基于PLC的水果氣動打標機控制系統設計*

王 跡 ，蘇 睿

（成都工業學院智能制造學院，四川 成都 611700）

0 引言

隨著農業水果市場的競爭越發激烈，進口或本地水果逐漸加強品牌意識，會在果皮表面貼上標簽，標明品牌、產地等信息，標記提高了水果信息的差異化，使“水果標簽”更加易讀。我國作為傳統農業生產大國，水果種植規模呈逐年遞增趨勢，而水果貼標是水果商品化處理的重要環節[1-2]。傳統貼標方式需要人工操作，費時費力，并且標簽易脫落，油墨、膠水、紙張浪費較多。

PLC控制系統是融合了微電子技術、計算機技術、自動控制技術和通信技術的一種新型工業控制裝置，借助其強大的處理能力，很容易實現自動化[3-5]。氣動打標機利用氣動、電動相結合的方式工作，結構簡單、成本低、速度快、可控性好，在機械工業領域應用廣泛，但在農業領域應用較少[6]。為此，課題組設計了一種水果氣動打標機，能夠利用PLC自動控制、氣壓傳動技術將水果標簽（含PLU碼、QR碼和條形碼等信息）打在柑橘、瓜果和石榴等水果表面，不僅節能環保，而且可以提高打標作業效率，節省勞動力，建立多樣化、通用化、多功能集成化的農產品包裝機械新體系。

1 氣動打標機氣壓系統數學建模

氣動打標機控制過程的主要流程為：將氣壓系統元件進行線性化處理，試建立滑閥的壓力-流量特性線性化微分方程和系統的微分方程。

式中：Cd——閥口流量系數；A0——閥口過流面積；ΔP——閥口壓力降；ρ——密度。

在閥口結構相同且為全周矩形開口的情況下，不考慮閥和缸泄漏，ΔP=1/2(PS-PL)，A0=xπd。故滑閥靜態特性方程設閥的額定工作點參量為PL0和x0，則qL0=f(PL0,x0)。

則滑閥的壓力-流量特性線性化微分方程為：

1）當不考慮泄漏時，氣壓缸流量的連續性方程為：

2）當不考慮阻尼力等時，氣壓缸的力平衡方程為：

聯立式（2）、式（3）、式（4），消去中間變量，即得到系統壓力-流量特性線性化微分方程：

2 氣動打標機總體設計

氣動打標機工作過程：圓形水果（柑橘、瓜果、石榴等）按照圖1所示的方式緊密排列在傾斜滾道內，依靠自重實現預定位，按下啟動按鈕，打印氣缸A的活塞桿帶動標簽貼快速伸出到水果表面位置，對欲打印的水果進行打印標記，完畢后，氣缸A的活塞桿縮回；此時，推料氣缸B的活塞桿伸出，把打印完畢的水果推出，以進行下一道工序；當活塞桿縮回時，下一個待打印水果到位，進入下一循環。控制系統主要由傳感器組件、PLC測控平臺、比例控制放大器、氣動方向閥和氣壓缸執行機構等部分組成。打標作業時，傳感器將采集到的信息傳送給PLC測控平臺，平臺經過信息處理向比例控制放大器發出控制信號，控制氣動方向閥使末端的執行機構執行相關的動作。

圖1 氣動打標機工作原理示意圖

2.1 氣動系統設計

打標機氣動系統原理圖如圖2所示，氣源經氣動三聯件（空氣過濾器、減壓閥和油霧器）向系統提供壓縮空氣[7]。系統的執行元件為打印氣缸A和推料氣缸B，缸A和缸B的主控換向閥為二位五通雙電磁鐵換向閥。缸A無桿腔接有快速排氣閥，用于加快其下行打印速度，以保證打印質量，氣缸返回時，為了減少沖擊，由節流閥負責排氣、節流、調速。對于推料氣缸B而言，其雙向調速均由單向節流閥完成。系統的4個行程開關B1～B4作為兩個換向閥電磁鐵通斷電的信號源，能夠使A、B兩個氣缸按照要求的動作順序運動。

圖2 氣動系統原理圖

整個動作過程通過PLC控制系統實現，1YA通電，電磁換向閥3換向到左，打印氣缸A伸出；2YA通電，電磁換向閥3換向到右，打印氣缸A縮回；3YA通電，電磁換向閥4換向到左，推料氣缸B伸出；4YA通電，電磁換向閥4換向到右，推料氣缸B縮回。

2.2 控制系統設計

裝置的核心在于傳感器、打印氣缸、推料氣缸三者的相互協同，實現識別、定位、移動等一系列動作，而基于PLC的電氣自動化控制系統通過編程自動化完成各種預定任務，采用PLC測控平臺。要使PLC運行起來，需設計PLC正常工作所需的最基本的外圍電路，其基本框架圖和電氣系統控制圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 基本框架圖

圖4 電氣系統控制圖

3 控制系統總體設計

3.1 傳感器模塊設計

傳感器模塊的主要功能是采集各種傳感器信號，包括位置、壓力、顏色和圖像信息等，并負責識別目標的位置、顏色、大小及接觸到分揀目標的碰撞信號。

3.2 PLC控制器的選擇

PLC控制器采用現代大規模集成電路設計，生產制造環境嚴格，具備可靠性高、抗干擾性強等優點。采用系統設計，利用其開發產品的工作量比較少，維護和升級也非常方便[8-10]。氣動打標機控制系統有5個電氣開關輸入信號，4個電氣輸出信號，沒有高速輸入輸出信號，I/O點數小于64，因此可選擇小型PLC（三菱FX3U-32-MR/ES）。

其內部采用CPU315-2DP，每條指令的執行時間約為50 ns，內部自帶384 KB主存儲器；不僅包括豐富的I/O接口，而且包括MPI/DP、PROFIBUS DP和以太網接口。

3.3 I/O接線圖設計

三菱FX3U系列PLC外部接線圖如圖5所示，I/O點分配表如表1所示，主要由啟動、行程開關輸入信號和YA1～YA4電磁閥輸出信號控制電磁閥的通電順序。

表1 三菱FX3U系列PLC I/O點分配表

圖5 PLC外部接線圖

3.4 PLC程序編寫

PLC程序編寫也是設計的重要環節之一，其梯形圖如圖6所示。

圖6 PLC梯形圖

4 結論

綜上所述，基于PLC控制的氣動打標機同時具備氣動技術和PLC技術的優點，工作介質經濟易取，環保無污染，可控性好，能通過PLC程序實現水果類農產品的自動供料及快速打印，抗干擾能力強，在較惡劣的環境中和速度要求較快的流水線上均能使用。

該水果打標機氣動系統結構簡單，采用雙電磁鐵換向閥控制氣缸運動方向，通過快速排氣閥加快打印氣缸排氣速度，以保證打標質量，通過單向節流閥對推料氣缸進行雙向排氣節流，運行穩定性好，有利于系統散熱。在水果果皮上對該機進行仿真實驗，仿真結果表明，其打標速度較快，果肉未被破壞，起到了較好的防偽作用，具有推廣價值。