基于PLC的FFS包裝機移動平臺設計及控制系統實現

邵忠良

（廣東水利電力職業技術學院自動化工程系，廣東 廣州 510635）

FFS包裝機是集成型（forming）－填充（filling）－封合（sealing）為一體的典型的機電一體化設備，可以實現物料的稱重、制袋、裝袋、封口（底封、腳封和頂封）等作業的全自動化包裝機。其工藝流程：薄膜卷由輸送膠輥引入包裝機，經角封、底封后制成包裝袋，包裝袋依次經開袋口、填充、上封口、口封冷卻后，完成包裝作業，送至碼垛機。較之其他包裝機，FFS包裝機結構緊湊，生產效率高，已廣泛應用于食品、日用品、港口等領域［1］。隨著食品工業的規模化發展，對包裝機包裝速度和包裝精度的要求越來越高，使得包裝機包裝速度遠遠大于上游設備對物料的處理及運輸速度，出現了FFS包裝機不能滿負荷工作的現象。為了滿足包裝生產線中的物料高效運輸，需要研究一種移動平臺來承載FFS包裝機組，使之能夠自由平移、旋轉及定位等，與下料口準確對接，協調定量秤、包裝機的動作配合，從而使系統按照設定的工藝流程高效地完成整個生產過程［2－5］。

本設計設計了一種基于PLC的FFS包裝機移動平臺，給出移動平臺的結構、工作原理和控制系統及相關硬件，在Step7－Micro／WIN環境下對控制系統的軟件進行了編程，最后對人機交流界面進行組態。

1 移動平臺結構設計及工作原理

移動平臺系統以SIEMENS S7－300可編程控制器為核心，輸入元件采用Schneider按鈕及搖桿、Novotechnik角位移傳感器；輸出組件采用Schneider變頻器和Festo電磁閥。本系統通過角位移傳感器對4輪轉角的角度數據進行采集，通過A／D轉換計算出當前輪子的角度，并根據需要通過電磁閥驅動液壓缸，實現對輪子的轉動控制。同時可通過電磁閥控制液壓馬達，驅動輪子實現行走功能。FFS包裝機移動平臺的結構簡圖見圖1。

在開始移動之前，需對移動平臺的4個輪子進行角度標定，即分別采集每個輪子在90°和180°時的角位移傳感器的數據，并且將所采集的數據保存。隨后即可根據角位移傳感器反饋的數據計算出當前的角度值。當移動平臺移動時，中間4個升降油缸提起中間平臺（中間平臺上裝有FFS包裝機組），4個水平液壓缸通過齒條、齒輪傳動，實現4個車輪的轉向。當主動車輪的液壓馬達驅動時，帶動車輪組轉動，實現平臺的直線行駛、原地轉向運動。如果移動平臺的四輪不在合適位置，則四輪開始向合適的目標位置開轉，旋轉至預定的位置后停止。當平臺上的包裝機與下料口對接正確后，釋放平臺中間4個提升缸使中間平臺落地，準備開始包裝。

圖1 移動平臺結構簡圖Figure 1 Mobile platform structure diagram

移動平臺系統的工藝流程為系統上電，四輪角度標定，然后根據選定的運行狀態，通過人工操作，使其完成平移、旋轉、包裝機升降及定位。配合包裝機，是系統按照設定的工藝流程來完成整個生產過程。

2 PLC控制系統硬件設計

2.1 PLC選型

可編程控制器是包裝機控制系統的核心，本系統采用SIEMENS系列PLC，移動平臺CPU型號為313C，其中300系列CPU具有很快的I／O處理速度，單條基本指令執行時間僅為0.1至0.2μs，同時313C帶有MPI端口，具有強大的擴展能力，能夠滿足現代化生產線對控制的高要求［6，7］。

2.2 硬件配置

移動平臺硬件配置框圖見圖2，包括CPU單元、CPU內置數字量I／O、模擬量I／O和擴展單元（數字量I／O模塊）、檢測、控制元件以及操作盤等幾部分。檢測元件包括壓力開關和限位開關等；控制元件包括交流接觸器和電磁閥等；操作盤由觸摸式人機界面、搖桿開關等組成。

控制系統以SIEMENS S7－300可編程控制器為核心，通過角位移傳感器對4輪轉角的角度數據進行采集，通過A／D轉換計算出當前輪子的角度，并根據需要通過電磁閥驅動液壓缸，實現對輪子的轉動控制。同時可通過電磁閥控制液壓馬達，驅動輪子實現行走功能。

2.3 輸入輸出點分配

移動平臺的PLC配置包括CPU內置16點／公共端的24V數字量輸入通道、8點／公共端的24V數字量輸入通道及16點／公共端的數字量輸出通道各1個，16點／公共端的數字量輸出模塊1個，此外，CPU還內置了4通道的模擬量輸入及2通道的模擬量輸出。按照移動平臺控制系統要求，對移動平臺PLC輸入輸出點進行分配，見表1。

圖2 移動平臺硬件配置框圖Figure 2 Mobile platform hardware configuration diagram

表1 移動平臺PLC輸入輸出點分配表Table 1 Mobile platform PLC input／output point distribution table

續表1

3 PLC控制系統軟件設計

系統軟件設計主要包括PLC主程序設計和人機交流界面設計。控制系統是基于PLC集成控制的系統，根據系統的控制流程及輸入和輸出信號，在Step7－Micro／WIN編程環境下編制PLC的梯形圖來實現所需功能［8］。人機交流界面使用Wince flexible編程軟件對各界面進行組態。移動平臺操作盒通過插座連接至移動平臺上，操作盒的布置見圖3。當系統上電，觸摸屏運行應用程序時首先進入的即為主界面，畫面內容見圖4。從主界面按運行界面按鈕進入運行界面，畫面內容見圖5。從主界面按標定界面按鈕進入標定界面，畫面內容見圖6。

從主界面按測試界面按鈕進入測試界面，畫面內容見圖7。測試界面包括上方3個畫面轉換按鈕、底部3個狀態設定及返回按鈕，分別描述如下：開始測試按鈕：按下該按鈕，油泵啟動，進入測試狀態。結束測試按鈕：按下該按鈕，油泵停止，退出測試狀態。行走測試按鈕：按下該按鈕，觸摸屏切換至行走測試畫面見圖8。轉向測試畫面見圖9。提升測試畫面見圖10。

圖3 移動平臺操作盒Figure 3 Mobile platform operating box

圖4 移動平臺主界面Figure 4 Mobile platform main interface

圖5 運行界面Figure 5 Operation interface

圖6 標定界Figure 6 Calibration interface

圖7 測試界面Figure 7 Testing interface

圖8 行走測試界面Figure 8 Walking test interface

圖9 轉向測試界面Figure 9 Steering testing interface

圖10 提升測試界面Figure 10 Promotion testing interface

每幅界面可將輸入的命令傳輸給PLC，也從PLC讀取所檢測的參數或狀態信息，以此實現人機交流。

4 結論

FFS包裝機移動平臺采用系統結構與控制系統相結合的一體化設計，采用PLC和觸摸屏做主控制器，設計的控制系統運行可靠，制造的移動平臺能夠承載FFS包裝機組自由移動，與下料口對接后，能夠實現包裝工作，解決了目前FFS包裝機不能滿負荷工作的現象，達到了包裝機多工位生產的目的，滿足了現代化生產的要求，自動化程度高，運行穩定可靠，大幅度地提高了生產效率。

1 吳民.食品包裝材料及包裝技術新發展［J］.食品與機械，1991（3）：39～41.

2 呂衛陽，徐昌榮.PLC工程應用實例解析［M］。北京：中國電力出版社，2007.

3 葉勁松，蒲彪.我國食品包裝及市場的現狀與發展［J］.食品與機械，2002（4）：32～35.

4 李蘭忖.面粉包裝控制系統的改進［J］.食品與機械，2011，27（2）：91～93.

5 佚名.國內外制袋充填包裝機的狀況分析［J］.中國包裝工業，2008（21）：46～47.

6 Nanette Bauer，Sebastian Engell，Ralf Huuck，et al.Verification of PLC programs given as sequent－ial function fig.s.lecture notes in computer science［J］.Lecture Notes in Computer Science，2004，147（3）：517～540.

7 Henning Dierks.Comparing model checking and logical reasoning for real－time systems［J］.Formal Aspects of Computing，2004，16（2）：104～120.

8 李全利.可編程序控制器及其網絡系統的綜合應用技術［M］.北京：機械工業出版社，2005：189～193.