水果自動(dòng)包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夏文明，沈海青，張偉，林龍，揭曉

1. 臺(tái)州科技職業(yè)學(xué)院（臺(tái)州 318020）；2. 臺(tái)州太啟智能設(shè)備有限公司（臺(tái)州 318020）

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，水果產(chǎn)量也與日俱增。我國(guó)作為水果生產(chǎn)大國(guó)，國(guó)內(nèi)對(duì)水果的需求非常大，隨著生活水平的逐漸提高，消費(fèi)者對(duì)于水果的品質(zhì)要求也越來越高，包裝美觀度、品質(zhì)安全的果蔬也日益受到消費(fèi)者的青睞[1-4]。傳統(tǒng)的水果包裝機(jī)智能程度低、穩(wěn)定性差，不能實(shí)現(xiàn)水果多樣性包裝的需求。為提高水果的包裝質(zhì)量和包裝速度，企業(yè)亟須種自動(dòng)化程度高、穩(wěn)定性可靠的水果包裝機(jī)[5]。

水果自動(dòng)包裝機(jī)主要由3個(gè)伺服電機(jī)進(jìn)行傳動(dòng)，能夠自動(dòng)的完成水果的傳送、填充、封口、袋體切斷等動(dòng)作[6]。水果包裝機(jī)控制系統(tǒng)主要經(jīng)歷鏈條傳動(dòng)、變頻傳動(dòng)及多伺服同步傳動(dòng)3個(gè)發(fā)展階段。水果包裝機(jī)控制系統(tǒng)作為包裝機(jī)的核心部分，包裝機(jī)的穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)化程度對(duì)于提升包裝效率和包裝質(zhì)量至關(guān)重要[7-9]?？删幊炭刂破鲗儆诠I(yè)可編程控制器，具有較高的穩(wěn)定性，能夠根據(jù)包裝機(jī)的具體要求實(shí)現(xiàn)程序的可編程性，對(duì)于后期包裝機(jī)工藝流程的升級(jí)換代提供保證[10-11]。

以水果包裝機(jī)作為研究對(duì)象，在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)秉持包裝機(jī)的穩(wěn)定性、高速性、程序可移植性等設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)一款基于歐姆龍PLC為核心的水果自動(dòng)包裝機(jī)控制系統(tǒng)。以歐姆龍運(yùn)動(dòng)控制模塊實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的脈沖自動(dòng)反饋控制，以提高包裝精度，結(jié)合先進(jìn)的傳感器跟蹤控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)的智能自動(dòng)控制。通過威綸通觸摸屏實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)的有效監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集。該控制系統(tǒng)可以顯著提高水果包裝機(jī)的穩(wěn)定性、可靠性，可以有效提高水果包裝企業(yè)的生產(chǎn)效率。

1 水果包裝機(jī)結(jié)構(gòu)和工藝流程

1.1 包裝機(jī)結(jié)構(gòu)

水果包裝機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。該包裝機(jī)主要由送料裝置、包裝膜、送膜機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、撫平裝置、橫封切刀等機(jī)構(gòu)組成。水果送料裝置主要由伺服傳送、鏈條、物料撥叉等機(jī)構(gòu)組成，通過上述機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水果的傳送，并將水果傳送到成型器中。薄膜傳送主要完成包裝薄膜的傳送，薄膜在傳送過程中由橫封軸牽引薄膜不斷向前移動(dòng)。制袋成型器是將塑料復(fù)合膜制成袋裝，將水果包裝在袋體中?？v封裝置是將成型器制成的袋體進(jìn)行縱向熱封，并將塑料薄膜牽引向前移動(dòng)。撫平裝置對(duì)縱向熱封過的塑料復(fù)合膜進(jìn)行表面的整理以及對(duì)水果物料的向前推進(jìn)起到助力作用。

圖1 包裝機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 包裝工藝流程

水果包裝機(jī)是通過控制器的控制邏輯依次完成塑料薄膜制袋、填充、送膜、縱封、撫平、橫封、切割等工序。

水果自動(dòng)包裝機(jī)的各個(gè)軸均是同步運(yùn)行，通過色標(biāo)傳感器對(duì)薄膜袋體進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)塑料薄膜長(zhǎng)度的跟蹤控制。水果進(jìn)入袋體后由縱向封口實(shí)現(xiàn)熱封，撫平裝置實(shí)現(xiàn)袋體整體撫平，而橫封切刀則由伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)電子凸輪控制，電子凸輪控制能夠完全替代機(jī)械凸輪。包裝工藝流程如圖2所示。

圖2 包裝工藝流程

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

伺服枕式包裝機(jī)中，總驅(qū)動(dòng)源為單個(gè)伺服電機(jī)，通過伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)不同軸的速度控制。其中，一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器控制送膜電機(jī)，另一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器控制切刀電機(jī)。伺服水果包裝機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)構(gòu)成

水果包裝機(jī)通過伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)包裝的多軸自動(dòng)同步控制，通過PLC脈沖輸出端口發(fā)出脈沖以及脈沖頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)的定位控制和轉(zhuǎn)速控制。

控制系統(tǒng)采用PLC+三伺服的模式和架構(gòu)。PLC輸出精確脈沖分別控制三伺服電機(jī)，通過減速器實(shí)現(xiàn)送膜驅(qū)動(dòng)軸、送料驅(qū)動(dòng)軸和橫封橫切驅(qū)動(dòng)軸的運(yùn)轉(zhuǎn)。尤其在橫封橫切機(jī)構(gòu)處，伺服電子軸經(jīng)RV減速器直接驅(qū)動(dòng)橫封切刀運(yùn)轉(zhuǎn)，電子軸輸出速度在一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)按曲線規(guī)律變化，利用電子凸輪技術(shù)完全替代機(jī)械凸輪結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)的同時(shí)提高包裝精度。

為實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)的穩(wěn)定控制，并控制包裝機(jī)的控制硬件成本，采用PLC作為控制器的核心，選擇歐姆龍公司的CP系列PLC，綜合包裝機(jī)工藝流程統(tǒng)計(jì)包裝機(jī)的控制點(diǎn)數(shù)，選擇CP1H-XA作為控制系統(tǒng)的核心，該款PLC擁有20 K的程序存儲(chǔ)量和16 K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及程序的可變成型、可讀性，對(duì)水果包裝機(jī)程序進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。模塊化編程是將工藝流程進(jìn)行劃分，將特定的獨(dú)立的功能作為一個(gè)整體進(jìn)行編程，該塊程序擁有輸入和輸出接口，通過輸入和輸出接口實(shí)現(xiàn)與其他工藝模塊程序的連接。模塊化編程擁有許多優(yōu)點(diǎn)，模塊化程序易于實(shí)現(xiàn)功能的通用性，能夠?qū)崿F(xiàn)程序的獨(dú)立分布，可有效提高程序的管理，同時(shí)利于程序的可讀性。

設(shè)計(jì)的程序主要包括的模塊有：開停機(jī)程序塊、伺服電機(jī)循環(huán)程序塊、多軸同步控制程序塊、多傳感器融合控制程序塊、溫度PID控制程序塊、參數(shù)設(shè)定程序塊以及故障檢測(cè)程序塊。對(duì)于軟件編程采用歐姆龍PLC專用的CX-Programmer編程軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)用戶程序的建立、設(shè)計(jì)、錯(cuò)誤檢查以及仿真運(yùn)行、監(jiān)控，極大方便了程序編寫的靈活性。圖4為水果自動(dòng)包裝機(jī) PLC總體程序流程圖。

圖4 總體程序流程

為提高水果包裝機(jī)控制系統(tǒng)操作的可視性、提高操作效率、實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)的有效監(jiān)控，設(shè)計(jì)對(duì)包裝機(jī)控制系統(tǒng)的上位機(jī)觸摸屏進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，操作畫面主要包括初始畫面、主控畫面、手動(dòng)操作畫面以及報(bào)警操作畫面，其中部分畫面如圖5所示。其中初始畫面中可以進(jìn)行語(yǔ)言設(shè)定，主要包括中文以及英文兩種主要操作語(yǔ)言切換。主控畫面中的參數(shù)設(shè)置畫面可以對(duì)包裝袋體長(zhǎng)度、包裝速度、橫封溫度以及縱封溫度進(jìn)行初始賦值，報(bào)警畫面能夠?qū)Πb機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)的多種故障狀態(tài)進(jìn)行顯示。

4 試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證該控制系統(tǒng)在水果包裝精度中的有效性，進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)分析。包裝精度是指設(shè)定的目標(biāo)長(zhǎng)度和實(shí)際長(zhǎng)度之間的差值大小，若差值小則說明精度高，若差值大則說明精度低。

設(shè)定包裝長(zhǎng)度100，150，200，250和300 mm，分別測(cè)量其包裝速度由每分鐘20包增加到每分鐘40包的過程中實(shí)際包裝長(zhǎng)度。包裝誤差分布如圖6所示。

由圖6可知，包裝長(zhǎng)度和包裝速度在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，可將包裝誤差控制在±1 mm以內(nèi)，與傳統(tǒng)的機(jī)械凸輪式枕式包裝機(jī)相比包裝精度大幅提高。

圖6 包裝誤差折線圖

5 結(jié)語(yǔ)

以水果包裝機(jī)為研究對(duì)象，為解決傳統(tǒng)水果包裝機(jī)包裝精度差、自動(dòng)化程度低、操作可視性弱等缺陷，設(shè)計(jì)一種穩(wěn)定性高的水果包裝機(jī)PLC和觸摸屏相結(jié)合的控制系統(tǒng)。在包裝機(jī)工藝流程的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)硬件，通過PLC實(shí)現(xiàn)多伺服電機(jī)的同步運(yùn)動(dòng)控制，并設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、故障監(jiān)控、等人機(jī)操作界面，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)方便操作以及可視化控制。結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)包裝誤差能夠穩(wěn)定在±1 mm以內(nèi)，大幅提高水果的包裝精度。該控制系統(tǒng)能夠有效提高包裝機(jī)的穩(wěn)定性，對(duì)于提升企業(yè)的生產(chǎn)效率具有積極作用。