基于PLC的模糊控制器在定量包裝秤中的應(yīng)用

張 俊，李 明

（1. 南京工業(yè)大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，南京 210009；2. 常熟三禾精工科技有限公司，蘇州 215000 ）

基于PLC的模糊控制器在定量包裝秤中的應(yīng)用

張 俊1，李 明2

（1. 南京工業(yè)大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，南京 210009；2. 常熟三禾精工科技有限公司，蘇州 215000 ）

結(jié)合公司設(shè)計的DCS-25包裝秤，介紹了定量包裝秤的工作原理。設(shè)計了基于西門子PLC和模糊控制實現(xiàn)包裝秤的自動控制系統(tǒng)，并且介紹了PLC實現(xiàn)模糊控制定量下料的具體方法。實踐表明，該控制方式能夠較好的實現(xiàn)精準(zhǔn)定量包裝，并且提高了該公司生產(chǎn)的包裝秤的市場競爭力。

定量包裝；模糊控制；PLC

0 引言

隨著現(xiàn)在生活水平的提高，定量包裝已經(jīng)在生產(chǎn)和生活中無處不在，包括食品、化肥、飼料等行業(yè)。在定量稱重環(huán)節(jié)中，一般包括料倉、加料裝置和秤體等部分組成。定量精度在判斷定料包裝機(jī)優(yōu)劣中是非常重要的一個因素。然而在定量包裝中，影響定量精度的主要環(huán)節(jié)是加料裝置和秤體兩個部分[1]。定量下料控制中的誤差并不能完全被消除，特別是物料的沖擊力以及空中落料的影響[1,2]。目前，本公司大量生產(chǎn)的定量包裝機(jī)是在使用之前就已經(jīng)設(shè)定好兩個固定的速度，包括快加檔和慢加檔，在包裝機(jī)工作過程中無法實現(xiàn)精確的動態(tài)控制，只能按照提前設(shè)定好的電機(jī)速度進(jìn)行加料，導(dǎo)致生產(chǎn)的包裝機(jī)無法使用在精度較高的場合。根據(jù)公司的發(fā)展要求，對定量包裝機(jī)進(jìn)行技術(shù)提升來提高定量包裝精度，由于動態(tài)稱重的被控對象具有非線性特性，所以本次設(shè)計中將模糊控制的方法來應(yīng)用于動態(tài)定量包裝控制系統(tǒng)。

1 定量包裝秤的結(jié)構(gòu)

圖1為本次設(shè)計的定量包裝秤的組成簡圖。本次設(shè)計的包裝秤能夠包裝各種顆粒和粉料，每袋包裝的容量是25kg，容許的誤差在0.2%，主要包括料倉、稱重裝置、夾袋機(jī)構(gòu)和自動控制系統(tǒng)等組成。

加料倉采用緩沖料倉，主要是為了提供比較均勻的物料。本次設(shè)計的包裝機(jī)包裝的物料主要是粉末物料，采用的加料方式是螺旋加料，通過調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變加料速度的快慢，從而來滿足動態(tài)包裝的精度要求。稱重環(huán)節(jié)中采用的是托利多生產(chǎn)的IL系列稱重傳感器，安裝在結(jié)構(gòu)的左側(cè)，如圖1所示，將物料的重量轉(zhuǎn)化為電信號傳送給控制系統(tǒng)。本次控制系統(tǒng)由西門子200系列PLC、UNIPULSE的F701稱重顯示儀表、電控箱等組成，使整個包裝機(jī)按照PLC編寫的程序進(jìn)行控制。硬件控制流程圖如圖2所示。

圖1 定量包裝秤組成簡圖

圖2 硬件控制流程圖

2 定量控制原理

本次對包裝機(jī)進(jìn)行改造的過程中，定量控制總體還是保留二級加料的加料方式，即開始的時候采用快加料，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定值的約90%加料量時,改成慢加料以滿足稱重精度的要求。在剛開始的時候，即定量稱重誤差比較大時，采用恒定的快加料控制，來滿足速度的要求；當(dāng)稱重誤差小于某一特定值的時候，進(jìn)行變速模糊控制，以保證定量下料的精度。圖3為定量下料稱重模糊控制自動控制系統(tǒng)。

圖3 自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在定量控制中，稱重傳感器檢測到的電壓信號進(jìn)入F701儀表的放大、濾波等電路，通過A/D轉(zhuǎn)換器，然后經(jīng)過儀表內(nèi)部的控制器轉(zhuǎn)換為重量值，與設(shè)定值進(jìn)行比較得到偏差值。在恒速快加料結(jié)束之后，采用模糊控制算法計算出在該偏差下的螺桿的下料量，通過該下料量得出電機(jī)的驅(qū)動量。包裝過程中控制螺旋加料的電機(jī)為伺服電機(jī)，通過控制電壓值來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而來控制螺旋下料的速度[3]。圖4為控制系統(tǒng)原理圖。

圖4 控制系統(tǒng)原理圖

3 模糊控制設(shè)計

圖5為模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)框圖?？刂破鞑捎霉こ躺鲜褂帽容^成功的二維模糊控制器，以實際下料的重量與給定重量的偏差e和偏差的變化率ec作為模糊控制器的輸入，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速作為輸出u[4,5]。

3.1 精確量模糊化

圖5 模糊控制基本結(jié)構(gòu)圖

模糊化的主要作用是將輸入的精確量轉(zhuǎn)化為模糊量[6,7]。定量下料模糊控制系統(tǒng)和一般采用模糊控制的系統(tǒng)還是有區(qū)別的，區(qū)別就在于定量下料系統(tǒng)是一個單向逼近式的過程，也就是落下的料是不能收回的，所以偏差e就無負(fù)值，偏差變化率ec就逐漸減少。針對設(shè)計的包裝機(jī)，理論誤差是0～25000g。但是根據(jù)設(shè)計的要求，在剛開始加料的時候采用恒速加料的形式，當(dāng)偏差小于10000g的時候采用模糊控制的方法進(jìn)行加料速度的控制。偏差的模糊論域定為[0,10]，對偏差較小的這部分進(jìn)行非均勻量化,得出偏差e的模糊論域與實際論域的關(guān)系表如表1所示。偏差的變化率的模糊論域取值為[0,8]，經(jīng)過多次的測試，得出模糊論域與實際論域的關(guān)系表如表2所示。在包裝過程中，進(jìn)行精確加料的過程一般時間是比較短的，按照以前的慢加料精度加料的時間，一般只有2～3秒鐘的時間，所以在設(shè)計的過程中采用100次/秒的采樣方式，從而提高采樣率來提高精度。

表1 偏差E的實際論域與模糊論域的對應(yīng)關(guān)系

表2 偏差Ec的實際論域與模糊論域的對應(yīng)關(guān)系

3.2 模糊控制規(guī)則

在本次設(shè)計中，要想使模糊控制能否能夠精確地控制定量包裝機(jī)的下料過程，那么關(guān)鍵的地方就是看選取的模糊控制規(guī)則是否合適?？刂屏縐的模糊論域為[0,10]，其中0檔所代表的就是轉(zhuǎn)速最慢，10檔所代表的就是轉(zhuǎn)速最快。根據(jù)推理規(guī)則，經(jīng)過試驗測試，進(jìn)行多次調(diào)整，得到的模糊控制表如表3所示。

表3 模糊控制規(guī)則

3.3 控制量反模糊化

上面所得到的控制量是模糊量，但是實際控制下料快慢的是精確量，所以要得到實際的精確控制量[8,9]。在定量下料裝置中，控制下料的是伺服電機(jī)，伺服電機(jī)中使用速度控制模式，10V所對應(yīng)伺服電機(jī)的速度是最快的。伺服電機(jī)對應(yīng)的電壓范圍是0～10V，模糊論域為[0,8]，所以實際控制量與模糊控制量的對應(yīng)關(guān)系如表4所示。

表4 控制量 U 的模糊論域與實際論域的對應(yīng)關(guān)系

4 模糊控制算法的PLC實現(xiàn)

在本次的定量系統(tǒng)改造中，硬件方面采用的西門子公司S7-200 型PLC[10]。模糊算法的設(shè)計流程如圖6所示。

在這次程序設(shè)計中，結(jié)合現(xiàn)場采用模糊控制查詢表的方法，對離線已經(jīng)設(shè)計好的控制表進(jìn)行查詢。這個在PLC實現(xiàn)模糊控制中是非常關(guān)鍵的步驟。根據(jù)程序圖中所示，將采樣到已經(jīng)量化過的偏差E、偏差變化Ec分別放在了VW104和VW106中。將偏差E的模糊論域放在VW110開始的連續(xù)11個數(shù)據(jù)寄存器中，偏差變化Ec的模糊論域放在VW132開始的連續(xù)9個數(shù)據(jù)寄存器中。將VW104中的數(shù)據(jù)和VW110開始的11數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)相比較，并且將VW106中的數(shù)據(jù)和VW132開始的9數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)相比較，若和某個數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)相同，所對應(yīng)的中間繼電器（如M0.0）置1。根據(jù)中間繼電器的狀態(tài)將查詢的輸出值送入數(shù)據(jù)寄存器VW400中。實現(xiàn)的部分程序如下所示。

圖6 PLC模糊算法的流程圖

5 結(jié)論

本次為公司進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)過程中，針對動態(tài)稱重過程中存在空中落料和物料沖擊等非線性特性，將西門子PLC實現(xiàn)模糊控制運用于定量稱重系統(tǒng)上。經(jīng)過多次測試，在保證160包/h的速度基礎(chǔ)上將精度提高到0.2%。將PLC來實現(xiàn)模糊控制比其他控制器實現(xiàn)定量包裝能滿足適應(yīng)能力強(qiáng)來運用于環(huán)境比較復(fù)雜的工廠環(huán)境。本次設(shè)計得到了公司的一致認(rèn)可，將控制算法稍加改動就可以應(yīng)用于公司其它的定量包裝設(shè)備中。

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Application of quantitative packaging machine based on PLC fuzzy controller

ZHANG Jun1，LI Ming2

TB486

A

1009-0134(2014)05(下)-0110-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).31

2013-12-18

張俊（1989 -），男，江蘇宜興人，碩士研究生，主要研究方向為包裝機(jī)的自動化控制。