鐘明燈，童慧芬，李 巖

(閩南理工學院，福建 泉州 362000)

0 引言

智能貼標機是一種被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化妝品等領(lǐng)域的生產(chǎn)設(shè)備，該裝置的主要功能是將具有商品信息的標簽按照包裝設(shè)計要求粘貼在商品的相應(yīng)位置上。在智能貼標機內(nèi)，控制系統(tǒng)是其構(gòu)成的核心，控制系統(tǒng)對貼標機的運行進行有效控制，不僅可以提升其運行精度，也可以提高運行的穩(wěn)定性與可持續(xù)性[1]。為了實現(xiàn)控制系統(tǒng)運行性能的提升，相關(guān)領(lǐng)域研究人員針對智能貼標機的控制系統(tǒng)開展了深入研究，并設(shè)計出多種貼標機控制方案，但由于諸多因素的影響，現(xiàn)有控制系統(tǒng)在應(yīng)用到智能貼標機時，存在貼標精度低、控制效率低、錯誤動作無法被及時調(diào)整等問題，嚴重影響控制系統(tǒng)的運行精度以及智能貼標機的功能效果。為提高各類產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，研發(fā)出一種雙面貼標機裝置，與單面貼標機相比，這種貼標機能夠有效增加1倍的運行效率，但對其控制系統(tǒng)的運行速度要求也進一步提高[2]。當前BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)常被應(yīng)用于自動控制、預(yù)測估算等領(lǐng)域，并取得了顯著的成效。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)是在計算機中構(gòu)建一種類似人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，通過對信息的不斷訓練，使其具備自主分析和解決問題的能力[3]。為了實現(xiàn)對雙面軟材料智能貼標機的高精度控制，本文引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計自動控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

此設(shè)計中，將PLC作為系統(tǒng)的主要硬件，對應(yīng)的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成示意圖

從圖1可以看出，本控制系統(tǒng)通過變頻驅(qū)動和伺服驅(qū)動器實現(xiàn)貼標機伺服電機和輸送帶AC電機與PLC可編程邏輯控制器之間的連接，并通過應(yīng)用接觸屏硬件結(jié)構(gòu)進一步提高本控制系統(tǒng)的交互性。同時，利用各個傳感器采集信號并將其傳輸?shù)絇LC，經(jīng)過分析可以針對貼標機的具體運行狀態(tài)發(fā)出不同的控制指令，以此完成控制操作。根據(jù)圖1中的硬件結(jié)構(gòu)，本文主要針對控制系統(tǒng)中的PLC控制器和伺服驅(qū)動器進行優(yōu)化選型設(shè)計。

1.1 PLC控制器選型

在明確雙面軟材料智能貼標機的運行特點后，針對PLC控制器進行選型。PLC控制器為整個控制系統(tǒng)中的主控制器，既要滿足系統(tǒng)運行時的控制需要，同時又要符合貼標機在實際生產(chǎn)運行過程中的狀態(tài)條件，要選擇具有更高性價比、能夠為生產(chǎn)企業(yè)帶來降本增效效果的PLC控制器[4]?；诖?，本文選用型號為FX5U-32-64-80MR-200的PLC控制器，該型號的控制器具有結(jié)構(gòu)輕巧，運行可靠、迅速等優(yōu)勢。與其他相同功能的PLC控制器相比，具有更高的性價比。FX5U-32-64-80MR-200型號PLC控制器內(nèi)置16入/16出(繼電器)，電源為AC電源，內(nèi)置RS485端口(帶MODBUS功能)和Ethernet端口。該型號控制器中包含SD存儲卡，利用該存儲卡可以在后續(xù)貼標機不斷優(yōu)化時，為控制系統(tǒng)提供更加方便的程序升級和批量生產(chǎn)設(shè)備的條件，進一步提高系統(tǒng)的控制效率[5]。除此之外，該型號PLC控制器中還包含如表1中的硬件結(jié)構(gòu)。

表1 FX5U-32-64-80MR-200型號PLC控制器硬件組成

在表1中硬件配置的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)1個8位DI擴展，1個8位DI/DO擴展和一個16位DI/DO擴展，保證貼標機各個操作都能夠通過控制器對其進行實時控制。除此之外，該型號PLC控制器通過以太網(wǎng)通訊處理器實現(xiàn)無線通信傳輸，并為控制系統(tǒng)提供以太網(wǎng)接口[6]。同時，在控制器中引入以太網(wǎng)通信處理器，能夠進一步減少對PLC控制器的編程操作，并實現(xiàn)對數(shù)據(jù)監(jiān)控和采集的同步運行。

1.2 伺服驅(qū)動器選型

在完成對PLC控制器的選型后，對貼標機伺服驅(qū)動器進行選型。由于伺服電機對于速度和位置的控制精度要求相對較高，因此需要為其配備符合其精度需要的伺服驅(qū)動器[7]。基于此，本文在設(shè)計此裝置時，優(yōu)先選擇安川有限公司開發(fā)的SGDV-5E6A01A型號裝置。根據(jù)開發(fā)商的設(shè)計需求，將對應(yīng)型號的裝置輸出額定功率設(shè)定為0.35 kW，串行編碼器為16位增量型；額定電壓為三相AC170VV；運行功率為0.1 kW；使用電機為HG-KR053(B)/13(B)；控制方式為用弦波PWM控制電流。在本文控制系統(tǒng)中，主要實現(xiàn)對貼標機雙面軟材料出標和集紙的控制，以及對雙標盤轉(zhuǎn)動的控制。SGDV-5E6A01A型號伺服驅(qū)動器與其他相同類型的伺服驅(qū)動器相比，具有調(diào)試簡單、性能穩(wěn)定可靠等特性，配合選擇的FX5U-32-64-80MR-200型號PLC控制器能夠組成一套完善、經(jīng)濟、可靠的貼標機控制解決方案，更加輕松地實現(xiàn)對貼標機運行操作的控制。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 貼標機虛擬運動軸配置

結(jié)合本文前述選擇的FX5U-32-64-80MR-200型PLC控制器，利用該硬件結(jié)構(gòu)中帶有運動控制功能的虛擬運動軸對雙面軟材料智能貼標的SGDV-5E6A01A型號伺服驅(qū)動器進行位置控制，從而實現(xiàn)貼標控制操作。在對貼標機虛擬運動軸配置過程中，首先需要將STEP編程軟件打開，在操作界面彈出的窗口中進行鼠標移動操作，點擊操作界面中的“運動控制”功能項，選擇與運動項目匹配的虛擬運動軸，操作右鍵點擊其配置，對其進行命名操作處理。當電機旋轉(zhuǎn)一次后，將其運動的距離控制為1 cm。進一步推算得出電機在運行過程中每個電機的運行距離為1/5 000=0.000 2 cm。在貼標機運行過程中，選擇單向脈沖輸出方式，將FX5U-32-64-80MR-200型PLC控制器Q00端口作為脈沖輸出端口，當對應(yīng)的Q01端口在運行時顯示為輸出方向端口時，可通過控制脈沖極性的方式，整體調(diào)整控制電機的運動方向[8]。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)前端設(shè)定的方向，集中調(diào)整電機運動方向，當前端脈沖的輸出值>0時，可以認為在此種狀態(tài)下裝置的運行方向為正向，不需要對其極性進行調(diào)整，反之，若脈沖輸出的極性初始值為負值，則實際貼標機運行過程中其電機的運動方向為負，需要對其極性進行調(diào)整。

再根據(jù)貼標機出標操作的控制需要，對貼標機虛擬運動軸進行配置，整個控制過程：對伺服電機的運行過程進行出標處理—對接傳感器，檢測其運行是否存在異?！獑铀欧C開始作業(yè)運動，在此基礎(chǔ)上，將前端的RPS輸入點作為終端信號輸入點，以此種方式實現(xiàn)對信號點的匹配。針對虛擬運動軸的運動曲線進行定義，當伺服電機以單速連續(xù)旋轉(zhuǎn)的方式運行時，其運行速度是固定不變的。當RPS輸入被激活時，伺服電機會在SGDV-5E6A01A型號伺服驅(qū)動器的驅(qū)動下開始運動，當運動的距離達到規(guī)定距離時停止。同時，為了實現(xiàn)對雙面軟材料智能貼標機的高精度控制，將貼標機不同控制動作及控制方案分別存儲在不同的分區(qū)中，并在STEP編程軟件中進行保存。最后，在STEP編程軟件中用鼠標點擊“生成”按鈕，完成對貼標機虛擬運動軸的配置。

2.2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PLC控制程序設(shè)計

完成對貼標機虛擬運動軸的配置后，為了進一步提高控制系統(tǒng)的控制精度，結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對PLC控制程序進行設(shè)計和訓練。當本文控制系統(tǒng)完成初始化后，系統(tǒng)等待檢測被貼物傳感器的輸入信號，若在這一過程中被貼物傳感器檢測到物體，則此時高速計數(shù)器啟動，并開始對貼標機傳輸帶結(jié)構(gòu)上的編碼器輸出脈沖進行計數(shù)操作，并實現(xiàn)對被貼物體位置的跟蹤。其具體控制程序如圖2所示。

圖2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PLC控制程序

將前述控制程序輸入到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，完成進一步的訓練，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的神經(jīng)元表達式為

yi=f(Wjx-bj)，

(1)

式中：yi為神經(jīng)元輸出結(jié)果；f為激勵函數(shù)；Wj為輸入加權(quán)項；x為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出矢量；bj為偏移項。式(1)中，激勵函數(shù)可以根據(jù)本文控制系統(tǒng)的運行需要選擇閾值型函數(shù)：

(2)

式中b為神經(jīng)元偏置。根據(jù)式(2)對PLC控制程序進行訓練，設(shè)置迭代次數(shù)為50次，并在訓練過程中向BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供已有的對應(yīng)輸出標準的數(shù)據(jù)，完成對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學習。針對自動控制系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行學習，將已經(jīng)完成調(diào)整的控制信息與對應(yīng)的誤差以及外部環(huán)境數(shù)據(jù)提供給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。通過式(1)～(2)，實現(xiàn)對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果的獲取，根據(jù)輸出結(jié)果進行判斷，選擇將結(jié)果輸出，還是完成下一次迭代訓練，最終將具有高精度條件的控制程序輸出并導入到FX5U-32-64-80MR-200型PLC控制器，利用該控制器實現(xiàn)對雙面軟材料智能貼標機的運行控制。

3 控制系統(tǒng)應(yīng)用效果對比

結(jié)合本文前述內(nèi)容，實現(xiàn)對自動控制系統(tǒng)的理論設(shè)計，為了進一步驗證本文引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后的控制系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的可行性和應(yīng)用優(yōu)勢，選擇將其與未應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的控制系統(tǒng)應(yīng)用到相同型號的雙面軟材料智能貼標機上，并對其控制效果進行對比。首先，為了驗證兩種控制系統(tǒng)的控制速率，選擇將貼標機的雙頭運行速度作為評價指標，分別利用兩種控制系統(tǒng)對貼標機進行控制，并在控制過程中保證產(chǎn)品規(guī)格、運行環(huán)境溫度、運行環(huán)境濕度、運行總時間等條件均保持一致情況下開展實驗。貼標機雙面運行速度的計算公式為

(3)

式中：v為貼標機雙面運行速度；s為規(guī)定時間內(nèi)完成貼標任務(wù)的產(chǎn)品數(shù)量；t為完成貼標任務(wù)的耗時。根據(jù)式(3)計算得出兩種控制系統(tǒng)下貼標機的雙面運行速度，并將其記錄，見表2。

表2 兩種控制系統(tǒng)控制下貼標機雙面運行速度對比

從表2中記錄的數(shù)據(jù)可以看出，本文系統(tǒng)控制條件下5次的運行速度均在450瓶/min以上，而未應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的系統(tǒng)控制條件下5次運行速度均未超過220瓶/min。因此，通過前述結(jié)果分析得出，本文提出的自動控制系統(tǒng)實際上能夠有效提高雙面軟材料智能貼標機的運行速度。為了進一步對本文控制系統(tǒng)的精度進行驗證，隨機在5次運行中抽取5組產(chǎn)品，并對比其貼標位置是否出現(xiàn)標簽溢出規(guī)定區(qū)域范圍的現(xiàn)象，若溢出則對其溢出部分的面積進行計算，并將得出的結(jié)果繪制成表3。

表3 兩種控制系統(tǒng)下貼標情況記錄表

通過對表3中記錄的貼標情況進行分析得出，本文控制系統(tǒng)僅在第3組出現(xiàn)了標簽溢出規(guī)定范圍的情況，并且標簽溢出范圍的面積小于規(guī)定溢出上限5.00 mm2的要求。未應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的控制系統(tǒng)僅在第4組沒有出現(xiàn)標簽溢出規(guī)定范圍的情況，其余均出現(xiàn)了嚴重標簽溢出的問題，且溢出范圍的面積均超過了規(guī)定標準的上限。因此，通過前述實驗進一步分析得出，本文提出的基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對雙面軟材料智能貼標機的快速和高精度控制，進而提升貼標機的運行效率。

4 結(jié)語

本文以雙面軟材料智能貼標機作為研究對象，將產(chǎn)品包裝生產(chǎn)線的實際市場需求與學術(shù)研究進行結(jié)合，通過引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計出一種全新的自動控制系統(tǒng)。將該系統(tǒng)應(yīng)用到實際貼標機運行環(huán)境中，證明了系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對貼標機高精度和高效率的控制。盡管設(shè)計的控制系統(tǒng)在實際應(yīng)用中具備了一定優(yōu)勢，但仍然有待提升的空間，需要進一步地完善和改進。例如在進行雙面軟材料貼標的過程中，若送標裝置上的標簽用完，則需要通過停機并由現(xiàn)場作業(yè)人員更換標簽卷才能夠?qū)崿F(xiàn)對新標簽卷的替換，這會造成貼標效率降低。因此，針對這一問題，在后續(xù)的研究中還將進行更加深入的研究，從而提高本文控制系統(tǒng)的適應(yīng)范圍。