基于PLC控制的糧食包裝機器人的開發

梁明亮，蘇東民,2，常蘭州，張明環

（1.鄭州鐵路職業技術學院，鄭州 450052；2.河南工業大學 糧油食品學院，鄭州 450001；3.河南金谷實業發展有限公司，鄭州 450053 ）

0 引言

在糧食加工產業中，套袋打包工作簡單繁瑣、勞動強度大、勞動環境差，逐步采用糧食包裝機器人進行自動包裝是現代農業和食品加工業的發展的必然要求。采用機器人代替人工對玉米、大豆、大米、面粉等糧食進行灌裝、封袋，對于提高糧食類加工企業的生產效率、降低勞動力成本和減輕技術工人的勞動強度有著重要的意義。充分利用當前國內國際先進的包裝機械技術與電子信息控制技術，以進口西門子PLC控制技術為背景，在此基礎上對軟、硬件進行技術改造和自主創新，實現了一種糧食包裝機器人系統的國產化設計。

1 整體設計原理與方案

對大豆、大米、面粉等糧食的包裝需要較大的控制力矩，實現對某一物體的位移或搬運可通過以下三種方式實現：一是電氣直接控制，通過電機控制產生轉動，利用齒輪嚙合，帶動機構回轉或位移；二是執行部件采用純氣動控制；三是電氣及氣動控制相結合。直接采用電氣控制力矩很難達到，且靈活性會較差，采用純氣動控制精度和穩定性難以保證。綜合上述情況，本系統采用電氣控制和壓縮空氣控制方式相結合的控制方案。

氣動系統主要包括氣動執行器的執行機構、調節機構和對電磁閥的驅動單元，活塞式、薄膜式、撥叉式和齒輪齒條式都是各種氣動執行機構的表現形式。薄膜式適合于直接帶動閥桿的區域，活塞式適用于要求有較大推力的控制區域，撥叉式更適合用于需要扭矩大、空間小的控制區域。要實現氣壓控制需要壓縮空氣儲氣缸，電磁閥的動作就是由壓縮空氣的通斷來控制。

糧食包裝機器人設計的運行動作主要包括散體糧食倉門的開啟和關閉、包裝袋傳送、打開包裝袋口、套裝包裝袋、糧食包裝、袋口封緊、包裝好的成袋糧食移位等過程[1]。

2 包裝控制過程設計

糧食包裝機器人的包裝工作流程設計如圖1所示[2]。

圖1 機器人工作流程框圖

1）首先由光電傳感單元檢測包裝袋箱里是否有空袋，檢測信息送給PLC控制器，如果無空袋，通過控制器的報警單元進行提示報警，可人工放入空袋或自動傳送，如果有空袋，進行第二步的工作流程。

2）取袋壓縮空氣氣缸對空袋抓取機構進行驅動控制，使其能自由地往返運行，空袋品店抓取機構抓取包裝袋后，將空包裝袋放到拖板上，通過帶傳動傳送到指定位置平臺，將包裝袋口輸送到上下兩個抓取機構之間，安裝在旁邊的定位輪起定位檢測作用，如果沒有抓取到位，重新進行第二步，如果定位檢測到位，進行下一步。

3）取袋壓縮空氣氣缸驅動機構抓緊袋口后，使袋口張開，通過氣缸驅動將包裝袋套入散體糧食儲料斗上。

4）糧食原料由第3步的工序的帶式輸送機存入儲料斗，在儲料斗套好包裝袋后，這時儲料斗倉門打開，在振動器（一般采用步進電機或其它直流電機傳動機構）的震動下，散體糧食通過出料口進入到包裝袋，包裝袋放在裝有稱重傳感器的平臺上，稱重傳感器將壓力轉換為相應的電信號送給PLC控制器，經換算后將包裝質量顯示在液晶屏上，機器開啟前，一般先設設定到達設定包裝質量最大值，到達設定值后，控制系統將儲料斗的出料口迅速關閉。

5）當一袋糧食包裝完成后，通過封袋氣缸驅動夾袋裝置將袋口封緊，然后拖到封口位置封口。

6）包裝并封好口的成袋糧食最后被拖到傳送帶上，一袋糧食自動包裝過程完成。下一袋糧食自動包裝過程將重復第1步到第6步。

3 PLC控制器設計

3.1 設計思路

控制器是機器人實現工作任務的控制核心。糧食包裝機器人控制系統的主要任務是根據糧食的包裝工藝流程對各部分進行實時協調控制，這些控制動作主要有:包裝箱供送、成袋產輸送、包裝袋抓取、袋口打開、糧食包裝、關閉倉門、袋口封緊等。散體糧食包裝機器人運行方式有自動連續運行和人工手動點動操作，輸入端口輸出端口較多。

糧食包裝機器人工作時受電磁干擾信號較大，輸入的傳感信號和輸出的控制信號有開關量（數字信號）、模擬量（用于變頻調速）。PLC控制器具有抗干擾能力強、性能可靠、與工業現場信號易匹配、信號輸入輸出相對容易、編程相對簡單、維修調試方便等優點，系統選用西門子S7-200系列PLC控制器完全能滿足對各種光電開關、接近開關、磁性開關、電磁閥、交流伺服電機的信號輸入檢測或輸出控制實現系統的整體控制。設計10.4寸彩色觸摸屏與PLC相結合，形成較為友好的人機對話界面，方便操作人員進行設置和機器運行狀態監測。

3.2 PLC控制器組成

PLC控制器系統組成框圖如圖2所示。

圖2 PLC控制器組成框圖

控制器選用西門子S7-200系列，主機單元采用CPU226XM。S7-200系列的CPU22X型PLC系統集成方便，具有多種功能模塊和人機界面可供選擇，容易實現PLC網絡的構建，完全滿足糧食包裝機器人控制各項控制任務的需求。

S7-200 CPU226XM PLC具有速度快、功能強大、性能穩定等優點，具體技術特性和功能為：1）40個數字輸入輸出點；2）最大可擴展248個數字量I/O點或35路模擬量I/O；3）具有26KB的程序和數據存儲區空間；4）內置高性能的PID控制器；5）通信自由，具有多點接口（MPI）、點對點接口（PPI）和RS-485通信/編程口。

糧食包裝機器人控制系統共連接數字量輸入端口24個，其中有19個用于壓縮空氣氣缸運動的運行標志位置開關，有2個用于壓力傳感器的信號輸入，各類用于探測功能的光電傳感器占用3個輸入端口。設計18個數字量輸出端口，其中控制各種包裝過程的動作用電磁閥線圈使用15個端口，控制包裝袋運送和成袋糧食傳送的接觸器占用3個輸出端口。

采用PLC和變頻器配合組成控制系統，變頻器的主要作用是參數設定，從而實現主電機的多段速控制[3]。本系統選用西門子公司的MM440型變頻器，S7-200 CPU226XM PLC的8路數字量輸出端口作為MM440變頻器的輸入信號，通過數字量信號的設定形成不同的狀態組合，從而實現對主電機的調速。

3.3 TFT彩色液晶觸摸屏

液晶觸摸屏主要作用為機器人控制參數和控制方式的設定。系統工作前，通過觸摸屏設置工作基本參數，PLC控制器根據工作要求和狀態進行分析計算，確定具體的測量精度和運行工況，運行過程中，控制器可隨時接收操作員根據生產要求的人工指令，及時修改相關控制參數。

PLC控制器與液晶的接口技術越來越成熟[4]，本系統采用自行研發的液晶觸摸屏模塊，型號為TFT104-8060-65K，彩色觸摸屏集中了液晶顯示部件和觸摸屏。液晶顯示采用彩色TFT液晶，色彩支持65536色，分辨率為800×600，顯示尺寸為10.4英寸，總線讀寫速度為30MHz，單點讀寫周期短（40ns），總線接口方式為8/16位標準8080方式，支持與PLC控制器的高速系統接口。觸摸檢測部件用于檢測用戶觸摸位置，從觸摸點檢測裝置上接收到的觸摸信息轉換成觸點坐標后，送給控制器（CPU），用以傳送觸摸控制信號。TFT104模塊的觸摸屏及觸摸屏控制器為高品質工業級，分辨率高達4096點，只需5根線可與控制系統無縫鏈接，外圍接口電路簡單。采用長壽命LED背光，功耗低、顏色純正，工業級的技術特性完全適合于包裝機器人系統的工業現場應用和工作環境。

4 PLC軟件設計

PLC軟件設計采用西門子公司STEP7編程軟件，使用直觀梯形圖和語句相結合的編程方法，使用順序控制設計法和步進梯形圖進行編程，梯形圖程序編譯成功后，通過西門子PLC與上位機的通信線路，將程序代碼下載到PLC處理器中。

在本系統設備編程過程中考慮到調試、維護的需要，將工作模式設置了手動和自動兩種控制方式，糧食包裝機器人控制系統PLC軟件流程如圖3所示。

圖3 PLC程序流程框圖

自動控制功能有運行、暫停、結束、復位等4個步驟，手動功能有退、進、起、停等工作過程中的運動方式。在按鈕抬起或按下時，對系統的相關繼電器、接觸器置位或復位，實現PLC對具體機構和運行部件的前后左右位移控制。可以在觸摸屏中進行參數設定，可根據操作者的要求，隨意設定計數值、包裝數量、轉速控制等參數，并能根據所設定的參數最高什對實時監控，當實際值超過設定最高值時，系統將輸出報警顯示或聲響。對彩色液晶觸摸屏的編程主要利用GT-Designer2觸摸屏編程軟件中的交替性按鈕功能。系統軟件程序還設計有狀態監測功能，可實進監視包裝執行機構運行部件的工作狀態，如對電機堵轉、變頻器異常、包裝箱中包裝袋等情況，都能進行及時保護或發出報警提示信息。

5 結束語

系統設計完成后，進行了玉米、面粉包裝試驗，機器人操作方便，運行穩定。工程實踐和測試表明，系統軟、硬件設計達到了各項要求，有較好的推廣應用價值。糧食包裝機器人采用PLC自動控制系統，集氣壓傳動、變頻調速、傳感檢測、通信技術、人工智能等技術于一體，與傳統包裝設備相比，性能有了顯著提升和改進。在國家大力倡導技術創新的形勢下，機器人技術在糧食包裝行業的推廣應用，對于糧食加工企業降低人工成本和提高企業經濟效益有著重要的意義。

[1] 張明,等.酒箱碼垛機器人的機構設計與運動仿真分析[J].包裝工程,2013(1):83-86.

[2] 楊旭東.面粉自動包裝機PLC控制系統設計[J].山東工業技術,2013(13):26-27.

[3] 雷慧杰,等.PLC和變頻器在鋼錠自動分揀系統中的應用[J].制造業自動化,2015(2):139-141.

[4] 梁明亮,等.基于ARM微處理器的液晶觸摸屏的接口設計[J].計算機測量與控制,2011(3):691-693.