包裝生產(chǎn)線自動測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉少鵬，何文雪

(青島大學(xué) 自動化學(xué)院，山東 青島 266071 )

0 引言

隨著中國的快速發(fā)展，中國包裝行業(yè)已經(jīng)位列國民經(jīng)濟(jì)38個行業(yè)中的第14位，成為僅次于美國的全球第二大包裝大國。像物流這樣的包裝行業(yè)，在包裝加工前的邊運(yùn)輸邊測量階段，存在消耗人力多、成本高、效率低等問題[1-2]。目前，市面上常見的自動測量設(shè)備有3D照相機(jī)、三維激光測量、自動影像測量儀等，但設(shè)備開發(fā)周期長、成本昂貴，超出了中小企業(yè)購買力[3]。伴隨著現(xiàn)代通信、計(jì)算機(jī)和制造技術(shù)的快速發(fā)展以及生產(chǎn)自動化的需要，自動測量設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、價格便宜可靠、測量實(shí)時性高，高精度的檢測被提上了議事日程[4-5]。

針對以上包裝行業(yè)自動測量階段的需要，設(shè)計(jì)了一種用于包裝生產(chǎn)線自動測量系統(tǒng)的設(shè)備。該自動測量生產(chǎn)線系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于物流、家具板材等包裝行業(yè)，節(jié)省大量的人力，降低了經(jīng)濟(jì)投入，獲得了顯著的效益。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及特點(diǎn)

1.1 生產(chǎn)線的總體構(gòu)成

包裝生產(chǎn)線自動測量系統(tǒng)主要由可編程邏輯控制器(PLC)、光柵、拉繩傳感器、伺服及控制等組成。總體結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。設(shè)計(jì)使用西門子S7-1200PLC作為該生產(chǎn)線的控制器，實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的自動控制功能；采用先進(jìn)的安川伺服系統(tǒng)作為驅(qū)動單元，測量被包物體的長度，精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)；采用大行程、高精度的拉繩傳感器來測量包裝物體的寬度；通過高精度的MCM系列測量光柵來測量被包裝物體的高度。

圖1 總體結(jié)構(gòu)原理

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

基于PLC包裝生產(chǎn)線自動測量系統(tǒng)主要完成被包物體的傳輸、自動測量、測量后數(shù)據(jù)的傳輸及系統(tǒng)監(jiān)控界面的顯示。從硬件角度考慮，主要涉及控制器的選型和測量設(shè)備的選擇。

2.1 控制器的選型

本設(shè)計(jì)選用西門子旗下的一款PLC控制器S7-1200，其型號為PLC1214C，具有通訊模塊集成工藝和大容量的儲存器[6]，通訊RJ45連接器提供10/100 Mbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率，兩個100 kHz的高速脈沖輸出，2 MB的集成裝載內(nèi)存和2 kB的掉電保持內(nèi)存。

2.2 測量設(shè)備的選擇

以CPU S7-1200為核心的包裝生產(chǎn)線自動測量系統(tǒng)主要分為測長單元、測寬單元、測高單元、通信單元。所有的單元都由總控單元集中控制。

測長單元由Σ-7系列SGD7S-120A00A002的安川旋轉(zhuǎn)型伺服電機(jī)、24位多圈絕對編碼器(分辨率為16 777 216)、滾筒(周長為104π)、電子齒輪比(1∶1)和編碼器分頻脈沖數(shù)230 pulse/rev、皮帶等組成[7]。脈沖發(fā)生器PTO(脈沖A和方向B)發(fā)出100 kHz脈沖輸出信號控制被包裝物體運(yùn)輸?shù)酱龣z測地點(diǎn)，編碼器分頻脈沖A相輸出接33 與34針腳。

測寬單元由MPS拉繩式位移傳感器、電動機(jī)、擋板等組成。信號輸出類型為電壓輸出，模擬信號范圍為0～10 V，輸出型，先將輸出型位移式傳感器接到西門子PLC1200的模擬輸入AI1端，電源串聯(lián)MPS拉繩傳感器一端接電源正極 (24 V直流電)，另一端接負(fù)電源(0 V)。

測高單元運(yùn)用平行光束IQQAI 輸出為型號的MCM系列測量光柵(左發(fā)光器、右受光器)，光柵的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，輸出精度為0.004 mA，每一束光最小間隔0.064 mA。受光器中觸發(fā)信號Q串聯(lián)繼電器KM1，一端連接通過光柵連接到+24 V直流電，另一端連接發(fā)光器同步CP+線并連接到-24 V直流電，作為判斷被包物體到位及離開的標(biāo)志。

1—測量光柵上端蓋；2—測量光柵濾光片；3—測量光柵外殼；4—測量光柵指示燈；5—測量光柵下端蓋；6—MCM 連接線；7—MCM 信號線纜。圖2 光柵結(jié)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)控制過程的設(shè)計(jì)思路

PLC1200通過脈沖輸出PTO將脈沖指令發(fā)送給伺服控制器，伺服控制器控制電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，物體到達(dá)Q輸出觸發(fā)信號時，多圈絕對編碼器發(fā)出脈沖信號，此信號反饋給PLC。通過高速計(jì)數(shù)器HSC記錄絕對編碼器反饋脈沖數(shù)A(單位為pulse/rev)，儲存在輸入過程映像區(qū)內(nèi)，在程序中直接訪問外設(shè)地址ID1000。被測物體離開觸發(fā)位置，繼電器斷開。根據(jù)相對應(yīng)的計(jì)算，可以準(zhǔn)確測量被包物體的長度。

根據(jù)電機(jī)軸和負(fù)載側(cè)機(jī)器減速比，電子齒輪比的表達(dá)式為

(1)

電機(jī)轉(zhuǎn)一圈與皮帶走的路程LA關(guān)系滿足

(2)

皮帶走的路程LA與被包裝物體的長度LB關(guān)系滿足

(3)

式中：B為編碼器分辨率；Pn20E為電子齒輪比的分子 ；Pn210為電子齒輪比的分母；M為電機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)；N為負(fù)載軸旋轉(zhuǎn)圈數(shù)；104π為滾筒的周長；F為負(fù)載軸旋轉(zhuǎn)1圈的移動量；E為編碼器的分辨率。

被包物體隨著皮帶運(yùn)動觸碰前面擋板的同時，電機(jī)推動拉繩式位移傳感器，將被測物體的尺寸信息轉(zhuǎn)換為模擬量的形式。拉繩傳感器量程為0～40000 mm，模擬量電壓輸出為0～10 V，滿足PLC AI1端口模擬量檢測范圍。

根據(jù)物體的寬度與模擬數(shù)字信號成正比例關(guān)系，物體的寬度表達(dá)式：

(4)

式中：WA為傳感器總量程；WB為被測物體的模擬數(shù)字值；WC為PLC模擬量輸入端口總值。

被包物體隨皮帶運(yùn)動觸發(fā)MCM光柵Q輸出信號時，光柵檢測被測物體的尺寸位置等信息將其轉(zhuǎn)換為模擬量或數(shù)據(jù)總線形式，光柵檢測仿真如圖3所示。光柵的量程為0～237.5 mm，MCM光柵電流輸出AI的輸出范圍為4～20 mA，設(shè)計(jì)中在電流輸出AI0端串聯(lián)1個500 Ω電阻，電壓范圍為500×4 mA～500×20 mA=2～10 V，使其滿足PLC模擬輸入通道0～10 V電壓值。

AI0通道的數(shù)值(0～27 648)轉(zhuǎn)換成光柵傳感器量程對應(yīng)的數(shù)值關(guān)系滿足：

(5)

根據(jù)物體的高度值與模擬數(shù)字信號成正比例關(guān)系，物體的高度H表達(dá)式：

(6)

其中：HA為物體進(jìn)入光柵的模擬信號值；HC為光柵的量程；HB為光柵初始模擬信號值。

圖3 光柵檢測仿真

3.2 PLC1200與PLC1500之間的通信

控制系統(tǒng)采用TCP通信方式進(jìn)行通信，可以降低大量的成本，不僅可以在程序中做簡單的更改和設(shè)計(jì)，而且數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時性高。該生產(chǎn)線的控制器S7-1200PLC是在西門子TIA portal(博圖)軟件下進(jìn)行程序的編寫、編譯與組態(tài)的，這是西門子最新的全集成自動化編程軟件平臺，也是全集成工程的組態(tài)、軟件項(xiàng)目開發(fā)環(huán)境和仿真操作于一體的軟件平臺[8]。

利用開放式用戶TCP通信首先要建立S7-1200PLC與S7-1500PLC之間的組態(tài)連接，如圖4所示。在TIA Portal(博圖)軟件下，調(diào)用TSEND_C指令塊和TRCV_C指令塊。其中，TSEND_C指令塊是建立連接并發(fā)送數(shù)據(jù)的，通過DATA指向發(fā)送區(qū)的指針來發(fā)送數(shù)據(jù)的地址和長度。TRCV_C指令塊是建立連接并接收數(shù)據(jù)的，通過DATA指向接收區(qū)的指針來接收數(shù)據(jù)。此控制系統(tǒng)生產(chǎn)線將S7-1200PLC作為主站，S7-1500PLC作為從站來實(shí)現(xiàn)這兩個PLC之間的通信連接。TSEND_C指令塊如圖5所示， TRCV_C指令塊如圖6所示。

圖4 PLC1200與PLC1500組態(tài)

圖5 TSEND_C指令

圖6 TRCV_C指令

3.3 WinCC RT Professional 組態(tài)畫面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用西門子公司SIMATIC PC station中組態(tài)的WinCC RT Professional軟件[9]來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控畫面。HIM觸摸屏設(shè)計(jì)界面如圖7所示，測量機(jī)構(gòu)校正界面是對整個系統(tǒng)工作狀態(tài)加以監(jiān)控的。

合上電源開關(guān)，按下啟動按鈕，包裝生產(chǎn)線自動測量系統(tǒng)接通運(yùn)行，PLC控制單元和觸摸屏自動啟動，進(jìn)入測量機(jī)構(gòu)校正界面。

圖7 測量機(jī)構(gòu)校正

4 結(jié)語

包裝生產(chǎn)線自動測量系統(tǒng)是基于PLC1200為核心的自動化設(shè)備，通過測量觸摸屏，可簡潔、方便地設(shè)定相關(guān)參數(shù)，而且設(shè)備可以測量不同種類物體的精確尺寸，應(yīng)用較為廣泛。本設(shè)計(jì)的樣機(jī)在安裝調(diào)試和試驗(yàn)過程中，無論是PLC控制安川伺服單元，還是測量設(shè)備裝置和上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互，都能夠按照預(yù)想的工藝流程工作[10]。設(shè)備投入生產(chǎn)使用后，測量結(jié)果與手工測量一致，運(yùn)行穩(wěn)定，測量誤差為1～2 mm，測量后的數(shù)據(jù)輸入加工設(shè)備，生產(chǎn)的紙箱包裝效果良好。該設(shè)備在維持二個月實(shí)際生產(chǎn)過程中，測量及傳輸數(shù)據(jù)實(shí)時性高，能夠保證所要求的生產(chǎn)效率，減少了大量的人工投入，降低了成本，其經(jīng)濟(jì)效益顯著。