基于PLC的模糊控制器在定量包裝秤中的應用

張 俊，李 明

（1. 南京工業大學 自動化與電氣工程學院，南京 210009；2. 常熟三禾精工科技有限公司，蘇州 215000 ）

基于PLC的模糊控制器在定量包裝秤中的應用

張 俊1，李 明2

（1. 南京工業大學 自動化與電氣工程學院，南京 210009；2. 常熟三禾精工科技有限公司，蘇州 215000 ）

結合公司設計的DCS-25包裝秤，介紹了定量包裝秤的工作原理。設計了基于西門子PLC和模糊控制實現包裝秤的自動控制系統，并且介紹了PLC實現模糊控制定量下料的具體方法。實踐表明，該控制方式能夠較好的實現精準定量包裝，并且提高了該公司生產的包裝秤的市場競爭力。

定量包裝；模糊控制；PLC

0 引言

隨著現在生活水平的提高，定量包裝已經在生產和生活中無處不在，包括食品、化肥、飼料等行業。在定量稱重環節中，一般包括料倉、加料裝置和秤體等部分組成。定量精度在判斷定料包裝機優劣中是非常重要的一個因素。然而在定量包裝中，影響定量精度的主要環節是加料裝置和秤體兩個部分[1]。定量下料控制中的誤差并不能完全被消除，特別是物料的沖擊力以及空中落料的影響[1,2]。目前，本公司大量生產的定量包裝機是在使用之前就已經設定好兩個固定的速度，包括快加檔和慢加檔，在包裝機工作過程中無法實現精確的動態控制，只能按照提前設定好的電機速度進行加料，導致生產的包裝機無法使用在精度較高的場合。根據公司的發展要求，對定量包裝機進行技術提升來提高定量包裝精度，由于動態稱重的被控對象具有非線性特性，所以本次設計中將模糊控制的方法來應用于動態定量包裝控制系統。

1 定量包裝秤的結構

圖1為本次設計的定量包裝秤的組成簡圖。本次設計的包裝秤能夠包裝各種顆粒和粉料，每袋包裝的容量是25kg，容許的誤差在0.2%，主要包括料倉、稱重裝置、夾袋機構和自動控制系統等組成。

加料倉采用緩沖料倉，主要是為了提供比較均勻的物料。本次設計的包裝機包裝的物料主要是粉末物料，采用的加料方式是螺旋加料，通過調節伺服電機的轉速來改變加料速度的快慢，從而來滿足動態包裝的精度要求。稱重環節中采用的是托利多生產的IL系列稱重傳感器，安裝在結構的左側，如圖1所示，將物料的重量轉化為電信號傳送給控制系統。本次控制系統由西門子200系列PLC、UNIPULSE的F701稱重顯示儀表、電控箱等組成，使整個包裝機按照PLC編寫的程序進行控制。硬件控制流程圖如圖2所示。

圖1 定量包裝秤組成簡圖

圖2 硬件控制流程圖

2 定量控制原理

本次對包裝機進行改造的過程中，定量控制總體還是保留二級加料的加料方式，即開始的時候采用快加料，當到達設定值的約90%加料量時,改成慢加料以滿足稱重精度的要求。在剛開始的時候，即定量稱重誤差比較大時，采用恒定的快加料控制，來滿足速度的要求；當稱重誤差小于某一特定值的時候，進行變速模糊控制，以保證定量下料的精度。圖3為定量下料稱重模糊控制自動控制系統。

圖3 自動控制系統結構圖

在定量控制中，稱重傳感器檢測到的電壓信號進入F701儀表的放大、濾波等電路，通過A/D轉換器，然后經過儀表內部的控制器轉換為重量值，與設定值進行比較得到偏差值。在恒速快加料結束之后，采用模糊控制算法計算出在該偏差下的螺桿的下料量，通過該下料量得出電機的驅動量。包裝過程中控制螺旋加料的電機為伺服電機，通過控制電壓值來控制電機的轉速，從而來控制螺旋下料的速度[3]。圖4為控制系統原理圖。

圖4 控制系統原理圖

3 模糊控制設計

圖5為模糊控制器的基本結構框圖?？刂破鞑捎霉こ躺鲜褂帽容^成功的二維模糊控制器，以實際下料的重量與給定重量的偏差e和偏差的變化率ec作為模糊控制器的輸入，伺服電機的轉速作為輸出u[4,5]。

3.1 精確量模糊化

圖5 模糊控制基本結構圖

模糊化的主要作用是將輸入的精確量轉化為模糊量[6,7]。定量下料模糊控制系統和一般采用模糊控制的系統還是有區別的，區別就在于定量下料系統是一個單向逼近式的過程，也就是落下的料是不能收回的，所以偏差e就無負值，偏差變化率ec就逐漸減少。針對設計的包裝機，理論誤差是0～25000g。但是根據設計的要求，在剛開始加料的時候采用恒速加料的形式，當偏差小于10000g的時候采用模糊控制的方法進行加料速度的控制。偏差的模糊論域定為[0,10]，對偏差較小的這部分進行非均勻量化,得出偏差e的模糊論域與實際論域的關系表如表1所示。偏差的變化率的模糊論域取值為[0,8]，經過多次的測試，得出模糊論域與實際論域的關系表如表2所示。在包裝過程中，進行精確加料的過程一般時間是比較短的，按照以前的慢加料精度加料的時間，一般只有2～3秒鐘的時間，所以在設計的過程中采用100次/秒的采樣方式，從而提高采樣率來提高精度。

表1 偏差E的實際論域與模糊論域的對應關系

表2 偏差Ec的實際論域與模糊論域的對應關系

3.2 模糊控制規則

在本次設計中，要想使模糊控制能否能夠精確地控制定量包裝機的下料過程，那么關鍵的地方就是看選取的模糊控制規則是否合適?？刂屏縐的模糊論域為[0,10]，其中0檔所代表的就是轉速最慢，10檔所代表的就是轉速最快。根據推理規則，經過試驗測試，進行多次調整，得到的模糊控制表如表3所示。

表3 模糊控制規則

3.3 控制量反模糊化

上面所得到的控制量是模糊量，但是實際控制下料快慢的是精確量，所以要得到實際的精確控制量[8,9]。在定量下料裝置中，控制下料的是伺服電機，伺服電機中使用速度控制模式，10V所對應伺服電機的速度是最快的。伺服電機對應的電壓范圍是0～10V，模糊論域為[0,8]，所以實際控制量與模糊控制量的對應關系如表4所示。

表4 控制量 U 的模糊論域與實際論域的對應關系

4 模糊控制算法的PLC實現

在本次的定量系統改造中，硬件方面采用的西門子公司S7-200 型PLC[10]。模糊算法的設計流程如圖6所示。

在這次程序設計中，結合現場采用模糊控制查詢表的方法，對離線已經設計好的控制表進行查詢。這個在PLC實現模糊控制中是非常關鍵的步驟。根據程序圖中所示，將采樣到已經量化過的偏差E、偏差變化Ec分別放在了VW104和VW106中。將偏差E的模糊論域放在VW110開始的連續11個數據寄存器中，偏差變化Ec的模糊論域放在VW132開始的連續9個數據寄存器中。將VW104中的數據和VW110開始的11數據寄存器中的數據相比較，并且將VW106中的數據和VW132開始的9數據寄存器中的數據相比較，若和某個數據寄存器中的數據相同，所對應的中間繼電器（如M0.0）置1。根據中間繼電器的狀態將查詢的輸出值送入數據寄存器VW400中。實現的部分程序如下所示。

圖6 PLC模糊算法的流程圖

5 結論

本次為公司進行技術改進過程中，針對動態稱重過程中存在空中落料和物料沖擊等非線性特性，將西門子PLC實現模糊控制運用于定量稱重系統上。經過多次測試，在保證160包/h的速度基礎上將精度提高到0.2%。將PLC來實現模糊控制比其他控制器實現定量包裝能滿足適應能力強來運用于環境比較復雜的工廠環境。本次設計得到了公司的一致認可，將控制算法稍加改動就可以應用于公司其它的定量包裝設備中。

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Application of quantitative packaging machine based on PLC fuzzy controller

ZHANG Jun1，LI Ming2

TB486

A

1009-0134(2014)05(下)-0110-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).31

2013-12-18

張?。?989 -），男，江蘇宜興人，碩士研究生，主要研究方向為包裝機的自動化控制。