基于TIA Portal的多功能茶葉包裝機控制系統設計

豐會萍

胡亞南1

閆琛鈺2

李明輝2，3

(1. 西京學院，陜西 西安 710021；2. 陜西科技大學，陜西 西安 710021；3. 陜西西微測控工程有限公司，陜西 咸陽 712000)

基于TIA Portal的多功能茶葉包裝機控制系統設計

豐會萍1

胡亞南1

閆琛鈺2

李明輝2，3

(1. 西京學院，陜西 西安 710021；2. 陜西科技大學，陜西 西安 710021；3. 陜西西微測控工程有限公司，陜西 咸陽 712000)

針對多功能茶葉包裝機存在包裝封口不嚴、外觀褶皺、材料燒穿等包裝質量問題，采用西門子S7-1200 CPU和TIA Portal開發茶葉包裝機的控制系統，設計基于模糊PID的包裝機熱封溫度控制方案。介紹了多功能茶葉包裝機工作原理、控制系統硬件選型和通訊網絡配置，并在TIA Portal V13環境下進行包裝機控制系統硬件組態和利用OPC技術實現模糊PID控制算法，完成控制系的人機交互界面設計。該系統溫度控制波動為±1.8 ℃，精度在1.5%以內，包裝袋封口強度達標、外觀平整。應用表明，該多功能茶葉包裝機系統運行穩定、成品率高。

TIA Portal；茶葉包裝機；S7-1200；溫度控制；模糊PID；OPC

隨著社會發展和國民經濟指數的提升，品茶人數逐漸增高，茶葉需求量不斷攀升，并且小克重、精品化、多樣化包裝成為茶葉生產行業的主流趨勢。因此，提高茶葉包裝質量和包裝效率尤為重要。多功能茶葉包裝機是在一臺包裝設備上能夠完成多個以上的茶葉包裝工序的設備，其能夠同時實現茶葉包裝過程中制袋、稱量、充填、封口和切斷的工序[1-2]。包裝封口是茶葉包裝過程核心工段之一，封口質量將影響茶葉的包裝質量、儲存時間、銷售狀況。由于熱封裝置溫度的升/降速率大和熱量傳遞慣性大的特性，加之外界干擾因素和執行器電壓波動影響，使溫度控制系統具有非線性和時滯性，利用傳統PID控制經常出現包裝材料燒穿和過度收縮、物料泄露、封口不嚴、封口不牢固的現象，降低了茶葉包裝效率和包裝成品的合格率[3]。TIA Portal是西門子推出的全集成的工業自動化軟件，可以完成高效靈活的項目組態、網絡搭建、程序編寫、在線診斷、遠程操作及故障報警，其與傳統的WinCC+Step7方法相比無需花費大量時間完成軟件集成，明顯節約時間，提高工作效率，是未來工業自動化的發展方向[4]。為解決上述問題，本研究構建由S7-1200PLC、PC Station、TCP7062Ti觸摸屏的TIA Portal的多功能茶葉包裝機控制系統，設計模糊PID包裝機熱封裝置溫度控制程序，以期提高茶葉包裝機的自動化程度和包裝質量。

1 多功能茶葉包裝機結構設計及工作原理

多功能茶葉包裝機結構見圖1，主要包括橫封裝置、包材送料裝置、縱封裝置、翻領成型器、包裝薄膜、稱重裝置及定位裝置等[5]。本研究對多功能茶葉包裝機進行以下幾方面優化改進：① 將橫封裝置與切斷機構組合在一起，既可以減小整機尺寸也能縮短工作周期；② 橫封裝置使用獨立電機驅動，縱封裝置運用氣缸驅動，便于協調和控制各執行機構間的速度保持一致或匹配，避免因速度不匹配而造成封口褶皺的問題，還能簡化傳動鏈、減小設計的復雜性和制造成本；③ 導料器下方增設導料管至橫封裝置上方約30 mm處，降低粉塵揚起污染封口部位的程度。

包裝材料被包材供送裝置經自動糾偏裝置調整后送達成型器，包裝材料被翻領成型器成型卷成筒狀后，包裝機縱封裝置以設定的溫度對包裝材料進行燙邊封口，在此之前橫封裝置已經完成上一個包裝袋的頂封和下一個包裝袋的底封，與此同時，稱重機構已完成產品稱重并將物料填充至包裝材料內[6-7]。包裝材料在牽引裝置的作用下繼續向下運動到達橫封裝置位置，橫封裝置完成包裝袋頂封和切斷工作，然后進行產品包裝的質量檢測，剔除次品，輸送出合格產品。其中，產品的填充及包裝袋橫封、切斷位置的確定由色標進行定位。

1. 橫封裝置 2. 包材送料裝置 3. 縱封裝置 4. 翻領成型器 5. 包裝薄膜 6. 導輥 7. 卷筒包裝材料

2 多功能茶葉包裝機控制系統硬件系統設計

多功能茶葉包裝機的控制系統設計主要包括兩方面：硬件選型和軟件設計。整個控制系統中，設備的檢測裝置、執行機構數量較多，彼此之間還存在一定的相互影響，對控制系統性能要求較高[8]。

根據多功能茶葉包裝機工藝流程分析和項目控制要求，控制點分為：DI(數字量輸入信號)、DO(數字量輸出信號)、AI(模擬量輸入信號)、AO(模擬量輸出信號)，具體控制信號內容見表1。

2.2 控制系統硬件選型

(1) 根據上述多功能茶葉包裝機I/O統計，選擇西門子S7-1200系列的CPU1214C為控制器，其具有很快的處理速度，單條基本指令處理時間約為0.1 μs，同時自帶Profinet網絡接口[9]。控制模塊選擇：數字量輸入模塊SM1221(6ES7221-1BF32-0XB0)、數字量輸出模塊SM1222(6ES7222-1BH32-0XB0)、模擬量輸入模塊SM1231(6ES721231-4HF32-0XB0)、模擬量輸出模塊SM1232(6ES7232- 4HD32-0XB0)，多功能茶葉包裝機控制系統硬件組態見圖2。

表1 多功能茶葉包裝機I/O統計表

(2) 觸摸屏選用昆侖通泰TPC7062Ti，屏幕尺寸為190.5 mm，分辨率800×480。通過觸摸屏可以實現人機交互，在觸摸屏上能夠進行參數值調整、控制對象監控、手/自動切換命令。

(3) 傳感器選擇。重力傳感器選用日本MTO品牌，型號：LRS-50，檢測范圍0～100 g，該重量傳感器檢測靈敏，適合茶葉的小包稱量；溫度傳感器選用ESMU型鉑熱電阻，檢測范圍0～200 ℃，檢測精度0.1 ℃。

(4) 執行器選擇。加熱管選用Cr20Ni80型號鎳鉻加熱絲，電磁閥型號TM51-1HP，電機采用伺服電機。

本控制系統基于TIA Protal V13平臺，在完成工程項目創建后，選擇“設備和網絡”→“組態設備”→“添加新設備”，然后根據設備訂貨號在選項列表中所需模塊，如：PS模塊、CPU模塊、SM模塊等[10-11]。

圖2 多功能茶葉包裝機控制系統硬件組態圖

Figure 2 Hardware configuration diagram of control system of multi-functional tea packing machine

2.3 網絡組態

文獻[5]中詳細分析推導證明了蓄電池回跳電壓Ut決定于開路電壓的大小,而開路電壓與蓄電池剩余容量存在著比較固定的關系[6]。由此,蓄電池的回跳電壓與剩余容量之間關系緊密。并且鑒于其易于檢測獲取,回跳電壓在SOC預測中顯示出的實效性顯而易見。而且在估測電池SOC中也需要考慮溫度、充放電倍率、循環壽命等這些因素的影響。

單擊TIA Protal V13界面的“網絡視圖”進入網絡連接界面，在“連接”菜單→“S7連接”→“PLC-1200的Ethernet端口”，拖拉“PC Station”至OPC Server完成PLC-1200與PC Station的網絡連接。與TIA Protal V13的網絡組態相比WinCC+Step7的優勢在于以可視化的圖像完成PLC、PC、HIM、驅動器的連接[12-13]。這樣可以簡化控制系統的設計并提高設計效率。多功能茶葉包裝機控制系統網絡組態圖見圖3。

圖3 多功能茶葉包裝機控制系統網絡組態圖

Figure 3 Network configuration drawing of control system of multi-functional tea packing machine

3 多功能茶葉包裝機控制系統軟件系統設計

3.1 多功能包裝機主程序流程

該多功能包裝機根據茶葉包裝工序，實現茶葉包裝過程中制袋、稱量、充填、封口和切斷的工序與運行狀態監控、異常狀態中斷及報警功能。程序按照模塊化思路設計，主要分為主程序、子程序及中斷程序。程序運行時，首先執行初始化程序段，然后進入主程序段判斷包裝機運行的手/自動狀態位，若是自動運行狀態，則主程序調用包材縱封送料子程序、縱封加熱子程序、送料子程序，PLC實時掃描采集包材位置信號和縱封溫度信號，當滿足包裝袋縱封條件后，控制器啟動縱封電磁閥完成縱封工作。當完成縱封工作后主程序調用橫封加熱子程序、包材橫封供送子程序，PLC實時掃描采集包材位置信號、橫封溫度信號、稱重傳感器信號，當3個信號都滿足橫封要求時，橫封電機啟動，進行橫封工作和切斷工作，茶葉包裝過程完成。多功能茶葉包裝機控制流程圖見圖4。

圖4 多功能茶葉包裝機控制流程圖

3.2 模糊PID熱封溫度控制算法的實現

包裝封口是利用加熱封頭將包裝材料加熱熔化成熔融狀態，在熱封裝置的外在壓力作用下黏結為一體，冷卻后具有一定黏合強度，主要因素包括熱封溫度、熱封壓力及熱封時間。模糊控制算法要對輸入信號進行模糊化處理、模糊推理和輸出信號的反模糊化處理[14-15]。如果直接在TIA Protal V13的Step7中進行編程，進行在線整定PID的3個參數，程序所占內存較大且很難實現，影響控制系統的運行速度[16]。采用OPC技術，以WinCC OPC為Server，Matlab OPC為Client，通過OPC進行數據交換，實現控制算法的應用(見圖5)。以多功能茶葉包裝機模糊PID橫封溫度控制算法的實現為例，步驟如下：

(1) 將TIA Protal V13的WinCC設為OPC Server，通過SIMATIC OPC Scout 建立Items，同時設置相關參數。

圖5 控制算法實現

(2) 在Simulink中調用OPC Toolbox，分別添加1個OPC Configuration、2個OPC Read、3個OPC Write模塊。2個OPC Read連接WinCC中變量TT3031_SP(橫封溫度設定值)和TT3031_PV(橫封溫度采樣值)用3個OPC Write連接WinCC中變量KP201_LMN(比例參數)、KI201_LMN(微分參數)、KD201_LMN(積分參數)，設置模式Synchronous，采樣時間0.5 s。

(3) 建立Fuzzy/Logic Controller，并進行調用。

3.3 HIM界面設計

多功能茶葉包裝機HIM界面的設計采用TIA Portal中的WinCC，其工具箱中包含的基本對象、控件、圖形、元素，可以靈活拖動到HIM界面，在TIA Portal中還可以開發報警界面、參數設置界面、參數歷史曲線[17]。如圖6所示，在TIA Portal V13軟件開發的包裝機生產監測畫面可以設定稱重質量、包裝速度、橫封溫度和縱封溫度，實現多功能包裝機自動化生產。

圖6 多功能包裝機生產監測界面

本研究所述的基于TIA Portal多功能包裝機控制系統是與陜西西微測控工程有限公司合作開發，已經成功地應用到河南信陽某茶葉加工企業的包裝機控制系統。結合OPC技術完成WinCC與MATLAB的通訊，實現多功能包裝機模糊PID熱封裝置溫度控制算法的應用。

該企業以信陽毛尖茶葉為主打產品，現以小包裝進行現場測試，連續生產24 h進行橫封效果測試。要求：袋長70 mm、袋寬55 mm、克重10 g、包裝速度100袋/min。如圖7所示將橫封溫度設定為135 ℃，從溫度趨勢曲線中可以看出，溫度波動幅度較小，能夠控制在±1.8 ℃，溫度控制精度在1.5%以內，避免了因溫度過高而造成包裝薄膜燒穿，或因溫度過低而無法滿足封口要求，實際應用效果良好。

圖7 包裝機橫封溫度歷史曲線

4 結論

基于TIA Portal V13平臺和S7-1200 CPU控制器實現多功能茶葉包裝機動態實時監控和控制，利用TIA Portal可快速、直觀地開發和調試優勢，解決包裝封口不嚴、外觀褶皺、材料燒穿等包裝質量問題，結合OPC技術完成WinCC與MATLAB的通訊，實現模糊PID的包裝機熱封溫度控制算法的應用，實時調節PID的3個參數，提高溫度系統的精確度和穩定性，應用表明，該多功能茶葉包裝機系統運行穩定、成品率高。具有一定的應用價值。

[1] 韓占華, 郭飛. 自動化在包裝機機械中的應用和展望[J]. 食品與機械, 2011, 29(3): 49-52.

[2] 馬曉宇. 自動包裝機熱封溫度自適應控制系統設計[J]. 包裝工程, 2016, 37(21): 173-178.

[3] 李光樂. FFS包裝機伺服電子定量稱重系統[J]. 食品與機械, 2013, 29(4): 118-120.

[4] 王大鵬, 王濤, 蘇孝國. 基于TIA Portal 環境的S7-1200的OPC通訊[J]. HIM與工控軟件, 2014(9): 97-101.

[5] 劉海生, 張俊, 李菡, 等. 全自動立式顆粒包裝機傳動系統及橫封機構的改進及仿真[J]. 食品與機械, 2015, 31(4): 94-96.

[6] 史建華. 基于PLC的自動顆粒包裝機熱封控制系統[J]. 飼料工業, 2012, 33(9): 9-10.

[7] 康瑞芳, 劉鑫. 基于DSP全自動食品包裝機控制系統設計[J]. 控制工程, 2017, 24(2): 336-340.

[8] 孟凡資. 西門子PLC和組態軟件在溫度控制系統中的應用[J]. 工業控制計算機, 2014(4): 158-160.

[9] 王超, 孫萬麟. 基于博途軟件的PLC電梯監控系統設計[J]. 實驗室研究與探索, 2016, 35(4): 74-77.

[10] 邵忠良. 基于PLC的FFS包裝機移動平臺設計及控制系統實現[J]. 食品與機械, 2013, 29(3): 157-160.

[11] 李艷, 張曉婕. 基于TIA Portal 環境下的小型汽輪機控制系統的設計[J]. 紙和造紙, 2015(8): 9-11.

[12] 李宏宇, 張慶廣, 王云龍. S7-1200基于Modbus通訊協議的數據采集及遠程傳送應用[J]. 黑龍江冶金, 2014, 34(4): 31-32.

[13] 張克非, 蔣濤, 邵龍. 基于新型模糊PID控制單元的LD精密溫度控制[J]. 光學精密工程, 2017, 25(3): 648-655.

[14] 夏爽, 李麗宏. 基于PSO-RBF神經網絡在溫室溫度預測中的應用[J]. 計算機工程與設計, 2017, 38(3): 744-748.

[15] LI Xin-guo, ZHENG Zeng-lang. The application of PLC in the automatic packing machine control system[J]. Advanced Materials Research, 2012(3): 48-50.

[16] 薛雷, 孫以澤, 李培興. 基于模糊 PID 的褲襪包裝機熱封切刀溫度控制的研究[J]. 包裝工程, 2013, 34(3): 16-21.

[17] 潘玉成, 林高飛, 陳小麗. 基于模糊專家控制的茶葉炒制溫度控制系統[J]. 食品與機械, 2016, 32(11): 79-84.

Design of control system for multi-functional tea packaging machine based on TIA portal

FENGHui-ping1

HUYa-nan1

YANChen-yu2

LIMing-hui2,3

(1.XijingUniversity,Xi’an,Shaanxi710021,China; 2.ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,Shaanxi710021,China; 3.ShaanxiXiweiAotumationControlEngineeringLimited,Xianyang,Shaanxi712000,China)

The multi-functional tea packing machine has the problems of poor packing, appearance folding and material burning and so on. The control system of tea packaging machine based on SIEMENS S7-1200 CPU and TIA Portal is developed. A seal temperature control system of multi-function packaging machine based on Fuzzy-PID control algorithm is designed. Firstly, the working principle, hardware selection and communication network configuration of multi-functional tea packing machine are introduced. Secondly, complete the hardware configuration of the packaging machine control system in the TIA Portal V13 environment and Fuzzy- PID control algorithm is implemented based on OPC technology. Finally, the man-machine interface design of the control system is completed. Field operation shows that the temperature control deviation is ±1.8 ℃ and the accuracy is less than 1.5%. The application shows that the multifunctional tea packing machine system runs stably and has high rate of finished products.

TIA portal; tea packing machine; S7-1200; temperature control; fuzzy-PID; OPC

西京學院科研基金項目(編號：XJ160231)

豐會萍，女，西京學院講師，碩士。

胡亞南(1986—)，男，西京學院講師，碩士。 E-mail：2664961273@qq.com

2017—04—06

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.07.019