水果自動包裝機控制系統(tǒng)設(shè)計

夏文明，沈海青，張偉，林龍，揭曉

1. 臺州科技職業(yè)學院（臺州 318020）；2. 臺州太啟智能設(shè)備有限公司（臺州 318020）

隨著我國農(nóng)業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，水果產(chǎn)量也與日俱增。我國作為水果生產(chǎn)大國，國內(nèi)對水果的需求非常大，隨著生活水平的逐漸提高，消費者對于水果的品質(zhì)要求也越來越高，包裝美觀度、品質(zhì)安全的果蔬也日益受到消費者的青睞[1-4]。傳統(tǒng)的水果包裝機智能程度低、穩(wěn)定性差，不能實現(xiàn)水果多樣性包裝的需求。為提高水果的包裝質(zhì)量和包裝速度，企業(yè)亟須種自動化程度高、穩(wěn)定性可靠的水果包裝機[5]。

水果自動包裝機主要由3個伺服電機進行傳動，能夠自動的完成水果的傳送、填充、封口、袋體切斷等動作[6]。水果包裝機控制系統(tǒng)主要經(jīng)歷鏈條傳動、變頻傳動及多伺服同步傳動3個發(fā)展階段。水果包裝機控制系統(tǒng)作為包裝機的核心部分，包裝機的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度對于提升包裝效率和包裝質(zhì)量至關(guān)重要[7-9]。可編程控制器屬于工業(yè)可編程控制器，具有較高的穩(wěn)定性，能夠根據(jù)包裝機的具體要求實現(xiàn)程序的可編程性，對于后期包裝機工藝流程的升級換代提供保證[10-11]。

以水果包裝機作為研究對象，在設(shè)計控制系統(tǒng)時秉持包裝機的穩(wěn)定性、高速性、程序可移植性等設(shè)計思想，設(shè)計一款基于歐姆龍PLC為核心的水果自動包裝機控制系統(tǒng)。以歐姆龍運動控制模塊實現(xiàn)伺服電機的脈沖自動反饋控制，以提高包裝精度，結(jié)合先進的傳感器跟蹤控制技術(shù)實現(xiàn)包裝機的智能自動控制。通過威綸通觸摸屏實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的有效監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集。該控制系統(tǒng)可以顯著提高水果包裝機的穩(wěn)定性、可靠性，可以有效提高水果包裝企業(yè)的生產(chǎn)效率。

1 水果包裝機結(jié)構(gòu)和工藝流程

1.1 包裝機結(jié)構(gòu)

水果包裝機機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。該包裝機主要由送料裝置、包裝膜、送膜機構(gòu)、控制系統(tǒng)、撫平裝置、橫封切刀等機構(gòu)組成。水果送料裝置主要由伺服傳送、鏈條、物料撥叉等機構(gòu)組成，通過上述機構(gòu)實現(xiàn)水果的傳送，并將水果傳送到成型器中。薄膜傳送主要完成包裝薄膜的傳送，薄膜在傳送過程中由橫封軸牽引薄膜不斷向前移動。制袋成型器是將塑料復合膜制成袋裝，將水果包裝在袋體中。縱封裝置是將成型器制成的袋體進行縱向熱封，并將塑料薄膜牽引向前移動。撫平裝置對縱向熱封過的塑料復合膜進行表面的整理以及對水果物料的向前推進起到助力作用。

圖1 包裝機結(jié)構(gòu)

1.2 包裝工藝流程

水果包裝機是通過控制器的控制邏輯依次完成塑料薄膜制袋、填充、送膜、縱封、撫平、橫封、切割等工序。

水果自動包裝機的各個軸均是同步運行，通過色標傳感器對薄膜袋體進行檢測，實現(xiàn)塑料薄膜長度的跟蹤控制。水果進入袋體后由縱向封口實現(xiàn)熱封，撫平裝置實現(xiàn)袋體整體撫平，而橫封切刀則由伺服電機實現(xiàn)電子凸輪控制，電子凸輪控制能夠完全替代機械凸輪。包裝工藝流程如圖2所示。

圖2 包裝工藝流程

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

伺服枕式包裝機中，總驅(qū)動源為單個伺服電機，通過伺服驅(qū)動器實現(xiàn)不同軸的速度控制。其中，一個伺服驅(qū)動器控制送膜電機，另一個伺服驅(qū)動器控制切刀電機。伺服水果包裝機控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)構(gòu)成

水果包裝機通過伺服驅(qū)動器實現(xiàn)包裝的多軸自動同步控制，通過PLC脈沖輸出端口發(fā)出脈沖以及脈沖頻率實現(xiàn)電機的定位控制和轉(zhuǎn)速控制。

控制系統(tǒng)采用PLC+三伺服的模式和架構(gòu)。PLC輸出精確脈沖分別控制三伺服電機，通過減速器實現(xiàn)送膜驅(qū)動軸、送料驅(qū)動軸和橫封橫切驅(qū)動軸的運轉(zhuǎn)。尤其在橫封橫切機構(gòu)處，伺服電子軸經(jīng)RV減速器直接驅(qū)動橫封切刀運轉(zhuǎn)，電子軸輸出速度在一個運轉(zhuǎn)周期內(nèi)按曲線規(guī)律變化，利用電子凸輪技術(shù)完全替代機械凸輪結(jié)構(gòu)，簡化機械結(jié)構(gòu)的同時提高包裝精度。

為實現(xiàn)包裝機的穩(wěn)定控制，并控制包裝機的控制硬件成本，采用PLC作為控制器的核心，選擇歐姆龍公司的CP系列PLC，綜合包裝機工藝流程統(tǒng)計包裝機的控制點數(shù)，選擇CP1H-XA作為控制系統(tǒng)的核心，該款PLC擁有20 K的程序存儲量和16 K數(shù)據(jù)存儲。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及程序的可變成型、可讀性，對水果包裝機程序進行模塊化設(shè)計。模塊化編程是將工藝流程進行劃分，將特定的獨立的功能作為一個整體進行編程，該塊程序擁有輸入和輸出接口，通過輸入和輸出接口實現(xiàn)與其他工藝模塊程序的連接。模塊化編程擁有許多優(yōu)點，模塊化程序易于實現(xiàn)功能的通用性，能夠?qū)崿F(xiàn)程序的獨立分布，可有效提高程序的管理，同時利于程序的可讀性。

設(shè)計的程序主要包括的模塊有：開停機程序塊、伺服電機循環(huán)程序塊、多軸同步控制程序塊、多傳感器融合控制程序塊、溫度PID控制程序塊、參數(shù)設(shè)定程序塊以及故障檢測程序塊。對于軟件編程采用歐姆龍PLC專用的CX-Programmer編程軟件進行程序設(shè)計，該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)用戶程序的建立、設(shè)計、錯誤檢查以及仿真運行、監(jiān)控，極大方便了程序編寫的靈活性。圖4為水果自動包裝機 PLC總體程序流程圖。

圖4 總體程序流程

為提高水果包裝機控制系統(tǒng)操作的可視性、提高操作效率、實現(xiàn)包裝機的有效監(jiān)控，設(shè)計對包裝機控制系統(tǒng)的上位機觸摸屏進行軟件設(shè)計，操作畫面主要包括初始畫面、主控畫面、手動操作畫面以及報警操作畫面，其中部分畫面如圖5所示。其中初始畫面中可以進行語言設(shè)定，主要包括中文以及英文兩種主要操作語言切換。主控畫面中的參數(shù)設(shè)置畫面可以對包裝袋體長度、包裝速度、橫封溫度以及縱封溫度進行初始賦值，報警畫面能夠?qū)Πb機運行中出現(xiàn)的多種故障狀態(tài)進行顯示。

4 試驗分析

為驗證該控制系統(tǒng)在水果包裝精度中的有效性，進行相關(guān)試驗分析。包裝精度是指設(shè)定的目標長度和實際長度之間的差值大小，若差值小則說明精度高，若差值大則說明精度低。

設(shè)定包裝長度100，150，200，250和300 mm，分別測量其包裝速度由每分鐘20包增加到每分鐘40包的過程中實際包裝長度。包裝誤差分布如圖6所示。

由圖6可知，包裝長度和包裝速度在一定范圍內(nèi)變化時，可將包裝誤差控制在±1 mm以內(nèi)，與傳統(tǒng)的機械凸輪式枕式包裝機相比包裝精度大幅提高。

圖6 包裝誤差折線圖

5 結(jié)語

以水果包裝機為研究對象，為解決傳統(tǒng)水果包裝機包裝精度差、自動化程度低、操作可視性弱等缺陷，設(shè)計一種穩(wěn)定性高的水果包裝機PLC和觸摸屏相結(jié)合的控制系統(tǒng)。在包裝機工藝流程的基礎(chǔ)上，設(shè)計控制系統(tǒng)硬件，通過PLC實現(xiàn)多伺服電機的同步運動控制，并設(shè)計控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、故障監(jiān)控、等人機操作界面，實現(xiàn)控制系統(tǒng)方便操作以及可視化控制。結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)包裝誤差能夠穩(wěn)定在±1 mm以內(nèi)，大幅提高水果的包裝精度。該控制系統(tǒng)能夠有效提高包裝機的穩(wěn)定性，對于提升企業(yè)的生產(chǎn)效率具有積極作用。