基于TIA Portal的多功能茶葉包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

豐會(huì)萍

胡亞南1

閆琛鈺2

李明輝2，3

(1. 西京學(xué)院，陜西 西安 710021；2. 陜西科技大學(xué)，陜西 西安 710021；3. 陜西西微測控工程有限公司，陜西 咸陽 712000)

基于TIA Portal的多功能茶葉包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

豐會(huì)萍1

胡亞南1

閆琛鈺2

李明輝2，3

(1. 西京學(xué)院，陜西 西安 710021；2. 陜西科技大學(xué)，陜西 西安 710021；3. 陜西西微測控工程有限公司，陜西 咸陽 712000)

針對多功能茶葉包裝機(jī)存在包裝封口不嚴(yán)、外觀褶皺、材料燒穿等包裝質(zhì)量問題，采用西門子S7-1200 CPU和TIA Portal開發(fā)茶葉包裝機(jī)的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)基于模糊PID的包裝機(jī)熱封溫度控制方案。介紹了多功能茶葉包裝機(jī)工作原理、控制系統(tǒng)硬件選型和通訊網(wǎng)絡(luò)配置，并在TIA Portal V13環(huán)境下進(jìn)行包裝機(jī)控制系統(tǒng)硬件組態(tài)和利用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)模糊PID控制算法，完成控制系的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)溫度控制波動(dòng)為±1.8 ℃，精度在1.5%以內(nèi)，包裝袋封口強(qiáng)度達(dá)標(biāo)、外觀平整。應(yīng)用表明，該多功能茶葉包裝機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、成品率高。

TIA Portal；茶葉包裝機(jī)；S7-1200；溫度控制；模糊PID；OPC

隨著社會(huì)發(fā)展和國民經(jīng)濟(jì)指數(shù)的提升，品茶人數(shù)逐漸增高，茶葉需求量不斷攀升，并且小克重、精品化、多樣化包裝成為茶葉生產(chǎn)行業(yè)的主流趨勢。因此，提高茶葉包裝質(zhì)量和包裝效率尤為重要。多功能茶葉包裝機(jī)是在一臺(tái)包裝設(shè)備上能夠完成多個(gè)以上的茶葉包裝工序的設(shè)備，其能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)茶葉包裝過程中制袋、稱量、充填、封口和切斷的工序[1-2]。包裝封口是茶葉包裝過程核心工段之一，封口質(zhì)量將影響茶葉的包裝質(zhì)量、儲(chǔ)存時(shí)間、銷售狀況。由于熱封裝置溫度的升/降速率大和熱量傳遞慣性大的特性，加之外界干擾因素和執(zhí)行器電壓波動(dòng)影響，使溫度控制系統(tǒng)具有非線性和時(shí)滯性，利用傳統(tǒng)PID控制經(jīng)常出現(xiàn)包裝材料燒穿和過度收縮、物料泄露、封口不嚴(yán)、封口不牢固的現(xiàn)象，降低了茶葉包裝效率和包裝成品的合格率[3]。TIA Portal是西門子推出的全集成的工業(yè)自動(dòng)化軟件，可以完成高效靈活的項(xiàng)目組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)搭建、程序編寫、在線診斷、遠(yuǎn)程操作及故障報(bào)警，其與傳統(tǒng)的WinCC+Step7方法相比無需花費(fèi)大量時(shí)間完成軟件集成，明顯節(jié)約時(shí)間，提高工作效率，是未來工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展方向[4]。為解決上述問題，本研究構(gòu)建由S7-1200PLC、PC Station、TCP7062Ti觸摸屏的TIA Portal的多功能茶葉包裝機(jī)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)模糊PID包裝機(jī)熱封裝置溫度控制程序，以期提高茶葉包裝機(jī)的自動(dòng)化程度和包裝質(zhì)量。

1 多功能茶葉包裝機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

多功能茶葉包裝機(jī)結(jié)構(gòu)見圖1，主要包括橫封裝置、包材送料裝置、縱封裝置、翻領(lǐng)成型器、包裝薄膜、稱重裝置及定位裝置等[5]。本研究對多功能茶葉包裝機(jī)進(jìn)行以下幾方面優(yōu)化改進(jìn)：① 將橫封裝置與切斷機(jī)構(gòu)組合在一起，既可以減小整機(jī)尺寸也能縮短工作周期；② 橫封裝置使用獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)，縱封裝置運(yùn)用氣缸驅(qū)動(dòng)，便于協(xié)調(diào)和控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的速度保持一致或匹配，避免因速度不匹配而造成封口褶皺的問題，還能簡化傳動(dòng)鏈、減小設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和制造成本；③ 導(dǎo)料器下方增設(shè)導(dǎo)料管至橫封裝置上方約30 mm處，降低粉塵揚(yáng)起污染封口部位的程度。

包裝材料被包材供送裝置經(jīng)自動(dòng)糾偏裝置調(diào)整后送達(dá)成型器，包裝材料被翻領(lǐng)成型器成型卷成筒狀后，包裝機(jī)縱封裝置以設(shè)定的溫度對包裝材料進(jìn)行燙邊封口，在此之前橫封裝置已經(jīng)完成上一個(gè)包裝袋的頂封和下一個(gè)包裝袋的底封，與此同時(shí)，稱重機(jī)構(gòu)已完成產(chǎn)品稱重并將物料填充至包裝材料內(nèi)[6-7]。包裝材料在牽引裝置的作用下繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)到達(dá)橫封裝置位置，橫封裝置完成包裝袋頂封和切斷工作，然后進(jìn)行產(chǎn)品包裝的質(zhì)量檢測，剔除次品，輸送出合格產(chǎn)品。其中，產(chǎn)品的填充及包裝袋橫封、切斷位置的確定由色標(biāo)進(jìn)行定位。

1. 橫封裝置 2. 包材送料裝置 3. 縱封裝置 4. 翻領(lǐng)成型器 5. 包裝薄膜 6. 導(dǎo)輥 7. 卷筒包裝材料

2 多功能茶葉包裝機(jī)控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多功能茶葉包裝機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括兩方面：硬件選型和軟件設(shè)計(jì)。整個(gè)控制系統(tǒng)中，設(shè)備的檢測裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)量較多，彼此之間還存在一定的相互影響，對控制系統(tǒng)性能要求較高[8]。

根據(jù)多功能茶葉包裝機(jī)工藝流程分析和項(xiàng)目控制要求，控制點(diǎn)分為：DI(數(shù)字量輸入信號(hào))、DO(數(shù)字量輸出信號(hào))、AI(模擬量輸入信號(hào))、AO(模擬量輸出信號(hào))，具體控制信號(hào)內(nèi)容見表1。

2.2 控制系統(tǒng)硬件選型

(1) 根據(jù)上述多功能茶葉包裝機(jī)I/O統(tǒng)計(jì)，選擇西門子S7-1200系列的CPU1214C為控制器，其具有很快的處理速度，單條基本指令處理時(shí)間約為0.1 μs，同時(shí)自帶Profinet網(wǎng)絡(luò)接口[9]。控制模塊選擇：數(shù)字量輸入模塊SM1221(6ES7221-1BF32-0XB0)、數(shù)字量輸出模塊SM1222(6ES7222-1BH32-0XB0)、模擬量輸入模塊SM1231(6ES721231-4HF32-0XB0)、模擬量輸出模塊SM1232(6ES7232- 4HD32-0XB0)，多功能茶葉包裝機(jī)控制系統(tǒng)硬件組態(tài)見圖2。

表1 多功能茶葉包裝機(jī)I/O統(tǒng)計(jì)表

(2) 觸摸屏選用昆侖通泰TPC7062Ti，屏幕尺寸為190.5 mm，分辨率800×480。通過觸摸屏可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，在觸摸屏上能夠進(jìn)行參數(shù)值調(diào)整、控制對象監(jiān)控、手/自動(dòng)切換命令。

(3) 傳感器選擇。重力傳感器選用日本MTO品牌，型號(hào)：LRS-50，檢測范圍0～100 g，該重量傳感器檢測靈敏，適合茶葉的小包稱量；溫度傳感器選用ESMU型鉑熱電阻，檢測范圍0～200 ℃，檢測精度0.1 ℃。

(4) 執(zhí)行器選擇。加熱管選用Cr20Ni80型號(hào)鎳鉻加熱絲，電磁閥型號(hào)TM51-1HP，電機(jī)采用伺服電機(jī)。

本控制系統(tǒng)基于TIA Protal V13平臺(tái)，在完成工程項(xiàng)目創(chuàng)建后，選擇“設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)”→“組態(tài)設(shè)備”→“添加新設(shè)備”，然后根據(jù)設(shè)備訂貨號(hào)在選項(xiàng)列表中所需模塊，如：PS模塊、CPU模塊、SM模塊等[10-11]。

圖2 多功能茶葉包裝機(jī)控制系統(tǒng)硬件組態(tài)圖

Figure 2 Hardware configuration diagram of control system of multi-functional tea packing machine

2.3 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

文獻(xiàn)[5]中詳細(xì)分析推導(dǎo)證明了蓄電池回跳電壓Ut決定于開路電壓的大小,而開路電壓與蓄電池剩余容量存在著比較固定的關(guān)系[6]。由此,蓄電池的回跳電壓與剩余容量之間關(guān)系緊密。并且鑒于其易于檢測獲取,回跳電壓在SOC預(yù)測中顯示出的實(shí)效性顯而易見。而且在估測電池SOC中也需要考慮溫度、充放電倍率、循環(huán)壽命等這些因素的影響。

單擊TIA Protal V13界面的“網(wǎng)絡(luò)視圖”進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)連接界面，在“連接”菜單→“S7連接”→“PLC-1200的Ethernet端口”，拖拉“PC Station”至OPC Server完成PLC-1200與PC Station的網(wǎng)絡(luò)連接。與TIA Protal V13的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)相比WinCC+Step7的優(yōu)勢在于以可視化的圖像完成PLC、PC、HIM、驅(qū)動(dòng)器的連接[12-13]。這樣可以簡化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并提高設(shè)計(jì)效率。多功能茶葉包裝機(jī)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖見圖3。

圖3 多功能茶葉包裝機(jī)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖

Figure 3 Network configuration drawing of control system of multi-functional tea packing machine

3 多功能茶葉包裝機(jī)控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 多功能包裝機(jī)主程序流程

該多功能包裝機(jī)根據(jù)茶葉包裝工序，實(shí)現(xiàn)茶葉包裝過程中制袋、稱量、充填、封口和切斷的工序與運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、異常狀態(tài)中斷及報(bào)警功能。程序按照模塊化思路設(shè)計(jì)，主要分為主程序、子程序及中斷程序。程序運(yùn)行時(shí)，首先執(zhí)行初始化程序段，然后進(jìn)入主程序段判斷包裝機(jī)運(yùn)行的手/自動(dòng)狀態(tài)位，若是自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，則主程序調(diào)用包材縱封送料子程序、縱封加熱子程序、送料子程序，PLC實(shí)時(shí)掃描采集包材位置信號(hào)和縱封溫度信號(hào)，當(dāng)滿足包裝袋縱封條件后，控制器啟動(dòng)縱封電磁閥完成縱封工作。當(dāng)完成縱封工作后主程序調(diào)用橫封加熱子程序、包材橫封供送子程序，PLC實(shí)時(shí)掃描采集包材位置信號(hào)、橫封溫度信號(hào)、稱重傳感器信號(hào)，當(dāng)3個(gè)信號(hào)都滿足橫封要求時(shí)，橫封電機(jī)啟動(dòng)，進(jìn)行橫封工作和切斷工作，茶葉包裝過程完成。多功能茶葉包裝機(jī)控制流程圖見圖4。

圖4 多功能茶葉包裝機(jī)控制流程圖

3.2 模糊PID熱封溫度控制算法的實(shí)現(xiàn)

包裝封口是利用加熱封頭將包裝材料加熱熔化成熔融狀態(tài)，在熱封裝置的外在壓力作用下黏結(jié)為一體，冷卻后具有一定黏合強(qiáng)度，主要因素包括熱封溫度、熱封壓力及熱封時(shí)間。模糊控制算法要對輸入信號(hào)進(jìn)行模糊化處理、模糊推理和輸出信號(hào)的反模糊化處理[14-15]。如果直接在TIA Protal V13的Step7中進(jìn)行編程，進(jìn)行在線整定PID的3個(gè)參數(shù)，程序所占內(nèi)存較大且很難實(shí)現(xiàn)，影響控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度[16]。采用OPC技術(shù)，以WinCC OPC為Server，Matlab OPC為Client，通過OPC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)控制算法的應(yīng)用(見圖5)。以多功能茶葉包裝機(jī)模糊PID橫封溫度控制算法的實(shí)現(xiàn)為例，步驟如下：

(1) 將TIA Protal V13的WinCC設(shè)為OPC Server，通過SIMATIC OPC Scout 建立Items，同時(shí)設(shè)置相關(guān)參數(shù)。

圖5 控制算法實(shí)現(xiàn)

(2) 在Simulink中調(diào)用OPC Toolbox，分別添加1個(gè)OPC Configuration、2個(gè)OPC Read、3個(gè)OPC Write模塊。2個(gè)OPC Read連接WinCC中變量TT3031_SP(橫封溫度設(shè)定值)和TT3031_PV(橫封溫度采樣值)用3個(gè)OPC Write連接WinCC中變量KP201_LMN(比例參數(shù))、KI201_LMN(微分參數(shù))、KD201_LMN(積分參數(shù))，設(shè)置模式Synchronous，采樣時(shí)間0.5 s。

(3) 建立Fuzzy/Logic Controller，并進(jìn)行調(diào)用。

3.3 HIM界面設(shè)計(jì)

多功能茶葉包裝機(jī)HIM界面的設(shè)計(jì)采用TIA Portal中的WinCC，其工具箱中包含的基本對象、控件、圖形、元素，可以靈活拖動(dòng)到HIM界面，在TIA Portal中還可以開發(fā)報(bào)警界面、參數(shù)設(shè)置界面、參數(shù)歷史曲線[17]。如圖6所示，在TIA Portal V13軟件開發(fā)的包裝機(jī)生產(chǎn)監(jiān)測畫面可以設(shè)定稱重質(zhì)量、包裝速度、橫封溫度和縱封溫度，實(shí)現(xiàn)多功能包裝機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)。

圖6 多功能包裝機(jī)生產(chǎn)監(jiān)測界面

本研究所述的基于TIA Portal多功能包裝機(jī)控制系統(tǒng)是與陜西西微測控工程有限公司合作開發(fā)，已經(jīng)成功地應(yīng)用到河南信陽某茶葉加工企業(yè)的包裝機(jī)控制系統(tǒng)。結(jié)合OPC技術(shù)完成WinCC與MATLAB的通訊，實(shí)現(xiàn)多功能包裝機(jī)模糊PID熱封裝置溫度控制算法的應(yīng)用。

該企業(yè)以信陽毛尖茶葉為主打產(chǎn)品，現(xiàn)以小包裝進(jìn)行現(xiàn)場測試，連續(xù)生產(chǎn)24 h進(jìn)行橫封效果測試。要求：袋長70 mm、袋寬55 mm、克重10 g、包裝速度100袋/min。如圖7所示將橫封溫度設(shè)定為135 ℃，從溫度趨勢曲線中可以看出，溫度波動(dòng)幅度較小，能夠控制在±1.8 ℃，溫度控制精度在1.5%以內(nèi)，避免了因溫度過高而造成包裝薄膜燒穿，或因溫度過低而無法滿足封口要求，實(shí)際應(yīng)用效果良好。

圖7 包裝機(jī)橫封溫度歷史曲線

4 結(jié)論

基于TIA Portal V13平臺(tái)和S7-1200 CPU控制器實(shí)現(xiàn)多功能茶葉包裝機(jī)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制，利用TIA Portal可快速、直觀地開發(fā)和調(diào)試優(yōu)勢，解決包裝封口不嚴(yán)、外觀褶皺、材料燒穿等包裝質(zhì)量問題，結(jié)合OPC技術(shù)完成WinCC與MATLAB的通訊，實(shí)現(xiàn)模糊PID的包裝機(jī)熱封溫度控制算法的應(yīng)用，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)PID的3個(gè)參數(shù)，提高溫度系統(tǒng)的精確度和穩(wěn)定性，應(yīng)用表明，該多功能茶葉包裝機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、成品率高。具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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Design of control system for multi-functional tea packaging machine based on TIA portal

FENGHui-ping1

HUYa-nan1

YANChen-yu2

LIMing-hui2,3

(1.XijingUniversity,Xi’an,Shaanxi710021,China; 2.ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,Shaanxi710021,China; 3.ShaanxiXiweiAotumationControlEngineeringLimited,Xianyang,Shaanxi712000,China)

The multi-functional tea packing machine has the problems of poor packing, appearance folding and material burning and so on. The control system of tea packaging machine based on SIEMENS S7-1200 CPU and TIA Portal is developed. A seal temperature control system of multi-function packaging machine based on Fuzzy-PID control algorithm is designed. Firstly, the working principle, hardware selection and communication network configuration of multi-functional tea packing machine are introduced. Secondly, complete the hardware configuration of the packaging machine control system in the TIA Portal V13 environment and Fuzzy- PID control algorithm is implemented based on OPC technology. Finally, the man-machine interface design of the control system is completed. Field operation shows that the temperature control deviation is ±1.8 ℃ and the accuracy is less than 1.5%. The application shows that the multifunctional tea packing machine system runs stably and has high rate of finished products.

TIA portal; tea packing machine; S7-1200; temperature control; fuzzy-PID; OPC

西京學(xué)院科研基金項(xiàng)目(編號(hào)：XJ160231)

豐會(huì)萍，女，西京學(xué)院講師，碩士。

胡亞南(1986—)，男，西京學(xué)院講師，碩士。 E-mail：2664961273@qq.com

2017—04—06

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.07.019