李松濤，吳素珍

（1.許昌電氣職業(yè)學(xué)院，許昌 461000；2.河南工程學(xué)院，鄭州 450000）

0 引言

當(dāng)前市場(chǎng)包裝形式多樣，自動(dòng)分裝包裝的工作模式，得到包裝行業(yè)的重點(diǎn)關(guān)注，但大部分機(jī)械操作不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，包裝材料運(yùn)行速度不穩(wěn)定，食品包裝存在漏氣和褶皺，因此，設(shè)計(jì)包裝機(jī)械速度控制系統(tǒng)，控制食品包裝速度恒定，保證封邊整齊，具有重要意義[1]。

文獻(xiàn)[2]注重機(jī)械性能的柔軟性，采用螺桿下料的物料充填方式，設(shè)計(jì)伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的包裝機(jī)械，利用光電感應(yīng)技術(shù)，形成機(jī)械速度和包裝工藝的配套體系，配備有可調(diào)速驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，恒定包裝速度在100包/min，但該系統(tǒng)制定的基礎(chǔ)元器件可靠性標(biāo)準(zhǔn)，未達(dá)到正常要求，導(dǎo)致食品包裝偏移量較大。文獻(xiàn)[3]將自動(dòng)化程序，應(yīng)用在包裝控制系統(tǒng)中，融合激光掃描技術(shù)、納米技術(shù)、機(jī)電一體化，把上位機(jī)、儀表、設(shè)備集機(jī)、觸摸屏控制在一體，配備防靜電裝置和光電傳感器，實(shí)時(shí)采集包裝機(jī)械數(shù)據(jù)，人機(jī)交互包裝速度，但該方法輸送包裝材料時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化較大，袋膜偏移量同樣較大。針對(duì)這一問題，結(jié)合以上理論，設(shè)計(jì)基于PLC的負(fù)壓式生鮮食品包裝機(jī)械速度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 基于PLC的負(fù)壓式生鮮食品包裝機(jī)械速度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

選擇PLC控制器、加速機(jī)、減速機(jī)和伺服電機(jī)等，作為系統(tǒng)硬件設(shè)備，設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架。硬件配置如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件配置

編碼器型號(hào)選擇R266S型，通過內(nèi)存與總線，讀取傳感器采集數(shù)據(jù)，匹配支持度高的電脈沖，將轉(zhuǎn)速信號(hào)、袋膜位置信號(hào)等，轉(zhuǎn)化為PLC控制器對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)[4]。根據(jù)PLC控制器的邏輯關(guān)系，自動(dòng)循環(huán)檢測(cè)PLC輸入/輸出點(diǎn)狀態(tài)，不斷更新包裝速度的采樣頻率，把包裝機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)反映在觸摸顯示屏上[5]。配套使用電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，選擇110型三相電機(jī)和TD-268A8H型驅(qū)動(dòng)器，通過伺服驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)啟停，利用撥位開關(guān)的1～5位，設(shè)定電機(jī)的運(yùn)行步數(shù)，利用7～10位，設(shè)定交流供電的最大輸出電流[6]。至此完成控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架的設(shè)計(jì)。

1.1.2 設(shè)計(jì)PLC速度控制器

定義PLC速度控制器端口，優(yōu)化輸入/輸出電路，輸出包裝速度控制指令。PLC控制器選擇FX2N-32M型號(hào)，該P(yáng)LC控制器具有速度模擬量輸入模塊，定義輸入/輸出點(diǎn)，控制并反饋包裝速度，具體如表1所示。

表1 PLC控制器輸入/輸出端口定義

優(yōu)化PLC輸入/輸出電路，利用輸入電路，對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行濾波處理，把采集數(shù)據(jù)傳遞給PLC控制器的輸出點(diǎn)，放大輸出信號(hào)功率，帶動(dòng)包裝機(jī)械的工控元件[7]。優(yōu)化電路如圖2所示。

圖2 PLC控制器輸入/輸出電路

將袋膜位置檢測(cè)、拉膜送膜速度、下料轉(zhuǎn)盤速度、橫封縱封速度，作為輸入信號(hào)，PLC控制器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分析[8]。然后以輸出信號(hào)的形式，把包裝速度這一工作命令，傳遞給包裝機(jī)械的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成速度控制指令要求[9]。至此完成PLC速度控制器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

將硬件框架中的送膜軸，作為包裝材料的運(yùn)行主軸，計(jì)算包裝速度控制參數(shù)。由三相電機(jī)速度控制器的減速比，計(jì)算輸送袋膜所需的最大轉(zhuǎn)速H，公式為：

其中a為生鮮食品包裝袋長(zhǎng)，L為包裝機(jī)械最大生產(chǎn)率，g為袋膜打滑補(bǔ)償系數(shù)，d為輸送袋膜的輥輪周長(zhǎng)[10]。匹配送膜軸與電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，得到包裝機(jī)械的動(dòng)能表達(dá)式E：

式(2)中，s1、s2分別為電機(jī)軸、送膜軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，w為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速[11]。由此可得s1、s2的滿足公式為：

B為慣量比參數(shù)。根據(jù)輥輪與袋膜卷之間的剛性傳動(dòng)比，估算袋膜包裝的整體傳動(dòng)比k，公式為：

其中r1、r2分別為輸送輥輪半徑、袋膜卷半徑[12]。計(jì)算送膜軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量s2：

m為袋膜卷質(zhì)量[13]。確定負(fù)載折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，即電機(jī)軸的折算慣量Q，公式為：

將式(3)作為限制條件，把式(4)和式(5)代入式(6)，得到電機(jī)軸折算慣量表達(dá)式為：

把負(fù)載正常的額定轉(zhuǎn)矩，控制在電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩內(nèi)，確保食品包裝加速減速的最大轉(zhuǎn)矩，在電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩內(nèi)，當(dāng)袋膜卷的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大時(shí)，計(jì)算臨界時(shí)刻的轉(zhuǎn)距值U，公式為：

其中a為滾動(dòng)軸承的摩擦系數(shù)，V為送膜軸和袋膜卷的總質(zhì)量，r3、r4、r5分別為送膜軸半徑、軸承內(nèi)徑和軸承外徑[14]。計(jì)算袋膜卷的初始轉(zhuǎn)矩Z，公式為：

其中F為生鮮食品包裝速度，t為包裝機(jī)械啟動(dòng)時(shí)間。采用CX-Programmer PLC編程軟件，使用邏輯梯形編程語言，設(shè)定送膜軸最大轉(zhuǎn)速、電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、袋膜卷最大轉(zhuǎn)矩、初始轉(zhuǎn)矩4個(gè)參數(shù)，自動(dòng)化控制生鮮食品的整個(gè)包裝過程[15]。至此完成包裝速度參數(shù)設(shè)定，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，完成基于PLC的負(fù)壓式生鮮食品包裝機(jī)械速度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

將此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)，與兩組常規(guī)負(fù)壓式生鮮食品包裝機(jī)械速度控制系統(tǒng)，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，比較三組系統(tǒng)控制下，機(jī)械包裝食品的袋膜偏移量。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)材料為生鮮蔬菜，包裝材料為500mm的PVC保鮮膜、以及PET包裝盒，保鮮膜柔韌性好，為聚乙烯薄膜。選擇DF-28B6型包裝機(jī)作為試驗(yàn)平臺(tái)，包裝機(jī)觸摸屏為TK5100型號(hào)，含RS826和RS820通信接口，顯示食品包裝速度、縱封溫度等數(shù)值，試樣樣機(jī)如圖3所示。

圖3 包裝機(jī)械試樣樣機(jī)

調(diào)試樣機(jī)，將成卷的PVC保鮮膜和包裝盒，分別放置在送膜機(jī)構(gòu)和傳輸裝置，利用可調(diào)距切紙刀，裁切包裝膜，每放入包裝膜和包裝盒，就同步運(yùn)行輸送裝置和送膜機(jī)構(gòu)，配合橫封裝置、切斷機(jī)構(gòu)、縱封裝置，完成蔬菜的包裝過程。試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 包裝機(jī)械試驗(yàn)參數(shù)

設(shè)置包裝膜的熱封時(shí)間為1.5s～1.8s，熱封壓力為150N～200N，熱封時(shí)間為120℃～150℃，利用PG82-52UY檢邊傳感器，檢測(cè)蔬菜包裝的封邊整齊度。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 縱封偏移量測(cè)試

將拉膜速度作為測(cè)試條件，設(shè)定包裝速度為60mm/s～180mm/s，包裝質(zhì)量為25g，包裝長(zhǎng)度為200mm，恒速控制包裝袋材，每次試驗(yàn)以包裝完成100包為止，測(cè)量三組系統(tǒng)縱封偏移量，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 縱封偏移量測(cè)試結(jié)果

由上圖可知，隨著拉膜速度的增加，縱封偏移量也隨之增加，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的袋膜偏移量有效控制在0.55mm以下，平均偏移量為0.49mm，常規(guī)系統(tǒng)1和常規(guī)系統(tǒng)2的平均偏移量，分別為0.56mm和0.62mm，設(shè)計(jì)系統(tǒng)袋膜偏移量分別減小了0.07mm和0.13mm。

2.2.2 橫封偏移量測(cè)試

將包裝質(zhì)量作為測(cè)試條件，設(shè)定包裝質(zhì)量為10g～40g，包裝速度為120mm/s，包裝長(zhǎng)度為200mm，測(cè)量三組系統(tǒng)橫封偏移量，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 橫封偏移量測(cè)試結(jié)果

由5圖可知，隨著包裝質(zhì)量的增加，橫封偏移量也隨之增加，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的袋膜偏移量有效控制在0.55mm以下，平均偏移量為0.48mm，常規(guī)系統(tǒng)1和常規(guī)系統(tǒng)2的平均偏移量，分別為0.54mm和0.60mm，設(shè)計(jì)系統(tǒng)袋膜偏移量分別減小了0.06mm和0.12mm。

2.2.3 對(duì)角偏移量測(cè)試

將包裝長(zhǎng)度作為測(cè)試條件，設(shè)定包裝長(zhǎng)度為50mm～350mm，包裝質(zhì)量為25g，包裝速度為120mm/s，測(cè)量三組系統(tǒng)對(duì)角偏移量，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 對(duì)角偏移量測(cè)試結(jié)果

由上圖可知，包裝長(zhǎng)度對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)無影響，而兩組常規(guī)系統(tǒng)的袋膜偏移量，仍隨著包裝長(zhǎng)度的增加而增加，設(shè)計(jì)系統(tǒng)平均偏移量為0.48mm，常規(guī)系統(tǒng)1和常規(guī)系統(tǒng)2的平均偏移量，分別為0.56mm和0.61mm，設(shè)計(jì)系統(tǒng)袋膜偏移量分別減小了0.08mm和0.13mm。根據(jù)袋膜偏移量的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值，統(tǒng)計(jì)三組系統(tǒng)控制下的食品合格率，如表3所示。

表3 袋膜包裝合格率統(tǒng)計(jì)結(jié)果（%）

綜上所述，設(shè)計(jì)系統(tǒng)相比兩組常規(guī)系統(tǒng)，減小了生鮮食品的袋膜偏移量，提高了包裝機(jī)械控制精度，充分保證了食品包裝的合格率，包裝效果得到明顯改善。

3 結(jié)語

此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)充分發(fā)揮了PLC的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，生鮮食品袋膜包裝的偏移量，明顯小于常規(guī)系統(tǒng)，提高了產(chǎn)品包裝質(zhì)量。但此次研究仍存在一定不足，在今后的研究中，會(huì)輕量化設(shè)計(jì)食品包裝機(jī)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，提高整機(jī)機(jī)構(gòu)配合精度和穩(wěn)定性，降低整機(jī)成本。