基于PLC控制的糧食包裝機(jī)器人的開發(fā)

梁明亮，蘇東民,2，常蘭州，張明環(huán)

（1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450052；2.河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，鄭州 450001；3.河南金谷實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，鄭州 450053 ）

0 引言

在糧食加工產(chǎn)業(yè)中，套袋打包工作簡單繁瑣、勞動強(qiáng)度大、勞動環(huán)境差，逐步采用糧食包裝機(jī)器人進(jìn)行自動包裝是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和食品加工業(yè)的發(fā)展的必然要求。采用機(jī)器人代替人工對玉米、大豆、大米、面粉等糧食進(jìn)行灌裝、封袋，對于提高糧食類加工企業(yè)的生產(chǎn)效率、降低勞動力成本和減輕技術(shù)工人的勞動強(qiáng)度有著重要的意義。充分利用當(dāng)前國內(nèi)國際先進(jìn)的包裝機(jī)械技術(shù)與電子信息控制技術(shù)，以進(jìn)口西門子PLC控制技術(shù)為背景，在此基礎(chǔ)上對軟、硬件進(jìn)行技術(shù)改造和自主創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了一種糧食包裝機(jī)器人系統(tǒng)的國產(chǎn)化設(shè)計(jì)。

1 整體設(shè)計(jì)原理與方案

對大豆、大米、面粉等糧食的包裝需要較大的控制力矩，實(shí)現(xiàn)對某一物體的位移或搬運(yùn)可通過以下三種方式實(shí)現(xiàn)：一是電氣直接控制，通過電機(jī)控制產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，利用齒輪嚙合，帶動機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)或位移；二是執(zhí)行部件采用純氣動控制；三是電氣及氣動控制相結(jié)合。直接采用電氣控制力矩很難達(dá)到，且靈活性會較差，采用純氣動控制精度和穩(wěn)定性難以保證。綜合上述情況，本系統(tǒng)采用電氣控制和壓縮空氣控制方式相結(jié)合的控制方案。

氣動系統(tǒng)主要包括氣動執(zhí)行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和對電磁閥的驅(qū)動單元，活塞式、薄膜式、撥叉式和齒輪齒條式都是各種氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的表現(xiàn)形式。薄膜式適合于直接帶動閥桿的區(qū)域，活塞式適用于要求有較大推力的控制區(qū)域，撥叉式更適合用于需要扭矩大、空間小的控制區(qū)域。要實(shí)現(xiàn)氣壓控制需要壓縮空氣儲氣缸，電磁閥的動作就是由壓縮空氣的通斷來控制。

糧食包裝機(jī)器人設(shè)計(jì)的運(yùn)行動作主要包括散體糧食倉門的開啟和關(guān)閉、包裝袋傳送、打開包裝袋口、套裝包裝袋、糧食包裝、袋口封緊、包裝好的成袋糧食移位等過程[1]。

2 包裝控制過程設(shè)計(jì)

糧食包裝機(jī)器人的包裝工作流程設(shè)計(jì)如圖1所示[2]。

圖1 機(jī)器人工作流程框圖

1）首先由光電傳感單元檢測包裝袋箱里是否有空袋，檢測信息送給PLC控制器，如果無空袋，通過控制器的報(bào)警單元進(jìn)行提示報(bào)警，可人工放入空袋或自動傳送，如果有空袋，進(jìn)行第二步的工作流程。

2）取袋壓縮空氣氣缸對空袋抓取機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動控制，使其能自由地往返運(yùn)行，空袋品店抓取機(jī)構(gòu)抓取包裝袋后，將空包裝袋放到拖板上，通過帶傳動傳送到指定位置平臺，將包裝袋口輸送到上下兩個抓取機(jī)構(gòu)之間，安裝在旁邊的定位輪起定位檢測作用，如果沒有抓取到位，重新進(jìn)行第二步，如果定位檢測到位，進(jìn)行下一步。

3）取袋壓縮空氣氣缸驅(qū)動機(jī)構(gòu)抓緊袋口后，使袋口張開，通過氣缸驅(qū)動將包裝袋套入散體糧食儲料斗上。

4）糧食原料由第3步的工序的帶式輸送機(jī)存入儲料斗，在儲料斗套好包裝袋后，這時(shí)儲料斗倉門打開，在振動器（一般采用步進(jìn)電機(jī)或其它直流電機(jī)傳動機(jī)構(gòu)）的震動下，散體糧食通過出料口進(jìn)入到包裝袋，包裝袋放在裝有稱重傳感器的平臺上，稱重傳感器將壓力轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號送給PLC控制器，經(jīng)換算后將包裝質(zhì)量顯示在液晶屏上，機(jī)器開啟前，一般先設(shè)設(shè)定到達(dá)設(shè)定包裝質(zhì)量最大值，到達(dá)設(shè)定值后，控制系統(tǒng)將儲料斗的出料口迅速關(guān)閉。

5）當(dāng)一袋糧食包裝完成后，通過封袋氣缸驅(qū)動夾袋裝置將袋口封緊，然后拖到封口位置封口。

6）包裝并封好口的成袋糧食最后被拖到傳送帶上，一袋糧食自動包裝過程完成。下一袋糧食自動包裝過程將重復(fù)第1步到第6步。

3 PLC控制器設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

控制器是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)工作任務(wù)的控制核心。糧食包裝機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是根據(jù)糧食的包裝工藝流程對各部分進(jìn)行實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制，這些控制動作主要有:包裝箱供送、成袋產(chǎn)輸送、包裝袋抓取、袋口打開、糧食包裝、關(guān)閉倉門、袋口封緊等。散體糧食包裝機(jī)器人運(yùn)行方式有自動連續(xù)運(yùn)行和人工手動點(diǎn)動操作，輸入端口輸出端口較多。

糧食包裝機(jī)器人工作時(shí)受電磁干擾信號較大，輸入的傳感信號和輸出的控制信號有開關(guān)量（數(shù)字信號）、模擬量（用于變頻調(diào)速）。PLC控制器具有抗干擾能力強(qiáng)、性能可靠、與工業(yè)現(xiàn)場信號易匹配、信號輸入輸出相對容易、編程相對簡單、維修調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)選用西門子S7-200系列PLC控制器完全能滿足對各種光電開關(guān)、接近開關(guān)、磁性開關(guān)、電磁閥、交流伺服電機(jī)的信號輸入檢測或輸出控制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體控制。設(shè)計(jì)10.4寸彩色觸摸屏與PLC相結(jié)合，形成較為友好的人機(jī)對話界面，方便操作人員進(jìn)行設(shè)置和機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測。

3.2 PLC控制器組成

PLC控制器系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 PLC控制器組成框圖

控制器選用西門子S7-200系列，主機(jī)單元采用CPU226XM。S7-200系列的CPU22X型PLC系統(tǒng)集成方便，具有多種功能模塊和人機(jī)界面可供選擇，容易實(shí)現(xiàn)PLC網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，完全滿足糧食包裝機(jī)器人控制各項(xiàng)控制任務(wù)的需求。

S7-200 CPU226XM PLC具有速度快、功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，具體技術(shù)特性和功能為：1）40個數(shù)字輸入輸出點(diǎn)；2）最大可擴(kuò)展248個數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O；3）具有26KB的程序和數(shù)據(jù)存儲區(qū)空間；4）內(nèi)置高性能的PID控制器；5）通信自由，具有多點(diǎn)接口（MPI）、點(diǎn)對點(diǎn)接口（PPI）和RS-485通信/編程口。

糧食包裝機(jī)器人控制系統(tǒng)共連接數(shù)字量輸入端口24個，其中有19個用于壓縮空氣氣缸運(yùn)動的運(yùn)行標(biāo)志位置開關(guān)，有2個用于壓力傳感器的信號輸入，各類用于探測功能的光電傳感器占用3個輸入端口。設(shè)計(jì)18個數(shù)字量輸出端口，其中控制各種包裝過程的動作用電磁閥線圈使用15個端口，控制包裝袋運(yùn)送和成袋糧食傳送的接觸器占用3個輸出端口。

采用PLC和變頻器配合組成控制系統(tǒng)，變頻器的主要作用是參數(shù)設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)主電機(jī)的多段速控制[3]。本系統(tǒng)選用西門子公司的MM440型變頻器，S7-200 CPU226XM PLC的8路數(shù)字量輸出端口作為MM440變頻器的輸入信號，通過數(shù)字量信號的設(shè)定形成不同的狀態(tài)組合，從而實(shí)現(xiàn)對主電機(jī)的調(diào)速。

3.3 TFT彩色液晶觸摸屏

液晶觸摸屏主要作用為機(jī)器人控制參數(shù)和控制方式的設(shè)定。系統(tǒng)工作前，通過觸摸屏設(shè)置工作基本參數(shù)，PLC控制器根據(jù)工作要求和狀態(tài)進(jìn)行分析計(jì)算，確定具體的測量精度和運(yùn)行工況，運(yùn)行過程中，控制器可隨時(shí)接收操作員根據(jù)生產(chǎn)要求的人工指令，及時(shí)修改相關(guān)控制參數(shù)。

PLC控制器與液晶的接口技術(shù)越來越成熟[4]，本系統(tǒng)采用自行研發(fā)的液晶觸摸屏模塊，型號為TFT104-8060-65K，彩色觸摸屏集中了液晶顯示部件和觸摸屏。液晶顯示采用彩色TFT液晶，色彩支持65536色，分辨率為800×600，顯示尺寸為10.4英寸，總線讀寫速度為30MHz，單點(diǎn)讀寫周期短（40ns），總線接口方式為8/16位標(biāo)準(zhǔn)8080方式，支持與PLC控制器的高速系統(tǒng)接口。觸摸檢測部件用于檢測用戶觸摸位置，從觸摸點(diǎn)檢測裝置上接收到的觸摸信息轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)坐標(biāo)后，送給控制器（CPU），用以傳送觸摸控制信號。TFT104模塊的觸摸屏及觸摸屏控制器為高品質(zhì)工業(yè)級，分辨率高達(dá)4096點(diǎn)，只需5根線可與控制系統(tǒng)無縫鏈接，外圍接口電路簡單。采用長壽命LED背光，功耗低、顏色純正，工業(yè)級的技術(shù)特性完全適合于包裝機(jī)器人系統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用和工作環(huán)境。

4 PLC軟件設(shè)計(jì)

PLC軟件設(shè)計(jì)采用西門子公司STEP7編程軟件，使用直觀梯形圖和語句相結(jié)合的編程方法，使用順序控制設(shè)計(jì)法和步進(jìn)梯形圖進(jìn)行編程，梯形圖程序編譯成功后，通過西門子PLC與上位機(jī)的通信線路，將程序代碼下載到PLC處理器中。

在本系統(tǒng)設(shè)備編程過程中考慮到調(diào)試、維護(hù)的需要，將工作模式設(shè)置了手動和自動兩種控制方式，糧食包裝機(jī)器人控制系統(tǒng)PLC軟件流程如圖3所示。

圖3 PLC程序流程框圖

自動控制功能有運(yùn)行、暫停、結(jié)束、復(fù)位等4個步驟，手動功能有退、進(jìn)、起、停等工作過程中的運(yùn)動方式。在按鈕抬起或按下時(shí)，對系統(tǒng)的相關(guān)繼電器、接觸器置位或復(fù)位，實(shí)現(xiàn)PLC對具體機(jī)構(gòu)和運(yùn)行部件的前后左右位移控制?？梢栽谟|摸屏中進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，可根據(jù)操作者的要求，隨意設(shè)定計(jì)數(shù)值、包裝數(shù)量、轉(zhuǎn)速控制等參數(shù)，并能根據(jù)所設(shè)定的參數(shù)最高什對實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)實(shí)際值超過設(shè)定最高值時(shí)，系統(tǒng)將輸出報(bào)警顯示或聲響。對彩色液晶觸摸屏的編程主要利用GT-Designer2觸摸屏編程軟件中的交替性按鈕功能。系統(tǒng)軟件程序還設(shè)計(jì)有狀態(tài)監(jiān)測功能，可實(shí)進(jìn)監(jiān)視包裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行部件的工作狀態(tài)，如對電機(jī)堵轉(zhuǎn)、變頻器異常、包裝箱中包裝袋等情況，都能進(jìn)行及時(shí)保護(hù)或發(fā)出報(bào)警提示信息。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了玉米、面粉包裝試驗(yàn)，機(jī)器人操作方便，運(yùn)行穩(wěn)定。工程實(shí)踐和測試表明，系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)達(dá)到了各項(xiàng)要求，有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。糧食包裝機(jī)器人采用PLC自動控制系統(tǒng)，集氣壓傳動、變頻調(diào)速、傳感檢測、通信技術(shù)、人工智能等技術(shù)于一體，與傳統(tǒng)包裝設(shè)備相比，性能有了顯著提升和改進(jìn)。在國家大力倡導(dǎo)技術(shù)創(chuàng)新的形勢下，機(jī)器人技術(shù)在糧食包裝行業(yè)的推廣應(yīng)用，對于糧食加工企業(yè)降低人工成本和提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益有著重要的意義。

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