惠延波　王永剛　王莉

摘 要： 針對目前食鹽裝箱系統(tǒng)中自動化程度低、控制精度低等問題，設(shè)計了一套基于PLC的雙閉環(huán)自動裝箱機(jī)控制系統(tǒng)。在此詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的工藝流程，系統(tǒng)闡述了控制系統(tǒng)的I/O分配與接線，分析了控制流程，完成了控制系統(tǒng)的設(shè)計。該控制系統(tǒng)實現(xiàn)了控制過程的自動化，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

關(guān)鍵詞： 雙閉環(huán)； 自動裝箱機(jī)； PLC； 控制系統(tǒng)

中圖分類號： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）10?0101?03

Abstract： A double closed?loop control system for salt automatic encasing machine was designed based on PLC， which mainly aimed at the problem of low automation degree and control precision for the available salt encasing machine. The technology process， I/O assignment and wiring of the system are introduced in this paper. The control system was designed by analysis of the control process. The automation of the control progress was realized in the system. The stability and reliability of the system were improved.

Keywords： double closed?loop； automatic encasing machine； PLC； control system

0 引 言

在食鹽自動包裝流水線中，自動裝箱機(jī)是整個系統(tǒng)運(yùn)行的核心，它將包裝物整形排列，按一定排列方式定量裝入紙箱中，并完成封箱送出等工作[1]。食鹽裝箱機(jī)性能的優(yōu)劣直接影響食鹽裝箱的效率與品質(zhì)。目前市場上的食鹽裝箱機(jī)整體技術(shù)水平偏低，主要存在著裝箱效率低、鹽袋在箱中排放不整齊等問題[2?3]。在食鹽自動裝箱系統(tǒng)中如何保證食鹽裝箱功能的前提下提高其自動化水平與效率以及控制精度本文需要解決的重要問題。針對上述問題，本文設(shè)計了一種基于雙閉環(huán)控制的食鹽自動裝箱機(jī)控制系統(tǒng)。

1 食鹽自動裝箱機(jī)工藝分析

食鹽自動裝箱系統(tǒng)主要有4大功能模塊：紙箱成型模塊、食鹽供給模塊、裝箱模塊和封箱模塊[4]。每個模塊由傳感器和執(zhí)行器組成，傳感器檢測到的各種參數(shù)信號實時地送往PLC控制系統(tǒng)；執(zhí)行器接收來自PLC控制系統(tǒng)的信號，實時地控制各相應(yīng)模塊以完成預(yù)定的動作。

其工藝流程是：從生產(chǎn)車間輸送過來的小包裝食鹽，首先輸送到高速運(yùn)行的伸縮皮帶上面，當(dāng)光電檢測元件檢測到鹽袋時，伸縮皮帶迅速縮回一定距離，鹽袋便落在一級暫存機(jī)構(gòu)上面，當(dāng)落夠五袋時，一級暫存艙門打開，同時伸縮皮帶復(fù)位，鹽袋落在二級暫存機(jī)構(gòu)上，二級暫存機(jī)構(gòu)可以左右擺動，當(dāng)二級暫存機(jī)構(gòu)落夠兩排時，擺動氣缸工作，二級暫存艙門打開，鹽袋落入紙箱中，同時二級暫存機(jī)構(gòu)復(fù)位，達(dá)到5層后，箱體輸往封箱機(jī)構(gòu)完成封箱輸出產(chǎn)品，完成整個裝箱流程。其工藝流程圖如圖1所示。

鹽袋供給由縮進(jìn)式皮帶機(jī)完成，縮進(jìn)機(jī)構(gòu)由伺服系統(tǒng)控制完成，根據(jù)光電檢測開關(guān)檢測到的鹽袋信號，做出縮進(jìn)動作，使鹽袋下落自動排列，這一過程要進(jìn)行精確定位，對伺服系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，保證鹽袋下落的有序排列。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 總體方案設(shè)計

通過對食鹽自動裝箱機(jī)工藝流程的分析，按照雙閉環(huán)控制實現(xiàn)精確定位的要求，首先完成總體方案的設(shè)計，然后利用PLC強(qiáng)大的邏輯處理能力和伺服系統(tǒng)定位精度高的優(yōu)點[5]，設(shè)計雙閉環(huán)控制系統(tǒng)?？傮w方案以PLC為控制核心，結(jié)合外圍檢測執(zhí)行單元，完成整個裝箱過程的自動化控制。該控制系統(tǒng)主要由可編程控制器（PLC）、伺服系統(tǒng)、氣缸、檢測執(zhí)行元件等組成。分析自動裝箱的控制時序[6]，確定各檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)I/O的分配，并畫出PLC接線圖。其控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.2 控制器的選型

在食鹽自動裝箱機(jī)控制系統(tǒng)中，涉及動作機(jī)構(gòu)不算太多，需要的輸入/輸出點數(shù)小型控制器就可滿足需求。另外，控制系統(tǒng)需要結(jié)合伺服系統(tǒng)完成精確定位，需要較高頻率的脈沖。綜合考慮各種因素，本系統(tǒng)選用的控制器為S7?200 smart SR40系列，它作為西門子公司新推出的為小型控制提供完美方案的控制器，具有結(jié)構(gòu)緊湊，成本低廉且具有功能強(qiáng)大的指令集[7]。提供40個I/O點，24輸入點和16個輸出點，并可進(jìn)行擴(kuò)展。

CPU模塊配備以太網(wǎng)接口，集成了強(qiáng)大的以太網(wǎng)通信功能，輕松組網(wǎng)，方便快捷；最多集成3路高速脈沖輸出，頻率高達(dá)100 kHz，支持PWM/PTO輸出方式以及多種運(yùn)動模式，可自由設(shè)置運(yùn)動包絡(luò)。配以方便易用的向?qū)гO(shè)置功能，快速實現(xiàn)設(shè)備調(diào)速、定位等功能。

伺服系統(tǒng)是用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)[8]。伺服系統(tǒng)選用松下MINAS A5系列，作為市場上的主流產(chǎn)品，它的響應(yīng)頻率高達(dá)2 kHz，適合各種高速定位的工業(yè)場合；采用20位增量式編碼器，分辨率高；輸入/輸出脈沖頻率可達(dá)4 Mp/s；控制模式可選，提供速度、轉(zhuǎn)矩、位置和全閉環(huán)控制[9]。

鑒于其較高的響應(yīng)頻率和控制精度，配合PLC的高速脈沖輸出，完全可以實現(xiàn)高速定位的功能。

2.3 食鹽自動裝箱控制過程分析

（1） 首先啟動電源，按下啟動按鈕SB1后，電磁閥YV1得電，氣缸開始進(jìn)行箱體成型動作。

（2） 當(dāng)箱體前進(jìn)到光電開關(guān)SQ1時，電磁閥YV1失電，電磁閥YV2得電，推桿下移進(jìn)行推箱動作，當(dāng)推桿后退到光電開關(guān)SQ2處時，電磁閥YV2失電，停止推箱，推桿回歸原位以便下一次推箱。

（3） 在推桿回歸原位的同時，按下伸縮式皮帶機(jī)啟動按鈕SB3，皮帶機(jī)開始工作，伸縮式皮帶機(jī)縮進(jìn)機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)驅(qū)動，用光電開關(guān)SQ3檢測鹽袋通過次數(shù)，通過一個皮帶機(jī)縮進(jìn)一定距離，鹽袋落入一級暫存機(jī)構(gòu)。

（4） 一個工作循環(huán)即鹽袋通過5次后，光電開關(guān)SQ3閉合，伸縮式皮帶回歸原位，電磁閥YV3得電，一級暫存艙門打開，當(dāng)推桿到達(dá)光電開關(guān)SQ4處，電磁閥YV3失電，鹽袋落入二級暫存機(jī)構(gòu)，推桿迅速歸位，同時，電磁閥YV4得電，推桿橫推二級暫存機(jī)構(gòu)移動一個鹽袋的距離。

（5） 重復(fù)工序（2）和（3），當(dāng)一級暫存艙門第二次打開，光電開關(guān)SQ5閉合，推桿機(jī)構(gòu)迅速回歸原位，同時，電磁閥YV5得電，二級暫存艙門打開，食鹽落入紙箱。

（6） 光電開關(guān)SQ6檢測二級艙門打開次數(shù)，一個工作循環(huán)即打開4次后，光電開關(guān)SQ6閉合，電磁閥YV6得電，氣缸推動封箱機(jī)構(gòu)合蓋壓合，送出成品。至此整個工序完成。

2.4 輸入/輸出點分配表及PLC接線圖

該系統(tǒng)在伺服電機(jī)和PLC之間外接一個運(yùn)動編碼器，采用內(nèi)環(huán)伺服驅(qū)動器+伺服電機(jī)閉環(huán)，外環(huán)PLC+運(yùn)動編碼器閉環(huán)，構(gòu)成雙閉環(huán)控制形式。

系統(tǒng)中伺服系統(tǒng)選用位置控制模式，指令脈沖輸入采用脈沖+方向的方式。在位置控制方式下，伺服驅(qū)動器接收PLC發(fā)出的位置指令脈沖信號控制伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。內(nèi)部編碼器檢測到電機(jī)實際所產(chǎn)生的脈沖數(shù)反饋給伺服驅(qū)動器，經(jīng)內(nèi)部調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)控制伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。在外部，在伺服電機(jī)和PLC之間外接運(yùn)動編碼器，將伺服電機(jī)的位置信息反饋給PLC，通過比較反饋脈沖和發(fā)出脈沖，通過研究控制算法進(jìn)行控制的修正。

在此采用模糊PID算法進(jìn)行外環(huán)控制系統(tǒng)的偏差修正，實現(xiàn)縮進(jìn)的精確定位。將反饋脈沖與發(fā)出脈沖的偏差e（k）和和偏差的變化量Δe（k）作為被控量，按照一定的規(guī)則調(diào)整發(fā)出脈沖量，實現(xiàn)雙閉環(huán)控制的精確定位。

2.6 控制程序設(shè)計

根據(jù)自動裝箱機(jī)的工藝流程和控制方式，結(jié)合控制過程的分析、各個機(jī)構(gòu)的動作順序，以及輸入/輸出點的分配和PLC控制接線圖，設(shè)計了PLC控制程序，其控制流程圖如圖5所示。PLC編程采用西門子STEP7 軟件，根據(jù)控制流程，采用順序控制法進(jìn)行編程，分步執(zhí)行不同的控制任務(wù)，使程序清晰明朗，方便程序修改與維護(hù)。

3 結(jié) 語

本文根據(jù)食鹽自動裝箱機(jī)的工作原理與工藝流程，對自動裝箱機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)了一套集控制、計數(shù)、精確定位功能于一體的食鹽自動裝箱控制系統(tǒng)。系統(tǒng)實時性好，可靠性高，設(shè)計成本低，運(yùn)行操作方便。該系統(tǒng)對于改進(jìn)較為落后的裝箱系統(tǒng)有很大幫助，可以極大地提高企業(yè)的裝箱自動化控制程度和生產(chǎn)效率，具有廣闊的市場前景和較高的推廣使用價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 夏天煜，湯曉華，李可，等.在線智能視覺檢測系統(tǒng)在小包裝食鹽裝箱中的應(yīng)用[J].北京工商大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，29（5）：61?64.

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[10] 李木國，李響，劉達(dá).基于DSP的電機(jī)伺服系統(tǒng)中的模糊PID控制[J].測控技術(shù)，2011，30（6）：64?66.

（2） 當(dāng)箱體前進(jìn)到光電開關(guān)SQ1時，電磁閥YV1失電，電磁閥YV2得電，推桿下移進(jìn)行推箱動作，當(dāng)推桿后退到光電開關(guān)SQ2處時，電磁閥YV2失電，停止推箱，推桿回歸原位以便下一次推箱。

（3） 在推桿回歸原位的同時，按下伸縮式皮帶機(jī)啟動按鈕SB3，皮帶機(jī)開始工作，伸縮式皮帶機(jī)縮進(jìn)機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)驅(qū)動，用光電開關(guān)SQ3檢測鹽袋通過次數(shù)，通過一個皮帶機(jī)縮進(jìn)一定距離，鹽袋落入一級暫存機(jī)構(gòu)。

（4） 一個工作循環(huán)即鹽袋通過5次后，光電開關(guān)SQ3閉合，伸縮式皮帶回歸原位，電磁閥YV3得電，一級暫存艙門打開，當(dāng)推桿到達(dá)光電開關(guān)SQ4處，電磁閥YV3失電，鹽袋落入二級暫存機(jī)構(gòu)，推桿迅速歸位，同時，電磁閥YV4得電，推桿橫推二級暫存機(jī)構(gòu)移動一個鹽袋的距離。

（5） 重復(fù)工序（2）和（3），當(dāng)一級暫存艙門第二次打開，光電開關(guān)SQ5閉合，推桿機(jī)構(gòu)迅速回歸原位，同時，電磁閥YV5得電，二級暫存艙門打開，食鹽落入紙箱。

（6） 光電開關(guān)SQ6檢測二級艙門打開次數(shù)，一個工作循環(huán)即打開4次后，光電開關(guān)SQ6閉合，電磁閥YV6得電，氣缸推動封箱機(jī)構(gòu)合蓋壓合，送出成品。至此整個工序完成。

2.4 輸入/輸出點分配表及PLC接線圖

該系統(tǒng)在伺服電機(jī)和PLC之間外接一個運(yùn)動編碼器，采用內(nèi)環(huán)伺服驅(qū)動器+伺服電機(jī)閉環(huán)，外環(huán)PLC+運(yùn)動編碼器閉環(huán)，構(gòu)成雙閉環(huán)控制形式。

系統(tǒng)中伺服系統(tǒng)選用位置控制模式，指令脈沖輸入采用脈沖+方向的方式。在位置控制方式下，伺服驅(qū)動器接收PLC發(fā)出的位置指令脈沖信號控制伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。內(nèi)部編碼器檢測到電機(jī)實際所產(chǎn)生的脈沖數(shù)反饋給伺服驅(qū)動器，經(jīng)內(nèi)部調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)控制伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。在外部，在伺服電機(jī)和PLC之間外接運(yùn)動編碼器，將伺服電機(jī)的位置信息反饋給PLC，通過比較反饋脈沖和發(fā)出脈沖，通過研究控制算法進(jìn)行控制的修正。

在此采用模糊PID算法進(jìn)行外環(huán)控制系統(tǒng)的偏差修正，實現(xiàn)縮進(jìn)的精確定位。將反饋脈沖與發(fā)出脈沖的偏差e（k）和和偏差的變化量Δe（k）作為被控量，按照一定的規(guī)則調(diào)整發(fā)出脈沖量，實現(xiàn)雙閉環(huán)控制的精確定位。

2.6 控制程序設(shè)計

根據(jù)自動裝箱機(jī)的工藝流程和控制方式，結(jié)合控制過程的分析、各個機(jī)構(gòu)的動作順序，以及輸入/輸出點的分配和PLC控制接線圖，設(shè)計了PLC控制程序，其控制流程圖如圖5所示。PLC編程采用西門子STEP7 軟件，根據(jù)控制流程，采用順序控制法進(jìn)行編程，分步執(zhí)行不同的控制任務(wù)，使程序清晰明朗，方便程序修改與維護(hù)。

3 結(jié) 語

本文根據(jù)食鹽自動裝箱機(jī)的工作原理與工藝流程，對自動裝箱機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)了一套集控制、計數(shù)、精確定位功能于一體的食鹽自動裝箱控制系統(tǒng)。系統(tǒng)實時性好，可靠性高，設(shè)計成本低，運(yùn)行操作方便。該系統(tǒng)對于改進(jìn)較為落后的裝箱系統(tǒng)有很大幫助，可以極大地提高企業(yè)的裝箱自動化控制程度和生產(chǎn)效率，具有廣闊的市場前景和較高的推廣使用價值。

參考文獻(xiàn)

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[3] 趙蕾，湯曉華，劉娜，等.袋裝食鹽生產(chǎn)線裝箱機(jī)頭直線電機(jī)運(yùn)動控制研究[J].北京工商大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，28（6）：46?51.

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[10] 李木國，李響，劉達(dá).基于DSP的電機(jī)伺服系統(tǒng)中的模糊PID控制[J].測控技術(shù)，2011，30（6）：64?66.

（2） 當(dāng)箱體前進(jìn)到光電開關(guān)SQ1時，電磁閥YV1失電，電磁閥YV2得電，推桿下移進(jìn)行推箱動作，當(dāng)推桿后退到光電開關(guān)SQ2處時，電磁閥YV2失電，停止推箱，推桿回歸原位以便下一次推箱。

（3） 在推桿回歸原位的同時，按下伸縮式皮帶機(jī)啟動按鈕SB3，皮帶機(jī)開始工作，伸縮式皮帶機(jī)縮進(jìn)機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)驅(qū)動，用光電開關(guān)SQ3檢測鹽袋通過次數(shù)，通過一個皮帶機(jī)縮進(jìn)一定距離，鹽袋落入一級暫存機(jī)構(gòu)。

（4） 一個工作循環(huán)即鹽袋通過5次后，光電開關(guān)SQ3閉合，伸縮式皮帶回歸原位，電磁閥YV3得電，一級暫存艙門打開，當(dāng)推桿到達(dá)光電開關(guān)SQ4處，電磁閥YV3失電，鹽袋落入二級暫存機(jī)構(gòu)，推桿迅速歸位，同時，電磁閥YV4得電，推桿橫推二級暫存機(jī)構(gòu)移動一個鹽袋的距離。

（5） 重復(fù)工序（2）和（3），當(dāng)一級暫存艙門第二次打開，光電開關(guān)SQ5閉合，推桿機(jī)構(gòu)迅速回歸原位，同時，電磁閥YV5得電，二級暫存艙門打開，食鹽落入紙箱。

（6） 光電開關(guān)SQ6檢測二級艙門打開次數(shù)，一個工作循環(huán)即打開4次后，光電開關(guān)SQ6閉合，電磁閥YV6得電，氣缸推動封箱機(jī)構(gòu)合蓋壓合，送出成品。至此整個工序完成。

2.4 輸入/輸出點分配表及PLC接線圖

該系統(tǒng)在伺服電機(jī)和PLC之間外接一個運(yùn)動編碼器，采用內(nèi)環(huán)伺服驅(qū)動器+伺服電機(jī)閉環(huán)，外環(huán)PLC+運(yùn)動編碼器閉環(huán)，構(gòu)成雙閉環(huán)控制形式。

系統(tǒng)中伺服系統(tǒng)選用位置控制模式，指令脈沖輸入采用脈沖+方向的方式。在位置控制方式下，伺服驅(qū)動器接收PLC發(fā)出的位置指令脈沖信號控制伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。內(nèi)部編碼器檢測到電機(jī)實際所產(chǎn)生的脈沖數(shù)反饋給伺服驅(qū)動器，經(jīng)內(nèi)部調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)控制伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。在外部，在伺服電機(jī)和PLC之間外接運(yùn)動編碼器，將伺服電機(jī)的位置信息反饋給PLC，通過比較反饋脈沖和發(fā)出脈沖，通過研究控制算法進(jìn)行控制的修正。

在此采用模糊PID算法進(jìn)行外環(huán)控制系統(tǒng)的偏差修正，實現(xiàn)縮進(jìn)的精確定位。將反饋脈沖與發(fā)出脈沖的偏差e（k）和和偏差的變化量Δe（k）作為被控量，按照一定的規(guī)則調(diào)整發(fā)出脈沖量，實現(xiàn)雙閉環(huán)控制的精確定位。

2.6 控制程序設(shè)計

根據(jù)自動裝箱機(jī)的工藝流程和控制方式，結(jié)合控制過程的分析、各個機(jī)構(gòu)的動作順序，以及輸入/輸出點的分配和PLC控制接線圖，設(shè)計了PLC控制程序，其控制流程圖如圖5所示。PLC編程采用西門子STEP7 軟件，根據(jù)控制流程，采用順序控制法進(jìn)行編程，分步執(zhí)行不同的控制任務(wù)，使程序清晰明朗，方便程序修改與維護(hù)。

3 結(jié) 語

本文根據(jù)食鹽自動裝箱機(jī)的工作原理與工藝流程，對自動裝箱機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)了一套集控制、計數(shù)、精確定位功能于一體的食鹽自動裝箱控制系統(tǒng)。系統(tǒng)實時性好，可靠性高，設(shè)計成本低，運(yùn)行操作方便。該系統(tǒng)對于改進(jìn)較為落后的裝箱系統(tǒng)有很大幫助，可以極大地提高企業(yè)的裝箱自動化控制程度和生產(chǎn)效率，具有廣闊的市場前景和較高的推廣使用價值。

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