基于雙閉環控制的食鹽自動裝箱機控制系統設計

惠延波　王永剛　王莉

摘 要： 針對目前食鹽裝箱系統中自動化程度低、控制精度低等問題，設計了一套基于PLC的雙閉環自動裝箱機控制系統。在此詳細介紹了系統的工藝流程，系統闡述了控制系統的I/O分配與接線，分析了控制流程，完成了控制系統的設計。該控制系統實現了控制過程的自動化，提高了系統的穩定性與可靠性。

關鍵詞： 雙閉環； 自動裝箱機； PLC； 控制系統

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）10?0101?03

Abstract： A double closed?loop control system for salt automatic encasing machine was designed based on PLC， which mainly aimed at the problem of low automation degree and control precision for the available salt encasing machine. The technology process， I/O assignment and wiring of the system are introduced in this paper. The control system was designed by analysis of the control process. The automation of the control progress was realized in the system. The stability and reliability of the system were improved.

Keywords： double closed?loop； automatic encasing machine； PLC； control system

0 引 言

在食鹽自動包裝流水線中，自動裝箱機是整個系統運行的核心，它將包裝物整形排列，按一定排列方式定量裝入紙箱中，并完成封箱送出等工作[1]。食鹽裝箱機性能的優劣直接影響食鹽裝箱的效率與品質。目前市場上的食鹽裝箱機整體技術水平偏低，主要存在著裝箱效率低、鹽袋在箱中排放不整齊等問題[2?3]。在食鹽自動裝箱系統中如何保證食鹽裝箱功能的前提下提高其自動化水平與效率以及控制精度本文需要解決的重要問題。針對上述問題，本文設計了一種基于雙閉環控制的食鹽自動裝箱機控制系統。

1 食鹽自動裝箱機工藝分析

食鹽自動裝箱系統主要有4大功能模塊：紙箱成型模塊、食鹽供給模塊、裝箱模塊和封箱模塊[4]。每個模塊由傳感器和執行器組成，傳感器檢測到的各種參數信號實時地送往PLC控制系統；執行器接收來自PLC控制系統的信號，實時地控制各相應模塊以完成預定的動作。

其工藝流程是：從生產車間輸送過來的小包裝食鹽，首先輸送到高速運行的伸縮皮帶上面，當光電檢測元件檢測到鹽袋時，伸縮皮帶迅速縮回一定距離，鹽袋便落在一級暫存機構上面，當落夠五袋時，一級暫存艙門打開，同時伸縮皮帶復位，鹽袋落在二級暫存機構上，二級暫存機構可以左右擺動，當二級暫存機構落夠兩排時，擺動氣缸工作，二級暫存艙門打開，鹽袋落入紙箱中，同時二級暫存機構復位，達到5層后，箱體輸往封箱機構完成封箱輸出產品，完成整個裝箱流程。其工藝流程圖如圖1所示。

鹽袋供給由縮進式皮帶機完成，縮進機構由伺服系統控制完成，根據光電檢測開關檢測到的鹽袋信號，做出縮進動作，使鹽袋下落自動排列，這一過程要進行精確定位，對伺服系統采用雙閉環控制，保證鹽袋下落的有序排列。

2 控制系統總體設計

2.1 總體方案設計

通過對食鹽自動裝箱機工藝流程的分析，按照雙閉環控制實現精確定位的要求，首先完成總體方案的設計，然后利用PLC強大的邏輯處理能力和伺服系統定位精度高的優點[5]，設計雙閉環控制系統。總體方案以PLC為控制核心，結合外圍檢測執行單元，完成整個裝箱過程的自動化控制。該控制系統主要由可編程控制器（PLC）、伺服系統、氣缸、檢測執行元件等組成。分析自動裝箱的控制時序[6]，確定各檢測執行機構I/O的分配，并畫出PLC接線圖。其控制系統總體結構圖如圖2所示。

2.2 控制器的選型

在食鹽自動裝箱機控制系統中，涉及動作機構不算太多，需要的輸入/輸出點數小型控制器就可滿足需求。另外，控制系統需要結合伺服系統完成精確定位，需要較高頻率的脈沖。綜合考慮各種因素，本系統選用的控制器為S7?200 smart SR40系列，它作為西門子公司新推出的為小型控制提供完美方案的控制器，具有結構緊湊，成本低廉且具有功能強大的指令集[7]。提供40個I/O點，24輸入點和16個輸出點，并可進行擴展。

CPU模塊配備以太網接口，集成了強大的以太網通信功能，輕松組網，方便快捷；最多集成3路高速脈沖輸出，頻率高達100 kHz，支持PWM/PTO輸出方式以及多種運動模式，可自由設置運動包絡。配以方便易用的向導設置功能，快速實現設備調速、定位等功能。

伺服系統是用來精確地跟隨或復現某個過程的反饋控制系統[8]。伺服系統選用松下MINAS A5系列，作為市場上的主流產品，它的響應頻率高達2 kHz，適合各種高速定位的工業場合；采用20位增量式編碼器，分辨率高；輸入/輸出脈沖頻率可達4 Mp/s；控制模式可選，提供速度、轉矩、位置和全閉環控制[9]。

鑒于其較高的響應頻率和控制精度，配合PLC的高速脈沖輸出，完全可以實現高速定位的功能。

2.3 食鹽自動裝箱控制過程分析

（1） 首先啟動電源，按下啟動按鈕SB1后，電磁閥YV1得電，氣缸開始進行箱體成型動作。

（2） 當箱體前進到光電開關SQ1時，電磁閥YV1失電，電磁閥YV2得電，推桿下移進行推箱動作，當推桿后退到光電開關SQ2處時，電磁閥YV2失電，停止推箱，推桿回歸原位以便下一次推箱。

（3） 在推桿回歸原位的同時，按下伸縮式皮帶機啟動按鈕SB3，皮帶機開始工作，伸縮式皮帶機縮進機構由伺服電機驅動，用光電開關SQ3檢測鹽袋通過次數，通過一個皮帶機縮進一定距離，鹽袋落入一級暫存機構。

（4） 一個工作循環即鹽袋通過5次后，光電開關SQ3閉合，伸縮式皮帶回歸原位，電磁閥YV3得電，一級暫存艙門打開，當推桿到達光電開關SQ4處，電磁閥YV3失電，鹽袋落入二級暫存機構，推桿迅速歸位，同時，電磁閥YV4得電，推桿橫推二級暫存機構移動一個鹽袋的距離。

（5） 重復工序（2）和（3），當一級暫存艙門第二次打開，光電開關SQ5閉合，推桿機構迅速回歸原位，同時，電磁閥YV5得電，二級暫存艙門打開，食鹽落入紙箱。

（6） 光電開關SQ6檢測二級艙門打開次數，一個工作循環即打開4次后，光電開關SQ6閉合，電磁閥YV6得電，氣缸推動封箱機構合蓋壓合，送出成品。至此整個工序完成。

2.4 輸入/輸出點分配表及PLC接線圖

該系統在伺服電機和PLC之間外接一個運動編碼器，采用內環伺服驅動器+伺服電機閉環，外環PLC+運動編碼器閉環，構成雙閉環控制形式。

系統中伺服系統選用位置控制模式，指令脈沖輸入采用脈沖+方向的方式。在位置控制方式下，伺服驅動器接收PLC發出的位置指令脈沖信號控制伺服電機的運轉。內部編碼器檢測到電機實際所產生的脈沖數反饋給伺服驅動器，經內部調節器調節控制伺服電機運轉。在外部，在伺服電機和PLC之間外接運動編碼器，將伺服電機的位置信息反饋給PLC，通過比較反饋脈沖和發出脈沖，通過研究控制算法進行控制的修正。

在此采用模糊PID算法進行外環控制系統的偏差修正，實現縮進的精確定位。將反饋脈沖與發出脈沖的偏差e（k）和和偏差的變化量Δe（k）作為被控量，按照一定的規則調整發出脈沖量，實現雙閉環控制的精確定位。

2.6 控制程序設計

根據自動裝箱機的工藝流程和控制方式，結合控制過程的分析、各個機構的動作順序，以及輸入/輸出點的分配和PLC控制接線圖，設計了PLC控制程序，其控制流程圖如圖5所示。PLC編程采用西門子STEP7 軟件，根據控制流程，采用順序控制法進行編程，分步執行不同的控制任務，使程序清晰明朗，方便程序修改與維護。

3 結 語

本文根據食鹽自動裝箱機的工作原理與工藝流程，對自動裝箱機的控制系統進行了研究，采用雙閉環控制系統設計實現了一套集控制、計數、精確定位功能于一體的食鹽自動裝箱控制系統。系統實時性好，可靠性高，設計成本低，運行操作方便。該系統對于改進較為落后的裝箱系統有很大幫助，可以極大地提高企業的裝箱自動化控制程度和生產效率，具有廣闊的市場前景和較高的推廣使用價值。

參考文獻

[1] 夏天煜，湯曉華，李可，等.在線智能視覺檢測系統在小包裝食鹽裝箱中的應用[J].北京工商大學學報：自然科學版，2011，29（5）：61?64.

[2] 張國全，張進，方忠華，等.全自動伸縮皮帶式軟袋裝箱機提升裝箱效率的結構設計[J].包裝與食品機械，2007，25（3）：22?24.

[3] 趙蕾，湯曉華，劉娜，等.袋裝食鹽生產線裝箱機頭直線電機運動控制研究[J].北京工商大學學報：自然科學版，2010，28（6）：46?51.

[4] 凌貿易.裝箱一體機系統方案設計及其控制系統開發[D].天津：天津大學，2010.

[5] 龍國煊，王仲，楊純.基于PLC和伺服電機的精密定位技術研究[J].傳感器與微系統，2010，29（12）：64?66.

[6] 黃濤，陳滿儒.基于PLC的火腿腸裝箱機自動控制系統的設計與實現[J].包裝工程，2009，30（2）：58?59.

[7] 西門子（中國）自動化與驅動集團.西門子S7?200 smart技術手冊[M].北京：西門子（中國）自動化與驅動集團，2012.

[8] 王剛，舒志兵.智能PID算法控制在伺服系統中的應用[J].機床與液壓，2008，36（7）：320?322.

[9] 松下電器產業株式會社電機公司.松下MINAS A5系列AC伺服電機使用說明書[M].北京：松下電器產業株式會社電機公司，2004.

[10] 李木國，李響，劉達.基于DSP的電機伺服系統中的模糊PID控制[J].測控技術，2011，30（6）：64?66.

（2） 當箱體前進到光電開關SQ1時，電磁閥YV1失電，電磁閥YV2得電，推桿下移進行推箱動作，當推桿后退到光電開關SQ2處時，電磁閥YV2失電，停止推箱，推桿回歸原位以便下一次推箱。

（3） 在推桿回歸原位的同時，按下伸縮式皮帶機啟動按鈕SB3，皮帶機開始工作，伸縮式皮帶機縮進機構由伺服電機驅動，用光電開關SQ3檢測鹽袋通過次數，通過一個皮帶機縮進一定距離，鹽袋落入一級暫存機構。

（4） 一個工作循環即鹽袋通過5次后，光電開關SQ3閉合，伸縮式皮帶回歸原位，電磁閥YV3得電，一級暫存艙門打開，當推桿到達光電開關SQ4處，電磁閥YV3失電，鹽袋落入二級暫存機構，推桿迅速歸位，同時，電磁閥YV4得電，推桿橫推二級暫存機構移動一個鹽袋的距離。

（5） 重復工序（2）和（3），當一級暫存艙門第二次打開，光電開關SQ5閉合，推桿機構迅速回歸原位，同時，電磁閥YV5得電，二級暫存艙門打開，食鹽落入紙箱。

（6） 光電開關SQ6檢測二級艙門打開次數，一個工作循環即打開4次后，光電開關SQ6閉合，電磁閥YV6得電，氣缸推動封箱機構合蓋壓合，送出成品。至此整個工序完成。

2.4 輸入/輸出點分配表及PLC接線圖

該系統在伺服電機和PLC之間外接一個運動編碼器，采用內環伺服驅動器+伺服電機閉環，外環PLC+運動編碼器閉環，構成雙閉環控制形式。

系統中伺服系統選用位置控制模式，指令脈沖輸入采用脈沖+方向的方式。在位置控制方式下，伺服驅動器接收PLC發出的位置指令脈沖信號控制伺服電機的運轉。內部編碼器檢測到電機實際所產生的脈沖數反饋給伺服驅動器，經內部調節器調節控制伺服電機運轉。在外部，在伺服電機和PLC之間外接運動編碼器，將伺服電機的位置信息反饋給PLC，通過比較反饋脈沖和發出脈沖，通過研究控制算法進行控制的修正。

在此采用模糊PID算法進行外環控制系統的偏差修正，實現縮進的精確定位。將反饋脈沖與發出脈沖的偏差e（k）和和偏差的變化量Δe（k）作為被控量，按照一定的規則調整發出脈沖量，實現雙閉環控制的精確定位。

2.6 控制程序設計

根據自動裝箱機的工藝流程和控制方式，結合控制過程的分析、各個機構的動作順序，以及輸入/輸出點的分配和PLC控制接線圖，設計了PLC控制程序，其控制流程圖如圖5所示。PLC編程采用西門子STEP7 軟件，根據控制流程，采用順序控制法進行編程，分步執行不同的控制任務，使程序清晰明朗，方便程序修改與維護。

3 結 語

本文根據食鹽自動裝箱機的工作原理與工藝流程，對自動裝箱機的控制系統進行了研究，采用雙閉環控制系統設計實現了一套集控制、計數、精確定位功能于一體的食鹽自動裝箱控制系統。系統實時性好，可靠性高，設計成本低，運行操作方便。該系統對于改進較為落后的裝箱系統有很大幫助，可以極大地提高企業的裝箱自動化控制程度和生產效率，具有廣闊的市場前景和較高的推廣使用價值。

參考文獻

[1] 夏天煜，湯曉華，李可，等.在線智能視覺檢測系統在小包裝食鹽裝箱中的應用[J].北京工商大學學報：自然科學版，2011，29（5）：61?64.

[2] 張國全，張進，方忠華，等.全自動伸縮皮帶式軟袋裝箱機提升裝箱效率的結構設計[J].包裝與食品機械，2007，25（3）：22?24.

[3] 趙蕾，湯曉華，劉娜，等.袋裝食鹽生產線裝箱機頭直線電機運動控制研究[J].北京工商大學學報：自然科學版，2010，28（6）：46?51.

[4] 凌貿易.裝箱一體機系統方案設計及其控制系統開發[D].天津：天津大學，2010.

[5] 龍國煊，王仲，楊純.基于PLC和伺服電機的精密定位技術研究[J].傳感器與微系統，2010，29（12）：64?66.

[6] 黃濤，陳滿儒.基于PLC的火腿腸裝箱機自動控制系統的設計與實現[J].包裝工程，2009，30（2）：58?59.

[7] 西門子（中國）自動化與驅動集團.西門子S7?200 smart技術手冊[M].北京：西門子（中國）自動化與驅動集團，2012.

[8] 王剛，舒志兵.智能PID算法控制在伺服系統中的應用[J].機床與液壓，2008，36（7）：320?322.

[9] 松下電器產業株式會社電機公司.松下MINAS A5系列AC伺服電機使用說明書[M].北京：松下電器產業株式會社電機公司，2004.

[10] 李木國，李響，劉達.基于DSP的電機伺服系統中的模糊PID控制[J].測控技術，2011，30（6）：64?66.

（2） 當箱體前進到光電開關SQ1時，電磁閥YV1失電，電磁閥YV2得電，推桿下移進行推箱動作，當推桿后退到光電開關SQ2處時，電磁閥YV2失電，停止推箱，推桿回歸原位以便下一次推箱。

（3） 在推桿回歸原位的同時，按下伸縮式皮帶機啟動按鈕SB3，皮帶機開始工作，伸縮式皮帶機縮進機構由伺服電機驅動，用光電開關SQ3檢測鹽袋通過次數，通過一個皮帶機縮進一定距離，鹽袋落入一級暫存機構。

（4） 一個工作循環即鹽袋通過5次后，光電開關SQ3閉合，伸縮式皮帶回歸原位，電磁閥YV3得電，一級暫存艙門打開，當推桿到達光電開關SQ4處，電磁閥YV3失電，鹽袋落入二級暫存機構，推桿迅速歸位，同時，電磁閥YV4得電，推桿橫推二級暫存機構移動一個鹽袋的距離。

（5） 重復工序（2）和（3），當一級暫存艙門第二次打開，光電開關SQ5閉合，推桿機構迅速回歸原位，同時，電磁閥YV5得電，二級暫存艙門打開，食鹽落入紙箱。

（6） 光電開關SQ6檢測二級艙門打開次數，一個工作循環即打開4次后，光電開關SQ6閉合，電磁閥YV6得電，氣缸推動封箱機構合蓋壓合，送出成品。至此整個工序完成。

2.4 輸入/輸出點分配表及PLC接線圖

該系統在伺服電機和PLC之間外接一個運動編碼器，采用內環伺服驅動器+伺服電機閉環，外環PLC+運動編碼器閉環，構成雙閉環控制形式。

系統中伺服系統選用位置控制模式，指令脈沖輸入采用脈沖+方向的方式。在位置控制方式下，伺服驅動器接收PLC發出的位置指令脈沖信號控制伺服電機的運轉。內部編碼器檢測到電機實際所產生的脈沖數反饋給伺服驅動器，經內部調節器調節控制伺服電機運轉。在外部，在伺服電機和PLC之間外接運動編碼器，將伺服電機的位置信息反饋給PLC，通過比較反饋脈沖和發出脈沖，通過研究控制算法進行控制的修正。

在此采用模糊PID算法進行外環控制系統的偏差修正，實現縮進的精確定位。將反饋脈沖與發出脈沖的偏差e（k）和和偏差的變化量Δe（k）作為被控量，按照一定的規則調整發出脈沖量，實現雙閉環控制的精確定位。

2.6 控制程序設計

根據自動裝箱機的工藝流程和控制方式，結合控制過程的分析、各個機構的動作順序，以及輸入/輸出點的分配和PLC控制接線圖，設計了PLC控制程序，其控制流程圖如圖5所示。PLC編程采用西門子STEP7 軟件，根據控制流程，采用順序控制法進行編程，分步執行不同的控制任務，使程序清晰明朗，方便程序修改與維護。

3 結 語

本文根據食鹽自動裝箱機的工作原理與工藝流程，對自動裝箱機的控制系統進行了研究，采用雙閉環控制系統設計實現了一套集控制、計數、精確定位功能于一體的食鹽自動裝箱控制系統。系統實時性好，可靠性高，設計成本低，運行操作方便。該系統對于改進較為落后的裝箱系統有很大幫助，可以極大地提高企業的裝箱自動化控制程度和生產效率，具有廣闊的市場前景和較高的推廣使用價值。

參考文獻

[1] 夏天煜，湯曉華，李可，等.在線智能視覺檢測系統在小包裝食鹽裝箱中的應用[J].北京工商大學學報：自然科學版，2011，29（5）：61?64.

[2] 張國全，張進，方忠華，等.全自動伸縮皮帶式軟袋裝箱機提升裝箱效率的結構設計[J].包裝與食品機械，2007，25（3）：22?24.

[3] 趙蕾，湯曉華，劉娜，等.袋裝食鹽生產線裝箱機頭直線電機運動控制研究[J].北京工商大學學報：自然科學版，2010，28（6）：46?51.

[4] 凌貿易.裝箱一體機系統方案設計及其控制系統開發[D].天津：天津大學，2010.

[5] 龍國煊，王仲，楊純.基于PLC和伺服電機的精密定位技術研究[J].傳感器與微系統，2010，29（12）：64?66.

[6] 黃濤，陳滿儒.基于PLC的火腿腸裝箱機自動控制系統的設計與實現[J].包裝工程，2009，30（2）：58?59.

[7] 西門子（中國）自動化與驅動集團.西門子S7?200 smart技術手冊[M].北京：西門子（中國）自動化與驅動集團，2012.

[8] 王剛，舒志兵.智能PID算法控制在伺服系統中的應用[J].機床與液壓，2008，36（7）：320?322.

[9] 松下電器產業株式會社電機公司.松下MINAS A5系列AC伺服電機使用說明書[M].北京：松下電器產業株式會社電機公司，2004.

[10] 李木國，李響，劉達.基于DSP的電機伺服系統中的模糊PID控制[J].測控技術，2011，30（6）：64?66.