楊振波

（廣州科技職業(yè)技術大學信息工程學院，廣東廣州 510550）

1 引言

商品包裝應包含諸如商標、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、輔助設備及輸送裝置按照產(chǎn)品的包裝工藝順序組合在一起，再配以相應的檢測、控制、自動調節(jié)補償裝置等裝置而成，不需人工直接參與操作[2]。同時為包裝生產(chǎn)線設計開發(fā)了相應的控制系統(tǒng)，例如，袁立祥等人研究了基于智能網(wǎng)絡信息系統(tǒng)的車輪加工自動化生產(chǎn)線[3]；涂明玉等人設計了一種全自動泡罩藥品包裝生產(chǎn)線，采用SolidWorks 軟件對各個結構進行三維建模及裝配，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 軟件進行程序編寫，從而設計了筒子紗包裝自動整列系統(tǒng)[5]。盡管很多學者都對此進行了研究，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，之后通過輸出到機械設備或生產(chǎn)自動化流程，再通過PLC 設備的應用來實現(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)設計

圖1為自動化包裝生產(chǎn)線集成控制系統(tǒng)的硬件結構。

圖1 集成控制系統(tǒng)硬件結構圖

2.1 集成控制系統(tǒng)元器件選型

2.1.1 PLC控制器

加強PLC 控制器硬件結構設計可提高計算機的可靠性，更適合復雜工業(yè)環(huán)境，其硬件結構如圖2所示。

圖2 PLC控制器結構圖

PLC 控制器為周期掃描工作方式，當開關閉合時，其系統(tǒng)內(nèi)部開始初始化；初始化結束后，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。自檢完成后進入通訊處理階段，通過外部接口信號檢測PLC 控制器連接的外部設備。在組態(tài)網(wǎng)絡系統(tǒng)中，PLC 控制器調用相應的通信指令，與其他PLC 控制器、HMI 等工控設備或智能模塊建立通信，并對通信數(shù)據(jù)進行處理。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械設備的輸入信號。當接收外部信號的PLC 控制器外圍服務完成后，PLC 控制器處于運行模式，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，其進行輸入輸出數(shù)據(jù)刷新操作，通過輸出模塊驅動外部設備進行實際輸出。

2.1.2 稱重傳感器

由于需要精確到±0.1g，考慮到機器的機械振動，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)線上的機械負荷，還需考慮電機的額定電流，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研究電機功率和變頻器額定功率的關系[7]。通常需要滿足變頻器的額定功率為電動機額定功率的1-2倍。其計算公式為：

式中，PCN和PM分別為變頻器和電動機的額定輸出功率，參數(shù)η為電動機的效率，cos φ為功率因數(shù)[8]。總體而言，控制系統(tǒng)采用SIMENSMM440-220/3 變頻器，根據(jù)電機驅動負載的實際運行狀態(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)人機交互界面，以使操作者操作開關，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)場運行狀態(tài)修改觸摸屏上的PLC預定參數(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)電路設計

利用PLC 的狀態(tài)邏輯線圈驅動電磁閥，當主機以20Hz的低速運行、主機自動輸入生產(chǎn)線的電流信號時，主機將生產(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行。LI1 用于控制變頻器端子中開關啟動和停止的數(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模擬量對應的線性關系，最終輸出相應的頻率，控制電機運行。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，電子稱量先進行初始標定，在空載、機械調零后，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：

然后調零進行空載判斷，若需要調零，請調用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)品的實時質量，需要將這些無因次數(shù)據(jù)轉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定重量，Dx和Dm分別是Wx和Wm對應的數(shù)字量，參數(shù)A為增益系數(shù)。為得到稱量產(chǎn)品的真實質量，在硬件電路測試之前，必須先用標準砝碼進行靜態(tài)稱量以完成標定，獲得一組數(shù)據(jù)Wm和Dm，計算出增益系數(shù)A，因此，得到了線性關系變換式，該變換式可以得到包裝產(chǎn)品的實際質量。把準備好的相關包裝材料和包裝產(chǎn)品放在操作臺上，然后按照包裝步驟自動得到包裝結果。

3.2 確定包裝生產(chǎn)線機械控制對象

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、裝袋機、運輸機等。在確定的包裝生產(chǎn)線機械控制對象上安裝PLC控制器，通過編寫和驅動PLC控制程序，實現(xiàn)包裝生產(chǎn)線機械的控制。

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)學表達式如下：

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

提出電動機速度控制中的S型加減速控制方式，將速度控制總體設計過程分為七個階段即：加減速運動、勻加速運動、勻加速運動、勻減速運動、勻減速運動、勻減速運動、勻減速運動。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折點。同理可以對自動化包裝生產(chǎn)線上的其他工序和設備進行控制，在PLC控制器的調度下，實現(xiàn)對多個設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

為測試設計系統(tǒng)的有效性，設計系統(tǒng)測試實驗，從控制效果方面，體現(xiàn)設計集成控制系統(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)運行開發(fā)軟件為S7-300編程軟件。當運行狀態(tài)變數(shù)達到要求時顯示綠線，否則顯示藍虛線，并在變數(shù)位置顯示該變數(shù)的當前值，以通過變色進行調試。用該編程軟件編制設計系統(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 設置系統(tǒng)運行參數(shù)

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

表2 變頻器參數(shù)設置表

同理可得出其他硬件設備的參數(shù)設置數(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[4]、文獻[5]系統(tǒng)，將系統(tǒng)導入實驗環(huán)境中，得出計算機可以直接識別的程序代碼，通過三種控制系統(tǒng)的運行得出其運行界面，其中設計控制系統(tǒng)的自動運行界面如圖8所示。

圖8 集成控制系統(tǒng)自動運行界面

在此基礎上準備包裝產(chǎn)品、包裝原料以及包裝生產(chǎn)線機械，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)下包裝結果合格率變化情況。

4.4 系統(tǒng)測試結果分析

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)線的運行效率以及包裝結果的合格率。

表3 系統(tǒng)控制性能測試對比結果

為了進一步分析設計系統(tǒng)的可行性，再次對三種系統(tǒng)的包裝效率進行對比，可得到實驗結果如圖9所示。

圖9 不同系統(tǒng)包裝效率對比結果

由圖9可知，與另外兩種系統(tǒng)進行對比可知，本文設計系統(tǒng)能夠在保證包裝合格率的基礎上保證包裝效率，最高包裝效率可達到98%，遠高于另外兩種系統(tǒng)，而且更加穩(wěn)定。由此可知，設計系統(tǒng)在保障包裝生產(chǎn)線高效運行方面存在一定應用價值。

5 結束語

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