在±0.4%之內(nèi)，準(zhǔn)確率滿足設(shè)計的5‰要求，大大提高了全自動糧食包裝機的計量精度，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。