包裝生產(chǎn)線自動化控制的關(guān)鍵技術(shù)研究

仇誠興，卓曉冬

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京分院，江蘇南京，210019）

1 食品自動化包裝生產(chǎn)線的工藝流程

1.1 全自動食品包裝生產(chǎn)線工藝流程

本文以小型袋裝食品為例，該類袋裝食品的包裝需要經(jīng)過以下五道包裝工序：

第一，清洗工藝，果實從樹上摘下來以后，需要對果實表面進(jìn)行清潔殺菌處理。全自動包裝生產(chǎn)線主要借助于清洗設(shè)備，先通過清洗介質(zhì)對楊桃表面進(jìn)行清洗，然后在通過殺菌設(shè)備對果實表面進(jìn)行滅菌處理。

第二，烘干工藝，清洗過袋裝食品以后，果實表面會有大量水分和清洗介質(zhì)等殘留，需要通過烘干工藝讓物料表面多余水分蒸發(fā)。基于自動化生產(chǎn)線的工藝需求，一般采用輻射傳熱的方式，自動控制高頻疊加的電場來加熱物料干燥。

第三，整料工藝，硬質(zhì)堅果類袋裝食品，在裝罐之前要對其進(jìn)行整料。要對其進(jìn)行切塊—挖核—修整等一系列果粒外形處理，確保果粒的外形大小基本一致。

第四，裝罐工藝，將修整好的果粒排列整齊，對應(yīng)的袋子也排列整齊，然后采用薄膜裹包并在兩端扎口的方式進(jìn)行包裝。

第五，通過滾子和孔帶對包裝好的視頻進(jìn)行分級，區(qū)分優(yōu)劣產(chǎn)品，提升優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的附加價值。

1.2 全自動包裝單元作業(yè)流程設(shè)計

通過上文的分析，本文包裝單元選定塑料薄膜作為包裝材料，并通過兩頭扎口的方式包裝柚子。整個包裝單元由供袋裝置、送袋裝置、切袋裝置、開口裝置、收口裝置相互配合構(gòu)成。

供袋設(shè)備通過步進(jìn)電機(jī)帶動裝著塑料卷的輥軸轉(zhuǎn)動，右邊緩沖機(jī)構(gòu)中一細(xì)圓桿在豎直方向上呈自由狀態(tài)，塑料袋在此桿的重力作用下保持舒展?fàn)顟B(tài)并為包裝動作保留一定的余量。

送袋設(shè)備通過電磁鐵異性相吸的原理夾緊袋口，然后將其推倒開口裝置出，在考口打開以后，退回初始位置，再由切袋設(shè)備用壓緊塊將袋子周邊空隙壓緊以后，用切刀切下。最后再由扎口設(shè)備將袋口收住以后壓緊。

開口裝置則主要通過真空吸嘴吸附袋口，然后通過向袋內(nèi)吹氣打開袋口，方便柚子準(zhǔn)確的進(jìn)入袋內(nèi)。在此過程中需要設(shè)置擋料裝置避免多以一個的柚子掉入袋中。

具體包裝單元作業(yè)設(shè)備簡圖如圖1所示。

圖1 包裝單元設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計簡圖

具體包裝單元的作業(yè)流程如下：

（1）有送袋裝置將袋子推倒預(yù)定位置。

（2）由開袋裝置吸附袋口。

（3）送袋裝置返回初始位置。

（4）切袋裝置將包裝袋切開。

（5）扎口裝置將底部袋口扎緊。然后切袋裝置返回初始位置以后，由開袋裝置將袋口打開。

（6）擋料裝置退回，柚子滑入包裝袋內(nèi)。

（7）上端的扎口裝置作業(yè)，將頂部的袋口扎緊，同時擋料裝置復(fù)位。

（8）由推料裝置將包裝好的柚子推入下一單元，與此同時頂部、底部兩套扎口裝置退回初始位置。

2 食品包裝生產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

2.1 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

一個現(xiàn)代化的制造企業(yè)在構(gòu)建自動化生產(chǎn)線時，必然要以安全生產(chǎn)為基本原則。而安全生產(chǎn)又可以細(xì)分為人身安全和設(shè)備安全。其中人身安全主要指在設(shè)計機(jī)械加工機(jī)床的電氣原理圖以及刀具、夾具規(guī)格時要嚴(yán)格按照國家的相關(guān)安全指標(biāo)來對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行選型和選材。確保整個生產(chǎn)線所用元器件自身的安全防護(hù)性能。另一個方面，設(shè)備安全，這是要確?？刂葡到y(tǒng)的魯棒性，從電氣控制電路的設(shè)計到通信信號的抗干擾能力等方面，都需要有一個相對成熟的現(xiàn)代化控制技術(shù)作為控制系統(tǒng)核心，PLC就滿足這一條件。將PLC作為控制系統(tǒng)的核心，不僅能夠控制整個自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，同時還有助于電氣控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與科學(xué)性。

2.2 PLC選型

PLC系統(tǒng)主要是用戶通過預(yù)編程，提前編寫好一些功能性程序，然后由CPU控制運行這些程序，控制系統(tǒng)按照特定的指令和特定流程從一個指令過渡到另一個指令，實現(xiàn)對生產(chǎn)流程的自動化控制。由于PLC技術(shù)的指令信號傳輸渠道是單向的，因此PLC技術(shù)控制的系統(tǒng)只能從一個指令變成另一個指令的單向運作，且同一時間只能運行一段程序，像這樣按照既定的程序流程一直循環(huán)下去。PLC系統(tǒng)屬于計算機(jī)的一種，在工業(yè)生產(chǎn)自動化控制當(dāng)中應(yīng)用較為廣泛，其結(jié)構(gòu)主要包括有接口電路、電源、通信模塊等。在整個系統(tǒng)中，電源為整個系統(tǒng)程序運作提供動力，電源的穩(wěn)定同樣也會直接影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此PLC技術(shù)供應(yīng)商都非常重視對系統(tǒng)電源的選用和研發(fā)，以追求電源電壓的穩(wěn)定性和蓄電容量作為主要選用標(biāo)準(zhǔn)。在有穩(wěn)定動力的前提下，CPU按照既定程序的研判條件，去判斷出整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，將寄存器當(dāng)中的數(shù)據(jù)傳送到對應(yīng)的輸出裝置。接口電路的作用包括輸入數(shù)據(jù)以及輸出數(shù)據(jù)，不同的電路則有不同的接口所組成，其之間的共同作用將整個數(shù)據(jù)和信號的輸入與輸出予以完成。

對于本系統(tǒng)來說，依據(jù)上文中分析的食品自動化包裝生產(chǎn)線的加工工藝流程的復(fù)雜程度，可以預(yù)見現(xiàn)場需要的控制開關(guān)較多，且有相當(dāng)一部分開關(guān)與控制柜之間的距離較大，這種情況下，選用S7-200的傳統(tǒng)輕工業(yè)加工PLC型號，則會導(dǎo)致連線較多，現(xiàn)場走線過于復(fù)雜，不僅會使整個硬件系統(tǒng)的構(gòu)建成本更高，同時也不利于后續(xù)系統(tǒng)功能性升級和日常檢修維護(hù)。因此這里U型安永西門子公司生產(chǎn)的S7-300型號PLC，該型號PLC集成了PROFIBUS-DP的數(shù)據(jù)通信功能模塊，能夠應(yīng)對復(fù)雜的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信，能夠省下大部分價格昂貴的實體電纜成本。因此本文建議選用西門子公司的S7-300系列的PLC作為食品柔性生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)的主控核心。

具體來說該系列的PLC作業(yè)流程分為五個階段。第一，內(nèi)處理階段，主要負(fù)責(zé)運行主控程序。第二，數(shù)據(jù)信號處理階段，主要負(fù)責(zé)對電信號到數(shù)據(jù)信號、數(shù)據(jù)信號到電信號之間的轉(zhuǎn)譯，由PLC集成的數(shù)據(jù)通信模塊負(fù)責(zé)。第三，輸入掃描階段，主要用于掃描和識別用戶從編程模塊中輸入的指令，及時根據(jù)用戶輸入的指令更新內(nèi)處理階段的主控程序。第四，用戶程序執(zhí)行階段，在掃描以后，執(zhí)行最終主控程序的數(shù)據(jù)運算與邏輯判斷。第五，輸出階段主要負(fù)責(zé)將用戶程序執(zhí)行結(jié)果輸出給數(shù)據(jù)通信模塊，經(jīng)過數(shù)據(jù)信號到電信號的轉(zhuǎn)譯與抗干擾處理以后，生成最終的主控指令，實現(xiàn)對各個作業(yè)機(jī)械設(shè)備的遠(yuǎn)程自動化控制。

圖2 S7-300系列PLC工作流程

2.3 PLC相關(guān)模塊的選用

PLC相關(guān)模塊包括輸入輸出接口、I/O模塊、模擬量輸入模塊等，這些相關(guān)模塊的主要功用在于信息采集與指令的發(fā)布。為了確保兼容性，在選用西門子公司的S7-300PLC主控核心以后，最好也采用西門子公司出品的這類PLC相關(guān)模塊。

第一，數(shù)字量輸入/輸出模塊。本文建議輸出模塊選擇SM322、SM321，共16點輸入模塊，另SM322為16點輸出模塊，模塊的電壓為PLC電源一致同為24V?？偟膩碚f，本文需要用到8個SM321和4個SM322模塊。

第二，分布式I/O模塊。西門子公司生產(chǎn)的S7-300PLC兼容的I/O模塊為ET200系列，這一系列有多種型號可供選擇。結(jié)合本文自動化控制的實際環(huán)境，選用模塊化從站ET200M型號的I/O模塊作為相關(guān)模塊。該型號I/O模塊主要自帶一個IM153-1接口，使得該模塊具備更好的功能擴(kuò)展性，同時也更加適合包裝生產(chǎn)線模塊化工藝流程。

第三，模擬量輸入/輸出模塊。該模塊主要負(fù)責(zé)將傳感器輸入的電信號轉(zhuǎn)譯為能夠被PLC主控核心識別的數(shù)據(jù)信號。同時也負(fù)責(zé)將PLC的輸出數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為能夠被各個加工設(shè)備識別的電信號。SM331包括了補(bǔ)償電路、邏輯電路等電氣元器件，這些元器件都有自己的參數(shù)，可以通過STEP7來設(shè)置調(diào)整這些元器件的參數(shù)。

第四，人機(jī)交互界面。選用了同樣由西門子公司出品的MP277型號觸摸屏，該型號觸摸屏兼容性方面較強(qiáng)，自帶了MPI、PROFINET、USB等接口，可以與西門子S7-300系列的PLC組成通信網(wǎng)絡(luò)。而且該顯示屏能夠防水防塵，能夠適應(yīng)較為惡劣的車間環(huán)境，觸摸屏操作系統(tǒng)為Windows CE，為用戶提供了較為便捷靈活的操作體驗。

3 食品包裝生產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 編程裝置和編程軟件的選擇

編程裝置是靈活使用PLC技術(shù)構(gòu)建自動化控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)PLC自動化控制系統(tǒng)人機(jī)交互的主要渠道。編程器根據(jù)其功能特點可以分為簡單型和智能型兩種。其中簡單型的編程器體積較小，便于攜帶，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)對PLC控制系統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)試，能夠通過編輯指令表程序來進(jìn)行PLC控制程序的編輯和維護(hù)。另外一種智能型編程器則是可以梯形圖PLC編程語言的專業(yè)編程軟件，這些編程軟件一般要借助PC端實現(xiàn)功能，無法進(jìn)行現(xiàn)場程序的調(diào)試與維護(hù)。但卻可以借助于梯形圖語言，實現(xiàn)對多功能模塊負(fù)載控制系統(tǒng)邏輯代碼的編寫工作，借助于軟件非常快速準(zhǔn)確地生成程序邏輯梯形圖和指令表以及功能塊圖，非常適合從無到有的整個PLC自動化控制系統(tǒng)程序的編輯工作。

考慮到食品包裝生產(chǎn)線自動化工藝流程中的參數(shù)較多，建議采用西門子公司推出的STEP7編程軟件作為智能編程裝置，通過實時觀察梯形圖中觸點以及線圈的通斷情況，來調(diào)試整個控制系統(tǒng)的各類參數(shù)。

3.2 STEP7軟件編程特性

STEP7軟件是一款應(yīng)用與WindowXP系統(tǒng)的PC端編程軟件，主要針對S7-300、S7-400系列的PLC程序編寫、調(diào)試工作而專門開發(fā)的軟件工具包，其中包括了多種如語句表達(dá)語言、功能塊圖、邏輯梯形圖等功能模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對PLC系統(tǒng)程序的項目管理、參數(shù)設(shè)置、監(jiān)控程序編寫、硬件組態(tài)、通信網(wǎng)絡(luò)組態(tài)等PLC編程功能。借助于邏輯梯形圖功能，程序設(shè)計人員可以直觀地觀察控制電路目前的通斷情況，方便對程序邏輯代碼以及參數(shù)進(jìn)行調(diào)試。功能塊圖則可以直觀地展示電子電路的邏輯圖?？梢灾庇^的對PLC控制系統(tǒng)的電子電路聯(lián)通情況進(jìn)行調(diào)試。語句表的主要作用類似于匯編語言風(fēng)格，設(shè)計人員可以面向機(jī)器設(shè)備直接訪問它們的存儲單元和控制單元。同時STEP7還支持中高級PLC編程語言包的擴(kuò)展。要熟練應(yīng)用STEP7軟件，首先就要熟悉S7系列的各類型PLC編程語言的特點和應(yīng)用場景。

3.3 STEP7梯形圖程序運行流程設(shè)計

控制系統(tǒng)要想實現(xiàn)對機(jī)械設(shè)備工序的自動化控制，需要通過STEP7梯形圖程序編寫，依據(jù)硬件構(gòu)成的PLC主控核心輸入、輸出、模擬量等變量的邏輯判斷原理，編寫食品包裝產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)程序如圖3所示。

圖3 S7-300系列PLC自動化控制程序流程圖

4 結(jié)論

本文對食品包裝行業(yè)生產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)進(jìn)行研究，以袋裝食品為例，分析了袋裝食品柔性包裝生產(chǎn)線的工藝流程。然后依據(jù)該工藝流程明確自動化控制系統(tǒng)功能需求，基于PLC控制技術(shù)，從硬件PLC選型、PLC相關(guān)模塊選型；軟件編程器選擇、編程軟件的應(yīng)用、梯形圖程序的設(shè)計等多個方面提出了食品包裝柔性生產(chǎn)線的PLC自動化控制系統(tǒng)構(gòu)建策略。