基于PLC的全自動糧食包裝機電氣控制系統的設計

馮 碩

(河南工業職業技術學院，河南 南陽 473000)

0 引言

國內糧食包裝企業大多采用人工加簡易包裝機進行粗放式半自動閥口包裝，包裝時灰塵飛揚、污染較嚴重，且用工較多、勞動強度較大。因此，全自動糧食包裝設備不僅可以減少糧食包裝環節對環境的污染，防止工人塵肺病的發生，有效替代人工在惡劣環境下的工作，減少用工量，降低勞動強度，還能夠帶動傳統包裝機行業產業升級，提高糧食包裝廠家的生產效率。為此，以PLC為主控制器，設計了一套全自動糧食精密包裝機電氣控制系統，能夠保證系統的穩定性及有效減少糧食的包裝誤差。

1 精密包裝機的工作原理

1.1 包裝計量設備的選擇

目前，市場上常用的包裝計量設備有定量給料機、轉子秤和螺旋秤3種。其中，螺旋秤是指稱重給料機對粉狀、散粒狀進行連續輸送、動態計量及控制給料的生產計量設備。螺旋秤設備如圖1所示。螺旋秤工作原理為：通過對絞刀轉動速度和圈數的控制，確定排出的物料體積，同時稱重傳感器對已包裝入袋的物料質量進行實時檢測；然后，將質量信號和和絞刀速度數據一起送入PLC控制器；最后，控制系統將實際流量信號和預設值進行對比，并通過PID控制器驅動變頻器，動態調節喂料絞刀的速度，從而實現定量給料。根據全自動糧食精密包裝機生產線配重系統的要求，本文選用螺旋秤作為系統送料計量設備。

圖1 螺旋秤設備示意圖

1.2 包裝計量裝置的整體結構

包裝計量裝置主要包括原料倉、伺服電機、螺旋送料機、秤臺和PLC控制系統等部件，如圖2所示。

圖2 定量配重裝置結構示意圖

定量配重裝置各零部件的功能描述如下：

1)原料倉：待包裝糧食進入口；

2)伺服電機：驅動螺旋送料機正常運轉；

3)螺旋送料機：將糧食從原料倉輸送到包裝袋；

4)秤臺：將包裝袋里面的糧食質量實時發送給嵌入式控制系統；

5)PLC控制系統：根據秤臺實時發送回來的糧食質量信號，給伺服電機發送電機轉速信號，從而實現螺旋送料機加料量的智能控制。

1.3 包裝計量裝置的工作原理

包裝計量裝置的整個工程流程由PLC控制器控制，自動完成糧食的計量和包裝。整個工作流程為：系統開始正常工作后，由上級供料系統向原料倉供料；PLC控制器根據預先設計的包裝袋質量、目標定量值和快慢給料閾值信息，驅動伺服電機控制螺旋送料機開始進行快速給料操作；秤臺獲取包裝袋已裝物料的模擬質量信息，經過濾波、放大、A/D轉換等操作，發送至PLC控制器，由其判斷是否已經達到預先設定的快速給料閾值；若達到快速給料閾值，則螺旋送料機開始進行慢速給料操作，當達到預先設定的目標定量值后，停止給料；該包裝過程結束，開啟下一包裝過程。包裝計量裝置的工作流程如圖3所示。

圖3 包裝計量裝置工作原理流程圖

1.4 包裝計量裝置機械部分的設計

包裝計量裝置機械結構是整個系統的核心部分，該部分設計的合理性和效率對整個系統的成本、可行性和精確度具有重要的影響。

包裝計量裝置機械部分包括送料機、計量設備及嵌入式控制器等。其中，計量設備是定量配重裝置機械部分最重要的部件，而螺旋桿是計量設備的核心。

螺旋秤在糧食包裝計量的實際應用中，最重要的零件是螺桿。螺旋秤中的螺桿，應該使設備符合大部分糧食的精密包裝，因此在對螺桿的設計中不僅要滿足設備對產量和要求，還要符合設備關于精度的要求。螺旋桿設計示意如圖4所示。

L為螺旋桿總長度，S為螺距，d為螺桿內徑大小，D為螺桿外徑大小。

螺桿外徑參數設定越大，每次帶出的糧食質量越大，計量誤差也越大；參數設定越小，因增加電機轉動的次數，包裝效率就越低。為了防止電機的抖動導致糧食的溢出，引起計量誤差，設計中將螺桿和伺服電機同軸轉動。

為了方便螺桿參數的設計計算，采用矩形截面螺紋的計算方法。其中，伺服電機帶動螺桿旋轉1次，帶出的糧食體積V為

V=F·L=t(S-b)·π·d/cosα(cm3)

(1)

螺桿每次帶出的糧食質量M為

M=V·γ·n(kg)

(2)

其中，F為矩形螺紋截面積；L為螺旋桿總長度；t為螺旋槽深度；S為螺距；b為螺旋葉片厚度；d為螺桿內徑大小；α為螺旋升角；γ為糧食單位容積質量值；n為螺桿的轉速。

螺桿參數的設計取決于待包裝糧食對象，式(1)和式(2)決定了螺桿參數的計算，這些參數的設定直接關系到整個系統的計量精度。

在計算過程中，假定螺旋填充率為1，根據以往經驗和試驗比較，設S=D=25cm，d=4cm。該參數屬于標準螺旋，對大部分糧食具有廣泛的適應性，能夠滿足設計要求，符合計量精度標準。

2 全自動糧食精密包裝機伺服系統的建模

2.1 伺服系統機械傳動的數學模型

伺服系統機械傳動結構主要包括電機、聯軸器、螺旋和定位螺旋絲桿等幾個部分。伺服電機的角位移量是傳動結構的輸入值，記為θM(t)；伺服電機帶出的糧食體積是傳動結構的輸出值，記為v0(t)。經過研究分析后，將伺服系統機械傳動轉化為如圖5所示的模型。

圖5 伺服系統機械傳動的動力模型

其中，I為等效負載慣量；L為定位螺旋絲桿長度；k為螺旋絲桿剛度；F為伺服電機的傳動力；F0為糧食給螺旋絲桿的摩擦阻力；v為螺旋絲桿轉動的空間排擠量；v0為糧食下落的體積量。

對于伺服系統機械傳動的動力模型，可以寫出其動力平衡方程式，即

(3)

其中，m為執行部件的質量；Cr為螺旋送料機上的粘性阻尼系數。

伺服電機的傳動力可以表示為

F=k(v-v0)

(4)

由公式(3)和公式(4)經Laplace變換后，可得

F=(mS2+CrS)v0(S)+F0

(5)

F=k[v(S)-v0(S)]

(6)

由公式(5)和公式(6)可得

(7)

不考慮螺旋絲桿摩擦阻力F0的影響，伺服系統機械傳動的動力模型的傳遞函數可寫為

(8)

(9)

從式(9)可以看出：伺服系統中機械傳動結構模型可以表示為一個二階系統，其固有頻率為ωn，阻尼系數為ξ。模型的結構框架如圖6所示。

圖6 伺服系統中的機械傳動機構的結構圖

2.2 自動包裝伺服系統整體數學模型的建立

得到伺服系統機械傳動的數學模型，便可建立整體的數學模型。假設伺服電機轉軸的慣量為J，電磁轉矩為M，伺服電機的力矩方程為

(10)

其中，fa和ML分別為伺服電機的阻尼轉矩系數和負載轉矩。

伺服電機的電磁轉矩M的表達方程式為

M=CTφIcosφ=kTIa

(11)

其中，kT和Ia分別為伺服電機的等效轉矩系數和負載電流。

最后，可以計算出伺服系統中伺服電機的傳遞函數方程式為

(12)

由伺服電機機械結構的傳遞函數公式(12)可得自動包裝伺服系統整體數學模型的結構框架圖，如圖7所示。

圖7 自動包裝伺服系統整體數學模型的結構框圖

自動包裝伺服系統的開環傳遞函數為

(13)

根據公式(13)和伺服系統的參數信息，可以得出其開環傳遞函數；然后能夠利用PID的良好靜態控制效果，在線對PID參數進行修改，實現包裝計量裝置的精準計量。

3 電氣控制系統的設計

3.1 系統硬件設計

PLC是全自動糧食精密包裝機電氣控制系統的核心控制器件，其動作傳輸信號采用按鈕、位置開關直接和PLC輸入端相連，控制性能可靠。根據對系統的分析與研究，該系統總共需要12個輸入點和8個輸出點。考慮到系統的可靠性和可擴展性，本文選用西門子公司的S7-200控制器。系統的PLC輸入輸出端口分配如表1和表2所示。

表1 PLC控制器輸入端口分配表

表2 PLC控制器輸出端口分配表

3.2 系統軟件設計

根據全自動糧食精密包裝機電氣控制系統的工藝流程和控制過程可知其采用順序控制，因此本文PLC軟件設計采用順序控制法，控制程序包括手動和全自動兩種模式。PLC控制主程序如圖8所示。

4 測試與分析

為了檢測基于PLC的全自動糧食精密包裝機電氣控制系統的精確度，采用該設備進行了小麥的包裝試驗。為了提高試驗的可靠性和準確性，一共進行了10次測試，結果如表3所示。

圖8 PLC控制主程序的梯形圖

序號定量包裝值/kg實際包裝值/kg偏差值/%15049.790-0.42025050.1720.34435050.1460.29245049.786-0.42855050.2280.45665050.2160.43275050.1180.23685049.862-0.27695050.0980.196105049.916-0.168

由表3可以看出：全自動糧食精密包裝機電氣控制系統精確度的偏差量在±0.4%之內，準確率滿足設計的千分之五要求，大大提高了全自動糧食包裝機的計量精度，符合設計標準。

5 結論

針對現代農業包裝產業技術的發展需求，以糧食包裝機為研究對象，設計了基于PLC的全自動糧食自動包裝機電氣控制系統。系統選用螺旋秤作為送料計量設備，并根據定量配重裝置的整體結構與工作原理，設計了定量配重裝置機械部分，建立了自動包裝伺服系統整體數學模型，從硬件和軟件兩方面實現了包裝機電氣控制系統。試驗結果表明：全自動糧食精密包裝機電氣控制系統的精確度的偏差量在±0.4%之內，準確率滿足設計的5‰要求，大大提高了全自動糧食包裝機的計量精度，符合設計標準。