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1、基于雙閉環(huán)控制的食鹽自動(dòng)裝箱機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要：針對(duì)目前食鹽裝箱系統(tǒng)中自動(dòng)化程度低、控制精度低等問題，設(shè)計(jì)了一套基于PLC的雙閉環(huán)自動(dòng)裝箱機(jī)控制系統(tǒng)。在此詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的工藝流程，系統(tǒng)闡述了控制系統(tǒng)的I/O分配與接線，分析了控制流程，完成了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了控制過程的自動(dòng)化，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)；自動(dòng)裝箱機(jī)；PLC；控制系統(tǒng)中圖分類號(hào)：TN964?34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004?373X〔2021〕10?0101?03Abstract：Adoubleclosed?loopcontrolsystemforsaltautomaticencasingm
2、achinewasdesignedbasedonPLC，whichmainlyaimedattheproblemoflowautomationdegreeandcontrolprecisionfortheavailablesaltencasingmachine.Thetechnologyprocess，I/Oassignmentandwiringofthesystemareintroducedinthispaper.Thecontrolsystemwasdesignedbyanalysisofthecontrolprocess.Theautomationofthecontrolprogress
3、wasrealizedinthesystem.Thestabilityandreliabilityofthesystemwereimproved.Keywords：doubleclosed?loop；automaticencasingmachine；PLC；controlsystem0引言在食鹽自動(dòng)包裝流水線中，自動(dòng)裝箱機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的核心，它將包裝物整形排列，按一定排列方式定量裝入紙箱中，并完成封箱送出等工作【1】。食鹽裝箱機(jī)性能的優(yōu)劣直接影響食鹽裝箱的效率與品質(zhì)。目前市場上的食鹽裝箱機(jī)整體技術(shù)水平偏低，主要存在著裝箱效率低、鹽袋在箱中排放不整齊等問題[2?3]。在食鹽自動(dòng)裝箱系統(tǒng)中如何保
4、證食鹽裝箱功能的前提下提高其自動(dòng)化水平與效率以及控制精度本文需要解決的重要問題。針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于雙閉環(huán)控制的食鹽自動(dòng)裝箱機(jī)控制系統(tǒng)。1食鹽自動(dòng)裝箱機(jī)工藝分析食鹽自動(dòng)裝箱系統(tǒng)主要有4大功能模塊：紙箱成型模塊、食鹽供給模塊、裝箱模塊和封箱模塊【4】。每個(gè)模塊由傳感器和執(zhí)行器組成，傳感器檢測到的各種參數(shù)信號(hào)實(shí)時(shí)地送往PLC控制系統(tǒng)；執(zhí)行器接收實(shí)時(shí)地控制各相應(yīng)模塊以完成預(yù)定的動(dòng)作。其工藝流程是：從生產(chǎn)車間輸送過來的小包裝食鹽，首先輸送到高速運(yùn)行的伸縮皮帶上面，當(dāng)光電檢測元件檢測到鹽袋時(shí)，伸縮皮帶迅速縮回一定距離，鹽袋便落在一級(jí)暫存機(jī)構(gòu)上面，當(dāng)落夠五袋時(shí)，一級(jí)暫存艙門翻開，同時(shí)伸縮皮帶復(fù)
5、位，鹽袋落在二級(jí)暫存機(jī)構(gòu)上，二級(jí)暫存機(jī)構(gòu)可以左右擺動(dòng)，當(dāng)二級(jí)暫存機(jī)構(gòu)落夠兩排時(shí)，擺動(dòng)氣缸工作，二級(jí)暫存艙門翻開，鹽袋落入紙箱中，同時(shí)二級(jí)暫存機(jī)構(gòu)復(fù)位，到達(dá)5層后，箱體輸往封箱機(jī)構(gòu)完成封箱輸出產(chǎn)品，完成整個(gè)裝箱流程。其工藝流程圖如圖1所示。鹽袋供給方案設(shè)計(jì)通過對(duì)食鹽自動(dòng)裝箱機(jī)工藝流程的分析，按照雙閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)精確定位的要求，首先完成總體方案的設(shè)計(jì)，然后利用PLC強(qiáng)大的邏輯處理能力和伺服系統(tǒng)定位精度高的優(yōu)點(diǎn)【5】，設(shè)計(jì)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)?？傮w方案以PLC為控制核心，結(jié)合外圍檢測執(zhí)行單元，完成整個(gè)裝箱過程的自動(dòng)化控制。該控制系統(tǒng)主要由可編程控制器〔PLC〕、伺服系統(tǒng)、氣缸、檢測執(zhí)行元件等組成。分析自動(dòng)裝
6、箱的控制時(shí)序【6】，確定各檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)I/O的分配，并畫出PLC接線圖。其控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。2.2控制器的選型在食鹽自動(dòng)裝箱機(jī)控制系統(tǒng)中，涉及動(dòng)作機(jī)構(gòu)不算太多，需要的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)小型控制器就可滿足需求。另外，控制系統(tǒng)需要結(jié)合伺服系統(tǒng)完成精確定位，需要較高頻率的脈沖。綜合考慮各種因素，本系統(tǒng)選用的控制器為S7?200smartSR40系列，它作為西門子公司新推出的為小型控制提供完美方案的控制器，具有結(jié)構(gòu)緊湊，本錢低廉且具有功能強(qiáng)大的指令集【7】。提供40個(gè)I/O點(diǎn)，24輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)，并可進(jìn)行擴(kuò)展。CPU模塊配備以太網(wǎng)接口，集成了強(qiáng)大的以太網(wǎng)通信功能，輕松組網(wǎng)，方便快捷；最多
7、集成3路高速脈沖輸出，頻率高達(dá)100kHz，支持PWM/PTO輸出方式以及多種運(yùn)動(dòng)模式，可自由設(shè)置運(yùn)動(dòng)包絡(luò)。配以方便易用的向?qū)гO(shè)置功能，快速實(shí)現(xiàn)設(shè)備調(diào)速、定位等功能。伺服系統(tǒng)是用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過程的反響控制系統(tǒng)[8]。伺服系統(tǒng)選用松下MINASA5系列，作為市場上的主流產(chǎn)品，它的響應(yīng)頻率高達(dá)2kHz，適合各種高速定位的工業(yè)場合；采用20位增量式編碼器，分辨率高；輸入/輸出脈沖頻率可達(dá)4Mp/s；控制模式可選，提供速度、轉(zhuǎn)矩、位置和全閉環(huán)控制[9]。鑒于其較高的響應(yīng)頻率和控制精度，配合PLC的高速脈沖輸出，完全可以實(shí)現(xiàn)高速定位的功能。2.3食鹽自動(dòng)裝箱控制過程分析〔1〕首先啟動(dòng)電源，按下
8、啟動(dòng)按鈕SB1后，電磁閥YV1得電，氣缸開始進(jìn)行箱體成型動(dòng)作?！?〕當(dāng)箱體前進(jìn)到光電開關(guān)SQ1時(shí)，電磁閥YV1失電，電磁閥YV2得電，推桿下移進(jìn)行推箱動(dòng)作，當(dāng)推桿后退到光電開關(guān)SQ2處時(shí)，電磁閥YV2失電，停止推箱，推桿回歸原位以便下一次推箱?！?〕在推桿回歸原位的同時(shí)，按下伸縮式皮帶機(jī)啟動(dòng)按鈕SB3，皮帶機(jī)開始工作，伸縮式皮帶機(jī)縮進(jìn)機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用光電開關(guān)SQ3檢測鹽袋通過次數(shù)，通過一個(gè)皮帶機(jī)縮進(jìn)一定距離，鹽袋落入一級(jí)暫存機(jī)構(gòu)?！?〕一個(gè)工作循環(huán)即鹽袋通過5次后，光電開關(guān)SQ3閉合，伸縮式皮帶回歸原位，電磁閥YV3得電，一級(jí)暫存艙門翻開，當(dāng)推桿到達(dá)光電開關(guān)SQ4處，電磁閥YV3失電，鹽
9、袋落入二級(jí)暫存機(jī)構(gòu)，推桿迅速歸位，同時(shí)，電磁閥YV4得電，推桿橫推二級(jí)暫存機(jī)構(gòu)移動(dòng)一個(gè)鹽袋的距離?！?〕重復(fù)工序〔2〕和〔3〕，當(dāng)一級(jí)暫存艙門第二次翻開，光電開關(guān)SQ5閉合，推桿機(jī)構(gòu)迅速回歸原位，同時(shí)，電磁閥YV5得電，二級(jí)暫存艙門翻開，食鹽落入紙箱?！?〕光電開關(guān)SQ6檢測二級(jí)艙門翻開次數(shù)，一個(gè)工作循環(huán)即翻開4次后，光電開關(guān)SQ6閉合，電磁閥YV6得電，氣缸推動(dòng)封箱機(jī)構(gòu)合蓋壓合，送出成品。至此整個(gè)工序完成。2.4輸入/輸出點(diǎn)分配表及PLC接線圖該系統(tǒng)在伺服電機(jī)和PLC之間外接一個(gè)運(yùn)動(dòng)編碼器，采用內(nèi)環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)器+伺服電機(jī)閉環(huán)，外環(huán)PLC+運(yùn)動(dòng)編碼器閉環(huán)，構(gòu)成雙閉環(huán)控制形式。系統(tǒng)中伺服系統(tǒng)選用位
10、置控制模式，指令脈沖輸入采用脈沖+方向的方式。在位置控制方式下，伺服驅(qū)動(dòng)器接收PLC發(fā)出的位置指令脈沖信號(hào)控制伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。內(nèi)部編碼器檢測到電機(jī)實(shí)際所產(chǎn)生的脈沖數(shù)反響給伺服驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)內(nèi)部調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)控制伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。在外部，在伺服電機(jī)和PLC之間外接運(yùn)動(dòng)編碼器，將伺服電機(jī)的位置信息反響給PLC，通過比較反響脈沖和發(fā)出脈沖，通過研究控制算法進(jìn)行控制的修正。在此采用模糊PID算法進(jìn)行外環(huán)控制系統(tǒng)的偏差修正，實(shí)現(xiàn)縮進(jìn)的精確定位。將反響脈沖與發(fā)出脈沖的偏差e〔k〕和和偏差的變化量Δe〔k〕作為被控量，按照一定的規(guī)那么調(diào)整發(fā)出脈沖量，實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制的精確定位。2.6控制程序設(shè)計(jì)根據(jù)自動(dòng)裝箱機(jī)的工藝流程和
11、控制方式，結(jié)合控制過程的分析、各個(gè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作順序，以及輸入/輸出點(diǎn)的分配和PLC控制接線圖，設(shè)計(jì)了PLC控制程序，其控制流程圖如圖5所示。PLC編程采用西門子STEP7軟件，根據(jù)控制流程，采用順序控制法進(jìn)行編程，分步執(zhí)行不同的控制任務(wù)，使程序清晰明朗，方便程序修改與維護(hù)。3結(jié)語本文根據(jù)食鹽自動(dòng)裝箱機(jī)的工作原理與工藝流程，對(duì)自動(dòng)裝箱機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套集控制、計(jì)數(shù)、精確定位功能于一體的食鹽自動(dòng)裝箱控制系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，可靠性高，設(shè)計(jì)本錢低，運(yùn)行操作方便。該系統(tǒng)對(duì)于改進(jìn)較為落后的裝箱系統(tǒng)有很大幫助，可以極大地提高企業(yè)的裝箱自動(dòng)化控制程度和生產(chǎn)效率，具有廣闊的市
12、場前景和較高的推廣使用價(jià)值。參考文獻(xiàn)【1】夏天煜，湯曉華，李可，等.在線智能視覺檢測系統(tǒng)在小包裝食鹽裝箱中的應(yīng)用[J].北京工商大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2021，29〔5〕：61?64.【2】張國全，張進(jìn)，方忠華，等.全自動(dòng)伸縮皮帶式軟袋裝箱機(jī)提升裝箱效率的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].包裝與食品機(jī)械，2021，25〔3〕：22?24.【3】趙蕾，湯曉華，劉娜，等.袋裝食鹽生產(chǎn)線裝箱機(jī)頭直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制研究[J].北京工商大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2021，28〔6〕：46?方案設(shè)計(jì)及其控制系統(tǒng)開發(fā)[D].天津：天津大學(xué)，2021.【5】龍國煊，王仲，楊純.基于PLC和伺服電機(jī)的精密定位技術(shù)研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2021，29〔12〕：64?66.【6】黃濤，陳滿儒.基于PLC的火腿腸裝箱機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].包裝工程，2021，30〔2〕：58??200smart技術(shù)手冊(cè)[M].北京：西門子〔中國〕自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)，2021.
基于雙閉環(huán)控制的食鹽自動(dòng)裝箱機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
