基于雙傳感器的枕式包裝機速度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)*

劉英會，張宗彩

(1.朔州職業(yè)技術(shù)學院能源與資源工程系，山西 朔州 036000；2.西北工業(yè)大學機電學院，陜西 西安 710072)

人們對食品的安全、質(zhì)量以及包裝美觀性要求越來越高，并且包裝自動化[1]、包裝工藝、包裝機械等行業(yè)快速發(fā)展[2-3]，其中包裝機作為相應(yīng)的配套設(shè)備發(fā)展較快，現(xiàn)在的包裝機類型包含枕式包裝機、立式包裝機、信封式包裝機等。但是我國包裝技術(shù)發(fā)展時間短，技術(shù)不夠成熟，存在包裝產(chǎn)品種類少、通用性差、效率不高、自主創(chuàng)新能力差等諸多缺陷，導致我國每年花費大量資金購買國外的先進設(shè)備和技術(shù)。其中枕式包裝機的速度控制效果差的主要原因是無法根據(jù)物料的位置和溫度實時自動調(diào)節(jié)速度，導致產(chǎn)品包裝破損率高等問題。因此，相關(guān)學者深入研究了該問題，并且取得了成果。

文獻[3]提出并設(shè)計了基于物料流量的帶式輸送機變速節(jié)能控制的調(diào)速策略與算法，該研究采用多項式回歸擬合算法和少量樣本觀測建立了帶式輸送機的節(jié)能帶速模型，提出了基于物料流量的帶式輸送機變速節(jié)能控制的調(diào)速策略和粒子群優(yōu)化比例積分微分算法。該控制策略和算法根據(jù)物料流量的變化精確調(diào)整帶式輸送機的運行速度。但是該方法存在調(diào)節(jié)響應(yīng)時間長的問題。文獻[4]提出并設(shè)計基于雙模糊的比例-微分-積分控制器(Proportion Integration Differentiation，PID)的枕式包裝機材料供送速度控制方法，利用模糊化處理控制器內(nèi)的速度輸入信號，利用加權(quán)平均判決法反模糊化處理模糊語言集，形成可識別數(shù)值，結(jié)合模糊控制自適應(yīng)調(diào)整PID 控制參數(shù)，形成雙模糊PID 控制方法對可識別數(shù)值進行控制，實現(xiàn)機械的速度控制，但是該方法存在超調(diào)量大的問題；文獻[5]提出并設(shè)計自動化包裝機械運行速度智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)劃分為運行模塊、操作顯示模塊以及控制模塊，針對三個模塊進行了元件選型，并且將自動化包裝機械的調(diào)速信號輸入到變頻器，通過變頻器控制包裝機械的運行速度，并且設(shè)計自動化包裝機械運行速度檢測程序，構(gòu)建基于離散時間差分模型的速度控制方法，實現(xiàn)自動化包裝機械運行速度的控制，但是該方法達到穩(wěn)態(tài)耗時長。

為了改善上述問題，并且針對枕式包裝機，開發(fā)并設(shè)計了基于雙傳感器的枕式包裝機速度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用了位置傳感器和溫度傳感器，結(jié)合PLC 主控制器[6]，完成了速度自動調(diào)節(jié)。

1 枕式包裝機速度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)

1.1 速度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理

在傳統(tǒng)包裝機速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際工作需要，設(shè)計了新的枕式包裝機速度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，速度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理框圖如圖1 所示。

圖1 枕式包裝機速度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)整體原理框圖

根據(jù)圖1 可知，本文設(shè)計的枕式包裝機速度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)整體的工作原理主要涉及包裝控制與傳動定位模塊、產(chǎn)品包裝信息顯示與操控、信息采集等，調(diào)節(jié)系統(tǒng)首先傳輸產(chǎn)品包裝的材料、模等，根據(jù)運行速度控制匯總的三相異步電機控制初始速度，在經(jīng)過位置和溫度信息采集后，反饋給包裝控制與傳動定位，通過該模塊命令驅(qū)動伺服系統(tǒng)，進一步調(diào)節(jié)枕式包裝機械的速度，從而實現(xiàn)高質(zhì)量產(chǎn)品包裝。其中包裝控制與傳動定位采用的硬件是系統(tǒng)PLC主控制器，信息采集采用的硬件是兩個傳感器，分別為溫度傳感器和位置傳感器，產(chǎn)品包裝信息顯示與操控采用的硬件主要是系統(tǒng)人機交互界面、顯示器等。

1.2 速度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)硬件設(shè)計

現(xiàn)有的自動化枕式包裝工藝機械通常采用PLC和伺服驅(qū)動裝置控制其運行速度，工作過程穩(wěn)定，但是速度控制精度低[7]。因此，為提高速度控制精度，在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，速度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用溫度傳感器和位置傳感器作為信息采集裝置，將溫度和位置參數(shù)作為枕式包裝機速度調(diào)節(jié)的主要參數(shù)，優(yōu)化了傳統(tǒng)系統(tǒng)，實現(xiàn)雙傳感器參數(shù)調(diào)節(jié)，從而使速度調(diào)節(jié)得更加準確，并且結(jié)合歐姆龍公司生產(chǎn)的PLC 可編程邏輯控制器作為其包裝機速度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)主控制器，與人機交互界面[8]、伺服控制系統(tǒng)等相互配合，使得自動化包裝工藝機械具有強抗干擾性能、高可靠性、高包裝效率、高準確定位、高封裝精度。

根據(jù)上文可知，該系統(tǒng)的主控制器為PLC，并與伺服驅(qū)動、溫度傳感器、位置傳感器、電源等組成調(diào)節(jié)系統(tǒng)，具體硬件設(shè)計如下:

①枕式包裝機速度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)送、出料的硬件是三相異步電機，運行速度控制是初步速度控制，該步驟由系統(tǒng)變頻器完成，而后續(xù)的速度控制由驅(qū)動伺服系統(tǒng)實現(xiàn)，由系統(tǒng)伺服驅(qū)動器、系統(tǒng)伺服電機構(gòu)成，系統(tǒng)其他組成為主要控制部分，下面詳細設(shè)計說明。

②系統(tǒng)PLC 主控制器的I/O 分配

包裝控制與傳動定位采用歐姆龍公司生產(chǎn)的型號為CP1H-XA40DT-D 的PLC 作為包裝機速度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主控制器，其I/O 接口數(shù)量充足，無需采用連接擴展模塊，除此之外，控制系統(tǒng)還利用PLC主控制器的模擬輸入輸出接口向系統(tǒng)變頻器傳輸控制指令。

③系統(tǒng)人機交互設(shè)計

產(chǎn)品包裝信息顯示與操控設(shè)計，即系統(tǒng)人機交互設(shè)計。系統(tǒng)PLC 主控制器的I/O 分配提供了可觸摸的人機交互界面，在設(shè)計過程，充分考慮了其與實際操作按鍵之間的對應(yīng)關(guān)系，因此，產(chǎn)品包裝大部分操作指令可以通過觸摸人機交互界面直接完成[9-10]。圖2 為系統(tǒng)人機交互界面邏輯功能圖。

圖2 系統(tǒng)人機交互界面邏輯功能圖

④溫度、位置傳感器的速度自動調(diào)節(jié)方法

系統(tǒng)的信息采集主要是采集產(chǎn)品包裝的溫度和位置。因此，枕式包裝機速度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)安裝了溫度傳感器和位置傳感器，傳統(tǒng)包裝機僅單一地通過溫度或者位置調(diào)節(jié)包裝機的速度，但是單一的模式無法達到精準調(diào)節(jié)速度，導致速度過快或者過慢，從而包裝破損率高，因此，通過溫度傳感器和位置傳感器實時采集產(chǎn)品的位置信息，并且將溫度和位置信息傳輸至主控制器，控制器根據(jù)雙傳感器反饋的信息，實時控制變頻器和伺服驅(qū)動器，從而自動調(diào)節(jié)枕式包裝機速度，雙變量調(diào)節(jié)速度更加準確。圖3給出了基于雙傳感器的枕式包裝機速度自動調(diào)整流程。

圖3 溫度、位置傳感器的速度自動調(diào)整流程

①系統(tǒng)變頻器輸出控制

包裝機速度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)包含正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停機三個動作。采用模擬量無極調(diào)速方法控制伺服電機和變頻器的三個動作。因此，該系統(tǒng)具備2 個輸出變量。

②系統(tǒng)指令輸入

包裝機速度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)電機對應(yīng)單獨的旋轉(zhuǎn)編碼器，用戶輸入控制需求，系統(tǒng)根據(jù)控制需求，結(jié)合位置傳感器采集的產(chǎn)品位置數(shù)據(jù)，發(fā)出指令信號進行原點定位運動，并且旋轉(zhuǎn)編碼器也獲取轉(zhuǎn)速信息并輸出數(shù)據(jù)，閉環(huán)調(diào)節(jié)包裝機速度。假設(shè)X1和X2分別表示系統(tǒng)的位置控制上下界限值，C1和C2分別表示系統(tǒng)的溫度控制上下界限值，位置和溫度與原點0 的差值通過傳動比系數(shù)轉(zhuǎn)換成信號脈沖數(shù)量n1、n2。在雙傳感器獲得包裝指令時，枕式包裝機執(zhí)行相應(yīng)操作。

系統(tǒng)脈沖寬度信號PWM 輸出時頻率指令值和系統(tǒng)變頻器中轉(zhuǎn)速計算公式分別如下:

式中:f表示系統(tǒng)輸出指令信號頻率；s表示系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)差率；p表示磁極對數(shù)。

③速度自動調(diào)節(jié)

系統(tǒng)采用SPED 指令調(diào)節(jié)枕式包裝機速度，設(shè)產(chǎn)品包裝盒長度為S，通過溫度傳感器和位置傳感器實時采集的溫度和位置信息，結(jié)合包裝盒長度S，自動調(diào)整電機的速度。

2 速度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)軟件設(shè)計

枕式包裝機速度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用歐姆龍公司生產(chǎn)的CX-Programmer 型號PLC，其能夠完成用戶程序的構(gòu)建、編輯、檢測、調(diào)試、維護以及實時監(jiān)控等功能。PLC 主控制器編程軟件包含三種不同編程語言，通過編程語言，結(jié)合溫度傳感器和位置傳感器，在相應(yīng)的Windows 環(huán)境下設(shè)置枕式包裝機速度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)，通過控制產(chǎn)品包裝的溫度和位置，自動調(diào)節(jié)包裝機的速度，從而使產(chǎn)品保持在合適位置進行包裝，并且便于系統(tǒng)人機交互界面的操作[11-12]。圖4 給出雙傳感器的枕式包裝機速度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)軟件工作流程圖。

圖4 速度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)軟件工作流程

完成速度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)軟件工作流程設(shè)計后，設(shè)計速度自動調(diào)節(jié)算法。溫度和位置傳感檢測如圖5所示。

圖5 溫度、位置傳感檢測

根據(jù)溫度傳感器和位置傳感器檢測采集的信息，自動調(diào)節(jié)速度，因此，溫度傳感器和位置傳感器是基礎(chǔ)，而上述已經(jīng)通過溫度和位置傳感器采集的信息初步調(diào)節(jié)了枕式包裝機速度，但是此時的速度調(diào)節(jié)還無法達到高精度自動調(diào)節(jié)，因此，優(yōu)化速度調(diào)節(jié)方法，通過溫度和位置參數(shù)同時調(diào)節(jié)速度。匹配包裝電機和傳送帶電機速度，達到精準配合的目的。包裝盒實時位置為(x0，y0，z0)，根據(jù)位置坐標獲取包裝盒與定位原點(0，0，0) 的實時距離L0＝，從包裝盒到包裝帶存在空行程，因此，為了降低材料損耗，通過調(diào)節(jié)速度控制距離。根據(jù)相等時間原則，獲得下式:

式中:L1表示待包裝物的高度；V1表示枕式包裝機傳送帶速度；V2表示包裝行走速度。

輸送帶電機與封端電機速度匹配，此時考慮包裝操作需要包裝溫度在合適范圍內(nèi)，因此，加入溫度參數(shù)，采用相同的等時間原則，包裝盒傳輸?shù)椒舛宋恢玫臅r間:

式中:L2表示端封的距離，該數(shù)值為包裝盒端封點位置至定位原點位置的距離；C表示溫度傳感器采集的實時溫度；κ表示溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)。

通過控制電機實現(xiàn)枕式包裝機速度自動調(diào)節(jié)，其中伺服電機的轉(zhuǎn)動由速度輸出指令SPED 命令控制，而電機的轉(zhuǎn)數(shù)由脈沖個數(shù)控制，電機轉(zhuǎn)速由脈沖頻率決定，脈沖頻率為1 Hz＝1 脈沖/s，加減速單位為Hz/ms。

枕式包裝送料等步驟的行走速度相等，完成一個包裝的時間t1＝60/P，P為生產(chǎn)效率。

在P和S已知的條件下，則有:

至此完成速度匹配，但是枕式包裝機還涉及角速度，因此，進一步優(yōu)化速度自動調(diào)節(jié)方法。根據(jù)齒輪傳動原理可知:

轉(zhuǎn)換式(6)，求解ω3可得:

式中:a1、ω1表示枕式包裝機主動中心的齒輪齒數(shù)和角速度；a2、ω2表示枕式包裝機內(nèi)部的齒輪齒數(shù)和角速度；ω3表示軸套輸出角速度。由上式可知，輸出角速度受輸入機構(gòu)角速度和齒輪的影響，一般ω1是定值，ω2的數(shù)據(jù)和方向受伺服電機影響不確定，因此，ω3存在以下情況:

根據(jù)上述公式，確定速度變化量，從而實現(xiàn)速度自動調(diào)整，得到公式為:

式中:Δω表示ω2與ω3相減的絕對值；Δt表示糾差時間；ΔL表示L2減去L0的絕對值；ΔC表示C3減去C的絕對值；R表示運動半徑；

至此完成基于雙傳感器的枕式包裝機速度自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，從而提高包裝機的工作效率。該方法與傳統(tǒng)方法的不同在于其采用了溫度和位置雙參數(shù)調(diào)節(jié)速度，從而實現(xiàn)枕式包裝機械速度高精度調(diào)節(jié)。

3 實驗

3.1 實驗方案

設(shè)置系統(tǒng)性能測試開始時間和結(jié)束時間分別為0 s 和400 s。實驗采用對比分析的形式測試設(shè)計系統(tǒng)的性能，對比系統(tǒng)分別為文獻[3]和文獻[4]系統(tǒng)。實驗方案，首先明確研究對象，其次，介紹實驗參數(shù)，最后分析設(shè)計系統(tǒng)的性能。

3.2 實驗準備

實驗研究對象為中云枕式包裝機，如圖6 所示。

圖6 枕式包裝機

具體參數(shù)如表1 所示。

表1 實驗參數(shù)設(shè)置

設(shè)計的主控制器如圖7 所示。

圖7 主控制器

溫度、位置傳感器如圖8 所示。

圖8 溫度、位置傳感器

3.3 實驗性能分析

如圖9 所示為文獻[3]系統(tǒng)、文獻[4]系統(tǒng)和研究的速度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)響應(yīng)曲線。

圖9 三種不同系統(tǒng)的調(diào)節(jié)響應(yīng)曲線變化情況對比

從圖9 的對比試驗結(jié)果中可以明顯看出，文獻[3]系統(tǒng)的枕式包裝機進入穩(wěn)定狀態(tài)的耗時較高，其在300 s 以后才達到穩(wěn)定的振幅1 V，而文獻[4]系統(tǒng)的枕式包裝機在200 s 左右時，出現(xiàn)超調(diào)量極大的情況，后續(xù)雖然有所降低，但是其比文獻[3]系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)的時間還長，在350 s 時達到穩(wěn)定狀態(tài)，而應(yīng)用設(shè)計系統(tǒng)的枕式包裝機在20 s 左右，振幅達到了1 V，系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)，后續(xù)未出現(xiàn)明顯波動，從三種系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)的耗時比較可知，設(shè)計系統(tǒng)的耗時最低，僅為20 s，與文獻系統(tǒng)相比，分別降低了280 s 和330 s，該枕式包裝機速度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)不僅縮短了響應(yīng)時間，而且穩(wěn)態(tài)誤差最小，實現(xiàn)了高精度控制。這是由于設(shè)計系統(tǒng)采用了雙傳感器，實時自動調(diào)整速度，提高了包裝精度。

檢驗系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，選取大、中、小三種尺寸的產(chǎn)品進行包裝，如圖10～圖12 所示分別給出了采用文獻[3]系統(tǒng)、文獻[4]系統(tǒng)和研究開發(fā)并設(shè)計的基于雙傳感器的枕式包裝機速度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)獲得的不同尺寸產(chǎn)品包裝破損率對比結(jié)果。

圖10 三種不同系統(tǒng)對小尺寸產(chǎn)品的包裝破損率對比

圖11 三種不同系統(tǒng)對中等尺寸產(chǎn)品的包裝破損率對比

圖12 三種不同系統(tǒng)對大尺寸產(chǎn)品的包裝破損率對比

根據(jù)圖10～圖12 的對比結(jié)果可以清楚地看出，采用文獻[3]系統(tǒng)、文獻[4]系統(tǒng)和設(shè)計系統(tǒng)調(diào)節(jié)小和中尺寸產(chǎn)品的枕式包裝機速度，獲得的包裝破損率相差不大，而大尺寸產(chǎn)品包裝的破損率有所下降。三種系統(tǒng)中，設(shè)計系統(tǒng)的包裝破損率在不同尺寸的產(chǎn)品包裝中，均變現(xiàn)良好，其整體的包裝破損率低于7.5%，而文獻[3]系統(tǒng)和文獻[4]系統(tǒng)僅在大尺寸產(chǎn)品包裝中的破損率低于8.0%，而其他尺寸的包裝破損率均隨著測試時間的增加而增加，最后達到了22.5%以上，該包裝破損率遠遠高于設(shè)計的系統(tǒng)，并且在圖中可知看出，文獻系統(tǒng)的包裝破損率的增幅明顯大于設(shè)計方法，從破損率分析可知，設(shè)計系統(tǒng)的包裝破損率降低了15.0%以上，該系統(tǒng)有效調(diào)節(jié)了枕式包裝機的速度，從而降低了包裝破損率。這是因為設(shè)計系統(tǒng)時，采用了雙傳感器，通過溫度和位置參數(shù)同時調(diào)節(jié)設(shè)備的速度，達到雙約束目的的同時，提高了工作效率，從而設(shè)計系統(tǒng)可以表現(xiàn)出更佳的包裝性能。

4 結(jié)論

針對枕式包裝機速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在進入穩(wěn)態(tài)時間長、包裝破損率高的問題，開發(fā)并設(shè)計了基于雙傳感器的包裝機速度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用了溫度傳感器和位置傳感器，采用雙參數(shù)自動調(diào)節(jié)枕式包裝機的速度。系統(tǒng)性能測試結(jié)果顯示，設(shè)計系統(tǒng)縮短了響應(yīng)時間，而且降低了包裝破損率，實現(xiàn)了包裝機速度高精度、可靠控制。設(shè)計系統(tǒng)的成功開發(fā)、投產(chǎn)和使用有利于促進我國包裝機械行業(yè)技術(shù)水平的進步，保證我國包裝機械行業(yè)的健康、穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展，同時為人們?nèi)粘Ｉ钣闷返陌l(fā)展提供強有力的配套支持。