基于PLC的綠葉菜包裝袋自動貼標機設計

萬均康 彭嘉庚 趙明宇 苗玉彬

（上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

隨著我國現代農業的發展，自動化包裝流水線因具有提高生產效率、減少人力勞動成本等優點，而被廣泛應用在蔬菜分揀、稱重和包裝過程。但隨著蔬菜（尤其是綠色菜）自動化包裝流水線的廣泛應用，對標簽貼附的效率和自動化程度提出了較高要求，即要求經過預稱重、精稱重和包裝后的綠葉菜能被傳送至自動貼標機處，由自動貼標機連續不斷地在包裝袋表面貼上溯源碼標簽（消費者能通過掃描綠葉菜溯源碼，追溯到綠葉菜的產地、種植、質量檢測等全部信息[1]）。

目前，自動貼標機大部分是針對食品、日化和制藥等行業進行專門設計的，且貼標機大多采用間歇送標簽、剝離標簽、扶壓標簽等方式來實現標簽的貼附[2-5]，有的貼標機采用“推手”的貼標設計方式，此類設備雖然可以解決編織袋等非平面的貼標問題，但是此類設備的占地面積大且不輕便[6]；有的貼標機基于機器視覺，通過邊緣檢測和輪廓提取來實時定位包裝盒，可為包裝盒進行實時貼標，但此類設備僅限于包裝盒體貼標，通用性不強[7]；劉錦航[8]設計了自動貼標控制系統的狀態機、步進電機控制，用神經網絡對自動貼標控制系統的參數進行了優化，但該系統的參數較多，且系統操作復雜。當待貼標物體接近貼標機時，貼標機帶動標簽紙帶到達貼標位置，然后將標簽直接壓在待貼標物體上。但上述設備大多要求待貼標物體表面平整[9]，而綠葉菜包裝袋在傳送帶輸送時，表面柔軟且凹凸不平，再加上上述設備在貼標時容易對綠葉菜造成機械損傷，故上述設備難以對綠葉菜包裝袋進行貼標。在此背景下，筆者針對目前綠葉菜包裝生產線對標簽即稱、即打、即貼的自動化需求以及綠葉菜的自身特點，設計開發了一種基于PLC（可編程邏輯控制器，Programmable Logic Controller，簡稱PLC）的綠葉菜包裝袋自動貼標機（以下簡稱PLC自動貼標機）。該貼標機能自動檢測包裝袋是否到位，能快速準確地貼附溯源碼標簽，且貼標效率和自動化程度較高。為促進PLC自動貼標機的推廣應用，筆者擬對該PLC自動貼標機的總體設計、硬件和控制系統設計、實際測試情況等進行總結介紹，以供參考。

1 PLC自動貼標機的總體設計

PLC自動貼標機的設計目的是實現對綠葉菜包裝袋的自動化標簽貼附，即在傳送帶輸送已包裝好的袋裝綠葉菜時，貼標機能自動檢測包裝袋是否放置到位，并約束和固定包裝袋的位置，然后依次完成標簽打印、標簽吸附、標簽貼附等一系列流水式作業動作[10-11]。整個流程無需人工干預，同時能保證標簽不漏貼、不重貼，且貼標作業不會對綠葉菜造成機械損傷。PLC自動貼標機控制系統的任務是要確保上述工作流程中的各種作業動作按照時序正確執行。

1.1 主要構成

PLC自動貼標機由PLC、電氣控制柜、傳感器和氣動執行機構組成。其中，PLC作為中央控制器，其輸入端子連接各種傳感器信號，輸出端子連接驅動電磁閥線圈，控制各執行機構的動作；電氣控制柜提供合適的交流和直流電源；多種類型的傳感器分別用于檢測包裝袋和標簽是否到位、氣缸是否完成動作；氣動執行機構分為限位氣缸、平動氣缸、豎直氣缸和真空吸盤，用于完成包裝袋限位、標簽吸附和標簽貼附等動作。

1.2 工作流程

PLC自動貼標機的貼標過程分為限位、取標、回位、貼標四個階段，其工作流程見圖1。具體工作流程為：當檢測到綠葉菜包裝袋就位后，限位氣缸將待貼標的綠葉菜包裝袋限位。光電對射開關檢測標簽是否打印完成[12]，若標簽已打印完成，平動氣缸開始進行標簽吸附，并由真空吸盤抽氣吸附標簽（其中，由稱重機對傳送帶上的綠葉菜包裝袋進行精稱重，稱重數據通過RS-485接口和MODBUS協議傳送到上位機。上位機由此獲取溯源碼、本地日期和重量等內容，生成打印驅動命令。標簽打印機采用熱轉印模式將數據按設定好的位置格式打印在標簽上。標簽打印完成后等待真空吸盤吸附，且標簽打印過程與貼附過程兩者并行處理、相對隔離）。當檢測到標簽吸附完成后，平動氣缸復位，準備標簽貼附。豎直氣缸向下伸出，將標簽貼附在綠葉菜包裝袋上，即貼標簽過程完成，整個流程動作連續流暢。然后，各缸復位等待下一次循環。

圖1 PLC自動貼標機的工作流程

2 PLC自動貼標機的硬件設計

PLC自動貼標機的硬件由PLC、電源模塊、傳感器和氣動執行機構的電磁閥驅動模塊組成。其中，PLC作為中央控制器，負責接收傳感器信號并據此執行相應指令，控制電磁閥線圈的通斷；電源模塊為系統提供所需要的交流電源和直流電源；傳感器檢測綠葉菜包裝袋和標簽是否就位、氣缸是否完成動作；氣動執行機構的電磁閥驅動模塊分別驅動三個不同安裝位置的平動氣缸和真空吸盤，用于實現綠葉菜包裝袋限位、標簽吸附和標簽貼附。

2.1 控制系統的總體架構

綠葉菜包裝袋自動貼標機控制系統的總體架構見圖2。具體為：PLC的輸入端子連接氣缸磁性開關和光電開關（氣缸磁性開關檢測氣缸動作是否完成，光電開關檢測包裝袋和標簽是否就位），輸出端子連接繼電器（繼電器通過改變電磁閥兩端線圈的通電，控制氣缸和真空發生器的動作及方向）。稱重機借助RS485接口實現與上位機之間的數據通訊。上位機通過U S B接口傳輸數據到標簽打印機ARGOX DX-4300。PLC和上位機的通訊通過以太網接口實現。

圖2 PLC自動貼標機控制系統的總體架構

PLC采用西門子S7-200 SMART，型號為CPU ST20，該PLC采用模塊化結構，體積小，重量輕，具有豐富的I/O接口模塊，適用于自動化生產線的順序控制，CPU模塊上集成了1個以太網接口和1個RS485接口，用普通網線即可實現程序的下載和監控[13-14]。依據總體設計方案，PLC需要5個數字量輸入端口和7個輸出端口，硬件連線見圖3。PLC輸入端口是對綠葉菜包裝袋和標簽是否就位、氣缸是否完成動作進行判斷，輸出端口則是對氣缸的伸出和縮回進行控制。

圖3 PLC自動貼標機控制系統PLC的硬件接線

分別采用光電對射開關和光電發射開關對綠葉菜包裝袋和標簽進行檢測。具體為：光電對射開關安裝在傳送帶兩側（選用歐姆龍光電對射開關E3ZT61），綠葉菜包裝袋傳送過來時，其對光線有遮擋作用，但光電對射開關能很好地檢測到信號。標簽表面為白色，對紅外線的反射效果好，當標簽打印完成后，光電反射開關（選用的光電反射開關型號為E3Z-D61）能快速檢測到標簽是否打印完成。傳感器采用NPN型輸出，按PLC接口要求接至輸入端子。

氣缸磁性開關用于檢測氣缸行程的位置，采用NPN三線制，接線頭反應靈敏。當氣缸的磁環接近磁性開關時，磁性開關能產生電信號，當磁環遠離磁性開關時，電信號消失，以此來判斷氣缸動作是否完成。

2.2 氣動回路設計

PLC自動貼標機的氣動元件包括運動機構（限位機構、取標機構、貼標機構）、真空吸盤、電磁閥。氣缸選用雙桿氣缸，接管螺紋為二位五通。氣缸的電磁閥采用三位五通中封閥，真空發生器的電磁閥采用兩位四通閥。氣體調壓閥與氣源串聯調節回路氣壓。其中，限位氣缸和豎直氣缸是垂直伸縮，用以實現綠葉菜包裝袋的限位和標簽貼附；取標氣缸是水平伸縮，用以實現取標動作。真空發生器制造真空吸盤的負壓，用以實現標簽吸附。各氣動元件的主要應用和型號見表1。PLC自動貼標機的氣動回路見圖4。

表1 PLC自動貼標機的氣動元件清單

圖4 PLC自動貼標機的氣動回路

PLC自動貼標機的電磁閥動作順序見表2。具體為：電磁閥C1控制限位氣缸的動作方向，電磁閥C2控制平動氣缸的動作方向，電磁閥C3控制豎直氣缸的動作方向，電磁閥C4控制真空發生器的動作。PLC發送信號給繼電器，控制電磁閥兩側線圈的通電，從而改變電磁閥的通向。不同氣缸動作均代表貼標過程中的不同步驟，這些均由PLC輸出信號決定。

表2 PLC自動貼標機的電磁閥動作順序

3 PLC自動貼標機的控制系統設計

PLC是綠葉菜包裝袋自動貼標機的核心控制部件，傳感器開關和繼電器與PLC的輸入輸出端口相連。PLC在接收各個傳感器的信號后，按照梯形圖程序指令，依次分別對繼電器發送電信號，實現對整個貼標動作流程的可靠控制。

3.1 PLC端口分配

根據設計思路，PLC自動貼標機控制系統PLC的I/O資源分配見表3。控制系統共需5個模擬量輸入和7個繼電器輸出，使用24V直流電源。其中，模擬量輸入點DI0、DI1、DI2均為氣缸磁性開關輸入，分別檢測限位氣缸、平動氣缸和豎直氣缸的動作是否到位；DI3、DI4均為光電開關，用于檢測標簽、綠葉菜包裝袋是否就位。輸出點Q0.0、Q0.1控制豎直氣缸的上升、下降動作；Q0.2、Q0.3控制水平氣缸的縮回、伸出動作；Q0.4、Q0.5控制限位氣缸的縮回、伸出動作；Q0.7控制吸盤抽真空。

表3 PLC自動貼標機控制系統PLC的I/O資源分配

3.2 主程序設計

順序功能圖是設計PLC順序控制程序的一種工具，適用于系統規模較大、按順序操作的控制。圖5是PLC自動貼標機控制系統PLC的順序功能圖。PLC自動貼標機控制系統的主程序主要采用復位和置位指令（復位和置位指令是常用指令，用復位和置位指令編寫的程序簡潔，而且可讀性強），并根據順序功能圖，在PLC編程軟件STEP7-Micro/WIN32上編制調試梯形圖。其中，置位S和復位R使輸出繼電器閉合或斷開，T37和T38均為定時器。在程序初始化完成后，安裝在傳送帶兩側的光電對射開關PS1檢測到綠葉菜包裝袋，限位氣缸導桿向下伸出，將綠葉菜包裝袋固定于傳送帶上。當限位氣缸動作完成后，氣缸磁性開關檢測到信號。同時，判斷標簽是否打印完成，若標簽未打印完成，則等待，若標簽打印完成，則會觸發光電反射開關PS0，然后平動氣缸水平伸出，安裝在末端的真空吸盤送至標簽上方，真空吸盤抽氣形成負壓，計時器延時1 s，將標簽吸附住。完成上述一系列動作后，平動氣缸復位，豎直氣缸的導桿向下伸出，將標簽貼附至綠葉菜包裝袋表面，整個標簽貼附過程完成。各缸復位等待下一次循環。

圖5 PLC自動貼標機控制系統PLC的順序功能圖

4 PLC自動貼標機的實際測試

筆者對設計開發的PLC自動貼標機進行了在線貼標測試，采用的熱敏標簽尺寸為60 mm×40 mm，共測試100包綠葉菜包裝袋，其中96包綠葉菜包裝袋的位置和貼標效果符合預期要求，剩余4包綠葉菜包裝袋由于包裝內的葉菜形狀過于不規則，影響了標簽貼附的平整性，但標簽仍能貼附在綠葉菜包裝袋上，即標簽位置合格率為96%，精度穩定在±5 mm，達到了預期效果。同時，經測試可知，PLC自動貼標機的真空吸盤吸附標簽正常，出標速度約為15個/min，貼標效率約為14次/min。

5 結 語

針對目前綠葉菜包裝生產線對標簽即稱、即打、即貼的自動化需求以及綠葉菜的自身特點，筆者采用西門子S7-200 SMART PLC，設計開發了一種基于PLC的綠葉菜包裝袋自動貼標機。具體設計過程為：通過分析自動貼標機控制系統的工作流程，進行了總體設計；完成了PLC、傳感器和氣缸等系統硬件的選型，并進行了氣動回路設計和PLC I/O資源分配和順序功能圖編制；編寫了PLC主程序，形成了PLC控制系統設計。設計開發的自動貼標機經實際測試表明，貼標過程準確高效，自動化程度較高，能夠滿足生產要求。