基于PLC的枕式包裝機速度控制系統設計

李松濤，吳素珍

（1.許昌電氣職業學院，許昌 461000；2.河南工程學院，鄭州 450000）

0 引言

當前市場包裝形式多樣，自動分裝包裝的工作模式，得到包裝行業的重點關注，但大部分機械操作不能滿足標準要求，包裝材料運行速度不穩定，食品包裝存在漏氣和褶皺，因此，設計包裝機械速度控制系統，控制食品包裝速度恒定，保證封邊整齊，具有重要意義[1]。

文獻[2]注重機械性能的柔軟性，采用螺桿下料的物料充填方式，設計伺服馬達驅動的包裝機械，利用光電感應技術，形成機械速度和包裝工藝的配套體系，配備有可調速驅動馬達，恒定包裝速度在100包/min，但該系統制定的基礎元器件可靠性標準，未達到正常要求，導致食品包裝偏移量較大。文獻[3]將自動化程序，應用在包裝控制系統中，融合激光掃描技術、納米技術、機電一體化，把上位機、儀表、設備集機、觸摸屏控制在一體，配備防靜電裝置和光電傳感器，實時采集包裝機械數據，人機交互包裝速度，但該方法輸送包裝材料時，轉動慣量變化較大，袋膜偏移量同樣較大。針對這一問題，結合以上理論，設計基于PLC的負壓式生鮮食品包裝機械速度控制系統設計。

1 基于PLC的負壓式生鮮食品包裝機械速度控制系統設計

1.1 系統硬件設計

1.1.1 設計控制系統結構框架

選擇PLC控制器、加速機、減速機和伺服電機等，作為系統硬件設備，設計系統結構框架。硬件配置如圖1所示。

圖1 控制系統硬件配置

編碼器型號選擇R266S型，通過內存與總線，讀取傳感器采集數據，匹配支持度高的電脈沖，將轉速信號、袋膜位置信號等，轉化為PLC控制器對應的脈沖信號[4]。根據PLC控制器的邏輯關系，自動循環檢測PLC輸入/輸出點狀態，不斷更新包裝速度的采樣頻率，把包裝機械運行狀態，實時反映在觸摸顯示屏上[5]。配套使用電機和驅動器，選擇110型三相電機和TD-268A8H型驅動器，通過伺服驅動器控制電機啟停，利用撥位開關的1～5位，設定電機的運行步數，利用7～10位，設定交流供電的最大輸出電流[6]。至此完成控制系統結構框架的設計。

1.1.2 設計PLC速度控制器

定義PLC速度控制器端口，優化輸入/輸出電路，輸出包裝速度控制指令。PLC控制器選擇FX2N-32M型號，該PLC控制器具有速度模擬量輸入模塊，定義輸入/輸出點，控制并反饋包裝速度，具體如表1所示。

表1 PLC控制器輸入/輸出端口定義

優化PLC輸入/輸出電路，利用輸入電路，對采集信號進行濾波處理，把采集數據傳遞給PLC控制器的輸出點，放大輸出信號功率，帶動包裝機械的工控元件[7]。優化電路如圖2所示。

圖2 PLC控制器輸入/輸出電路

將袋膜位置檢測、拉膜送膜速度、下料轉盤速度、橫封縱封速度，作為輸入信號，PLC控制器對輸入信號進行分析[8]。然后以輸出信號的形式，把包裝速度這一工作命令，傳遞給包裝機械的執行機構，完成速度控制指令要求[9]。至此完成PLC速度控制器的設計，實現系統硬件設計。

1.2 系統軟件設計

將硬件框架中的送膜軸，作為包裝材料的運行主軸，計算包裝速度控制參數。由三相電機速度控制器的減速比，計算輸送袋膜所需的最大轉速H，公式為：

其中a為生鮮食品包裝袋長，L為包裝機械最大生產率，g為袋膜打滑補償系數，d為輸送袋膜的輥輪周長[10]。匹配送膜軸與電機軸的轉動慣量，得到包裝機械的動能表達式E：

式(2)中，s1、s2分別為電機軸、送膜軸的轉動慣量，w為伺服電機轉速[11]。由此可得s1、s2的滿足公式為：

B為慣量比參數。根據輥輪與袋膜卷之間的剛性傳動比，估算袋膜包裝的整體傳動比k，公式為：

其中r1、r2分別為輸送輥輪半徑、袋膜卷半徑[12]。計算送膜軸轉動慣量s2：

m為袋膜卷質量[13]。確定負載折算到電機軸的轉動慣量，即電機軸的折算慣量Q，公式為：

將式(3)作為限制條件，把式(4)和式(5)代入式(6)，得到電機軸折算慣量表達式為：

把負載正常的額定轉矩，控制在電機額定轉矩內，確保食品包裝加速減速的最大轉矩，在電機最大轉矩內，當袋膜卷的啟動轉矩達到最大時，計算臨界時刻的轉距值U，公式為：

其中a為滾動軸承的摩擦系數，V為送膜軸和袋膜卷的總質量，r3、r4、r5分別為送膜軸半徑、軸承內徑和軸承外徑[14]。計算袋膜卷的初始轉矩Z，公式為：

其中F為生鮮食品包裝速度，t為包裝機械啟動時間。采用CX-Programmer PLC編程軟件，使用邏輯梯形編程語言，設定送膜軸最大轉速、電機軸轉動慣量、袋膜卷最大轉矩、初始轉矩4個參數，自動化控制生鮮食品的整個包裝過程[15]。至此完成包裝速度參數設定，實現系統軟件設計，完成基于PLC的負壓式生鮮食品包裝機械速度控制系統設計。

2 實驗論證分析

將此次設計系統，與兩組常規負壓式生鮮食品包裝機械速度控制系統，進行對比實驗，比較三組系統控制下，機械包裝食品的袋膜偏移量。

2.1 實驗準備

試驗材料為生鮮蔬菜，包裝材料為500mm的PVC保鮮膜、以及PET包裝盒，保鮮膜柔韌性好，為聚乙烯薄膜。選擇DF-28B6型包裝機作為試驗平臺，包裝機觸摸屏為TK5100型號，含RS826和RS820通信接口，顯示食品包裝速度、縱封溫度等數值，試樣樣機如圖3所示。

圖3 包裝機械試樣樣機

調試樣機，將成卷的PVC保鮮膜和包裝盒，分別放置在送膜機構和傳輸裝置，利用可調距切紙刀，裁切包裝膜，每放入包裝膜和包裝盒，就同步運行輸送裝置和送膜機構，配合橫封裝置、切斷機構、縱封裝置，完成蔬菜的包裝過程。試驗參數如表2所示。

表2 包裝機械試驗參數

設置包裝膜的熱封時間為1.5s～1.8s，熱封壓力為150N～200N，熱封時間為120℃～150℃，利用PG82-52UY檢邊傳感器，檢測蔬菜包裝的封邊整齊度。

2.2 實驗結果

2.2.1 縱封偏移量測試

將拉膜速度作為測試條件，設定包裝速度為60mm/s～180mm/s，包裝質量為25g，包裝長度為200mm，恒速控制包裝袋材，每次試驗以包裝完成100包為止，測量三組系統縱封偏移量，測試結果如圖4所示。

圖4 縱封偏移量測試結果

由上圖可知，隨著拉膜速度的增加，縱封偏移量也隨之增加，設計系統的袋膜偏移量有效控制在0.55mm以下，平均偏移量為0.49mm，常規系統1和常規系統2的平均偏移量，分別為0.56mm和0.62mm，設計系統袋膜偏移量分別減小了0.07mm和0.13mm。

2.2.2 橫封偏移量測試

將包裝質量作為測試條件，設定包裝質量為10g～40g，包裝速度為120mm/s，包裝長度為200mm，測量三組系統橫封偏移量，測試結果如圖5所示。

圖5 橫封偏移量測試結果

由5圖可知，隨著包裝質量的增加，橫封偏移量也隨之增加，設計系統的袋膜偏移量有效控制在0.55mm以下，平均偏移量為0.48mm，常規系統1和常規系統2的平均偏移量，分別為0.54mm和0.60mm，設計系統袋膜偏移量分別減小了0.06mm和0.12mm。

2.2.3 對角偏移量測試

將包裝長度作為測試條件，設定包裝長度為50mm～350mm，包裝質量為25g，包裝速度為120mm/s，測量三組系統對角偏移量，測試結果如圖6所示。

圖6 對角偏移量測試結果

由上圖可知，包裝長度對設計系統無影響，而兩組常規系統的袋膜偏移量，仍隨著包裝長度的增加而增加，設計系統平均偏移量為0.48mm，常規系統1和常規系統2的平均偏移量，分別為0.56mm和0.61mm，設計系統袋膜偏移量分別減小了0.08mm和0.13mm。根據袋膜偏移量的標準設定值，統計三組系統控制下的食品合格率，如表3所示。

表3 袋膜包裝合格率統計結果（%）

綜上所述，設計系統相比兩組常規系統，減小了生鮮食品的袋膜偏移量，提高了包裝機械控制精度，充分保證了食品包裝的合格率，包裝效果得到明顯改善。

3 結語

此次設計系統充分發揮了PLC的技術優勢，生鮮食品袋膜包裝的偏移量，明顯小于常規系統，提高了產品包裝質量。但此次研究仍存在一定不足，在今后的研究中，會輕量化設計食品包裝機，進一步簡化系統執行機構，提高整機機構配合精度和穩定性，降低整機成本。