文│朱賢兵（山東凱捷信息技術(shù)有限公司）

一、課題研究背景

隨著人民生活水平的提高，對(duì)生活質(zhì)量的要求也越來越高，鹽水鴨的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式已遠(yuǎn)不足以支撐我國龐大的內(nèi)需。傳統(tǒng)的鹽水鴨生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，且易發(fā)生危險(xiǎn)事件，每只鹽水鴨的質(zhì)量與口感難以得到保障。使用智能化生產(chǎn)后，可通過人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)車間內(nèi)鹽水鴨的實(shí)時(shí)監(jiān)控，不僅降低員工的工作強(qiáng)度，同時(shí)生產(chǎn)出來鹽水鴨的質(zhì)量與口感均衡且有保障。采用自動(dòng)化后，原本需要大規(guī)模員工進(jìn)行二班倒艱苦勞作，現(xiàn)在只需少量技術(shù)操作員工對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和簡單的操作。

二、系統(tǒng)總體概述

論文設(shè)計(jì)的基于伺服電機(jī)的鹽水鴨生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)，由西門子S7-1200PLC、匯川的伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)、施耐德的觸摸屏以及華為的路由器組成。設(shè)計(jì)定制化PLC程序組態(tài)PID控制鍋水溫度，在傳感器、控制氣爪的氣缸、加熱的啟動(dòng)角閥和曝氣的單控電磁閥的協(xié)調(diào)配合下控制四臺(tái)伺服電機(jī)完成鹽水鴨生產(chǎn)線的一系列加工環(huán)節(jié)，如焯水、煮制、冷卻以及輸送等的工序（圖1）。

◎圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采用模擬量（熱電阻傳感器）輸入模塊，采集生產(chǎn)線的溫度數(shù)據(jù)，上傳至PLC。選用4臺(tái)交流伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)，與PLC進(jìn)行以太網(wǎng)通訊，執(zhí)行PLC發(fā)出控制指令，精準(zhǔn)的完成生產(chǎn)線上各個(gè)環(huán)節(jié)動(dòng)作。另外還選用歐姆龍的3線制接近開關(guān)，用于氣爪氣缸的上下限位以及用于伺服Y軸上下的限位開關(guān)；歐姆龍的5線制NPN常開光電傳感器，用于料架感應(yīng)以及小車防翻感應(yīng)。

三、伺服電機(jī)的應(yīng)用

伺服控制系統(tǒng)由伺服電機(jī)及伺服驅(qū)動(dòng)器兩個(gè)設(shè)備構(gòu)成。伺服電機(jī)把接收到的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為電機(jī)軸上相應(yīng)的角位移或者是線位移。與常規(guī)的步進(jìn)系統(tǒng)相比，伺服控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以有效優(yōu)化步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到的脈沖個(gè)數(shù)可能并不等于發(fā)送的脈沖個(gè)數(shù)、產(chǎn)生脈沖丟失的無閉環(huán)反饋問題，而伺服控制系統(tǒng)中伺服電機(jī)軸上帶有編碼器用于反饋脈沖信號(hào)，當(dāng)反饋的脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)和所發(fā)送的脈沖個(gè)數(shù)不等的時(shí)候，伺服控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)反饋回來的脈沖個(gè)數(shù)與所發(fā)脈沖個(gè)數(shù)的差值進(jìn)行重新計(jì)算并且進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的精確定位。

鹽水鴨生產(chǎn)線涉及多個(gè)加工環(huán)節(jié)，如焯水、煮制、冷卻、輸送等的運(yùn)動(dòng)控制，前后環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，對(duì)自動(dòng)化操作控制精準(zhǔn)度要求高。系統(tǒng)采用伺服控制的位置控制模式，通過PLC編程給伺服控制器輸入的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小，通過脈沖的個(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，對(duì)生產(chǎn)線上操作臺(tái)的速度和位移同時(shí)進(jìn)行賦值驅(qū)動(dòng)，有效提升生產(chǎn)線上每個(gè)環(huán)節(jié)動(dòng)作的準(zhǔn)確度。

四、自動(dòng)控制系統(tǒng)

基于伺服電機(jī)的鹽水鴨生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過西門子S7-1200 PLC定制化程序控制伺服電機(jī)完成鹽水鴨生產(chǎn)線的焯水、煮制、冷卻、運(yùn)輸?shù)鹊沫h(huán)節(jié)操作。伺服控制器采用位置模式控制伺服電機(jī)，執(zhí)行煮制鍋的間歇曝氣和水冷池的風(fēng)冷、傳輸臺(tái)的冷卻輸送，完成焯水鍋與煮制鍋的料架運(yùn)送，料架從料架平臺(tái)起送后送往焯水鍋焯水兩次后，前往煮制鍋水煮一定的時(shí)間后送往冷卻臺(tái)，輸送料架至水冷池冷卻后送往運(yùn)輸臺(tái)輸送等一系列工序作業(yè)。

系統(tǒng)采用PID雙閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)1個(gè)焯水鍋和8個(gè)煮制鍋的恒溫控制，熱電阻傳感器采集的生產(chǎn)線各環(huán)節(jié)的溫度，經(jīng)PLC模擬量輸入模塊將溫度數(shù)值轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出，PLC的CPU將檢測的溫度與溫度設(shè)定值循環(huán)比較，通過PLC的PID控制改變加熱器的加熱時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的閉環(huán)控制。

五、總結(jié)及展望

論文設(shè)計(jì)的基于伺服電機(jī)的鹽水鴨生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過以太網(wǎng)通信完成對(duì)西門子PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)、觸摸屏、iPad等設(shè)備的組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)鹽水鴨生產(chǎn)線的加工作業(yè)及恒溫控制。系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)手工操控的鹽水鴨生產(chǎn)線進(jìn)行全自動(dòng)化控制改造，食品質(zhì)量安全得到保障，既提高生產(chǎn)效率、降低人工成本，還能更好控制加工工藝，管理人員手持iPad可遠(yuǎn)程監(jiān)控生產(chǎn)線的運(yùn)行狀況。