基于PLC 的餃子自動生產裝置的控制系統設計

黃 濤， 辛越野， 柴承文*

（1.北京印刷學院數字化印刷裝備北京市重點實驗室； 2.北京印刷學院印刷裝備北京市高等學校工程研究中心， 北京102600）

0 引言

我國對中國特色食品產業的發展需求起步很早，早在上世紀80 年代就推出了餃子機的相關技術標準[1]。 國內有較多學者和研究開發人員在小型或半自動中國特色食品生產裝置研究方面進行了一定的研究工作， 為中國特色食品生產的標準化、工業化發展奠定了技術基礎。

王建業、吳酉芝[2-3]對自動包餃子類食品機械的設計思想進行了研究， 提出了餃子自動生產設備的總體設計思路和發展方向；劉梅英、閆庚力等[4-5]基于三維設計軟件對餃子自動生產設備的設計技術和和虛擬裝配進行了研究，黃余森、呂志昆等[6-7]對灌腸式輥壓成型餃子機的結構特點和工作性能進行分析， 對餃子成型機的結構參數進行了優化，韓風岐[8]對餃子機的輸面裝置結構進行了參數優化，并通過試驗優化結果，馬瑞[9]用最大似然估計法對餃子機的壽命進行了研究。 上述研究者針對餃子類食品的自動生產裝置的設計原則、方法和功能需求、壽命計算方面進行了大量的研究， 但在采用氣動機構及方法實現餃子生產的理念尚未見相關的研究內容， 本文擬基于PLC 控制技術與理念，設計氣動餃子機的控制系統，搭建硬件和軟件系統，并進行功能試驗驗證。

1 自動包餃子裝置的組成原理與工藝流程

1.1 自動包餃子裝置的組成原理

自動包餃子裝置包括送皮機構、 放餡機構、 合皮機構、PLC 控制系統，3 個執行機構的運動由四個氣缸A、B、C、D 驅動， 氣缸動作則由相應的行程開關和方向控制閥組成的信號回路控制，如圖1 所示。

圖1 自動包餃子裝置系統原理圖

1.2 自動包餃子裝置的工藝流程

首先由光電開關1 檢測送皮機構末端有無餃子皮， 檢測信號發送到PLC，PLC 根據程序邏輯發送信號、驅動氣缸A 活塞向下伸出將餃子皮下推，放在下方的餃子模具工位上，然后氣缸A 活塞縮回，復位行程信號反饋給PLC 后，經控制程序發出信號驅動氣缸B活塞伸出，將餃子餡送到已經就位的餃子皮上，延時后氣缸B 活塞復位到起點， 同時由光電檢測開關2 檢測有無餃子餡，若檢測到餡料到位，PLC 發出信號驅動氣缸C、D氣缸的活塞同步伸出，將包餃子模具合并，完成整個包餃子過程，以上步驟不斷重復，直到相應的檢測裝置檢測到餃子制作數量達到原先設定值， 或者有手動停止信號產生，計數器信號或停機信號觸發通過PLC 執行停機操作。

2 自動包餃子裝置氣動系統設計

自動包餃子裝置的氣動系統主要包括驅動送皮機構、放餡機構和合皮機構的4 個雙作用氣缸（A～D），控制氣缸動作的電磁換向閥（E～H），以及檢測氣缸活塞行程起點和終點的接近開關（1S～8S），此外配置2 個光電開關（10S～11S）， 分別用于檢測工位上的餃子皮和餃子皮上的餃子餡。行程開關與氣缸活塞位置配合使用，用于確定氣缸活塞的運行范圍。在FluidSim 軟件中設計了如圖2 所示的自動包餃子裝置的氣動系統回路圖。

圖2 自動包餃子裝置的氣動系統回路圖

3 自動包餃子裝置控制系統分析與設計

3.1 自動包餃子裝置控制系統的硬件配置

控制系統采用了歐姆龍CPM1A-20CDR 型PLC 作為控制器， 氣缸行程檢測接近開關選用Omron E2EX1R5E1 型，檢測餃子皮和餃子餡的到位狀態的光電開關選擇Omron E3S-DS10E4 反射式開關。 光電開關將檢測到的信號通過PLC 輸入端口輸送到控制器， 通過控制程序運算后經輸出端口控制外負載， 即電磁鐵線圈控制換向閥芯動作，來實現各種工藝動作，包括餃子皮和餃子餡的輸送以及夾緊模具等相關工藝動作。

3.2 自動包餃子裝置的工作流程分析

自動包餃子裝置各機構通過控制系統中的程序與輸入信號、 輸出負載相互配合， 實現自動包餃子的工藝動作，自動循環生產。當系統開機后PLC 完成自檢后進入待命狀態，對輸入端口進行周期性掃描，當檢測到啟動按鈕后則進入工作狀態，經過送皮氣缸送皮，光電檢測餃子皮到位后，送餡氣缸將餃子餡放到餃子皮上，隨之完成合皮成型操作，具體信號與動作配合見圖3。

圖3 自動包餃子裝置的控制系統工作流程圖

3.3 自動包餃子裝置的PLC 端口地址關系配置

根據相關控制與動作要求， 配置PLC 輸入輸出端口地址與對應的輸入硬件（行程開關、光電開關）和輸出負載（電磁閥）的對應關系，如表1 所示。

表1 CPMIA－20CDR 端口地址關系配置表

3.4 氣動系統的動作循環

根據上述流程，以自動包餃子1 次為例，列出各行程開關、光電開關、氣缸和換向閥電磁鐵的動作狀態如表2 所示。

表2 自動包餃子裝置氣控系統運動循環表

4 試驗驗證與分析

利用印刷裝備數字化北京市重點實驗室的綜合氣動實驗臺， 對本文所設計的自動包餃子裝置硬件系統進行搭建， 并基于CX-Programmer 軟件平臺編程調試后， 對自動包餃子裝置的控制理念和方法進行了試驗驗證， 試驗過程證明利用PLC 控制思想設計的自動包餃子控制系統能完成提出的工藝動作， 回路設計與程序編寫、硬件系統搭接均可支撐工藝目的，試驗系統如圖4 所示。

圖4 自動包餃子裝置的控制系統試驗驗證

5 結論

根據上述分析， 自動包餃子裝置在提高包餃子生產效率方面具有一定的優勢， 但是由于包餃子方式和規格很難靈活改變，具有一定的局限性。

本文是基于《PLC 控制與數據采集系統主題實踐》的主題研究工作進行總結撰寫， 對不同產品規格要求考慮不足， 后續研究中將研究可快速更換模具和調整生產規格的技術與裝備。