基于PLC的掛式除濕袋包裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王吉岱，李 棟，郝亞東

(山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島 266590)

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基于PLC的掛式除濕袋包裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王吉岱，李 棟，郝亞東

(山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島 266590)

文中針對傳統(tǒng)的掛式除濕袋包裝工藝存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，在介紹包裝生產(chǎn)線工藝流程及組成的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制的掛式除濕袋全自動(dòng)化包裝控制系統(tǒng)。整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)采用遞階控制的方式，并詳細(xì)闡述了控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、鏈條速度控制以及軟件編程和人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)用PLC作為主控，采用多個(gè)傳感器相互配合，提高了自動(dòng)化程度，降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本。

掛式除濕袋包裝；PLC；人機(jī)界面；自動(dòng)化

0 引言

隨著工業(yè)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)械設(shè)備不斷集成為機(jī)電一體化的綜合體，自動(dòng)控制已逐步取代手動(dòng)操作。在現(xiàn)代化的工業(yè)企業(yè)中，自動(dòng)化的程度越來越高，生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度對于企業(yè)的適應(yīng)性和生存能力至關(guān)重要。

目前，國內(nèi)掛式除濕袋包裝生產(chǎn)基本為人工作業(yè)，還沒有專門的自動(dòng)化包裝設(shè)備，導(dǎo)致包裝效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。此外工作環(huán)境惡劣，在原材料中含有有毒物質(zhì)，對工人身體產(chǎn)生嚴(yán)重危害。在此背景下，對掛式除濕袋包裝的自動(dòng)化生產(chǎn)線的研究，顯得十分必要。

為此，本文開發(fā)了一套基于PLC的全自動(dòng)包裝控制系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、速度曲線設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。整個(gè)控制系統(tǒng)采用管理級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)、執(zhí)行級(jí)三級(jí)遞階控制的方式，信息處理和執(zhí)行速度更快，任務(wù)分配更加合理，靈活性可靠性好。此控制系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)了掛式除濕袋包裝的自動(dòng)化生產(chǎn)，提高了包裝生產(chǎn)效率，改善了工人勞動(dòng)狀況。

1 包裝生產(chǎn)線工藝流程及組成

掛式除濕袋成品和各個(gè)組件如圖1所示。在生產(chǎn)過程中主要完成的任務(wù)是將圖1中的壓片、掛鉤、掛袋組裝成圖中d所示的除濕袋成品形式，要求掛鉤的4個(gè)柱狀凸起與掛袋和壓片的4個(gè)小孔完全配合。

圖1 掛式除濕袋成品和組件圖

整個(gè)生產(chǎn)線主要有矩形軌道系統(tǒng)、掛鉤上線系統(tǒng)、掛袋上線系統(tǒng)、壓片上線系統(tǒng)、壓合封口系統(tǒng)、產(chǎn)品下線系統(tǒng)等組成。全自動(dòng)掛式濕袋包裝生產(chǎn)線俯視圖除如圖2所示。

1—矩形軌道系統(tǒng)；2—保護(hù)罩殼；3—掛鉤上線系統(tǒng)；4—掛袋上線系統(tǒng)；5—壓片上線系統(tǒng)；6—壓合封口系統(tǒng)；7—產(chǎn)品下線系統(tǒng)。圖2 全自動(dòng)掛式除濕袋包裝生產(chǎn)線俯視圖

矩形軌道系統(tǒng)：此系統(tǒng)為整個(gè)生產(chǎn)線的運(yùn)輸主干線，通過一臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈條運(yùn)動(dòng)，鏈條帶動(dòng)10個(gè)滑座沿著軌道運(yùn)行。各個(gè)工位的包裝物料均需輸送到該軌道系統(tǒng)上依次將物料輸送到下一個(gè)系統(tǒng)。

掛鉤上線系統(tǒng)：該工位通過同步帶的運(yùn)動(dòng)和2個(gè)氣缸的伸縮完成掛鉤的下壓和掛鉤的吸取，從而實(shí)現(xiàn)掛鉤向軌道系統(tǒng)的自動(dòng)上料動(dòng)作。

掛袋上線系統(tǒng)：該工位通過氣動(dòng)夾手夾取掛袋，采用雙聯(lián)氣缸實(shí)現(xiàn)掛袋向軌道系統(tǒng)的自動(dòng)化上料動(dòng)作。

壓片上線系統(tǒng)：該工位主要完成壓片的送料工作，主要通過一臺(tái)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)完成單個(gè)壓片的下落工作，傳感器檢測到壓片，雙桿氣缸便推動(dòng)壓片完成上料。

壓合組裝系統(tǒng)：該工位主要完成掛鉤、掛袋、壓片的壓合工作。當(dāng)傳感器檢測到掛袋時(shí)，壓合裝置動(dòng)作，完成壓合工作，如果沒有掛袋，壓合工序不動(dòng)作。

成品下線系統(tǒng)：將組裝好的輸送到此工位的成品，有下線氣缸完成成品下線工作，從而完成一個(gè)完整的循環(huán)。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)包裝生產(chǎn)線的有效監(jiān)控和高效運(yùn)行，生產(chǎn)線控制系統(tǒng)采用具有管理級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)和執(zhí)行級(jí)的三級(jí)遞階控制模式。三級(jí)遞階控制是將一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)模型分解成一組低階模型，每個(gè)低階模型對應(yīng)一個(gè)子系統(tǒng)，各個(gè)子系統(tǒng)中設(shè)計(jì)對應(yīng)的局部控制器。此類控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于局部故障不至于影響整個(gè)系統(tǒng)，全局與局部控制性能都很高，靈活性和可靠性好，任何子過程的變化對決策的影響都是局部性的?？刂葡到y(tǒng)組織結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)圖

2.1 管理級(jí)

以維綸MT6070IH觸摸屏構(gòu)建的管理級(jí)作為遞階控制的第一級(jí)。該級(jí)主要負(fù)責(zé)整個(gè)控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理工作，組織監(jiān)視并指導(dǎo)協(xié)調(diào)級(jí)的所有行為。觸摸屏根據(jù)生產(chǎn)線整體要求，通過設(shè)計(jì)的主控界面中的不同操作按鈕，向協(xié)調(diào)級(jí)傳達(dá)不同的控制模式，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定控制目標(biāo)。此外觸摸屏接收傳感器反饋到下位機(jī)的信息，并顯示在監(jiān)控屏幕上，以便實(shí)時(shí)了解生產(chǎn)線的運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)線有效監(jiān)控管理。

2.2 協(xié)調(diào)級(jí)

協(xié)調(diào)級(jí)是遞階控制的次高級(jí)，協(xié)調(diào)各控制器的控制與各子任務(wù)的執(zhí)行。以CP系列CP1H CPU和24點(diǎn)輸入16點(diǎn)輸出的擴(kuò)展模塊構(gòu)建的協(xié)調(diào)級(jí)系統(tǒng)作為遞階控制的第二級(jí)。PLC主要負(fù)責(zé)各生產(chǎn)線各個(gè)工位中傳感器信息處理，并實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動(dòng)鏈條的伺服電機(jī)的速度控制，解釋并執(zhí)行觸摸屏發(fā)送的指令并監(jiān)視各執(zhí)行級(jí)子系統(tǒng)反饋的運(yùn)行狀況。PLC將觸摸屏發(fā)送的指令轉(zhuǎn)化成具體的動(dòng)作數(shù)據(jù)，發(fā)送給各個(gè)執(zhí)行級(jí)子系統(tǒng)，同時(shí)負(fù)責(zé)接收運(yùn)行過程中各個(gè)異常信號(hào)、保護(hù)信號(hào)等，同時(shí)傳給觸摸屏。

2.3 執(zhí)行級(jí)

以伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳感器、氣缸、電磁閥等構(gòu)建的執(zhí)行級(jí)系統(tǒng)作為遞階控制的第三級(jí)。執(zhí)行級(jí)是遞階控制的最低一級(jí)，由多個(gè)硬件控制器組成。該級(jí)主要負(fù)責(zé)接收從下位機(jī)發(fā)送的指令，通過邏輯控制驅(qū)動(dòng)相關(guān)的執(zhí)行部件動(dòng)作，并利用傳感器將執(zhí)行部件的動(dòng)作狀態(tài)反饋到下位機(jī)系統(tǒng)，給高層提供相關(guān)決策依據(jù)。

與傳統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)相比，三級(jí)遞階控制將協(xié)調(diào)級(jí)從控制結(jié)構(gòu)上獨(dú)立出來。該結(jié)構(gòu)具有信息處理更快、執(zhí)行速度更高、任務(wù)分配更加合理的特點(diǎn)。三級(jí)遞階控制使全局與局部控制性能得到較大提高，靈活性可靠性好，任何子過程的變化對決策的影響都是局部性的。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 鏈條速度控制

本生產(chǎn)線中鏈條速度控制上要求高速進(jìn)給、穩(wěn)定運(yùn)行、高精度定位。傳統(tǒng)的加減速法主要有：直線加減速法、指數(shù)加減速法。直線加減速在加減速過程中會(huì)出現(xiàn)加速度突變，從而導(dǎo)致電機(jī)速度不能平滑過渡，直線加減速主要適用于控制系統(tǒng)處理速度較慢，且對升降速過程要求不高的場合。與直線加減速法相比，指數(shù)加減速平滑性較好，但在加減速的起點(diǎn)仍然存在加減速突變，也不適用高速進(jìn)給系統(tǒng)。通過分析可以看出這兩種速度控制并不適合本生產(chǎn)線的高速進(jìn)給、穩(wěn)定運(yùn)行、高精度定位的控制要求。為此本文在電機(jī)速度控制上提出了S型加減速控制的方式，S型速度控制是將整個(gè)速度規(guī)劃分為7個(gè)階段，7個(gè)階段主要包括：加加速運(yùn)動(dòng)、勻加速運(yùn)動(dòng)、減加速運(yùn)動(dòng)、勻速運(yùn)動(dòng)、加減速運(yùn)動(dòng)、勻減速運(yùn)動(dòng)、減減速運(yùn)動(dòng)，S型曲線如圖4所示。

圖4 S型曲線加減速法的速度、加速度、加加速度曲線圖

其加加速度J關(guān)于時(shí)間t的表達(dá)式如下：

(1)

式中Jmax為最大加加速度。

對式(1)進(jìn)行積分可以準(zhǔn)確得到7個(gè)階段中的加速度a關(guān)于時(shí)間t的表達(dá)式為：

(2)

式中Amax為最大加速度。

對式(2)進(jìn)行積分可以得到7個(gè)階段中的速度v關(guān)于時(shí)間t的表達(dá)式為：

(3)

由分析可以看出這種速度控制方法中任何一點(diǎn)的速度都是連續(xù)變化的，從而避免了柔性沖擊，速度的平滑性較好，運(yùn)動(dòng)控制精度高。

3.2 控制系統(tǒng)軟件編程

在控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)進(jìn)行了編程，程序?qū)崿F(xiàn)的主要功能有系統(tǒng)初始化、自動(dòng)操作控制和手動(dòng)操作控制、伺服電機(jī)的速度控制、各個(gè)工位氣缸的控制和各個(gè)傳感器信號(hào)的采集及人機(jī)交互界面的編程。應(yīng)用V4.5 CX-Programmer軟件對可編程控制器進(jìn)行編程，并采用V4.41 EasyBuilder8000做出人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)線監(jiān)控管理。

在鏈條速度控制上采用歐姆龍CP1H中的PLS2指令實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的S型加減速控制。通過設(shè)定內(nèi)部寄存器D1～D6指定脈沖輸出量、目標(biāo)頻率、加速比率、減速比率從而實(shí)現(xiàn)具有S型加減速的脈沖輸出。

可編程控制器編程采用順序控制設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，即按照生產(chǎn)線預(yù)先規(guī)定的順序，在輸入信號(hào)的作用下，各個(gè)執(zhí)行元件自動(dòng)有序的進(jìn)行動(dòng)作?？刂葡到y(tǒng)程序流程如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)程序流程圖

人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)主要包括：主控界面、顯示界面、報(bào)警界面。主控界面作為人機(jī)控制的主要部分，包括系統(tǒng)初始化、運(yùn)行模式選擇、手動(dòng)操作、自動(dòng)操作等。顯示界面主要監(jiān)視各個(gè)執(zhí)行級(jí)的工作狀態(tài)和產(chǎn)品量的一個(gè)統(tǒng)計(jì)工作。報(bào)警界面主要負(fù)責(zé)顯示整個(gè)生產(chǎn)線故障的原因，及時(shí)排除生產(chǎn)線故障，提高生產(chǎn)效率。人機(jī)界面如圖6所示。

4 結(jié)束語

本文在分析了掛式除濕包裝生產(chǎn)線工藝流程及組成的基礎(chǔ)上，完成了控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、伺服電機(jī)速度控制及相應(yīng)軟件編程。整個(gè)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)由PLC統(tǒng)一協(xié)調(diào)各設(shè)備之間的動(dòng)作，通過觸摸屏對生產(chǎn)線進(jìn)行有效控制和監(jiān)控，在完善的故障檢測及報(bào)警基礎(chǔ)上提高了系統(tǒng)安全性和可靠性。

最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，有效提高生產(chǎn)線效率，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了生產(chǎn)成本。

[1] 李軍．聚丙烯包裝碼垛機(jī)控制系統(tǒng)組成及故障處理 ．包裝工程，2012，33(7)：86-89．

[2] 楊超,張東泉.基于S曲線的步進(jìn)電機(jī)加減速的控制.機(jī)電工程,2011,28(7): 813-817．

[3] 任俊杰,李永霞,李媛,等.基于PLC 的閉環(huán)控制系統(tǒng)PID 控制器的實(shí)現(xiàn).制造業(yè)自動(dòng)化,2009,31(4): 20-23．

[4] 陳嬋娟,陳參,曾東暖.自動(dòng)包裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).液壓與氣動(dòng),2007(4)：6-8.

[5] 王吉岱,閆磊，陳廣慶，等.基于遞階控制的爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).自動(dòng)化與儀表,2013(6): 10-12．

[6] 孫曉,周浩.基于PLC的樣品煤定量包裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).包裝工程，2011(11)：76-77.

[7] 丁黎光,李伯勝,丁偉.包裝生產(chǎn)線機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化.包裝工程,2001(8)：33-36.

[8] 李如虎,邵明.全自動(dòng)柚子包裝生產(chǎn)線設(shè)計(jì).農(nóng)產(chǎn)品加工,2010(8)：72-75.

[9] 江慶.基于STC89單片機(jī)的粉狀物料定量稱重控制器設(shè)計(jì) .包裝與食品機(jī)械,2008,26(1): 24- 27．

Design of Control System Based on PLC for Packaging in Hanging Desiccant

WANG Ji-dai，LI Dong, HAO Ya-dong

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590，China)

This paper describes an automatic packing control system, which makes a design of a hanging type desiccant bag based on PLC control, changing traditional weaknesses, such as large labor intensity, poor working conditions and other characteristics. The whole control system adopted hierarchical structure control mode, and described the hardware design of the control system, the chains speed curve design and the process design of the software and man-machine interface design of the system. The system used PLC as its main control core, used multiple sensors cooperate with each other to improve the degree of automation, and reduced labor intensity of workers and production cost.

hanging desiccant; PLC; HMI; automation

2014-12-11 收修改稿日期：2015-06-25

TP273

A

1002-1841(2015)09-0077-03

王吉岱(1961—)，教授，碩士，主要從事過程裝備與工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的教學(xué)與研究。 李棟(1987—)，碩士，主要從事工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的研究。